国产鱼雷全数字仿真系统的应用分析*

杨 咚 陈迎亮

(1.海军驻昆明地区军事代表办事处 昆明 650118)(2.中船重工集团公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)



国产鱼雷全数字仿真系统的应用分析*

杨 咚1陈迎亮2

(1.海军驻昆明地区军事代表办事处 昆明 650118)(2.中船重工集团公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

论文通过引入全数字仿真技术概念,介绍了某型国产鱼雷全数字仿真虚拟试验设备的构建原理、系统组成和在某型鱼雷研制过程突破性的运用,设计了某型鱼雷虚拟样机、建立了鱼雷虚拟作战环境、成功在仿真环境下开展了鱼雷作战过程的虚拟试验,填补了我国鱼雷全数字仿真技术空白,也对部队训练运用开发此类设备进行了应用分析和展望。

全数字仿真; 鱼雷; 虚拟作战环境

Class Number TJ63+1.8

1 国内外发展情况

全数字仿真虚拟试验技术是基于数字样机的试验技术,近年来成为系统仿真领域研究的热点,其内涵主要涉及三方面:试验手段即试验所需设备的虚拟、试验对象的虚拟、试验环境的虚拟,它是在长期积累的有关数据、有关动力学模型以及各类三维模型的基础上,利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟现实设备,建立可方便进行人机交互的虚拟环境,在其中对实体或虚拟样机进行试验,用可视化的方法测试被试物性能及其相互间的关系[1～2]。

由于该技术可控、无破坏性、耗费小并允许多次重复,它不仅可以作为真实试验的前期准备工作,而且可以在一定程度上替代传统的物理试验,减少物理样机试验次数,使试验不受场、时间和次数的限制,并实现对试验过程的记录、重复与再现,帮助获得足够的性能统计和评价数据[3],实现设计者、产品用户在设计阶段信息的交互反馈,使设计者尽早发现并解决设计过程中存在的潜在问题,从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的[4]。

因此,该技术在发达国家在很多行业开始有了实际应用,在军事领域也成为了武器装备研发的重要工具,美国最早将虚拟现实技术应用于作战仿真。其研究人员在虚拟现实技术构造的数字化地形、地貌和敌情数据库上进行作战仿真和武器装备性能的评估。

由于虚拟现实技术生成战场环境可视化不仅仅应用在指挥自动化系统,对作战、训练模拟系统以及战术评估、论证系统也有重要意义,在军事领域有着广泛的应用前景,因此,美国军方始终把虚拟现实技术的研究与应用列于《国防部关键技术计划》中,并将虚拟现实技术视为建设21世纪军队和培训21世纪人才以及发展新一代信息化战争武器装备的“革命性”手段。

目前,国外武器装备的研制中已广泛应用数字试验技术。根据国外对“爱国者”、“罗兰特”及“尾刺”等导弹研制过程的统计表明,由于采用了全数字试验技术,使靶试实弹减少了30%～60%,研制费用节省了10%～40%,研制周期缩短了30%～40%。美军完成M1改进型坦克的作战试验,采用实物试验,需花费两年时间,耗资4000万美元;而采用全数字试验,则只需3个月,耗资仅640万美元。

我国鱼雷经过多年积累和发展,结合某型鱼雷的研制,在鱼雷全数字仿真虚拟试验技术上取得了巨大突破,设计了某型鱼雷虚拟样机、建立了鱼雷虚拟作战环境、成功在仿真环境下开展了鱼雷作战过程的虚拟试验,填补了我国鱼雷全数字仿真技术空白[5～6]。

2 系统原理

通过大型高速并行系统模拟雷上嵌入式电子环境,通过更高带宽的统一数据链路模拟雷内的各种数据传输通道,提供与雷内一致的软件底层操作接口,并将雷内软件移植至仿真平台,根据成熟的理论和可靠的试验经验构建鱼雷作战环境的数字模型,建立数字作战环境对数字鱼雷的驱动链路,使得数字某型鱼雷软件完全按产品状态运行,保证数字试验的正确客观性。

全数字仿真试验系统包括三项关键技术:高速并行系统雷上软件运行环境模拟技术、软件代码跨平台移植技术和数字样机敏捷构建技术。

1) 高速并行系统雷上软件运行环境模拟技术

雷内电子系统环境与高速并行系统环境的一个显著区别是雷内电子系统具有丰富的电子接口,包括AD/DA接口、UART接口、CAN接口、GPIO接口、PWM接口和100Mbps以太网接口等,而高速并行系统主要考虑运算能力,接口相对少,本系统中只有以太网接口、PCI-E接口和核间高速接口,但高速并行系统的计算能力和接口数据带宽数倍于雷内电子系统,因此可以通过中间层软件将数据带宽更高的接口模拟成雷内的各种硬件接口,使上层应用软件可按雷内环境运行。考虑到PCI-E总线主要针对高速外设运用,核间高速通道不支持计算机之间的连接,因此采用传输速率高达1000Mbs、支持多核共享,并且方便计算机之间的级联,以构成更大规模的并行系统[7]。

鱼雷全数字仿真系统采用如图1所示方式模拟雷内电子平台环境,一个计算核内的软件分为三个层次:以太网端口层、接口模拟层和CPU单元层。以太网接口层通过TCP/IP协议,根据端口号将一个网络接口划分为不同的子接口以对应不同类型的硬件接口。接口模拟层向下通过TCP/IP协议完成对外通信,向上通过与雷内底层驱动软件一致的编程接口完成与上层运用的连接,使得雷上软件可无缝链接至仿真平台。CPU层中包括传感器和执行单元的模拟插件、雷上产品软件和时钟同步服务,模拟插件使用模拟接口完成信息交互,并通过模型模拟组件的外部特性。由于仿真系统的计算能力较雷内电子平台强,替换更快的时钟节拍加速软件的运行速度,压缩数字试验时间;另外仿真系统节点关系较雷内环境复杂,需要采用专用的时钟同步机制,因此仿真系统中有且仅有1个时钟服务器,各节点通过时钟服务客户端来同步仿真步骤。雷内软件在仿真平台上运行不会感知到与雷内环境的差异,底层驱动接口一致、传感器与执行单元接口和外部特性一致,从而保证了全数字仿真试验结果与实物试验结果具有较高一致性。

2) 软件代码跨平台移植技术

实现代码在雷内电子平台和全数字仿真平台之间移植的关键在制定合理的编码规范,采用国际标准,避免使用编译环境的特殊功能,同时采用与平台无关的软件结构。某型鱼雷的软件虽然存在多种运行硬件环境,但通过遵守《某型鱼雷软件系统软件编制规范》和采用某型鱼雷标准软件结构可满足了跨平台移植的技术要求[8]。

3) 敏捷构建技术

采用一个简单的模型描述各仿真节点间复杂的逻辑关系是快速构建全数字仿真试验系统的关键,某型鱼雷软件研制中提出了采用关系矩阵模型描述仿真节点关系的方法,如图2所示,阵列的行和列均为核编号,由于核间关系不存在方向性,也不存在自相关性,因此阵列对角线为空,阵列左下角也为空,阵列右上角的每一个元素对应了两个核之间的关系。一个核间关系包括:网络地址、模拟端口参数、传感器及执行单元模拟程序列表和仿真程序列表等四个元素。将核间关系阵列归纳为核间关系矩阵R,如式(1)所示。构建全数字仿真系统的过程就是在完成各单项节点任务的基础上实现R矩阵,关系矩阵中的元素Rij可以是一个基本的核间关系,也可以是一个子关系矩阵。

图1 全数字仿真平台环境模拟框图

图2 多核关系阵列

关系矩阵方法简单、清晰,首先将复杂的系统软件开发化整为零,将工作分解为简单的单项软件任务,然后化零为整将单独的软件功能集成为功能强大的系统软件。

(1)

3 系统构成

鱼雷全数字仿真系统构成如图3所示,包括鱼雷模拟器1、鱼雷模拟器2、目标模拟器、系统管控与数据库分系统、网络数据核心交换机和应用终端等。采用基于用户数据包协议(UDP)的体系构架,运用四台高性能服务器(包括磁盘阵列)、四台高性能图形工作站、高带宽的网络交换机、高速数据并行处理单元及视频加速显示单元构建系统的硬件平台,满足仿真系统的可视化、可操作性/重用性、强实时性、可伸缩性及强交互性等要求[9]。

图3 全数字仿真系统构成框图

四台图形工作站应用终端完成试验过程三维可视化、试验流程控制、数据辅助分析和试验流程监测。每台应用终端完成的上述具体功能根据用户设置而定。数据交换机作为整个平台数据交换的核心设备,完成整个平台的数据通信和交换功能。运用用户数据报协议(UDP),实现仿真系统内部各分系统之间的互联。以太网数据网络以机箱式万兆路由交换机作为数据交换中心,支持L2/L3线速交换。采用高性能服务器,通过高带宽、低延时的PCI Express总线将高性能服务器与64核数据加速处理单元连成一个整体,4服务器之间由万兆网络连接,构成了256核的大型并行高速数字处理系统,如图4所示。

图4 服务器与数据加速单元构成的模拟分系统结构示意图

在某型鱼雷全数字仿真系统中采用了RTI机制实现了“软总线”功能,使各仿真节点可灵活地加入仿真执行。仿真节点可作为一个独立的进程存在,也可由一个或多个进程组合而成。仿真节点之间通过RTI进行数据交换和时间同步。

4 虚拟试验实施过程

如图5所示某型鱼雷全数字仿真高速试验过程,将雷内产品软件移植至虚拟某型鱼雷样机,按与产品完全相同的软件技术状态仿真运行数字某型鱼雷航行攻击过程,实现软件的测试和评估[10]。

图5 某型鱼雷数字试验框图

某型鱼雷全数字仿真试验过程如下,发控台配置所有相关的鱼雷发控参数,包括工况、雷型、预设定参数、弹道控制参数、操雷设定参数等,并配置作战环境,包括自导探测模型、尾流探测模型、目标机动模型等,并将常用模型配置为一键设定,模拟鱼雷发射,启动全雷弹道运行。鱼雷模拟攻击过程中,可发送遥控指令,考虑到加速试验较快,有可能来不及手动发送遥控指令,可设定时间点由操控台自动发送遥控指令。目标模拟器在预设轨迹或人工实时控制模式下航行;声自导探测模拟器或尾流探测模拟器根据航行阶段对目标进行探测,并将探测结果输入雷内弹道模块;探测模型可设定;探测结果可强制设定;根据鱼雷报警模型和鱼雷航行状态,鱼雷报警模拟器向目标模拟器输出鱼雷报警信息,目标模拟器开始启动对抗措施,包括干扰器材和机动规避。目标模拟器对抗方式可由程序预先设定,也可实时由人工控制完成,也可不采取措施;引信模拟装置根据鱼雷的引信输出条件和鱼雷与目标的相对位置关系给出是否命中目标结论。

5 应用效果

1) 复杂逻辑功能测试

嵌入式系统由于条件限制,软件流程的驱动条件很难在实物样机上可控制造,使得直接在实物样机上进行复杂逻辑的软件测试非常困难。某型鱼雷的作战使用方式非常丰富,使某型鱼雷软件逻辑较复杂,传统的软件测试技术无法满足,某型鱼雷全数字仿真高速试验系统成功解决了军用嵌入式软件测试难题,如图6所示。经过大量实航试验证明,完全依靠全数字仿真试验技术进行测试的全雷弹道软件功能性能完全符合要求。

图6 声自导多目标对抗全数字仿真试验示意

2) 某型鱼雷作战效能评估

某型鱼雷全数字仿真系统可将虚拟试验时间压缩至实物试验时间的5%,效率提高了20倍,可进行大样本的测试分析。通过某型鱼雷全数字仿真试验,针对一定进入距离范围和目标速度,进入角在30°～150°范围,雷速分别一定条件下,假定攻击目标为100×10m尺度等条件,选择了1500种尾流作战态势样本进行仿真试验分析;针对一定航速的低速目标和高速目标,自导开机距离一定范围,在一定跟踪速度下,目标尺度为100×10m,选择了1700种声自导攻击态势样本进行仿真试验分析。通过软件全数字仿真试验,完成了某型鱼雷弹道仿真分析和某型鱼雷命中概率分析等,不仅对软件进行了深入测试,而且开展了有效的评估分析。

某型鱼雷全数字仿真系统采用了时间压缩技术,将测试效率提高了20倍,即1000s的实际攻击过程50s即可完成,显著提高了软件测试效率,为大样本软件效能评估提供了技术基础。该技术可为软件可靠性定量指标分析提供了一种可参考的技术途径。目前软件可靠性的定量分析在可靠性领域中是一大难题,虽然有相关的分析理论,但工程操作较为困难,例如按某型鱼雷最长工作时间n小时计算,计算出可靠性指标的样本数累计约为10000小时,大约需要416天时间,如果采用全数字仿真高速试验技术,可在20天左右完成样本统计,具备工程应用条件。平台差异对软件可靠性指标的影响随着软件技术的发展和电子平台技术的发展,影响已经逐渐减小,在一定设计规范的约束下,可基本消除影响。

3) 实航软件逆向验证

软件研制过程中出现实航软件异常情况,在传统技术条件下,只能采用人工数据比对方式进行故障排查,效率低,定位不准确,通过某型鱼雷全数字仿真试验系统,可将实航数据反演至数字某型鱼雷,驱动软件按实航状态运行,并通过仿真平台提供的段点调式工具快速定位故障点,因此尽管某型鱼雷软件规模大,软件逻辑关系复杂,但故障定位效率较高,未出现过软件故障不清等问题,某型雷科研试验某条次的软件故障就是是通过该技术进行快速重现和定位的。

6 应用展望

鉴于虚拟现实技术在军事领域的诸多优势,各发达国家纷纷投入巨资对其基础技术与应用技术加以研究,并在海军及鱼雷作战训练中得到发展应用;我军对虚拟作战的研究也日趋深入,尤其是近年来在鱼雷虚拟作战方面也有新的突破,但与先进的军事大国相比,仍存在不小差距,因此,需要抓住虚拟现实技术在军事领域的发展方向,围绕新的战略战术态势,逐步开发适合新形势作战的虚拟作战系统平台。

相对传统鱼雷作战训练方式,开发鱼雷虚拟作战平台将在三个方面具备显著优势:安全、成本、效率。实地实战训练不仅成本高昂,而且受气候变化、海况、国际政治等因素影响,同时对战士生命及环境造成一定威胁。

美国最早将虚拟现实技术运用于军事作战仿真,并引领整个领域的发展方向,在虚拟海战方面也开发了较完备的作战体系。20世纪末美国海军开发了人造环境战术集成(Synthetic Environment Tactical Integration,SETI)系统,该系统为舰队提供了访问海军海底作战中心的海底作战模型和进行仿真训练所需的系统、过程和能力。该系统通过人工鱼雷、人工目标来降低费用、提高训练效益,并让受训人员仿佛置身于真实的作战环境中;同时SETI可提供模拟目标对抗和作战海域的海洋环境及命中信息评估、真实目标规避、对抗等功能。该系统主要有三部分组成:大西洋海底试验和训练中心(AUTEC)、演习通信中心(ECC)、武器分析设备(WAF),整个鱼雷发射评估的流程为:通过SETI虚拟鱼雷程序,潜艇在训练中心AUTEC任何深度发射虚拟鱼雷,鱼雷运行于武器分析设备上(WAF),通信中心(ECC)完成整个数据通讯。

2002年底,美国在舰队综合训练中首次验证了海上虚拟训练系统(Virtual At-Sea Training,VAST),该系统集成实现了海洋立体战斗空间,使全体舰队官兵实时参与主导整个战斗过程。该系统可模拟任何感兴趣的交战空间及目标,同时可与战斗兵力战术训练系统(Battle Force Tactical Training,BFTT)集成使用。2010年美国又相继投入使用了舰上、岸上虚拟学习系统(Virtual Environments for Ship and Shore Experiential Learning,VESSEL),潜艇训练虚拟环境系统(Virtual Environment Submarine Trainer,VEST)分别用于训练培训新兵及未来海军军官。

德国法国等欧洲国家的虚拟鱼雷作战系统与美国的网络式交互系统不同,更侧重于开发独立的模拟器或依托于某型鱼雷开发模拟系统。如法国的海上鱼雷处理系统直流模拟器用于鱼雷远程操作控制仿真,可模拟各种海底条件、海流、鱼雷、可见度、其他物体和资源探测等。德国的指挥与操作训练器,训练内容包括船只控制,水下目标的探测和区分,对鱼雷的区分、平衡和报告以及对水上机器人的控制等,同时也包括一些维护训练。德国以332型攻击鱼雷为基础,开发了DSQS-11M型模拟控制器;另外,法国舰艇建造局专门为德法两国共同研制的MU90轻型反潜鱼雷开发了SIMOPE鱼雷模拟器。

2004年,澳大利亚与美国联合开发MK48 Mod7型鱼雷时,专门成立了海上实验室(Maritime Experimentation Laboratory,)及鱼雷系统中心(Torpedo Systems Centre,TSC)用于承担一系列虚拟战环境下的网络中心战实验,并利用TSC完善的模拟和仿真工具进一步研制新型MK48重型鱼雷。

目前我国装备部队的主战鱼雷尚缺乏虚拟训练系统,主要依靠操雷进行实航练习。我国最新研制的某型鱼雷即将大规模装备部队,部队面临的首要问题是如何掌握该型鱼雷的使用方式和最大程度的发挥产品的作用,使得在最短的时间内形成战斗力,而组织各型鱼雷的操作训练是解决这一问题的关键。由于鱼雷是典型的大型复杂电子装备,舰艇部队配备少,在实装上进行操作训练会造成装备的严重损耗,降低装备的生命周期,一是不能满足大批次人员的集中训练,二是多种类型的鱼雷难以统一组织进行训练,更无法针对战场复杂作战环境和任务进行实战适应性训练,给操作人员培训和提升装备的战斗力带来了较大难度。因此引入基于全数字仿真的虚拟训练系统具有重要的军事意义,通过虚拟训练系统,可针对鱼雷产品准备、作战指挥决策等进行有效的辅助训练,提高部队对涉及作战的重要问题进行筹划设计和选优决断的熟练过程。

7 结语

综上所述,某型鱼雷全数字仿真系统弥补了我国相关技术空白,对某型鱼雷的研制起到了关键作用。将全数字化鱼雷仿真系统应用于鱼雷研制和训练过程,符合减少人员、物资的损耗,提高军事作战水平和训练效率的现实需求。

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《舰船电子工程》编辑部

Application of Domestic Torpedo Full Digital Simulation System

YANG Dong1CHEN Yingliang2

(1. Navy Representative Office in Kunming, Kunming 650118) (2. Kunming Branch of the 705 Research Institute of CSIC, Kunming 650118)

By introducing the concept of full digital simulation technology, the paper introduced building principle and system composition in a certain type of domestic digital torpedo’s virtual test equipment, and the application in course of developing the torpedo. Virual torpedo model was designed, torpedo operational environment was built, the process of torpedo operation virtual test was carried out in the simulation environment successfully. It filled the gaps of torpedo full digital simulation technology in the domestic, and analyzed the application and prospect in the military training and developing such equipment.

full digital simulation, torpedo, virtual operational environment

2014年7月7日,

2014年8月23日

杨咚,男,工程师,研究方向:信号处理和水中兵器研制。陈迎亮,男,硕士研究生,工程师,研究方向:软件体系结构、数字化仿真分析。

TJ63+1.8

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.006