孫永侃，柏羽

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架研究*

孫永侃，柏羽

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真是海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)的重要基礎(chǔ)。分析了海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的特點(diǎn)與需求，提出了基于多粒度的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的特征要素；構(gòu)建了一個(gè)海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架，運(yùn)用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合和多數(shù)據(jù)網(wǎng)格組合的方式實(shí)現(xiàn)了自然環(huán)境要素的XML描述；完成了基于VR- Forces的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。建立的自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架能夠?yàn)楹?zhàn)仿真系統(tǒng)各模塊開發(fā)提供快速數(shù)據(jù)支持。

海戰(zhàn)仿真；多粒度；VR- Forces；自然環(huán)境仿真；通用數(shù)據(jù)框架；數(shù)據(jù)場(chǎng)

0 引言

海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境指存在于海戰(zhàn)場(chǎng)范圍內(nèi)能夠?qū)娛禄顒?dòng)產(chǎn)生干預(yù)作用的各種自然環(huán)境因素的總和[1]。海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境涉及到龐大的數(shù)據(jù)量，部分環(huán)境數(shù)據(jù)更新速度快，變化規(guī)律不明顯，且各海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)按照功能、層次不同，對(duì)自然環(huán)境的數(shù)據(jù)需求也各有側(cè)重，因此海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真始終具有一定的難度。傳統(tǒng)依據(jù)具體海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的需求建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方式具有較強(qiáng)的針對(duì)性，但會(huì)消耗大量的時(shí)間和成本，擴(kuò)展與重用能力不強(qiáng)。

一個(gè)準(zhǔn)確、一致、可重用的自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架能夠有效提高仿真效率，降低開銷，更好地管理各類自然環(huán)境數(shù)據(jù)。

VR- Forces自帶一個(gè)地形處理工具TDB Tools(tool- directed behavior tools)，提供用于顯示及計(jì)算用的地形數(shù)據(jù)，產(chǎn)生人文特征數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和標(biāo)繪數(shù)據(jù)等[2]，為海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真，尤其是地形仿真，提供了有力的支持。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VR- Forces的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架，為各類海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)提供自然環(huán)境數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而為系統(tǒng)間的互通互聯(lián)提供基礎(chǔ)。

1 海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真的特點(diǎn)

海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真指利用衛(wèi)星、航天航空、地面等多種偵察手段獲取各項(xiàng)海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境信息后，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、可視化技術(shù)、圖形圖像技術(shù)以及多媒體技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取到的信息進(jìn)行綜合處理，近似模擬出真實(shí)的海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境，從而為各類作戰(zhàn)模擬、裝備作戰(zhàn)仿真等工作提供虛擬環(huán)境的支持[3]。在進(jìn)行海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真時(shí)應(yīng)著重體現(xiàn)其多維的結(jié)構(gòu)特征、鮮明的層次特征以及復(fù)雜的要素關(guān)聯(lián)特征等[1，4]。

(1) 海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境具有多維的結(jié)構(gòu)特征

現(xiàn)今的海戰(zhàn)場(chǎng)涵蓋了海洋、上方天空以及一部分陸地，對(duì)應(yīng)的包含了海戰(zhàn)場(chǎng)中海洋范圍內(nèi)的自然環(huán)境、天空范圍內(nèi)的自然環(huán)境以及陸地范圍內(nèi)的自然環(huán)境。三者共同構(gòu)成整個(gè)海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境。

(2) 海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境具有鮮明的層次特征

一方面是內(nèi)容需求的層次性，海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境的組成要素會(huì)隨海戰(zhàn)目的不同顯現(xiàn)出不同側(cè)重；另一方面是精度需求的層次性，海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)的精度需求會(huì)隨海上作戰(zhàn)規(guī)模、級(jí)別的變化，產(chǎn)生不同的層級(jí)特性。

(3) 海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境具有復(fù)雜的要素關(guān)聯(lián)特征

海戰(zhàn)場(chǎng)中海洋范圍內(nèi)的自然環(huán)境、天空范圍內(nèi)的自然環(huán)境以及陸地范圍內(nèi)的自然環(huán)境在具有各自變化規(guī)律的同時(shí)，相互間還存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。通過(guò)不斷的影響、交互，共同作用于整個(gè)海上作戰(zhàn)。

2 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的需求

本文按照維度的區(qū)別，將海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中自然環(huán)境分為3個(gè)方面，分別是海洋地形環(huán)境、海洋水文環(huán)境和海洋氣象環(huán)境。其中海洋地形環(huán)境仿真主要是為模擬整個(gè)海洋地形的高低起伏變化，并對(duì)依附在地形上的土質(zhì)、建筑等進(jìn)行描述；海洋水文環(huán)境仿真主要是對(duì)洋面水文環(huán)境以及水體水文環(huán)境2個(gè)部分進(jìn)行模擬；海洋氣象環(huán)境仿真主要是對(duì)覆蓋在海洋地形和海洋水文上的氣候背景、天氣現(xiàn)象等進(jìn)行模擬。

2.1 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)地形環(huán)境仿真需求

海洋地形環(huán)境涵蓋整個(gè)海底、海岸以及延伸至一定范圍陸地上的全部地形環(huán)境，包括整個(gè)地形變化以及覆蓋在其上的土質(zhì)、建筑等。

通常整個(gè)地形的變化需要借助DEM(digital elevation mod)進(jìn)行描述。DEM一般通過(guò)表面建模得到，常用的建模方式有2種[5]：一種是基于三角形的表面建模，適用于所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；另一種是基于格網(wǎng)的表面建模，常用于模擬平緩地區(qū)。2種方法分別能夠生成TIN(time- invariant network)型DEM或是格網(wǎng)型DEM。由于其數(shù)據(jù)在整個(gè)二維平面上是連續(xù)分布的，即對(duì)網(wǎng)格上的任意點(diǎn)(x，y)上都有相應(yīng)的高程數(shù)據(jù)，因此可以借助一個(gè)或多個(gè)2D(2 dimensional)數(shù)據(jù)網(wǎng)格來(lái)體現(xiàn)。

2.2 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)水文環(huán)境仿真需求

海洋水文環(huán)境指海洋的整個(gè)水體環(huán)境，包括海面水文環(huán)境以及水體水文環(huán)境2個(gè)方面。海面水文環(huán)境指發(fā)生在海平面附近的海面狀況，如海浪、海流、海冰、潮汐等。水體水文環(huán)境指海洋內(nèi)部及深處的海區(qū)物理、化學(xué)、生物等性質(zhì)及其變動(dòng)情況，如海水溫度、海水鹽度、海水密度等基本物理量以及海水傳輸特性和海洋噪聲等。

對(duì)于海洋水文環(huán)境來(lái)說(shuō)，其屬性適用于數(shù)據(jù)場(chǎng)的形式表現(xiàn)，即可將海洋水文環(huán)境對(duì)象的各種屬性看作在時(shí)間和空間上連續(xù)分布的場(chǎng)，在任意點(diǎn)(x，y，z，t)上都可以得到相應(yīng)的屬性值。海水溫度、鹽度等都能抽象為海洋水文環(huán)境對(duì)象，并可劃分為二維水文環(huán)境和三維水文環(huán)境2類[6]，同類水文環(huán)境對(duì)象可以借助近似的數(shù)據(jù)場(chǎng)來(lái)表現(xiàn)，其中二維水文環(huán)境如海浪、潮汐等，三維水文環(huán)境如海水溫度、海流等。根據(jù)具體的數(shù)據(jù)組織方式，可以進(jìn)一步將這些海洋水文環(huán)境表現(xiàn)為一個(gè)或多個(gè)2D，3D(3 dimensional)數(shù)據(jù)網(wǎng)格。

2.3 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)氣象環(huán)境仿真需求

海洋氣象環(huán)境指覆蓋在海洋地形之上的全部大氣空間，包括氣候背景、氣象特性、天氣現(xiàn)象3個(gè)方面[7]。氣候背景指海洋所處區(qū)域中大氣物理特征的長(zhǎng)期平均狀態(tài)，如平均降水情況、平均日照情況等，通常由氣象站點(diǎn)提供直接數(shù)據(jù)或等值線分布圖來(lái)顯示。氣象特性包括大氣的基本物理量，如大氣溫度、大氣濕度、大氣壓強(qiáng)等，以及大氣的傳輸特性。天氣現(xiàn)象指發(fā)生在天空中的一切物理現(xiàn)象，如風(fēng)、雨等。

對(duì)于海洋氣象環(huán)境來(lái)說(shuō)，與海洋水文環(huán)境類似，同樣能夠采用數(shù)據(jù)場(chǎng)的形式進(jìn)行表現(xiàn)，將風(fēng)、霧等都抽象為海洋氣象環(huán)境對(duì)象，在任意點(diǎn)(x，y，z，t)上存在相應(yīng)海洋氣象屬性值。海洋氣象環(huán)境涉及到的數(shù)據(jù)量非常大，為了便于組織這些數(shù)據(jù)，將其分為二維氣象環(huán)境和三維氣象環(huán)境2類，其中二維氣象環(huán)境如雨、云等，三維氣象環(huán)境如大氣溫度、風(fēng)等，分別可以利用一個(gè)或多個(gè)2D，3D數(shù)據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

3 基于多粒度海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的特征要素

3.1 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的多粒度問(wèn)題

對(duì)于海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)的粒度能夠?qū)Ψ抡孢\(yùn)行的效率產(chǎn)生很大影響。理論上，高粒度的自然環(huán)境數(shù)據(jù)更能模擬出真實(shí)的自然環(huán)境，但高粒度數(shù)據(jù)的來(lái)源往往受到限制，且在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)也會(huì)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)[8]。

在實(shí)際仿真過(guò)程中，不同層次、功能的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境數(shù)據(jù)的要求存在差異，主要體現(xiàn)在2點(diǎn)[9]：

一是海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中自然環(huán)境的組成要素會(huì)隨著系統(tǒng)仿真目的的不同出現(xiàn)差異，如對(duì)水面艦艇防空作戰(zhàn)進(jìn)行仿真時(shí)，更側(cè)重對(duì)水上自然環(huán)境的仿真，對(duì)水下自然環(huán)境的要求相對(duì)較低，而對(duì)水面艦艇反潛作戰(zhàn)進(jìn)行仿真時(shí)則相反；二是海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)選用自然環(huán)境數(shù)據(jù)的精度會(huì)隨海上作戰(zhàn)的規(guī)模、級(jí)別出現(xiàn)差異，如進(jìn)行裝備級(jí)仿真時(shí)，對(duì)單武器使用相關(guān)的自然環(huán)境經(jīng)度要求較高，而進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)級(jí)仿真研究時(shí)，對(duì)單武器產(chǎn)生影響的小部分自然環(huán)境要素可適當(dāng)忽略處理。

由上述差異可知，沒(méi)有必要對(duì)所有自然環(huán)境要素都采用高粒度數(shù)據(jù)描述。采用多粒度數(shù)據(jù)對(duì)同一自然環(huán)境要素進(jìn)行描述，對(duì)時(shí)空變化迅速或與仿真實(shí)體關(guān)系密切的自然環(huán)境需采用高粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，反之采用低粒度數(shù)據(jù)即可，這樣能大大提升系統(tǒng)仿真效率。

在具體仿真時(shí)，海洋地形環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋水文環(huán)境數(shù)據(jù)與海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)都具有連續(xù)分布的特點(diǎn)，可按照具體環(huán)境的特點(diǎn)抽象為2D，3D環(huán)境類，并以網(wǎng)格形式體現(xiàn)[10]。那么，海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)的多粒度問(wèn)題就能夠轉(zhuǎn)化為多數(shù)據(jù)網(wǎng)格的組合問(wèn)題。

基于海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真的多粒度問(wèn)題，提出與各類海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)緊密相關(guān)的環(huán)境特征要素，以便運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃枷雽?duì)海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.2 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)地形環(huán)境特征要素

海洋地形環(huán)境包括覆蓋在整個(gè)海底、海岸并延伸至一定范圍陸地上的全部地形環(huán)境。將其分為海區(qū)劃分、海面概況、水深和灘質(zhì)與底質(zhì)4部分，基本能夠涵蓋海戰(zhàn)場(chǎng)橫向及縱向上的地形特征要素，如圖1所示。

對(duì)海區(qū)劃分來(lái)說(shuō)，包括海岸帶、大陸坡、海峽等，不同海區(qū)的地形起伏狀況不同，通常采用地形高程數(shù)據(jù)體現(xiàn)，即可以通過(guò)各個(gè)任意點(diǎn)上的高程屬性來(lái)反映整個(gè)地形的變化。水深數(shù)據(jù)特點(diǎn)與之類似，同樣可以通過(guò)任意點(diǎn)上的水深屬性來(lái)體現(xiàn)。因此可以將海區(qū)劃分和水深數(shù)據(jù)歸為2D地形環(huán)境(geography_2D)類進(jìn)行描述。對(duì)于海面概況來(lái)說(shuō)，主要包括海面上的各類礙航物和助航設(shè)備，灘質(zhì)底質(zhì)數(shù)據(jù)特點(diǎn)與海面概況數(shù)據(jù)類似，根據(jù)這類數(shù)據(jù)的特征，也可以將其歸為geography_2D類。

此外，海洋地形變化緩慢，并且各類軍事活動(dòng)對(duì)地形產(chǎn)生的影響較小，地形的變化可以忽略，因此各類海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)普遍對(duì)動(dòng)態(tài)地形要求不高。在此本文將海洋地形數(shù)據(jù)作為靜態(tài)數(shù)據(jù)描述。

3.3 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)水文環(huán)境特征要素

海洋水文環(huán)境隨時(shí)間變化比較迅速，對(duì)仿真實(shí)時(shí)性影響較大，因此大多使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如圖2所示。

對(duì)于海水基本物理量來(lái)說(shuō)，其溫度、鹽度、密度與所在位置及深度相關(guān)，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)三維上的特征，因此可將海水基本物理量作為3D水文環(huán)境(hydrology_3D)類進(jìn)行記錄。同樣，對(duì)于海洋噪聲、海水傳輸特性、海流來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)特征與海水基本物理量類似，也視為hydrology_3D類。而海浪、潮汐、海冰主要作用在海洋的表面，其數(shù)據(jù)可作為2D水文環(huán)境(hydrology_2D)類進(jìn)行記錄。

此外，水文基本物理量如溫度、鹽度、密度等隨時(shí)空動(dòng)態(tài)變化；海浪變化復(fù)雜，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；海冰會(huì)隨著海面動(dòng)態(tài)進(jìn)行無(wú)規(guī)律變化；海洋噪聲也受多方面因素影響，將這些水文環(huán)境作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)描述。而傳輸特性通常能夠保持穩(wěn)定，因此可認(rèn)為是靜態(tài)的屬性。海流、潮汐的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)一般都具有相對(duì)穩(wěn)定的規(guī)律性，可以借助數(shù)據(jù)表作為靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄[11]。

3.4 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)氣象環(huán)境特征要素

海洋氣象環(huán)境和海洋水文環(huán)境類似，變化快且無(wú)明顯規(guī)律，因此基本也采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，如圖3所示。

對(duì)于大氣基本物理量來(lái)說(shuō)，其溫度、濕度、壓強(qiáng)、密度相當(dāng)于一個(gè)在空間上連續(xù)分布的場(chǎng)，具有三維特征，因此將大氣基本物理量作為3D氣象環(huán)境(atmosphere_3D)類數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。同樣風(fēng)、能見度、傳輸特性等在數(shù)據(jù)特性上也呈現(xiàn)出這種三維的分布，也將其歸為此類。而對(duì)于氣候描述、雨、霧等氣象環(huán)境來(lái)說(shuō)，將其數(shù)據(jù)記為2D氣象環(huán)境(atmosphere_2D)類即可。

圖1 基于多粒度的海洋地形環(huán)境特征要素Fig.1 Characteristicelements of ocean topography environment based on multi- granularity

圖2 基于多粒度的海洋水文環(huán)境特征要素Fig.2 Characteristicelements of ocean hydrology environment based on multi- granularity

此外，除氣候描述，即對(duì)某一區(qū)域總體氣候特性進(jìn)行描述，基本保持不變外，大氣對(duì)聲、光、磁傳播的影響也被認(rèn)為是有固定規(guī)律的靜態(tài)數(shù)據(jù)[12-13]。而海洋氣象的基本物理量，以及風(fēng)、云、雨、雪、噪聲、能見度等要素多隨時(shí)空變化較快，且互相之間存在影響，需要用動(dòng)態(tài)模型描述，以保證仿真的真實(shí)性。

4 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)通用自然環(huán)境仿真數(shù)據(jù)框架及描述

4.1 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境仿真數(shù)據(jù)框架

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)是面向海上軍事任務(wù)的，其自然環(huán)境數(shù)據(jù)框架需要具備2個(gè)功能[14-16]：一是需要對(duì)近海沿岸到遠(yuǎn)海以及海底深處到海面上空的范圍內(nèi)，與軍事任務(wù)有關(guān)的所有自然環(huán)境要素進(jìn)行抽象和描述；二是能夠與各個(gè)數(shù)據(jù)源以及各類仿真子系統(tǒng)進(jìn)行交互，具體框架如圖4所示。

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)框架涵蓋了與海上軍事活動(dòng)密切相關(guān)的海洋地形、海洋水文和海洋氣象3類環(huán)境。其環(huán)境數(shù)據(jù)量十分龐大，將自然環(huán)境數(shù)據(jù)劃分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)2類數(shù)據(jù)進(jìn)行描述能夠有效提高仿真運(yùn)行效率。

此外，對(duì)于不同功能、層次的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其對(duì)自然環(huán)境數(shù)據(jù)的粒度需求往往不同。因此，應(yīng)對(duì)自然環(huán)境要素進(jìn)行多粒度數(shù)據(jù)描述。自然環(huán)境中的各個(gè)要素都能夠借助獨(dú)立的數(shù)據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行記錄，利用這種特性，基于面向?qū)ο蟮姆绞?，?duì)多粒度自然環(huán)境數(shù)據(jù)的表示進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

其中，F(xiàn)ield定義了不同類型的自然環(huán)境數(shù)據(jù)，如Geography_2D，Hydrology_3D，Atmosphere_3D等都從Field下繼承，分別對(duì)海洋地形、海洋水文以及海洋氣象中各類環(huán)境的數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行定義。Grid定義了所有水文和氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)格，Rectangle Grid和Curvilinear Grid都是從Grid下繼承，主要用于處理海洋水文、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。DEM指地形高程數(shù)據(jù)，包括格網(wǎng)型DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)DEM 2類，用于處理海洋地形數(shù)據(jù)。此外，Scenario為不同自然環(huán)境類提供了想定接口。Env database(environment database)提供了各類自然環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)來(lái)源接口。

4.2 海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境要素的描述

海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架能夠?yàn)楦鞣抡孀酉到y(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持及數(shù)據(jù)共享的前提是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致、完整、無(wú)歧義的分類及描述?；谏鲜龇治?，運(yùn)用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，將提取出的各環(huán)境要素進(jìn)行類定義。以海洋氣象環(huán)境中的風(fēng)為例，首先對(duì)風(fēng)進(jìn)行要素分解，其描述結(jié)構(gòu)如下：

圖3 基于多粒度的海洋氣象環(huán)境特征要素Fig.3 Characteristicelements of ocean meteorology environment based on multi- granularity

圖4 基于多粒度的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境數(shù)據(jù)框架Fig.4 Natural environment data framework of naval warfare simulation system based on multi- granularity

圖5 多粒度自然環(huán)境數(shù)據(jù)表示模型Fig.5 Natural environment data model based on multi- granularity

其描述要素主要分為風(fēng)向wind_direction和風(fēng)速wind_speed 2類，其中風(fēng)速在實(shí)際仿真過(guò)程中又可按照標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)分為3個(gè)軸向的風(fēng)速，分別記為wind_speed_x，wind_speed_y，wind_speed_z。

對(duì)于風(fēng)來(lái)說(shuō)，其各要素的描述數(shù)據(jù)在三維空間中呈現(xiàn)連續(xù)變化，則將其風(fēng)向以及3個(gè)軸向的風(fēng)速歸為atmosphere_3D類進(jìn)行記錄，以數(shù)據(jù)場(chǎng)的形式對(duì)風(fēng)進(jìn)行描述，在具體仿真時(shí)，根據(jù)仿真需求通過(guò)grid類生成滿足需要的數(shù)據(jù)網(wǎng)格，解決風(fēng)的多粒度描述問(wèn)題，結(jié)合具體數(shù)據(jù)，共同形成其描述方式，如圖6所示。

5 基于VR- Forces的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架的實(shí)現(xiàn)

VR- Forces是SAF(semi automated forces)結(jié)構(gòu)的GCF(computer generated forces)建模與仿真軟件。其API(application program interface)使用戶可定制VR- Forces中的任何功能，或?qū)R- Forces功能集成到用戶自己開發(fā)的應(yīng)用中。借助該軟件能更好地為海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的建設(shè)提供支持。

5.1 基于VR- Forces的自然環(huán)境設(shè)計(jì)

VR- Forces的二維態(tài)勢(shì)地形為態(tài)勢(shì)顯示提供二維位背景和位圖顯示控制接口，各種格式的位圖數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)化為MAK PVD平臺(tái)下的GDB格式[17]，其GDB地形生成流程如圖7所示。

圖6 海洋氣象環(huán)境中風(fēng)的數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)Fig.6 Data represent structure of wind of ocean meteorology environment

圖7 GDB地形生成流程Fig.7 Generating procedure of GDB topography

VR- Forces地形數(shù)據(jù)庫(kù)生成方式為構(gòu)造地形三維模型并制作紋理圖片，從而生成三維視景地形數(shù)據(jù)庫(kù)，生成過(guò)程如圖8所示，具體操作步驟如下：

圖8 地形數(shù)據(jù)庫(kù)生成過(guò)程Fig.8 Generating procedure of topography data base

(1) 添加高程數(shù)據(jù)到新建工程中。通過(guò)地形的高程信息，模擬地面的起伏，并對(duì)實(shí)體運(yùn)行產(chǎn)生約束。此時(shí)會(huì)生成GDB和MTD文件，MTD文件記錄了高程數(shù)據(jù)以及紋理貼圖數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置。

(2) 將衛(wèi)星照片、航拍照片或紙地圖等相關(guān)的圖片紋理加到GDB的上面，圖片若具有坐標(biāo)數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)對(duì)應(yīng)到GDB上相應(yīng)的坐標(biāo)中。此時(shí)會(huì)生成一個(gè)MTP文件，即目前制作的地圖。

(3) 地形工程創(chuàng)建完成后，通過(guò)設(shè)定不同三角面片的屬性，使其代表不同類型的地形。在地形中設(shè)置一些人文特征的點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)實(shí)體的碰撞檢測(cè)與人工智能產(chǎn)生影響。

對(duì)于海洋水文、海洋氣象來(lái)說(shuō)，其數(shù)據(jù)多為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，VR- Forces在進(jìn)行仿真時(shí)通常借助其他仿真服務(wù)器進(jìn)行，通過(guò)一定的接口與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，獲取所需數(shù)據(jù)。在進(jìn)行海洋水文、海洋氣象仿真時(shí)，通常采用2種方法：一是只存儲(chǔ)它們的初始數(shù)據(jù)，離線生成固定時(shí)間間隔的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，仿真運(yùn)行時(shí)只需按時(shí)間調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)；二是在仿真系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，利用動(dòng)態(tài)變化模型在不同仿真時(shí)刻進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)更新。

5.2 基于VR- Forces的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的作戰(zhàn)仿真

建立了海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架后，就可以進(jìn)行具體的作戰(zhàn)仿真了。VR- Forces的分布式體系結(jié)構(gòu)可將整個(gè)仿真應(yīng)用分布于多個(gè)仿真引擎上，并可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)前端遠(yuǎn)程GUI(graphical user interface)進(jìn)行控制。而多個(gè)前端遠(yuǎn)程GUI能進(jìn)行協(xié)調(diào)訓(xùn)練或劇情生成。借助于遠(yuǎn)程控制應(yīng)用程序接口，可定制用戶接口或通過(guò)其他應(yīng)用控制仿真引擎[18]。指揮員可以使用VR- Forces GUI定制用戶接口，繪制自己的圖層和可視化其他的數(shù)據(jù)。在作戰(zhàn)仿真中，VR- Forces實(shí)體與地形進(jìn)行交互、探測(cè)，與敵軍交戰(zhàn)并計(jì)算損傷程度。

本文給出如圖9～12的仿真實(shí)例。圖9為VR- Forces環(huán)境下生成的海戰(zhàn)自然環(huán)境，圖10為VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的敵我對(duì)峙，圖11為VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)彈攻擊，圖12為VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)彈命中目標(biāo)。

圖9 VR- Forces環(huán)境下生成的海戰(zhàn)自然環(huán)境Fig.9 Nature environment of naval warfare generated by VR- Forces

圖10 VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的敵我對(duì)峙Fig.10 Confrontation between the enemy and ourselvesin naval warfare environment generated by VR- Forces

圖11 VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)彈攻擊Fig11 Missile attack in naval warfare environment generated by VR- Forces

圖12 VR- Forces海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的導(dǎo)彈命中目標(biāo)Fig.12 Target hit by missile in naval warfare environment generated by VR- Forces

VR- Forces的可擴(kuò)展性能夠?yàn)楹?zhàn)場(chǎng)仿真提供完整的計(jì)算機(jī)兵力生成環(huán)境。在仿真執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)生成和執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)劇情，為戰(zhàn)術(shù)指揮訓(xùn)練模擬器系統(tǒng)、威脅生成系統(tǒng)、行為模型測(cè)試系統(tǒng)提供必需的仿真數(shù)據(jù)。 指揮員可以通過(guò)編輯參數(shù)配置文本文件對(duì)機(jī)動(dòng)載體的動(dòng)力學(xué)模型、行為、戰(zhàn)術(shù)、損傷模型、傳感器、對(duì)策和武器進(jìn)行配置。指揮員還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊和鍵盤輸入方式進(jìn)行兵力布局、創(chuàng)建行動(dòng)路線、為實(shí)體分派任務(wù)和布置計(jì)劃。對(duì)特定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的特定作戰(zhàn)想定進(jìn)行仿真，從而對(duì)作戰(zhàn)流程、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)結(jié)果有具體的認(rèn)識(shí)，為指揮員進(jìn)行戰(zhàn)斗部署提供直觀的參考。

6 結(jié)束語(yǔ)

海戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境仿真是海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。本文在分析自然環(huán)境仿真特點(diǎn)與需求的基礎(chǔ)上，提出建立基于VR- Forces的海戰(zhàn)仿真系統(tǒng)自然環(huán)境通用數(shù)據(jù)框架，并采用動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合及數(shù)據(jù)多粒度描述的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)及描述。本文研究的內(nèi)容已初步應(yīng)用在海戰(zhàn)仿真相關(guān)系統(tǒng)研究中。通過(guò)對(duì)各環(huán)境要素進(jìn)行一致、完整、無(wú)歧義的描述，能為仿真系統(tǒng)各模塊開發(fā)提供快速構(gòu)建數(shù)據(jù)模型的支持，以及為開發(fā)同一項(xiàng)目與其他組織機(jī)構(gòu)共享合作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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Nature Environment Simulation of General Data Framework for Naval Warfare System

SUN Yong- kan，BAI Yu

(Dalian Naval Academy，Liaoning Dalian 116018，China)

Naval warfare natural environment simulation is an important base for building naval warfare simulation system. The features of natural environment simulation based on multi- granularity for naval warfare are presented based on the analysis of SEDRIS (synthetic environment data representation and interchange specification). A natural environment general data framework of naval warfare simulation system is built. By combining dynamic data and static data or multi data grids, the XML (extensible markup language) of natural environment factors is described. The naval warfare simulation system natural environment data based on VR- Forces (virtual reality forces) are designed. The natural environment general data framework can provide quick data support for the development of all modules of the naval warfare simulation system.

naval warfare simulation； multi granularity；VR- Forces； nature environment simulation； general data framework； data field

2016-03-12；

2016-11-18 作者簡(jiǎn)介：孫永侃(1965-)，男，浙江義烏人。研究員，博士，主要從事作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.030

E843；TP391.9

A

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通信地址：116018 大連市中山區(qū)解放路667號(hào)軟件與仿真研究所張萍萍 E- mail：zpp1975@ 163.com