基于可视化仿真的高炮系统服务概率分析技术*

李　昭，李　强

（中北大学机电工程学院，太原　030051）



基于可视化仿真的高炮系统服务概率分析技术*

李昭，李强

（中北大学机电工程学院，太原030051）

摘要：服务概率是高炮系统作战效能的一个重要指标，同时也是合理配置防空兵器的重要参考依据。以排队论为基础的高炮系统服务概率数学模型及数值仿真技术已经比较成熟，但是其仿真过程不够直观形象。通过数据传递，在数值仿真的基础上建立了视景仿真系统，分析了系统的整体框架以及工作流程。在基于Unity3D的三维视景环境中，以真实的仿真数据来驱动模型运动，实现了目标航迹模拟以及目标信息的实时获取，再现了高炮系统的服务过程与射击效果，为高炮系统作战效能评估提供重要参考。

关键词：高炮系统，排队论，服务概率，视景仿真

0　引言

空袭与防空已经成为现代战争的主题，制空权也成为主导战争走向的主要因素，因此，作为防御末端，高炮武器系统有着不可替代的作用，那么对高炮系统作战效能的评估显得尤为重要。服务概率是高炮武器系统作战效能评估的重要指标，也是合理配置防空兵器的重要依据，很多学者都对高炮系统的服务概率进行了大量的研究：如文献［4］中，作者用Monte Carlo法对武器的射击效能进行分析，专业性很强；文献［5］中作者把防空场景显现在二维空间中，起到一定的可视化效果，但与实际环境符合程度较低；文献［6-7］中，作者都是只用数值仿真来分析高炮系统的服务概率。虽然在文中对高炮系统的服务概率都做了很好的阐述，但是对于缺少较深专业知识的基层部队指挥人员来说，简单的数据加曲线不能够提供很好的参考，所以本文旨在能够阐述一种新的研究方法。

本文对基于排队论的高炮系统服务概率的算法进行了数值仿真，在数值仿真的基础上，建立了三维视景环境。通过数据的传递，结合视景仿真和数值仿真的特点，使用VisualStudio2010和Unity3d等开发工具开发了高炮武器服务概率视景仿真系统，以固定翼飞机为目标，用实际的数值仿真数据驱动模型，更加直观、形象地展现了对目标跟踪、服务判断及服务效果的全过程，为基层部队的防空兵力部署及作战效能评估提供重要参考价值。

1高炮系统服务概率的数值仿真

1.1基本概念及相关约定［2］

①高炮系统的服务概率是指：当有足够多个目标以某种规律持续不断进入高炮系统防御空域时，高炮系统射击的目标数与来袭目标数之比；

②排队论中在研究排队问题中基本都是将顾客假设为Possion流，流的强度λa是Possion流的一个重要特征。

1.2高炮武器系统服务概率的数学模型［1］

假定目标做等速直线飞行，高度为H，航路捷径为Pq，速度为Vm。在高炮系统阵地位置与目标航线所在平面作示意图，如图1所示，O为火炮阵地位置，L为目标航线，Mj为目标过航点，M0为高炮系统射击死界范围的临界点，Mm为目标航路上与火炮有效射击斜距离Dm=|OMm|对应的点，则MmM0为高炮系统的火力范围，即火炮发射出的射弹应该与目标遭遇的范围。

图1　目标服务条件示意图

由图1分析可知，高炮系统可以对第i个目标提供服务的充分必要条件是：第i个目标现在点位置Mi位于目标航路上点Mf以远，即

由此可得服务概率的数学模型为：

1.3高炮系统服务概率的仿真计算

1.2节中已经建立了高炮系统服务概率的数学模型，要由该式得出服务概率的解析结果是极其困难的，所以用计算机仿真技术对服务概率进行模拟计算。按照排队论的概念及相关约定，设有N个目标以Possion流的特点进入高炮系统防御空域，有M个目标被服务，则服务概率为Ps（N）为：

若N足够大，则Ps（N）趋于一个稳定值，即为高炮系统的服务概率。图2为数值模拟计算流程图，当N足够大时，可以用模拟次数Ns代替N来实现模拟计算，即Ns可以当作是目标的个数。

图2　模拟计算流程图

模拟计算所需要的高炮系统的相关参数：

Dm——有效射击斜距离（m）;

φmax——火炮最大射角（°）；

Ω——火炮系统最大方向跟踪角速度（°/s）；

Φ——火炮系统最大高低跟踪角速度（°/s）；

Dc0——火控计算机计算弹丸飞行时间的最小提前斜距离（m）;

trt——系统反应时间（s）;

tbf——点射持续时间（s）;

tt——相邻两次点射的间歇时间（s）;

Nfp——最多允许点射次数（次）;

V0——火炮初速（m/s）;

C43——1943年阻力定律弹道系数。

与目标及其航路和模拟计算有关的参数：

H——目标高度（m）;

Vm——目标速度（m/s）;

1/λa——目标流强度的倒数（即目标平均时间间隔，s/架）;

Ns——模拟次数。

图3　数值模拟界面

如图3为数值模拟的界面，可以通过此界面进行参数设定，以及用按钮来实现模拟计算、数据保存及生成目标各因素对服务概率的影响曲线，设某型火炮系统的参数和某型战斗机的相关参数以及模拟次数如表1所示：

表1　仿真计算相关参数

仿真计算结果如表2所示：

表2　仿真计算结果

图4　H、λa及Vm对服务概率的影响

如表2所示，通过数值仿真可以得到高炮系统在给定条件下对目标的服务概率与平均点射次数，以及目标各因素对服务概率的影响（如图4）。但是其过程不够直观形象，具体哪一架飞机受到服务，以及服务次数就不容易观察，如果要考虑每发弹的毁伤概率的话，就更难评价作战效果。

2视景仿真系统分析与设计

视景仿真技术是计算机仿真的一个重要分支，其主要是通过计算机图像处理及三维显示技术，以达到逼真的三维仿真效果，使用户产生基于科学算法的视觉与听觉的交互环境，以及等同于实战环境的体验和感受［3］。

根据相似原理，在数值仿真的基础之上，通过数据传递，按照排队论的基本原理以及高炮系统对目标服务的条件，结合视景仿真技术，建立视景仿真系统。其中数据传递是连接数值仿真与视景仿真的关键，从而做到直观形象而又不失真的效果。

视景仿真系统由以下几个模块构成：①目标航迹生成；②目标跟踪测量；③高炮系统对目标的服务判断；④三维视景模拟。如图5所示：模块①主要用来读入数值仿真中输入及输出的参数，以生成随机目标，并用来驱动模型运动；通过②③模块来实现对目标的判断；模块④用来建立模拟实战的三维场景，用来显示高炮系统对目标的服务效果。

图5　视景仿真系统原理图

2.1仿真系统工作流程

①读取数值仿真保存的数据，并将相关数据传递给GUI界面参数输入窗口及实物模型。

②根据参数输入窗口的目标及高炮参数，生成随机目标的起始位置；假设目标服从匀速直线运动，根据目标速度，生成目标航迹。

③实时跟踪测量目标运动中的水平距离、航路捷径及目标从生成开始的飞行时间，将数据实时传递给GUI界面的目标参数栏及目标判断模块。

④根据相关参数及服务条件，计算可射击时间及点射次数，输出点射次数，判断目标能否被服务。

⑤以上3个模块中间通过相应的传递函数及参数相互联系在一起，在三维场景中可以实时地看到服务效果。

2.2系统仿真实现

①数据的传递，分为两个关键部分：第1部分是数值仿真数据的保存，在matlab用xlswrite（）来实现，把相关数据保存在excel表格中；第2部分是把表格中的数据读取到视景仿真系统中，用void read-XLS（）函数来实现，此函数包括定义文件链接地址、将代码定义为变量、建立连接器、封装命令以及数据的缓存与转存。

②要实现目标航迹模拟，需满足两个条件，即目标的初始位置和目标的运动规律。根据目标、高炮参数，通过相应的计算分析可以得到目标航路捷径最大值SP和水平距离最大值X1e，然后随机生成目标初始位置坐标。根据前面的假定，这里设目标为匀速直线运动，速度为Vm。在Unity3d中，目标航迹是在FixedUpdate（）事件中通过设置transform.position实现的，目标航迹产生的具体方法如下：ⓐ通过UnityEngine.Random.Range（）方法随机生成航路捷径Pq及水平距离X1，确定目标初始位置（X1，H，Pq）；ⓑ使用（GameObject）Instantiate（）方法实例化目标到初始位置；ⓒ用transform.Translate（）方法给目标按给定的运动规律运动；ⓓ通过线渲染器Line Renderer将目标显现出来。

图6　视景仿真效果界面

在unity3D中可以通过GUI模块建立窗口，来实现界面输入与后台代码的联系。如图6所示，通过对界面控件的操作，视景仿真系统实例化了两个目标，这两个目标是根据数值仿真中的数据在三维视景中随机生成并按一定速度运动。

③在Unity3d中，可以用GetComponent（）获取目标后，然后在FixedUpdate（）事件中通过设置步长，实时获取目标对象的Transform.Position属性（包括目标位置的坐标），通过设置时间播放器获得飞行时间，然后将获得的数据实时显示在仿真界面中。

通过按钮控件的设置，调用自定义服务判断函数proService（），来计算点射次数，并输出结果。

④假设高炮系统对目标服务即击毁，如果点射次数为大于零的整数，则目标受到服务，在Unity3d中通过粒子系统实例化爆炸效果，使目标消失。

图7　视景仿真系统效果图

如图7所示，高炮系统对目标的点射次数为1次，即目标能够被服务；飞行时间为10.004 s，即从转向目标时开始，经过10.004 s的时间，高炮系统对航路捷径为27.2 m的目标服务结束，此时在目标距高炮阵地水平距离3 176 m处消失，出现爆炸效果。

3　结论

本文基于排队论对高炮武器系统的服务概率的数学模型及算法体系进行了研究，采用数值模拟的方法对高炮系统的服务概率及影响因素进行了分析。在此基础上，利用Unity3D游戏引擎技术，结合VisualStudio 2010开发工具，实现了对高炮系统服务目标过程的视景仿真系统的分析与设计，形象直观地反应了高炮系统对目标的跟踪、分析及服务效果的全过程，对合理评价高炮系统的服务概率及建立可视化效能评估平台提供了参考依据。

参考文献：

［1］肖元星，张冠杰.地面防空武器系统消费分析［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］田棣华，肖元星，王向威，等.高射武器系统效能分析［M］.北京：国防工业出版社，1991.

［3］李强，欧阳攀.高炮火控解算视景仿真系统设计与实现［J］.火力与指挥控制，2014，39（7）：106-110.

［4］刘渊，刘振禄，贺川，等.基于Monte Carlo法的防空武器系统射击效能仿真［J］.火炮发射与控制学报，2009，41 （2）:9-12.

［5］姚增建，路建伟，臧华磊.基于Swarm平台的防空兵服务概率仿真与分析［J］.指挥控制与仿真，2012，34（5）：90-93.

［6］路建伟，康晓予，周普，等.基于改进排队论的舰空导弹服务概率研究［J］.电光与控制，2008，15（6）：66-69.

［7］蒋仕兵，陈建.防空武器系统对高速目标的服务概率［J］.武器装备自动化，2008，27（12）：20-23.

［8］宣雨松.Unity3D游戏开发［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［9］吴晓颖，张万君，李帆，等.坦克实弹射击可视化平台构建技术研究［J］.四川兵工学报，2014，34（9）：8-9.

Based on Visualization Simulation Analysis Technology of Anti-aircraft Artillery System Service Probability

LI Zhao，LI Qiang
（School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Service probability is an important index of operational effectiveness of anti-aircraft artillery system，is also the important reference for the rational allocation of air defense weapon.Based on queueing theory，the mathematical model and value simulation technology about service probability of anti-aircraft artillery system are relatively mature，but the simulation process is not intuitive enough.Through the data transmission，the visual simulation system in the value simulation foundation is established，and analyzed the system overall frame as well as the workflow.In Unity3D-based visual environment，through driven model movement by real simulation data，the goal target track simulation and real-time acquisition of target information are achieved，as well as reproduced the service process and firing effect of antiaircraft artillery system，providing an important reference for artillery Operational Effectiveness Evaluation.

Key words：anti-aircraft artillery systems，queuing theory，service probability，visual simulation

作者简介：李昭（1989-），男，河南新乡人，硕士研究生。研究方向：发射系统动力学与仿真技术。

*基金项目：国防科研基金资助项目（A0820132003）

收稿日期：2015-03-11修回日期：2015-05-21

文章编号：1002-0640（2016）03-0116-04

中图分类号：TJ3

文献标识码：A