仿真科学与技术学科的理论体系探讨

仿真科学与技术有相对独立的理论体系,包括仿真模型和研究对象的相似理论、仿真建模理论、仿真系统理论和仿真应用理论几个部分.仿真模型和研究对象的相似理论主要研究仿真模型和研究对象之间的相似关系和相似程度,仿真建模理论主要研究将研究对象抽象映射成各种仿真模型的理论和方法,仿真系统理论研究模型试验的理论和技术,仿真应用理论研究仿真目标牵引的仿真应用的理论和技术,在此基础上分析了各部分理论的具体研究内容.     

面向对象的战斗机飞行仿真建模初探

由于现代战斗机系统的复杂性和仿真任务的多样性，使得传统软件设计方法设计的飞行仿真软件的可重用性很低。综合运用面向对象技术和模块化设计思想，研究了战斗机飞行仿真的建模方法，设计了具有较好可重用性、可用在其它机型的飞行仿真中的最低限度飞行仿真对象。仿真试验证明所提出的面向对象的战斗机飞行仿真建模方法的可行性和高效性。     

一种改进的DIS对象同步策略

针对DIS中的某些缺点,提出了一种改进的DIS对象同步策略。基于可变的PDU（Variable Protocol Data Unit,VPDU）,应用面向对象的RTTI技术,实现了通信层与仿真应用层的分离。采用一种简单的数据过滤机制和分类别的数据分发方法,并结合推算定位方法,提高了系统的实时性和可靠性。仿真应用实例表明,这种对象同步策略具有较好的实用性,可以用于自行高炮防空作战仿真等演示验证项目。     

基于循环仿真的钢铁板坯库天车作业优化

板坯库天车作业对钢铁生产整体节奏和效率起到非常重要的作用, 天车作业的优化受到库位布局、工艺流程、作业干涉等多方面因素的影响, 优化过程具有随机性, 满意解的界定具有模糊性. 为了解决这一难题, 提出了循环仿真的方法, 通过原始仿真模型和改进仿真模型的循环转换和多档模糊评判寻求优化解, 采用Agent技术设计了板坯库的仿真物流对象, 定义了仿真事件和仿真逻辑. 通过对国内某大型钢厂的应用实例表明, 循环仿真的方法对钢铁板坯库天车作业优化具有较好的实用性.     

虚拟海战场中作战对象仿真模型研究

为了解决舰艇传统军事训练和军事仿真的局限性,利用虚拟现实技术对海战场中作战对象进行建模,提出一个通用性的模型框架,并在某舰舰导弹训练模拟器上得到应用,取得较好效果。     

基于Unity3D的水下机器人半实物仿真系统

基于Unity3D研制了一种由地面控制终端、机器人本体和三维仿真系统3部分组成的水下机器人半实物仿真系统,为水下机器人开发过程中的性能测试、控制算法分析和人员操作培训提供了仿真和测试平台。该系统采用同一地面控制终端作为三维仿真系统和机器人控制系统的统一指令输入源,以实现虚拟对象和机器人本体的同步工作,可对系统进行实时监测、调参。采用多目视觉技术对机器人位置采集,对传感器数据进行卡尔曼滤波处理。机器人运动仿真试验结果表明,机器人实际运动路径和仿真规划路径基本相同,该系统动态响应性和控制系统同步性较好。     

基于SIMULINK的弹射救生人椅系统六自由度仿真

针对我国弹射救生系统研制中仿真技术应用的不足,以主流的第三代弹射救生系统为仿真对象,建立了弹射救生人椅系统动力学模型及相关各子系统的数学模型,并以MATLAB\SIMULINK为工具实现了人椅系统的六自由度仿真,取得了较好的仿真效果;通过对系统重量、火箭推力、飞机姿态等设计参量的分析,可以为弹射救生系统的方案设计及验证提供技术支撑。     

基于HLA的通用分布式仿真环境研究

HLA正逐步成为我军下一代分布式仿真的基础体系结构，各种基于HLA的仿真对象／模型以及不同版本的RTI也正在积极开发中。论文分析研究了不同版本RTI之间的互连互通、仿真对象的平台独立性与语言无关性、不同仿真对象之间的互操作性、仿真对象的可重用性以及开发仿真对象的复杂度等问题，并针对上述问题，研究了结合WWW技术，设计一个通用分布式仿真环境GDSE的可行性，并提出一个初步的设计方案。     

运载火箭动力学的面向对象仿真框架

利用面向对象思想和统一建模语言（UML），设计了运载火箭动力学的通用仿真框架。在该框架中，运载火箭、子级火箭、状态变量及对应的右函数、GNC系统、发动机、空气动力、控制执行机构和地球等，都作为独立的对象建模，诸如积分、坐标变换、插值等算法也利用对象技术实现，从而极大地提高了仿真框架的适应性和可扩展性，可以支持不同仿真背景，不同粒度下的仿真要求。利用该框架,基于分布组件技术建立的分布式运载火箭动力学仿真平台，验证了该框架的有效性。     

基于MAS的协同仿真技术研究

将基于Agent的建模与仿真技术引入到HLA仿真系统中,提出了一种具有Agent体系结构的HLA联邦成员开发方法,设计了联邦成员的基本单元-仿真应用和仿真管理Agent作为仿真对象和HLA/RTI之间的中间件,构建了具有Agent对象仿真功能和RTI管理功能的联邦成员,研究了基于MAS的UAV协同编队系统的仿真技术,为进一步开发UAV编队协同作战应用仿真系统提供了技术框架。基于MAS体系结构的协同仿真技术有助于提高联邦成员的可重用性、互操作性以及仿真对象模型的智能性,为复杂系统的仿真实验平台开发提供了有效的技术手段。     

装备体系多阶段任务可靠性高效解析算法

体系作战任务可靠性的实时评估是未来作战的必然要求。为了实时计算装备体系多阶段任务可靠性,基于k/n(G)表决模型,设计了一种考虑冗余的可靠度高效解析算法。在体系结构分析及任务概述基础上,建立了冗余故障树以及由冗余故障树转化的二元决策图(binary decision diagram,BDD)模型。针对传统可靠性解析计算算法复杂度高的问题,本文利用递归算法改进了k/n(G)表决模型的计算过程,提高了计算效率。以航空装备体系远程目标打击任务为例,数值计算表明,本文的改进解析算法有效得出了体系多阶段任务可靠度计算结果,且相比传统算法运算效率得到显著提高,有利于应用到体系作战任务可靠度实时计算评估,指导任务统筹和规划。     

n/k(G)表决冗余多阶段任务系统可靠性优化模型

提出采用多阶段任务系统（phased mission systems, PMS）冗余故障树模型和PMS冗余二元决策图（binary decision diagram, BDD）模型来描述冗余多阶段任务系统;通过递归法实现PMS冗余故障树模型到PMS冗余BDD模型的转换,从而得到整个PMS的最小割集;在分析n/k(G)表决冗余模块在PMS中可靠度计算模型的基础上得到整个PMS的可靠性计算模型。以费用最小为目标,构建多阶段任务系统可靠性冗余优化模型,并应用微粒群算法对模型进行求解。算例通过一个三个阶段n/k(G)表决系统来阐述该方法的应用,并验证了模型的合理性及算法的有效性。     

考虑天气因素的空中突击任务规划

为了分析天气因素对空中突击任务的影响,采用影响图构造了考虑天气和天气预报的定性分析模型。量化了天气等级,给出了问题求解步骤;采用决策树构造了考虑天气因素的空中突击任务规划模型,并给出了具体算例,分析了天气预报的信息价值。结果表明,在空中突击任务规划中获取天气信息十分必要,获得信息的多少和精确度直接影响到突击任务益损值的大小。     

一种新的基于任务的安全量化评估方法

提出了一种基于任务模型的安全量化评估方法,应用于静态的弱点评估和动态的威胁评估。与传统的风险评估方法相比,该模型以组织的任务目标为核心,避免主观偏见,排除大量无关弱点和威胁对评估的负面影响,评估结果更可信。实例分析表明,该方法能更准确、更全面的度量网络系统的安全性。     

混合种群RRT无人机航迹规划方法

快速扩展随机树（rapidly-exploring random tree,RRT）无人机航迹规划方法能够快速获得满足约束要求的可行航迹,但是无法获得接近最短航迹的较优航迹。针对航迹的最优性问题,提出了混合种群RRT无人机航迹规划方法。在基于环境势场的RRT算法的基础上,设计了一种种群优化方法,通过引入自优化种群和协同优化种群改善航迹段,使算法同时具有局部和全局寻优能力。在得到航迹节点的基础上,采用B样条曲线的平滑方法生成曲率连续的可跟踪航迹。仿真结果表明,所提算法能够综合考虑无人机航程代价和雷达威胁代价,快速地收敛得到接近最优且满足无人机动力学约束的可行航迹,在不同环境下也能有满意的收敛效率。     

多机编队队形控制建模及可视化仿真系统设计

针对多机协同作战编队队形控制问题,给出了相应的军事概念模型,提出了基于几何约束的三角形、菱形、主从式等典型树形编队控制模型,并通过可视化仿真技术,构建了可用于制定试飞方案的可视化仿真验证环境。验证结果表明基于该编队队形控制的算法可用于简单的模拟飞行操作和战术对抗、验证飞机模型。

Abstract：

In order to control the form of multi-fighters cooperative combat in formation, the military notion model was introduced. Several typical tree form team models （triangle, lozenge and leader-follower） based on geometry constraint were proposed on multi-fighters flying in formation. Through researching VR technology, a visual simulation testing model platform was built for making a plan of flight-testing mission. The simulation results indicate that the arithmetic can be well used on simulating flight, anti-tactics and valuating the flight models.     

聚合级实体仿真中任务的分解与解聚

提出了聚合级实体任务分解和任务解聚的概念。任务分解是任务空间概念模型(CMMS)的核心问题,提出了任务分解的一般指导原则和基本方法。任务解聚是多分辨率仿真中不同分辨率实体保持任务一致性的必然要求,提出了聚合级实体发生解聚时其指挥任务的解聚方法。给出了装甲营进攻过程中任务分解与解聚的示例。     

多反舰导弹攻击多目标协同航路规划

为解决多反舰导弹的协同航路规划问题,建立了基于空间和时间协同的航路规划模型,并设计了航路可行节点动态开辟算法和协进化多子群蚁群算法。节点开辟算法在任务空间建立搜索树的同时滤除不可行节点,缩小了航路优化搜索范围;多子群蚁群算法结合协进化的基本思想,通过引入蚂蚁子群间的协同进化策略,并对蚁群算法状态转移规则、信息素更新机制进行设计,进而并行搜索多导弹最优协同航路集合。仿真结果表明,本文方法能够为多反舰导弹构建优化的协同飞行航路,不但适用于导弹发射前的预先规划,而且适用于航路分段的局部实时重规划。     

面向动态任务的作战单元两等级两层级可修复备件优化

针对作战单元执行任务前备件保障方案制定难的问题,在对作战任务和备件保障系统分析的基础上,对可修复备件控制多级技术（multi-echelon technique for recoverable item control, METRIC）经典模型进行了扩展,提出了作战任务和保障能力动态变化条件下的作战单元两等级两层级任务成功性评估模型。以备件购置费用为优化目标函数,作战单元任务成功性为约束条件,建立了基于作战单元任务成功性的备件优化模型,运用边际效应方法给出了优化模型的求解方法。通过应用实例给出了相应的备件优化方案和优化备件方案下的作战单元任务成功性评估曲线。该模型可为装备保障指挥人员根据作战任务和保障环境制定备件保障方案提供一定的决策支持。     

面向战场多任务网络的等级优先动态带宽分配

为实现空中信息分发平台对战场多任务网络带宽资源的有效管理,在战术互联网资源管理模型中,提出一种等级优先动态带宽分配（classification prioritized dynamic bandwidth allocation,CPDBA）算法。该算法改进了基于网络效能最大化的带宽分配方法,优化了对指数效能业务的调度策略。仿真结果表明,该算法不但能够使相同带宽资源产生更高的任务价值,而且在网络过载时可以确保高优先级业务的服务质量,从而有效解决了多任务网络的链路带宽竞争问题。