陳 思，劉澤新，梁浩哲

(1.電子科技大學自動化工程學院，成都 610036;2.總裝備部陸軍裝備科訂部，北京 100000;3.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000)

1 引言

當前，科學研究與工程實施已經(jīng)進入以數(shù)據(jù)為中心的時代，高效的數(shù)據(jù)表示與交換過程是數(shù)據(jù)策略得以實現(xiàn)的基礎。在航空航天領域，發(fā)射場的建設、使用、維護以及后續(xù)任務的實施與所在地區(qū)的自然環(huán)境信息關系密切，自然環(huán)境數(shù)據(jù)的流通保障是高效率、高可靠性的發(fā)射場所必須具備的必要條件［1－2］。因此，建立標準化的發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換機制對提高自然環(huán)境數(shù)據(jù)的利用效率，同時輔助發(fā)射場設備設施管理員、航空航天任務指揮員清晰地了解其關心的環(huán)境保障數(shù)據(jù)、及時地作出科學決策具有十分重要的意義。

航天發(fā)射場工程與自然環(huán)境因素的關系已有大量相關研究［3－5］。針對種類繁多、復雜的環(huán)境數(shù)據(jù)集，其表示方法需要能夠全面、準確地表示其語義結(jié)構(gòu)，即方法需要針對發(fā)射場的整個綜合環(huán)境;而對于環(huán)境數(shù)據(jù)交換，目前發(fā)射場的測發(fā)、指控、氣象等各分系統(tǒng)已經(jīng)可以在網(wǎng)絡中完成數(shù)據(jù)的交互傳遞［6］，但子系統(tǒng)之間的兼容性差異卻導致了較低的數(shù)據(jù)接收與處理效率，因此需要一種更加高效的數(shù)據(jù)交換策略。在戰(zhàn)場仿真、綜合電子信息系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)庫等領域，綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換方法的標準化已經(jīng)取得了大量研究成果［7－9］，但專門針對航天發(fā)射場環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換的研究仍然較少。

針對以上論述的問題與需求，本文系統(tǒng)地歸納了航天發(fā)射場自然環(huán)境制約要素，提出了發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換過程的具體要求。通過分析綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換標準(Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification，SEDRIS)，提出了航天發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換方法。

2 航天發(fā)射場綜合環(huán)境

目前，在相關研究中還沒有專門對航天發(fā)射場綜合環(huán)境概念的統(tǒng)一表述，通過與建模仿真領域中虛擬作戰(zhàn)空間環(huán)境概念的歸納對比，本文定義航天發(fā)射場綜合環(huán)境的概念如下。

概念1:航天發(fā)射場綜合環(huán)境涵蓋在發(fā)射場空間之下。發(fā)射場空間是影響整個發(fā)射場地面、箭上、發(fā)射軌道區(qū)域的測試發(fā)控系統(tǒng)、氣象、海洋、大地和電磁環(huán)境的總稱。而其綜合環(huán)境將發(fā)射場空間中的地理信息環(huán)境、自然現(xiàn)象要素環(huán)境以及實體系統(tǒng)集成環(huán)境有機地結(jié)合起來，形成一個動態(tài)的整體。

發(fā)射場建設過程中，設計專家具體地分析了一類或多類自然要素對于發(fā)射場的影響。但系統(tǒng)性的環(huán)境分析的缺乏則限制了環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換方法的研究。因此，首先歸納并分析環(huán)境要素集是必要的。

2.1 航天發(fā)射場綜合環(huán)境因素

在概念1中，廣義范圍的航天發(fā)射場綜合環(huán)境要素包括了測試發(fā)控各分系統(tǒng)、氣象信息、海洋信息、大地信息以及電磁信息等多個構(gòu)成環(huán)節(jié)。表1歸納了部分航天發(fā)射場自然環(huán)境要素以及它們對發(fā)射場的影響舉例。溫度、濕度、日照、雷電、風與霧可以歸屬為氣象信息類別。在不同的發(fā)射場區(qū)，其數(shù)值范圍會有較大的差異，這也是不同類型航天發(fā)射場的建設與環(huán)境信息緊密相關的體現(xiàn)。與之類似，發(fā)射場與海洋、大地、電磁環(huán)境數(shù)據(jù)也具有緊密聯(lián)系。

表1 航天發(fā)射場綜合環(huán)境要素Table 1 The synthetic environment elements of aerospace launch site

2.2 航天發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換要求

通過歸納性地闡述航天發(fā)射場環(huán)境要素集可以看出，發(fā)射場綜合環(huán)境具有一個立體、多態(tài)的復雜體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)在不同測試發(fā)控分系統(tǒng)之間必須具備自由流通的能力，以保障不同類型的測試與發(fā)射任務順利完成。因此，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間環(huán)境數(shù)據(jù)共享與環(huán)境數(shù)據(jù)復用是實現(xiàn)其表示與交換方法的中心要求(如圖1所示)。

圖1 環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換要求Fig.1 Requirements of environment data representation and interchange

在共享、復用這一中心要求的基礎上，從數(shù)據(jù)表示一致性這一特征出發(fā)(如圖1中虛線所示)，完整性、擴展性以及對數(shù)據(jù)的靈活操縱等是方法必須具備的重要特征。

(1)表示一致性

環(huán)境數(shù)據(jù)的規(guī)范化表示是發(fā)射場異構(gòu)系統(tǒng)、系統(tǒng)間、用戶可以靈活獲取、傳輸、理解環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎。

(2)交換一致性

為使各異構(gòu)系統(tǒng)間能夠適應環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，建立統(tǒng)一的交換機制可以極大地降低分系統(tǒng)特定應用程序的開發(fā)成本。

(3)描述完整性

環(huán)境數(shù)據(jù)表示一致性要求環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換方法必須能夠適應環(huán)境數(shù)據(jù)的復雜性特征，能夠描述完整的航天發(fā)射場環(huán)境要素集。

(4)描述擴展性

針對復雜多變的環(huán)境，一次性實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的描述完整性需求并不實際。因此，要求環(huán)境數(shù)據(jù)的描述手段具有良好的擴展性，以便適應新的表示需求。

(5)空間一致性

針對環(huán)境數(shù)據(jù)的空間本質(zhì)，如何在不同的空間參考框架下實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的快速變換是必要的。

(6)通用分析工具

在建立好環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換模型后，應提供針對表示方法集、表示元數(shù)據(jù)集與交換機制集有效查詢的特定工具。

(7)通用數(shù)據(jù)操縱接口

為發(fā)射場各個異構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)自定義的環(huán)境數(shù)據(jù)讀寫程序提供統(tǒng)一的嵌入接口。

3 基于SEDRIS的航天發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)模型

3.1 SEDRIS的概念及體系結(jié)構(gòu)

SEDRIS規(guī)范是20世紀末由美國國防部M＆S辦公室、DARPA等多個頂層立項機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的大型科研計劃［10－12］。SEDRIS規(guī)范制定了一系列組織完整、功能強大的綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換標準，支持的數(shù)據(jù)類型集可以規(guī)范地建模地理信息、大自然現(xiàn)象以及環(huán)境中存在的實體模型等，以保障美國在與它國實施聯(lián)合作戰(zhàn)行動過程中的綜合環(huán)境數(shù)據(jù)通暢交互操作。

SEDRIS已納入國際標準化組織ISO/IEC的正式國際標準體系中。從體系結(jié)構(gòu)上看，SEDRIS包括5個核心組成部件，分別是數(shù)據(jù)表示模型(Data Representation Model，DRM)、環(huán)境數(shù)據(jù)編碼規(guī)范(Environment Data Coding Specification，EDCS)、空間參考模型(Spatial Reference Model，SRM)、SEDRIS 應用程序編程接口(SEDRIS Application Interface，API)，SEDRIS數(shù)據(jù)傳輸格式(SEDRIS Transmittal Format，STF)。其中DRM部件、EDCS部件、SRM部件為基本模型工具，而API部件、STF部件主要面向應用級的用戶程序?qū)崿F(xiàn)。各部件的主要功能如表2所示。

表2 SEDRIS組織結(jié)構(gòu)Table 2 The infrastructure of SEDRIS

3.2 航天發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與消費

大多數(shù)戰(zhàn)場仿真研究將綜合環(huán)境模型視為一個可供不同軍事應用系統(tǒng)共享的環(huán)境數(shù)據(jù)集及其附加屬性(如圖2中虛線所示復用式的環(huán)境數(shù)據(jù)模型)。在仿真過程中，綜合環(huán)境模型產(chǎn)生環(huán)境效應與環(huán)境影響，而軍事系統(tǒng)(如圖2中虛線所示的系統(tǒng)模型)則不間斷地使用這些數(shù)據(jù)，使得仿真研究的結(jié)果更加真實可靠。這一循環(huán)往替的過程稱為環(huán)境數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與消費。與之對應，航天發(fā)射場環(huán)境數(shù)據(jù)模型代表航天測試發(fā)控過程對環(huán)境數(shù)據(jù)的循環(huán)復用，可以利用戰(zhàn)場仿真中的SEDRIS建模方法建立發(fā)射場的環(huán)境數(shù)據(jù)模型。

圖2 發(fā)射場環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)與消費流程Fig.2 The process of aerospace launching site environment data production and consumption

SEDRIS標準為建設底層環(huán)境數(shù)據(jù)模型提供指導。研究和使用SEDRIS，即是實現(xiàn)環(huán)境要素數(shù)據(jù)生產(chǎn)和消費的雙向過程。在圖2中，可根據(jù)環(huán)境的數(shù)據(jù)流向劃分為兩個簡單清晰的子過程:環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)與消費。其中環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程為如下所述。

(1)本地環(huán)境數(shù)據(jù)需求分析

在具體進行環(huán)境數(shù)據(jù)建模時，應當根據(jù)自身需求——例如必需的環(huán)境要素以及其層次結(jié)構(gòu)，制定需求文檔，這對后續(xù)的數(shù)據(jù)建模以及應用程序開發(fā)起極為重要的作用。

(2)建立基于DRM的數(shù)據(jù)映射文檔

對于既定的數(shù)據(jù)內(nèi)容，根據(jù)SEDRIS核心部件DRM，生成環(huán)境數(shù)據(jù)表示與映射結(jié)構(gòu)，這通常是一個重復的過程，最終產(chǎn)生合理的數(shù)據(jù)表示方式。

(3)本地應用程序的SEDRIS API函數(shù)嵌入

基于映射結(jié)構(gòu)，應用程序開發(fā)者將調(diào)用API生成標準的STF格式文件。在這一過程中，用戶可以根據(jù)自身需要產(chǎn)生關于文件的評估和校驗機制，提供給中間交換媒介，以便其他系統(tǒng)使用。

(4)各類查詢應用工具的調(diào)用

為了能夠靈活、高效的建立基于SEDRIS的數(shù)據(jù)模型，在進行應用程序開發(fā)時可以嵌入SEDRIS組織提供的查詢應用工具，例如EDCS Query Tool查詢EDCS字典內(nèi)容、Side－By－Side查詢STF文件內(nèi)容等，這些程序已經(jīng)在網(wǎng)絡中共享。

而環(huán)境數(shù)據(jù)消費流程與生成流程的區(qū)別主要在于第2和第3點，即基于DRM的數(shù)據(jù)逆映射文檔產(chǎn)生。從原理上講兩者并沒有嚴格差異，逆映射主要利用API函數(shù)將生產(chǎn)方的DRM數(shù)據(jù)格式解析為本地數(shù)據(jù)。

4 航天發(fā)射場數(shù)據(jù)表示與交換過程

第3.2節(jié)定義了一個連續(xù)完整的發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)過程。其中，步驟1～3是各子系統(tǒng)對應應用程序開發(fā)過程的重點。本節(jié)將以控制分系統(tǒng)為背景，針對每一個步驟，從航天發(fā)射場的具體情況出發(fā)，闡述一個具體的發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)表示與交換過程。

4.1 綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求分析

綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求與各測試發(fā)控分系統(tǒng)所涵蓋的環(huán)境空間和環(huán)境時間緊密相關。形成標準化的數(shù)據(jù)需求格式，需要測試系統(tǒng)工程師、專家的緊密參與。因此，綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求分析是一個人機交互頻繁的人在回路系統(tǒng)，而產(chǎn)生的環(huán)境數(shù)據(jù)需求文檔將對后續(xù)開發(fā)起指導規(guī)范作用。

圖3定義了控制分系統(tǒng)的綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求。這一需求建立在一次具體的任務周期內(nèi)，形成了環(huán)境數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)。圖3將航天發(fā)射測試任務分為3個不同的狀態(tài)階段，每一狀態(tài)段涵蓋了不同的試驗時間段(如圖3中時間段所示)。在每一時間段，控制系統(tǒng)關心當前時間t0后n小時的氣溫預測。同時，為進一步提高對歷史預測數(shù)據(jù)的利用，在提供氣溫數(shù)據(jù)時，會提供前兩次的預測結(jié)果，這樣可以加強試驗人員對氣溫變化趨勢的把握。因此，t0={t10，t20，t30}。

圖3 控制系統(tǒng)綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求(狀態(tài)時間結(jié)構(gòu))Fig.3 The environment data requirement of control system(state－time structure)

根據(jù)不同的預測數(shù)據(jù)，試驗人員可以及時對燃料、電纜等關鍵設備進行保養(yǎng)。這一控制分系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)需求說明詳細地建立了氣溫預測數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)，其中頂層為不同的狀態(tài)階段，向下為并列氣溫預測序列。在隨后的部分中，將其稱為狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)。

4.2 數(shù)據(jù)映射方法

數(shù)據(jù)映射方法即是利用SEDRIS核心部件DRM對定義好的綜合環(huán)境數(shù)據(jù)需求形成面向?qū)ο笫降拿枋觥＿@一過程可以通過DRM所提供的300多個類加以實現(xiàn)。DRM的類庫結(jié)構(gòu)是按照復雜的聚合、實現(xiàn)、關聯(lián)等關系構(gòu)成的，以完成對不同需求內(nèi)容的環(huán)境數(shù)據(jù)集的完整、一致性描述。為了展示SEDRIS如何實現(xiàn)前文中狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)的描述，圖4首先介紹了其中涉及的關鍵類。

圖4 狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)的DRM類圖Fig.4 DRM class figure related to the state － time structure

在圖4中，父類Aggregate Geometry是SEDRIS提供環(huán)境數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的基類，斜段表示此類為抽象類。在當前SEDRIS版本中，它提供了大約13種不同類型的基本綜合環(huán)境數(shù)據(jù)組織形式(仍在可擴充當中)，例如四叉樹組織、八叉樹組織、類別組織以及多分辨率組織，同時這些基本組織方式又可以在交織中形成更為復雜的環(huán)境數(shù)據(jù)組織。

針對狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)，需要使用類Time Related Geometry、類State Related Geometry、類Property Grid Hook Point 3類組織形式，其中類Property Grid Hook Point代表了一個基本環(huán)境數(shù)據(jù)塊。如圖4所示，類Time Related Geometry與類State Related Geometry可以繼續(xù)包含一到多個幾何層次 (圖4中的1…*標示)，由抽象父類Geometry hierarchy類表示。同時，Geometry hierarchy又是抽象父類Aggregate Geometry與Property Grid Hook Point的抽象父類。因此，Time與State兩類組織形式便可以形成循環(huán)嵌套式的環(huán)境數(shù)據(jù)格式。例如，首先，類State Related Geometry的實例可包含多個類Time Related Geometry的實例;其次，進一步講，類Time Related Geometry的實例可包含多個類Property Grid Hook Point的實例代表的基本環(huán)境數(shù)據(jù)塊，便實現(xiàn)了控制分系統(tǒng)對于氣象預測數(shù)據(jù)的狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)。

圖5展示了按照圖4的結(jié)構(gòu)具體組織的數(shù)據(jù)映射實例圖，它是一個樹形的層次結(jié)構(gòu)。在一個具體的SEDRIS數(shù)據(jù)映射結(jié)構(gòu)中，必須包含一個類Transmittal Root的實例作為根節(jié)點。類Transmittal Summary的實例可以提供關于當前環(huán)境數(shù)據(jù)映射結(jié)構(gòu)中Transmittal Root信息(例如數(shù)據(jù)提供方信息等元數(shù)據(jù))的具體描述。Transmittal Root的下級類Environment Root的實例代表了關于環(huán)境內(nèi)容，相似地，Primitive Summary Item同樣可以提供當前具體環(huán)境的元數(shù)據(jù)集。

圖5 狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)的實例圖Fig.5 Instance figure about the state－ time structure

類Environment Root的實例下的子級結(jié)構(gòu)即是控制分系統(tǒng)關于氣溫預測數(shù)據(jù)的狀態(tài)－時間結(jié)構(gòu)。首先引入一個類State Related Geometry的實例表示當前控制分系統(tǒng)的測試任務狀態(tài)(其包含的類State Data的實例是對總狀態(tài)信息的具體描述)，在其之下引入多個類State Related Geometry的實例表示各個分狀態(tài)結(jié)構(gòu)(其包含的類State Data的實例是對各個分狀態(tài)信息的具體描述)。進一步，每一個分狀態(tài)都包含一個Time Related Geometry描述時間序列預測數(shù)據(jù)，其中，類Time Constraints Data的子類Absolute Time Point的實例表示了初始時間集t0={，，}的數(shù)值。而對于各個氣溫預測序列的格子形式的數(shù)據(jù)，使用多個類Property Grid Hook Point的實例所代表的基本環(huán)境數(shù)據(jù)塊加以描述，而明確的氣溫數(shù)據(jù)則存儲于其下級結(jié)構(gòu)Property Grid中，相應地，Property Grid包含了其描述表格數(shù)據(jù)所必需的 Axis、Location、Description、Classification 等信息。圖5中的省略號標示則代表了此層次可容納更多的相似結(jié)構(gòu)。

4.3 SEDRIS API集成

在產(chǎn)生基于DRM的數(shù)據(jù)映射文檔后，將API函數(shù)嵌入到本地的特定應用程序稱為API集成過程，這一步是關于綜合環(huán)境數(shù)據(jù)交換方法的具體計算機實現(xiàn)。在API的使用過程中，一般需要實現(xiàn)3個功能:屬性填充、實例圖生成和STF解析。

(1)實例圖中各個屬性的填充

利用適合的EDCS編碼填充DRM模型中每一個實例成員的字段值。類Environment Summary的實例中環(huán)境類型字段名environment_domain=ECC_ATMOSPHERE。在SEDRIS標準中，強烈推薦使用EDCS來填充各個屬性值，這樣可以極大地增加STF在不同系統(tǒng)中的可讀性。

(2)實例圖的STF生成

此功能的實現(xiàn)主要在環(huán)境數(shù)據(jù)的發(fā)送方(即數(shù)據(jù)生產(chǎn)方)。在屬性填充完成后，為了生成最終的STF文件，關鍵點在于生成實例圖中的各類面向?qū)ο笫降慕ｊP系。類Transmittal Root與類Environment Root的具體實例之間存在聚合關系，則可以使用SE_AddComponentRelationship()生成這種關系，并寫入最后的STF文件。這一系列的函數(shù)集屬于SEDRIS API的第二層次。

(3)STF解析

此功能的實現(xiàn)主要在環(huán)境數(shù)據(jù)的接收方(即數(shù)據(jù)消費方)，主要用于解析STF的具體內(nèi)容。接收方需要讀取類Transmittal Summary的實例內(nèi)容，則可以使用SE_GetCompnent3()來具體實現(xiàn);或者希望讀取處于同一層次的多個類State_Related_Geometry的實例，則可以利用迭代式的遍歷函數(shù)族SE_CreatSearchFilter()、SE_InitializeComponentIterator3()、SE_GetNextObject()加以實現(xiàn)。這一系列函數(shù)屬于SEDRIS API的第一層次。

以上三部分關于API調(diào)用的內(nèi)容實現(xiàn)了一個完整的基于SEDRIS標準的環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)生與消費過程。在屬性填充時，使用標準SEDRIS編碼規(guī)范，同時類的實例之間的關系生成則完成了一份標準的STF文件，最終在環(huán)境數(shù)據(jù)接收方加以解析?？梢钥闯?，這一過程實現(xiàn)了在航天發(fā)射場異構(gòu)系統(tǒng)間的環(huán)境數(shù)據(jù)共享與復用。

5 結(jié)論

當前在科學的各領域，數(shù)據(jù)具備著珍貴的潛在價值這一觀點已得到研究者的普遍認同［13］。相應地，數(shù)據(jù)密集型科學與工程也成為科學研究的主流手段，而數(shù)據(jù)全面、準確、有效率地得以表示和交互則是各類數(shù)據(jù)策略得以實現(xiàn)的基礎。本文借助航天發(fā)射場綜合環(huán)境數(shù)據(jù)這一應用背景，基于SEDRIS標準對環(huán)境數(shù)據(jù)的表示，以及在航天測試發(fā)控各異構(gòu)系統(tǒng)間的交換機制進行了深入的分析，在系統(tǒng)地歸納了發(fā)射場環(huán)境數(shù)據(jù)的特征與要求后，設計了其表示與交換的方法。

在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)表示與交換的標準化對其共享與復用有著極為重要的意義。在下階段的工作中將嘗試進一步將SEDRIS的基于交換的數(shù)據(jù)思想應用到航天發(fā)射通用數(shù)據(jù)利用中，相關的研究工作正在逐步深入展開。

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