0104028航天試驗靶場試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)的研究(doc)
航天試驗靶場試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)的研究* 毛慶華** （太原衛(wèi)星發(fā)射中心測量部，750004） 摘要 本文以正在研究和建設的“航天試驗靶場系統(tǒng)試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)”為背景 ，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及各主要部分的功能，并給出了系統(tǒng)在實現(xiàn)時的一些關(guān)鍵 技術(shù)，從而為進一步開發(fā)“航天試驗靶場系統(tǒng)試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)”奠定了 基礎。 關(guān)鍵詞 航天試驗靶場 試驗指揮 信息 管理系統(tǒng) 1 引言 航天試驗是一項大規(guī)模的綜合性很強的科研試驗，這個復雜的巨系統(tǒng)通常由航天器系 統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、地面測試發(fā)射系統(tǒng)、跟蹤測控系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、時統(tǒng)通信系統(tǒng) 、氣象保障系統(tǒng)和勤務保障系統(tǒng)等組成。隨著航天活動信息化、軍事化、商業(yè)化的迅猛 發(fā)展，對傳統(tǒng)的航天試驗管理活動提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，美國、俄羅斯 、歐洲航天局等航天大國和集團，在航天信息化建設與組織管理方面達到了較高水平， 而我國航天試驗指揮的現(xiàn)代化程度和信息化水平卻相對較低。近幾年我國正在完善建設 的航天試驗指揮與綜合信息網(wǎng)，將充分利用信息技術(shù)和現(xiàn)代科技，提高航天試驗管理的 效能，進一步促進我國航天事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。 本文在分析了“航天試驗靶場系統(tǒng)試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)”的功能需求及總體結(jié) 構(gòu)之后，著重探討了該系統(tǒng)所采用的網(wǎng)絡技術(shù)、仿真技術(shù)及決策管理等手段。 2 系統(tǒng)的需求與功能 目前，在我國航天試驗任務的組織指揮中，雖然已應用了一些自動化指揮監(jiān)測手段， 但手段比較單一，試驗信息（命令、程序、狀態(tài)等）仍主要依賴于各級指揮員的口令調(diào) 度，信息的反饋也是有限的。因而有必要利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)和科學管理 手段，實現(xiàn)試驗信息資源管理的實時性、共享性和可靠性，以提高試驗任務組織管理的 有效性。 因此，本系統(tǒng)基于“試驗與訓練結(jié)合，指揮與管理共用”的原則，以計算機網(wǎng)絡環(huán)境為 系統(tǒng)運行的基礎，采用分布式控制與交互式仿真技術(shù)的主要形式，組成對試驗全過程實 施指揮與控制的“人－機”系統(tǒng)，可以實現(xiàn)試驗任務的組織指揮、試驗信息的匯集和發(fā)送 以及監(jiān)控信息的實時顯示、存貯處理，為指揮員匯集和提供準確、形象、直觀，具有決 策意義的試驗數(shù)據(jù)、曲線、圖形和電視實況?？梢砸?guī)范試驗指揮程序，加強訓練與合練 效果，提高系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的效率，從技術(shù)手段上提高組織指揮水平。此外，通過有關(guān)設備狀 態(tài)、數(shù)據(jù)及相關(guān)信息的仿真處理，可以進行工程仿真的綜合訓練?？紤]到系統(tǒng)功能實現(xiàn) 的條件，將分階段進行建設和完善，并且在系統(tǒng)開發(fā)的過程中，充分借鑒和吸收國內(nèi)外 同類系統(tǒng)的先進經(jīng)驗和技術(shù)，始終以建設具有先進性、開放性、可靠性、實用性、經(jīng)濟 性、安全性、易維護性和可擴充性的系統(tǒng)為最終目標。 3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案 總體方案要求：針對試驗指揮管理的設備類型多、分布范圍廣、技術(shù)層次高、信息量 復雜等特點，系統(tǒng)本著實用性強、可靠性高、擴展性好的原則，進行系統(tǒng)的總體設計。 3.1 系統(tǒng)的基本組成 本系統(tǒng)由試驗指揮網(wǎng)和仿真訓練網(wǎng)組成，二網(wǎng)之間通過網(wǎng)橋互連。試驗指揮網(wǎng)系統(tǒng)的 軟硬件構(gòu)成，擬以通用的開放式計算機多層網(wǎng)絡環(huán)境和分布式工作站的結(jié)構(gòu)形式組成。 試驗指揮網(wǎng)系統(tǒng)是二層總線型分布式信息監(jiān)測管理系統(tǒng)，分布式測控管理系統(tǒng)一般可 構(gòu)造二至三級。由于本系統(tǒng)在功能構(gòu)成上的特點，采用三級管理較為合適。第一級（最 低級）：由數(shù)臺現(xiàn)場試驗信息采集計算機系統(tǒng)構(gòu)成的現(xiàn)場測控級，有關(guān)單測站分別完成 各自系統(tǒng)的信息采集控制任務。第二級：由單測站信息傳輸計算機構(gòu)成的單測站監(jiān)控傳 輸級，這里共有多套單測站分別完成各自系統(tǒng)的信息監(jiān)控和傳送任務。第三級（最高級 ）：由指控中心監(jiān)視顯示系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)綜合管理級。 3.2系統(tǒng)的硬件 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,整個系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制、現(xiàn)場攝象與圖象傳輸、通信網(wǎng)絡 、衛(wèi)通網(wǎng)管、指揮控制、監(jiān)測顯示、仿真處理等分系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)的硬件環(huán)境由多臺 不同功能配置的計算機及其附屬設備通過二個計算機局域網(wǎng)組成（如圖1所示）。 3.3 系統(tǒng)的軟件 根據(jù)系統(tǒng)的總體技術(shù)要求及其具體功能，在系統(tǒng)硬件的基礎上，軟件系統(tǒng)采用分布式 處理與集中控制處理相結(jié)合的方式。整個系統(tǒng)軟件的集成環(huán)境，使用了VC、VB和多媒體 開發(fā)系統(tǒng)工具（如Authorware）、數(shù)據(jù)庫工具（如FoxPro）等通用編程工具。在Window s環(huán)境下進行集中、分步與協(xié)同式的軟件開發(fā)。 系統(tǒng)軟件按功能不同，構(gòu)成了指揮控制、通信管理、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測處理、系統(tǒng)仿真 等軟件子系統(tǒng)。軟件的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。 這幾部分軟件在功能與結(jié)構(gòu)上相互獨立，但在整個系統(tǒng)運行時，其它子系統(tǒng)卻受控于中 心控制軟件子系統(tǒng)。它以計劃調(diào)度和面向?qū)ο蟮姆绞?，實現(xiàn)系統(tǒng)任務的可靠調(diào)度與運行 。 試驗指揮網(wǎng)系統(tǒng)軟件可分為三個層次，即指控中心級、測站級、前端級；由各級分別 按各自的功能編制相應的應用軟件，進行模塊化設計，滿足系統(tǒng)的實時性、可靠性、可 維修性等要求，設計成多窗口、圖形化建模、自動運行分析和程序控制以及信息傳輸處 理的綜合環(huán)境。系統(tǒng)仿真網(wǎng)絡的軟件環(huán)境以Ｗindows下的分布交互式多媒體仿真開發(fā)環(huán) 境為基礎，它將仿真建模、實驗運行、設備控制和結(jié)果分析等功能融為一體，實現(xiàn)面向 對象的仿真。在應用軟件的設計上，以軟件工程的設計方法為主體，將各種軟件工具集 成為一體，設計成多窗口、圖型化建模和運行分析的仿真環(huán)境。 3.3.1 綜合管理級軟件 在系統(tǒng)任務調(diào)度管理下，運行相應的程序任務。系統(tǒng)任務管理包括：系統(tǒng)聯(lián)調(diào)指揮程 序、數(shù)據(jù)通信程序、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)仿真、通信網(wǎng)絡管理、輔助決策程序等。 3.3.2 測站級軟件 它既要完成前端采集管理，又要應答指控中心管理級的命令，同時要形成本級任務數(shù) 據(jù)庫和實現(xiàn)對本級工作信息的實時監(jiān)視，其軟件功能模塊的劃分大體上與綜合管理級相 似。 3.3.3 前端采集級(現(xiàn)場測控級)軟件 可以分為系統(tǒng)設置、信息采集、信息傳輸和狀態(tài)顯示等功能模塊。 3.3.4 仿真系統(tǒng)軟件 仿真環(huán)境的開發(fā)全面采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和開放式結(jié)構(gòu)。該環(huán)境提供給用戶一個方便 的生成功能模塊，建立仿真模型，調(diào)試運行和仿真結(jié)果分析，半實物仿真數(shù)據(jù)采集，故 障診斷分析的工作平臺。它包括功能模塊生成系統(tǒng)、圖形化建模系統(tǒng)、仿真實驗運行系 統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)、仿真數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)的仿真以我國在編的航天試驗 設備為仿真對象，在建立正確的物理與數(shù)學模型的基礎上，利用面向?qū)ο蟮姆抡?、?shù)學 建模等技術(shù)，將航天試驗組織實施的全過程和工作原理真實、直觀的表現(xiàn)出來，并提供 交互式仿真的訓練手段。 3.3.5輔助決策軟件 由于航天試驗決策的復雜性和風險性，因而在決策管理系統(tǒng)的設計上確立了“著眼長 遠，總體論證，穩(wěn)步推進，分步實施”的指導思想。以集成式系統(tǒng)和分布式網(wǎng)絡環(huán)境為技 術(shù)依托，將決策支持環(huán)境設計成一個分布式智能化的決策平臺，它包括人機交互系統(tǒng)、 各類模型庫系統(tǒng)（包含模型庫管理系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（包含數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）以及控 制調(diào)度系統(tǒng)等。 該部分主要由以下模塊組成：數(shù)據(jù)庫管理分系統(tǒng)、方法庫管理分系統(tǒng)、知識庫管理分 系統(tǒng)、模擬庫管理分系統(tǒng)、模型庫管理分系統(tǒng)、指揮命令輸入/出與編輯模塊、試驗文書 處理模塊、試驗數(shù)據(jù)采集模塊、氣象與地理信息處理及顯示模塊、圖形用戶接口、控制 調(diào)度模塊、指揮效能評估模塊等。其中包括的數(shù)據(jù)庫有：基礎數(shù)據(jù)庫（人員實力庫、設 備性能庫、保障器械性能庫等）、經(jīng)驗知識庫、氣象數(shù)據(jù)庫、方案數(shù)據(jù)庫、有關(guān)故障庫 等。其包括的模型庫有：故障模型庫、設備壽命預測模型庫等。 現(xiàn)就主要數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容及模塊的功能介紹如下： （1）基礎數(shù)據(jù)庫 根據(jù)國家信息化標準及指揮自動化現(xiàn)行國家軍用標準，采用分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立的 數(shù)據(jù)編碼、格式、存儲方法都統(tǒng)一的開放型數(shù)據(jù)庫。 （2）經(jīng)驗知識庫 該庫是指揮決策和評估所依據(jù)的重要資料，它是航天專家有關(guān)航天試驗綜合知識和經(jīng) 驗的匯總，是經(jīng)過條理化、結(jié)構(gòu)化，并以適當?shù)男问奖硎镜母咝轮R。該系統(tǒng)知識庫的 表示運用了產(chǎn)生式系統(tǒng)、框架系統(tǒng)及面向?qū)ο蟮姆椒?。知識庫的內(nèi)容主要包括有關(guān)航天 試驗全過程組織指揮的思想、理論、策略、各種原則、方式、方法以及航天力量的部署 、配備、開進、展開等知識。 （3）數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng) 該系統(tǒng)對航天試驗所需要的數(shù)據(jù)庫進行編輯、錄入、刪除、修改等。 （4）模型庫及其管理系統(tǒng) 模型庫是存儲有關(guān)模型信息的“模型詞典”。利用系統(tǒng)比較先進的面向?qū)ο蟮慕７椒?和圖形建模技術(shù)，使復雜的建模過程得到簡化。模型中包括有關(guān)現(xiàn)代管理決策的各種預 測、評價、優(yōu)化等模型。 4 主要關(guān)鍵技術(shù) 在技術(shù)途徑上采取選購部份主流硬件產(chǎn)品，包括接口板級產(chǎn)品，自主開發(fā)應用軟件為 主。主要技術(shù)方法：運用先進的面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)、高速采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、 計算機網(wǎng)絡與多媒體技術(shù)、指揮自動化與輔助決策技術(shù)等。使系統(tǒng)具有指揮調(diào)度、仿真 運行、故障診斷、輔助決策和模擬訓練等多方位管理功能，實現(xiàn)了“試驗與訓練結(jié)合，指 揮與管理共用”。 4.1 計算機通信與網(wǎng)絡技術(shù) 本系統(tǒng)采用了二個局域網(wǎng)通過網(wǎng)橋互連以進行信息交換,對試驗指揮網(wǎng)采用了路由器 與分布在多個地域的局域網(wǎng)互連以進行信息傳輸。同時又從試驗指揮網(wǎng)構(gòu)成的二層計算 機網(wǎng)絡所要求的主從式工作特點和經(jīng)濟實用性出發(fā),選用位總線的拓撲結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設計上 以通用的開放式計算機網(wǎng)絡環(huán)境和分布工作站的結(jié)構(gòu)形式，這在軟件上有一定難度。一 般的分布式系統(tǒng)是建立在計算機網(wǎng)絡之上的，二者在物理結(jié)構(gòu)上是基本相同的，它們的 主要區(qū)別是在高層軟件上，分布式系統(tǒng)是一個建立在網(wǎng)絡之上的軟件系統(tǒng)，保證系統(tǒng)高 度的一致性與透明性。 4.2 系統(tǒng)仿真技術(shù) 本系統(tǒng)的實現(xiàn)主要運用面向?qū)ο蟮姆抡婕夹g(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)字仿真技術(shù)主要基于科學計算 ，這種以數(shù)學模型為中心的仿真系統(tǒng)是以面向過程為核心，其本質(zhì)是要將人們對系統(tǒng)認 識的方法轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于計算機符號處理的模式。 面向?qū)ο蟮乃枷刖褪鞘顾治龊脱芯肯到y(tǒng)的建模方式與對客觀世界的認識過程盡可能 一致。在面向?qū)ο蟮姆抡嬷校到y(tǒng)被看成是由對象組成的，對象是一個獨立的實體，對 象的屬性和屬性的變化規(guī)律即對對象的操作完全封裝在對象內(nèi)部，外部的作用必須通過 對象的操作接口來實現(xiàn)。面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)的運行是通過對象之間互相發(fā)送消息來執(zhí) 行的。面向?qū)ο蟮姆抡嬖诶碚撋贤黄屏藗鹘y(tǒng)仿真方法觀念，使建模過程接近人的自然思 維方式，所建立的模型具有內(nèi)在的可擴充性和可重用性，有利于可視化建模仿真環(huán)境的 建立。 在仿真系統(tǒng)中，軟件功能模塊與實際仿真的具體對象一一對應。建模的主要任務就是 把仿真模塊庫中提供的各種功能模塊進行修改、設置與組合，以形成仿真模型。面向?qū)?象的仿真技術(shù)使用戶不僅可以利用已有功能模塊，而且可以利用功能模塊生成工具來建 立新的功能模塊。功能模塊建成后，仿真建模變得較簡單，主要任務就是創(chuàng)建、控制、 組合和刪除功能模塊。該仿真系統(tǒng)是基于客戶機/服務器(Client/Server)方式局域網(wǎng)實 現(xiàn)的（如圖1所示），該局域網(wǎng)采用c/s結(jié)構(gòu)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)處理中心，以服務 器為信息交換的樞紐。 4.3 決策管理系統(tǒng)中應用的知識表示方法和分類建模技術(shù) 決策管理系統(tǒng)的設計關(guān)鍵在于知識的表示。知識必須以適當?shù)男问奖硎境鰜恚阌谠?計算機中儲存、檢索、使用和修改。實質(zhì)上知識表示就是關(guān)于如何描述事物的一組約定 。一般而言，知識的表示形式主要有：產(chǎn)生式系統(tǒng)、語義網(wǎng)絡、框架系統(tǒng)、一階謂詞演 算系統(tǒng)等。本系統(tǒng)在設計上采用了產(chǎn)生式系統(tǒng)和框架系統(tǒng)的知識表示，并初步運用了面 向?qū)ο蟮闹R表示方法。航天試驗的知識庫是該領域知識的存儲器，包含了領域中的事 實（一定的公開知識）和規(guī)則（經(jīng)驗型的探索式知識）。這顯然是一種大型、復雜的知 識庫，面向?qū)ο螅∣bject—Oriented）的方法學顯式地提供了力圖還客觀世界本來面目的 “對象”的概念，程序設計者可以按照問題空間中對象的豐富特征比較自由地定義解空間 的對象，從而，用面向?qū)ο蟮姆椒▽W構(gòu)造軟件系統(tǒng)或知識系統(tǒng)，能比較自然地反映人們 思考問題的方式。按照面向?qū)ο蠓椒▽W的觀點，一個對象的形式定義可以用如下四元組 表示： 對象∷= 其中有關(guān)符號表示如下： ID——對象標識符； DS——數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； MS——方法集合； MI——對象的消息接口。 可以看出，在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中，消息流統(tǒng)一了控制流和數(shù)據(jù)流，它是實現(xiàn)對象之間 聯(lián)系的唯一途徑。因而，面向?qū)ο蟮闹R表示是比語義網(wǎng)絡和框架系統(tǒng)更結(jié)構(gòu)化的知識 表示法。在這里，對象的處理方法可以是過程的調(diào)用，規(guī)則知識的推理以及框架結(jié)構(gòu)信 息的繼承推理等。在該模型中，對象...
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