（計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)論文）空管仿真模擬系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)生成研究.pdf

四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 空管仿真模擬系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)生成研究 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè) 研究生吳懿指導(dǎo)教師李永寧 空管( 空中交通管制) 仿真模擬系統(tǒng)分為雷達(dá)模擬機(jī)，程序模擬機(jī)，塔臺(tái) 模擬機(jī)三類，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對空中交通管制過程進(jìn)行模擬，達(dá)到對空管 人員進(jìn)行培訓(xùn)的目的，模擬管制培訓(xùn)是現(xiàn)在國際國內(nèi)普遍采用的管制培訓(xùn)手 段。本文主要對空管仿真模擬系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的生成進(jìn)行研究?？展芊抡婺M系 統(tǒng)的運(yùn)行是基于對實(shí)際情況的一種想定的，所以仿真數(shù)據(jù)的生成就是將空中交 通管制過程中的想定實(shí)物與運(yùn)動(dòng)規(guī)律在計(jì)算機(jī)中用數(shù)據(jù)的形式來表達(dá)的過程。 本文將空管仿真模擬系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)劃分為靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并分別就其 生成方式做了深入細(xì)致的分析，提出了一套適合空中交通管制模擬的仿真數(shù)據(jù) 生成方法，并重點(diǎn)對d r s 雷達(dá)模擬機(jī)的仿真數(shù)據(jù)的生成進(jìn)行了研究。文章主 要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 對空管仿真模擬系統(tǒng)的建模進(jìn)行了分析，將系統(tǒng)的仿真模型劃分為運(yùn)動(dòng) 實(shí)體參數(shù)模型、環(huán)境模型、仿真計(jì)算模型、客戶模型、想定計(jì)劃模型、管理模 型六類相互作用的子模型并確定其相互的關(guān)系，提出將系統(tǒng)仿真模型中的靜態(tài) 特征用靜態(tài)數(shù)據(jù)來表達(dá)，動(dòng)態(tài)特征用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來表達(dá)，并通過數(shù)據(jù)與對數(shù)據(jù)的 操作來描述空管仿真模擬過程。 采用數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法對靜態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了研究，將靜態(tài)數(shù)據(jù)的 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)分為需求分析、概念模型設(shè)計(jì)、邏輯模型設(shè)計(jì)、物理模型設(shè)計(jì)四 個(gè)階段，同時(shí)從軟件體系結(jié)構(gòu)的角度將空管仿真模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 體系結(jié)構(gòu)劃分為界面層、中間層、數(shù)據(jù)層，并對每層的功能與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析， 以此為基礎(chǔ)討論了靜態(tài)數(shù)據(jù)的生成。 采用多層綜合建模( m l s m ，m u l t i l a y e r e ds y n t h e t i c a lm o d e l i n g ) 方法對 空管仿真模擬系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型進(jìn)行了分析，將仿真計(jì)算模型劃分為命令解 析層與運(yùn)動(dòng)核心層，以此為基礎(chǔ)討論了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的生成。 通過對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)生成方式的分析，本文重點(diǎn)對d r s 雷達(dá)模 擬機(jī)的數(shù)據(jù)生成進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)了d r s 雷達(dá)模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫模型，并對d r s 雷達(dá)模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫席位( n t b a s e ) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論；討論了d r s 雷達(dá)模擬機(jī)服務(wù)器席位( s e r v e r ) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過d r s 雷達(dá)模擬機(jī)仿真 計(jì)算模型的具體實(shí)現(xiàn)研究了飛機(jī)動(dòng)態(tài)航跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)生成。 實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明，本文所提出的數(shù)據(jù)生成方法具有很好的穩(wěn)定性與實(shí) 用性，并且具有良好的可重用性，可以為其它同類仿真模擬系統(tǒng)提供一種仿真 數(shù)據(jù)生成方式的參考。 關(guān)鍵詞：空中交通管制空管仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型 多層綜合建模數(shù)據(jù)生成仿真模型軟件體系結(jié)構(gòu) t n l 川大學(xué)碩士學(xué)位論文 r e s e a r c ho fd a t ag e n e r a t i o ni na i rt r a f f i c c o n t r o l ( a t c ) s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m m a j o ec o m p u t e ra p p l i c a t i o n t u t o r ：l iy o n g n i n g a i rt r a f f i cc o n t r o l ( a t c ) s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e dt ot r a i n a i r p o r tc o n t r o l l e r sn a t i o n a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y ，t h e r ea l et h r e et y p e so fa t c s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ，d i g i t a lr a d a ls i m u l a t o r , d i g i t a lp s e u d os i m u l a t o ra n d t o w e rs i m u l a t o r , u s i n gt h es i m u l a t i o nt e e h n o l o g yt oc r e a t eav i r t u a le n v i r o n m e n t , f o rt h ep u r p o s eo f a i rt r a f f i cc o n t r o lt r a i n i n g i nt h i sp a p e r ，w em a i n l yf o c u s e do n t h ed a t ag e n e r a t i o no f t h es y s t e m a sf o ras i m u l a t i o ns y s t e m ，d a t ag e n e r a t i o ni sa p r o c e s sw h i c hp r o j e c t st h eo b j e c t so rt h ec o u r s e so ft h er e a le n v i r o n m e n ti n t o c o m p u t e r s w ec o m p a r t m e n t a l i z e dt h ed a t ai n t ot w oc a t e g o r i e s ，s t a t i cd a t aa n d d y n a m i cd a t a , r e s p e c t i v e l y ，w er e s e a r c h e dt h eg e n e r a t i o np r o c e s s e so f b o t hk i n do f d a t a , b r o u g h tf o r w a r das u i to fd a t ag e n e r a t i o nm e t h o d s ，f i n a l l yw er e s e a r c h e dt h e d a t ag e n e r a t i o no f d i g i t a lr a d a rs i m u l a t o rp a r t i c u l a r l y t h i sp a p e rw a sd i v i d e di n t o f o u rp a r t s , t h e ya r e ： 1 a n a l y z e dt h em o d e l i n gm e t h o d so fs i m u l a t i o ns y s t e m s ，u s i n gs i xd i f f e r e n t m o d e l st or e p r e s e n tt h ea i rt r a f f i cc o n t r o lp r o c e s s ，t h e ya l em o v i n go b j e c tm o d e l ， e n v i r o n m e n tm o d e l ，c a l c u l a t i o nm o d e l ，c l i e n tm o d e l ，p l a nm o d e l ，m a n a g em o d e l ， a f t e rd e f i n et h e s em o d e l s ，w ei n d i c a t e dt h e i rr e l a t i o n s h i p ，f i n a l l yw eb r o u g h t f o r w a r dt h ec o n c e p tt h a tu s i n gt h es t a t i cd a t aa n dt h ed y n a m i cd a t at or e p r e s e n t t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e mr e s p e c t i v e l y 2 u s i n gd a t a b a s et e c h n o l o g yt om o d e lt h ed a t am o d e lo ft h es y s t e m ，d i v i d e d r i 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h ep r o c e s si n t of o u rp h a s e s , t h e ya r e ：r e q u i r e m e n ta n a l y s i s , c o n c e p tm o d e l i n g , l o g i cm o d e l i n g ，p h y s i cm o d e l i n g a f t e rt h i s ，w e r e s e a r c h e dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fs y s t e m sd a t a b a s ea p p l i c a t i o n , d i v i d e dt h ea p p l i c a t i o ni n t ot h r e e s o r w a r ea r c h i t e c t u r el e v e l s ，a n dd i s c u s s e dt h e mr e s p e c t i v e l y 3 u s i n gt h em l s m ( m u l t i l a y e r e ds y n t h e t i c a lm o d e l i n g ) m e t h o d st om o d e lt h e c a l c u l a t i o nm o d e l ，d i v i d e dt h ec a l c u l a t i o nm o d e li n t ot w ol e v e l s , t h e ya r ec o m m a n d r e s o l u t i o nl e v e la n dc a l c u l a t i o nl e v e l ，a n dd i s c u s s e dt h eg e n e r a t i o no fd y n a m i c 仃a c e s 4 d i s c u s s e dt h ed a t ag e n e r a t i o no fd i s t a lr a d a rs i m u l a t o r t h r o u g ht h e d a t a b a s em o d e ld e s i g na n dt h ed a t a b a s ea p p l i c a t i o n ( n t b a s e li m p l e m e n t a t i o n , d i s c u s s e dt h es t a t i cd a t ag e n e r a t i o no fd i g i t a lr a d a rs i m u l a t o r ，t h r o u t h e d i s c u s s i n go ft h ei m p l e m e n t a t i o n ：s e r v e r ) o fc a l c u l a t i o nm o d e l ，r e s e a r c h e dt h e d y n a m i cd a t ag e n e r a t i o no f d i g i t a lr a d a rs i m u l a t o r t h ea t cs i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m sh a v e b e e nu s e da sat r a i n i n gs y s t e mf o r a i r p o r tc o n t r o l l e r sf o rm a n yy e a r s ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed a t ag e n e r a t i o n m e t h o d si sv e r ys t a b l ea n da p p l i e d ，m o s to fa l l ，i t 。se a s yt om o d i f ya n dr e u s e ，s oi t c a nb ear e f e r e r t c et ot h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo t h e rs i m i l a rs i m u l a t i o n s y s t e m s k e y w o r d s ：a i rt r a f f i cc o n t r o l ( a t c ) ，s i m u l a t i o nt r a i n i n gs y s t e m ，d a t a b a s e ， d a t am o d e l ，m u l f i l a y e r e ds y n t h e t i c a l m o d e l i n g ，d a t ag e n e r a t i o n , s i m u l a t i o nm o d e l ，s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e i v 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 課題來源 1 1 1 空中交通管制的概念 空中交通管制【l 】( a i rt r a f f i cc o n t r o l ，簡稱“空管”) 是對航空器的空 中活動(dòng)進(jìn)行管理和控制的業(yè)務(wù)。其任務(wù)是防止航空器彼此相撞，防止航空器與 機(jī)場及其附近地區(qū)的障礙物相撞，促使空中交通暢通而有秩序，從而保證飛行 安全和提高飛行效率?？罩薪煌ü苤茦I(yè)務(wù)始于3 0 年代。隨著航空運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展 和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，管制方法由程序管制發(fā)展到雷達(dá)管制，并逐步向自動(dòng)化推 進(jìn)?？罩薪煌ü苤茦I(yè)務(wù)通常由管理民航事務(wù)的國家行政當(dāng)局設(shè)置專門的機(jī)構(gòu)負(fù) 責(zé)。一般設(shè)空中交通管制中心，負(fù)責(zé)對區(qū)域內(nèi)按儀表飛行規(guī)則飛行的航空器進(jìn) 行管制；進(jìn)近管制室，負(fù)責(zé)對在終端管制區(qū)( 以機(jī)場為中心、半徑為5 0 1 0 0 千米的區(qū)域，但不含機(jī)場本身的范圍) 內(nèi)進(jìn)場、離場和飛越的航空器進(jìn)行管制； 機(jī)場管制塔臺(tái)，負(fù)責(zé)對本機(jī)場范圍內(nèi)起飛、著陸和飛行的航空器進(jìn)行管制。 程序管制是管制員與駕駛員利用無線電通信設(shè)備進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，管制員通 過駕駛員的報(bào)告掌握航空器的各種信息，并計(jì)算確定航空器的位置，然后結(jié)合 飛行計(jì)劃和具體情況向駕駛員發(fā)出各種指示，使航空器之間保持一定間隔。這 種管制方法速度慢，精確性差，要求航空器間的最低標(biāo)準(zhǔn)閫隔很大。從而使一 定空域內(nèi)容納的交通量比較少。 雷達(dá)管制是管制員根據(jù)雷達(dá)的顯示，掌握本管制空域雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)所有 航空器的精確位置，因而要求航空器問的最低標(biāo)準(zhǔn)間隔可以小很多，從而使一 定空域內(nèi)容納的交通量增加。但普通雷達(dá)不能顯示航空器高度，在有多個(gè)航空 器的情況下也無法判斷哪個(gè)標(biāo)志代表哪個(gè)航空器。由此現(xiàn)代空中交通管制系統(tǒng) 采用了二次雷達(dá)。即由地面詢問器和機(jī)載應(yīng)答器兩大部分配合使用。地面詢問 器發(fā)射的無線電脈沖，觸發(fā)機(jī)載應(yīng)答器發(fā)射出應(yīng)答脈沖，管制員即可在雷達(dá)顯 示器上看到該航空器標(biāo)志的旁邊以字母和數(shù)字顯示出它的識別代碼和飛行高 度。 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 2 空管仿真模擬系統(tǒng)的發(fā)展 隨著中國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也迎來了前所未有的機(jī)遇與 挑戰(zhàn)，特別是民航業(yè)，飛速的發(fā)展使得飛行流量急劇增加，對空中交通管制的 要求也越來越高。由于安全性的需要，對管制員的培訓(xùn)非常嚴(yán)格，而真實(shí)培訓(xùn) 存在著靈活性不足、消耗高、安全性差等缺點(diǎn)。現(xiàn)在普遍采用的培訓(xùn)手段是空 管仿真模擬訓(xùn)練，管制員在一個(gè)模擬的空管環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)，增加了培訓(xùn)的靈 活性，節(jié)約了培訓(xùn)的開銷，又提高了訓(xùn)練的安全性。 西方國家在上個(gè)世紀(jì)七十年代開始研制空管仿真模擬系統(tǒng)，在八十年代已 經(jīng)大規(guī)模地使用空管仿真模擬系統(tǒng)來培訓(xùn)管制員，當(dāng)時(shí)的空管仿真模擬系統(tǒng)都 是運(yùn)行在專門的圖形工作站下的，成本非常高，我國當(dāng)時(shí)也曾經(jīng)引進(jìn)過這樣的 培訓(xùn)系統(tǒng)，但由于其價(jià)格因素，在我國并沒有被廣泛地使用。 隨著國內(nèi)空管仿真模擬系統(tǒng)需求的不斷增加，四j l l 大學(xué)圖形圖象研究所在 9 0 年推出了d r s - 9 0 雷達(dá)模擬機(jī)，采用p c 機(jī)作為系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，由于采用了 p c 機(jī)作為運(yùn)行平臺(tái)，大大節(jié)省了硬件成本，使得仿真模擬訓(xùn)練能廣泛地應(yīng)用于 空管培訓(xùn)領(lǐng)域，之后，四川大學(xué)圖形圖象研究所又相繼推出了d r s - 9 3 ，d r s 一9 0 0 0 雷達(dá)模擬機(jī)。d r s 一9 0 型雷達(dá)模擬機(jī)1 9 9 2 年1 2 月獲得了國家民航總局( 部級) 科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，d r s - 9 3 型雷達(dá)模擬機(jī)被鑒定為國際領(lǐng)先水平，1 9 9 6 年1 2 月 獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。d r s 系列雷達(dá)模擬機(jī)已經(jīng)在全國民航所有七大管 理局和主要機(jī)場、三大民航院校以及軍航中得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，占有國 內(nèi)市場9 5 以上的份額，并完全替代了進(jìn)口。到目前為止產(chǎn)值達(dá)到了7 0 0 0 千萬 元：與此同時(shí)，d p s 程序模擬機(jī)和c d z s 機(jī)場塔臺(tái)視景模擬機(jī)也研制成功并投入 使用，d p s 程序模擬機(jī)曾獲得教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，c d z s 機(jī)場塔臺(tái)視景模擬 機(jī)也通過了民航總局的技術(shù)鑒定。 仿真模擬訓(xùn)練已經(jīng)成為對管制員進(jìn)行培訓(xùn)的重要手段，因此也對空管仿真 模擬系統(tǒng)提出了更高的要求，如何使系統(tǒng)的模擬效果更接近真實(shí)的管制環(huán)境， 如何使系統(tǒng)的模擬數(shù)據(jù)更真實(shí)，已經(jīng)成為擺在空管仿真模擬系統(tǒng)面前的兩大課 題。本文中提到的雷達(dá)模擬機(jī)專指d r s 雷達(dá)模擬機(jī)1 2 】網(wǎng)，程序模擬機(jī)專指d p s 程序模擬機(jī)，塔臺(tái)模擬機(jī)專指c d z s 三維視景塔臺(tái)模擬機(jī)1 4 。 2 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 數(shù)據(jù)生成研究的重要意義 空管仿真模擬系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，現(xiàn)代仿真方法學(xué)將計(jì)算機(jī)仿真 分為“系統(tǒng)建?！薄ⅰ胺抡娼！?、“仿真實(shí)驗(yàn)”三類活動(dòng)，而聯(lián)系這些活動(dòng)的 要素是“系統(tǒng)”、“模型”：“計(jì)算機(jī)”。其中；系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng) 的抽象，仿真是通過對模型的實(shí)驗(yàn)來達(dá)到研究的目的，現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個(gè)重 要進(jìn)展是將仿真活動(dòng)擴(kuò)展到上述三個(gè)方面，并將其統(tǒng)- - n 同一環(huán)境中圖1 - 1 顯示的是現(xiàn)代仿真的概念框架，概念框架圖中的“仿真問題描述”對應(yīng)于“仿 真建?！?；“行為產(chǎn)生”對應(yīng)于“仿真實(shí)驗(yàn)”，只是將仿真輸出獨(dú)立于行為產(chǎn)生； “模型行為及其處理”相應(yīng)于輸出處理。現(xiàn)代仿真技術(shù)將實(shí)驗(yàn)框架與仿真運(yùn)行 控制區(qū)分開。其中，實(shí)驗(yàn)框架用來定義條件，包括模型參數(shù)、輸入變量、觀測 變量、初始條件、輸出說明。這樣，當(dāng)需要不同形式的輸出時(shí)，不必重新修改 仿真模型，甚至不必重新仿真運(yùn)行?？梢娔Ｐ偷男袨榧捌涮幚硎欠抡娴年P(guān)鍵， 本文主要對空管仿真模擬系統(tǒng)對模型行為中的仿真數(shù)據(jù)的生成【1 5 1 進(jìn)行研究。 仿真問題描述 ：。：i ： ：特定模型：實(shí)驗(yàn)： ；參數(shù)模型i 實(shí)驗(yàn)框架； i 參數(shù)值i 運(yùn)行控制； 模型行為及其處理 模型行為( 仿真數(shù)據(jù)) i 軌跡行為i 結(jié)構(gòu)行為； l i l 行為處理：分析，顯示l 圖卜1 現(xiàn)代仿真的概念框架 對于空管仿真模擬系統(tǒng)來說，需要綜合仿真訓(xùn)練過程中的各類因素，創(chuàng)造 一個(gè)類似空中交通管制過程的模擬環(huán)境，使管制員在這個(gè)模擬的環(huán)境中進(jìn)行管 制訓(xùn)練。這一模擬管制環(huán)境是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對空中交通管 制過程的描述是通過數(shù)據(jù)與對這些數(shù)據(jù)的操作來表達(dá)的。數(shù)據(jù)【1 7 】( d a t a ) 通常 指用符號記錄下來的、可以識別的信息。由于這些符號被人們賦予了特定的語 義，因此，它們就具有傳遞信息的功能。計(jì)算機(jī)通過將一系列具有一定數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的數(shù)據(jù)組合起來描述空中交通管制在某一時(shí)刻的狀態(tài)，并通過對這些數(shù)據(jù)的 操作達(dá)到對整個(gè)空中交通管制過程進(jìn)行仿真模擬的目的。所以，計(jì)算機(jī)對空管 過程的仿真模擬就是一個(gè)數(shù)據(jù)生成與數(shù)據(jù)操作的過程( 如圖1 - 2 所示) ，空管 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 過程從現(xiàn)實(shí)世界中被抽象出來成為仿真模型，對于模型中的靜態(tài)特征我們用數(shù) 據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)( 靜態(tài)數(shù)據(jù)生成) ，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于在物理介質(zhì)中，并通過專門的 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序進(jìn)行生成與管理；動(dòng)態(tài)特征用仿真計(jì)算來實(shí)現(xiàn)( 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)生 成) ，數(shù)據(jù)庫為仿真計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。通過靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的組合，我 們就可以利用計(jì)算機(jī)對空中交通管制的過程的狀態(tài)進(jìn)行表達(dá)。 圖1 _ 2 數(shù)據(jù)生成與空管過程關(guān)系圖 對數(shù)據(jù)生成的研究可以使我們更好地了解如何用計(jì)算機(jī)對現(xiàn)實(shí)世界中的過 程進(jìn)行仿真。本文所提到的數(shù)據(jù)專指由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成、存儲(chǔ)、傳輸、顯示的 描述仿真行為的仿真數(shù)據(jù)。 1 3 本文結(jié)構(gòu) 本文主要對空管仿真模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生成進(jìn)行研究，建立了空管仿真模擬 系統(tǒng)仿真模型；總結(jié)出了一套適合空管仿真模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生成方法。采用數(shù) 據(jù)庫技術(shù)與多層綜合建模( l s m ) 技術(shù)分別對靜態(tài)數(shù)據(jù)生成與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)生成的 實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對雷達(dá)模擬機(jī)的數(shù)據(jù)生成進(jìn)行了研究。 本文共分5 章。 第1 章為緒論。介紹了課題的來源，著重分析了空管仿真模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)生 4 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 成研究的重要意義，并對文章的組織結(jié)構(gòu)與本人所做工作進(jìn)行了介紹。 第2 章就d r s 雷達(dá)模擬機(jī)、d p s 程序模擬機(jī)、c d z s 三維塔臺(tái)視景模擬機(jī)三 類空管仿真模擬系統(tǒng)分別從功能與結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行了介紹，并分析比較了幾類 空管仿真系統(tǒng)的異同，指出了三類系統(tǒng)在數(shù)據(jù)生成方式上的相似性。 第3 章綜合了幾類空管仿真模擬系統(tǒng)在數(shù)據(jù)生成方面的特點(diǎn)，從計(jì)算機(jī)仿 真建模、數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算模型設(shè)計(jì)四個(gè)方面 入手分別對空管仿真模擬系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的生成進(jìn)行了分析。 第4 章針對第3 章對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)數(shù)據(jù)生成的分析，重點(diǎn)研究了空管仿 真模擬系統(tǒng)中最具代表性的雷達(dá)模擬機(jī)的數(shù)據(jù)生成。對雷達(dá)模擬機(jī)的數(shù)據(jù)庫模 型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并討論了雷達(dá)模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫席位( n t b a s e ) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；對 雷達(dá)模擬機(jī)服務(wù)器席位( s e r v e r ) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論，并通過雷達(dá)模擬 機(jī)仿真計(jì)算模型的實(shí)現(xiàn)研究了飛機(jī)動(dòng)態(tài)航跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)生成。 第5 章為結(jié)論與展望?？偨Y(jié)了文章所做了的工作，并提出展望。 1 4 本人所做的工作 本人在研究生學(xué)習(xí)期間在四川大學(xué)圖形圖象研究所( 川大智勝股份有限公 司【6 1 ) 從事d r s 雷達(dá)模擬機(jī)的研發(fā)工作，工作重點(diǎn)是雷達(dá)模擬機(jī)數(shù)據(jù)庫席位的 設(shè)計(jì)與開發(fā)，先后參與了與之有關(guān)的多個(gè)項(xiàng)目： 在海南d r s 雷達(dá)模擬機(jī)引接真實(shí)雷達(dá)信號項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與 編碼工作； 在中國民航飛行學(xué)院場監(jiān)雷達(dá)管制系統(tǒng)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了d r s 雷達(dá)模擬機(jī) 場監(jiān)雷達(dá)數(shù)據(jù)庫，并對其進(jìn)行了編碼實(shí)現(xiàn)： 在d r s 雷達(dá)模擬機(jī)語音項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與編碼工作； 在d r s 雷達(dá)模擬機(jī)扇區(qū)與限制區(qū)管制項(xiàng)目，負(fù)責(zé)扇區(qū)與限制區(qū)數(shù)據(jù)庫的 設(shè)計(jì)與編碼工作； 在d r s 雷達(dá)模擬機(jī)與d p s 程序模擬機(jī)合并的新型雷達(dá)模擬機(jī)項(xiàng)目中負(fù)責(zé) 對d r s 雷達(dá)模擬機(jī)與d p s 程序模擬機(jī)的數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)了新型雷達(dá)模擬機(jī)數(shù)據(jù) 庫； 在西南飛行學(xué)院課件生成系統(tǒng)項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)將課件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 d r s 雷達(dá)模擬機(jī)的數(shù)據(jù)。 在整個(gè)過程中，編寫代碼兩萬余行，主要使用v i s u a lc + + 6 0 實(shí)現(xiàn)。 6 四j i i 大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 空管仿真模擬系統(tǒng) 2 1 空管仿真模擬系統(tǒng)分類 針對不同的管制環(huán)境與管制層次，不同種類的管制員，空管仿真模擬系統(tǒng) 可以大致分為雷達(dá)模擬機(jī)、程序模擬機(jī)、三維視景塔臺(tái)模擬機(jī)三類。 ( 1 ) 雷達(dá)模擬機(jī) 模擬管制的范圍是雷達(dá)能覆蓋到的區(qū)域和進(jìn)近，管制員通過一個(gè)模擬雷達(dá) 顯示的顯示屏觀察飛機(jī)，通過模擬地空通話系統(tǒng)向模擬機(jī)長( 輔助教員) 發(fā)送 管制命令，從而達(dá)到訓(xùn)練的目的。 ( 2 ) 程序模擬機(jī) 模擬了雷達(dá)無法覆蓋的區(qū)域的程序管制過程，由于程序模擬機(jī)與雷達(dá)模擬 機(jī)在硬件結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)與操作方法上都非常相似，所以本文在討論雷達(dá)模擬 機(jī)的同時(shí)就不單獨(dú)就程序模擬機(jī)做另外的討論。 ( 3 ) 三維視景塔臺(tái)模擬機(jī) 模擬了塔臺(tái)和地面管制以及雷達(dá)操作的一部分功能。進(jìn)行塔臺(tái)管制訓(xùn)練的 管制員通過多通道的三維視景以及場監(jiān)雷達(dá)顯示屏觀察飛機(jī)，通過模擬地空通 話系統(tǒng)向模擬機(jī)長( 輔助教員) 發(fā)管制命令，進(jìn)行訓(xùn)練。 2 2d r s 雷達(dá)模擬機(jī) d r s 雷達(dá)模擬機(jī)是四川大學(xué)圖形圖象研究所針對國外同類型產(chǎn)品價(jià)格昂 貴，不易大規(guī)模使用的情況研制的運(yùn)行于p c 機(jī)上的空管培訓(xùn)系統(tǒng)，d r s 雷達(dá)模 擬機(jī)多用于區(qū)域和進(jìn)近管制訓(xùn)練。從1 9 9 0 年開始，針對越來越復(fù)雜的國內(nèi)民 航交通狀況，d r s 雷達(dá)模擬機(jī)也日益成熟，相繼推出了d r s 一9 0 ，d r s 一9 3 ，d r s 一2 0 0 0 系列產(chǎn)品。在2 0 0 4 年，d r s 雷達(dá)模擬機(jī)加入了場面監(jiān)視雷達(dá)管制功能，使得 d r s 雷達(dá)模擬機(jī)系列產(chǎn)品的使用范圍更廣，實(shí)用性更強(qiáng)。d r s - 9 0 型雷達(dá)模擬機(jī) 1 9 9 2 年1 2 月獲得了國家民航總局( 部級) 科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，d r s - 9 3 型雷達(dá)模 擬機(jī)被鑒定為國際領(lǐng)先水平，1 9 9 6 年1 2 月獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。d r s 系列雷達(dá)模擬機(jī)已經(jīng)在全國民航所有七大管理局和主要機(jī)場、三大民航院校以 7 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 及軍航中得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，占有國內(nèi)市場9 5 以上的份額，并完全替 代了進(jìn)口。到目前為止產(chǎn)值達(dá)到了7 0 0 0 千萬元；現(xiàn)在d r s 雷達(dá)模擬機(jī)培訓(xùn)己 經(jīng)成為國內(nèi)管制員上崗前的必修課。 d r s 雷達(dá)模擬機(jī)由管制員位( 雷達(dá)位) 、模擬機(jī)長位和系統(tǒng)控制臺(tái)( 包括中 心機(jī)、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫) 組成，配備了模擬地空通訊、內(nèi)通訊系統(tǒng)、練習(xí)記錄 與重放系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及機(jī)架( 系統(tǒng)組成如圖2 - 1 所示) 。各部分簡介如下： 模擬 管制 席位 模擬 管制 席位 i 中服數(shù) j 震螽露 i一 局域網(wǎng)、l 通訊網(wǎng) 語音 記錄 儀 模擬 機(jī)長 席位 模擬 機(jī)長 席位 圖2 - id r s 雷達(dá)模擬機(jī)系統(tǒng)組成1 2 】 ( i ) 管制席 管制席提供雷達(dá)顯示屏與操作臺(tái)，逼真地模擬一、二次航管雷達(dá)，包括機(jī) 場環(huán)境、空中交通狀況等，為管制員提供了逼真的訓(xùn)練環(huán)境。 ( 2 ) 機(jī)長席： 機(jī)長席為模擬機(jī)長提供雷達(dá)顯示屏與操作臺(tái)，它在空中交通管制模擬中扮 演著機(jī)長的角色，它具有對飛行操作、控制，自動(dòng)生成飛行報(bào)告，航跡顯示等 動(dòng)能。 ( 3 ) 系統(tǒng)控制臺(tái)- 系統(tǒng)控制臺(tái)包含了數(shù)據(jù)庫席位，中心機(jī)席位和服務(wù)器席位三個(gè)組成部分， 它的主要作用包括：模擬飛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和飛行狀態(tài)；管理和控制系統(tǒng)資源，監(jiān) 視系統(tǒng)各席位的運(yùn)行狀態(tài)，并兼作教員監(jiān)督位；運(yùn)行數(shù)據(jù)庫軟件，實(shí)現(xiàn)對各種 飛機(jī)性能參數(shù)、機(jī)場地圖、標(biāo)準(zhǔn)過程飛行計(jì)劃和訓(xùn)練計(jì)劃的編輯與修改。 ( 4 ) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)： 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，支持分布式處理。由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、h u b 、網(wǎng)卡和通訊 8 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 電纜組成。 ( 5 ) 模擬v h f 通訊與內(nèi)通訊系統(tǒng)： 實(shí)現(xiàn)模擬空地通訊和各部門的內(nèi)部協(xié)調(diào)通訊。由模擬無線通訊機(jī)、話筒耳 機(jī)、腳踏開關(guān)、模擬無線通訊主機(jī)，電話機(jī)、程控交換機(jī)組成。 ( 6 ) 數(shù)字同步記錄與重放系統(tǒng)： m d s l 多通道數(shù)字同步記錄儀可同步記錄通訊話音和訓(xùn)練場景，便于對訓(xùn)練 過程進(jìn)行講評和評估。 2 3c d z s 三維視景塔臺(tái)模擬機(jī) c d z s 機(jī)場塔臺(tái)視景模擬機(jī)是用于訓(xùn)練塔臺(tái)管制人員的一套實(shí)時(shí)視景仿真 系統(tǒng)，它采用虛擬現(xiàn)實(shí)( v i r t u a lr e a l i t y ) 技術(shù)，能為用戶提供與典型塔臺(tái) 管制基本一致的虛擬操作環(huán)境，可以模擬春夏秋冬不同季節(jié)，白天黑夜不同環(huán) 境，以及各種氣象狀況( 霧、雨、雪、閃電、雷雨等) 和緊急情況( 引擎冒濃 煙、著火、飛機(jī)相撞、迫降、起落架故障、沖出跑道) 等等。這一虛擬操作環(huán) 境是完全可控制的，它適用不同的訓(xùn)練目的，如管制員的養(yǎng)成培訓(xùn)，在崗培訓(xùn)、 強(qiáng)化培訓(xùn)等。另外，它還可用于軍航機(jī)場塔臺(tái)指揮訓(xùn)練，以及評估現(xiàn)有機(jī)場的 流量和容量，或者對設(shè)計(jì)新機(jī)場進(jìn)行仿真評估。其系統(tǒng)組成如圖2 - 2 所示。各 部分簡介如下： ( 1 ) 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器( 又被稱為實(shí)時(shí)計(jì)算服務(wù)器) 是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心。它在 訓(xùn)練開始前先從數(shù)據(jù)庫中加載訓(xùn)練計(jì)劃；在訓(xùn)練中，通過仿真計(jì)算，實(shí)時(shí)地向 塔臺(tái)管制員、實(shí)時(shí)視景生成器和模擬飛行員位提供當(dāng)前的各種狀態(tài)和目標(biāo)信息 供其顯示；同時(shí)也接收從模擬飛行員位和控制員位傳來的目標(biāo)控制命令，完成 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算。 ( 2 ) 塔臺(tái)管制員位 塔臺(tái)管制員位用以向塔臺(tái)管制員顯示各種狀態(tài)信息，如氣象信息，模擬雷 達(dá)顯示等等，這些信息由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供同時(shí)，本席位還可模擬控制機(jī)場燈 光的開關(guān)。 ( 3 ) 模擬機(jī)長教員位 9 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 2c d z s 機(jī)場視景模擬機(jī)系統(tǒng)組成 模擬飛行員在該位上，按塔臺(tái)控制員的口述命令，控制模擬塔臺(tái)環(huán)境中目 標(biāo)( 航空器，服務(wù)車輛) 的運(yùn)動(dòng)，控制命令將傳送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 器計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本席位還提供氣象條件轉(zhuǎn)換，故障設(shè)定等教員功能。 ( 4 ) 數(shù)據(jù)庫住 數(shù)據(jù)庫位由數(shù)據(jù)庫編輯管理系統(tǒng)構(gòu)成，用以編輯和管理系統(tǒng)運(yùn)行所要用 到的各種數(shù)據(jù)，包括訓(xùn)練計(jì)劃，航空器，服務(wù)車輛，機(jī)場的有關(guān)參數(shù)和視景模 型 ( 5 ) 模擬通訊系統(tǒng) 用以模擬塔臺(tái)控制員和模擬飛行員之間的無線地空通訊。 ( 6 ) 實(shí)時(shí)視景生成器 i o 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 實(shí)時(shí)視景生成器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的繪制塔臺(tái)窗外視景，包括靜止視景( 機(jī)場環(huán)境) 、 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)( 航空器和地面服務(wù)車輛) 、氣象視景( 風(fēng)、雨、雪、云、霧、雷宇、 閃電、臺(tái)風(fēng)、燈光) 、特情視景( 碰撞、著火、冒煙、著地?zé)? 。目標(biāo)的位置參 數(shù)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)時(shí)計(jì)算和提供。 2 4 幾種空管仿真模擬系統(tǒng)的比較 空管仿真模擬系統(tǒng)可分為雷達(dá)模擬機(jī)、程序模擬機(jī)與三維塔臺(tái)視景模擬機(jī) 三類，這三種類型的模擬系統(tǒng)都有一個(gè)共同的目的，就是構(gòu)造一個(gè)虛擬的管制 環(huán)境，讓管制員在一個(gè)盡可能逼真的環(huán)境中訓(xùn)練。這三種的模擬系統(tǒng)分別針對 不同的管制方式而設(shè)計(jì)，其主要的區(qū)別在于： ( 1 ) 模擬管制的范圍不同 雷達(dá)模擬機(jī)是模擬管制員對在區(qū)域和進(jìn)近內(nèi)的飛機(jī)管制的過程，在最新的 雷達(dá)模擬機(jī)中增加了場面監(jiān)視雷達(dá)的模擬管制功能，模擬了通過場面監(jiān)視雷達(dá) 進(jìn)行塔臺(tái)管制的過程。程序模擬機(jī)模擬了對在雷達(dá)無法覆蓋的區(qū)域的飛機(jī)進(jìn)行 管制的過程，是雷達(dá)模擬機(jī)的輔助培訓(xùn)系統(tǒng)。三維塔臺(tái)視景模擬機(jī)采用了虛擬 現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬了塔臺(tái)管制的過程。 ( 2 ) 仿真的側(cè)重點(diǎn)不同 從仿真的側(cè)重點(diǎn)來看，程序管制模擬機(jī)和雷達(dá)管制模擬機(jī)側(cè)重于對飛機(jī)在 空中飛行的線路和過程的仿真，要求與飛機(jī)的實(shí)際飛行路線基本一致。而塔臺(tái) 模擬機(jī)則側(cè)重于對飛機(jī)在地面滑行、起飛與降落的仿真，要求與實(shí)際情況基本 吻合。 ( 3 ) 顯示方式不同 雷達(dá)模擬機(jī)與程序模擬機(jī)是以模擬的雷達(dá)顯示屏來對整個(gè)模擬管制過程進(jìn) 行顯示的，而塔臺(tái)模擬機(jī)除了有與雷達(dá)模擬機(jī)類似的模擬雷達(dá)顯示屏，還采用 了三維投影視景技術(shù)，對模擬管制過程中塔臺(tái)所能觀測到的環(huán)境與飛機(jī)通過三 維視景顯示。 因?yàn)閹追N空管模擬系統(tǒng)的訓(xùn)練目的相同，而且都需要為管制訓(xùn)練提供一個(gè) 盡可能接近真實(shí)的模擬環(huán)境，所以幾種模擬系統(tǒng)有著許多的相似性，其相似性 主要體現(xiàn)在： 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 類似的業(yè)務(wù)流程 雖然不同類型的空管仿真模擬系統(tǒng)是針對不同區(qū)域的空中交通管制過程 的，但是它們有著相同的業(yè)務(wù)流程，都是通過系統(tǒng)與模擬機(jī)長與管制員的交互 來達(dá)到管制訓(xùn)練的目的的。 ( 2 ) 類似的系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu) 幾種空管仿真模擬系統(tǒng)都是采用c s 結(jié)構(gòu)1 2 5 1 。系統(tǒng)的運(yùn)行是以服務(wù)器席位 為中心，連接了一到多個(gè)模擬機(jī)長席位與一到多個(gè)管制員席位，模擬機(jī)長席位 與管制員席位都是客戶機(jī)。 ( 3 ) 類似的數(shù)據(jù)生成方式 本文探討的數(shù)據(jù)是仿真數(shù)據(jù)，空管仿真模擬系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)是按照一定結(jié) 構(gòu)組織在一起，將空中交通管制的狀態(tài)通過數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)出來，單個(gè)的數(shù)據(jù) 沒有任何意義，但是將這寫數(shù)據(jù)按照一定的邏輯結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組合起來，就 可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中描述空中交通管制過程。幾類空管仿真模擬系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù) 據(jù)都是由專門的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序生成并管理的，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)都是通過運(yùn)動(dòng)模型的 計(jì)算生成的。下一章我們將對空管仿真模擬系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)生成進(jìn)行分析。 1 2 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 數(shù)據(jù)生成分析 本章從“系統(tǒng)仿真建?！?，“數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計(jì)”，“數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序設(shè)計(jì)”，“仿 真計(jì)算模型設(shè)計(jì)”四個(gè)方面對空管仿真模擬系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的生成進(jìn)行了分析。 3 1 數(shù)據(jù)分類 根據(jù)仿真數(shù)據(jù)的不同性質(zhì)，空管仿真模擬系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng) 態(tài)數(shù)據(jù)【”】兩類。 ( 1 ) 靜態(tài)數(shù)據(jù) 靜態(tài)數(shù)據(jù)一般是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上，在空管仿真模擬系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)被讀取 到內(nèi)存中，為整個(gè)空管仿真模擬系統(tǒng)提供顯示數(shù)據(jù)與計(jì)算參數(shù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)是 計(jì)算機(jī)對空管仿真模擬靜態(tài)特性的描述，比如飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與仿真模擬環(huán)境 等，它們是由空管仿真模擬系統(tǒng)專門的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序生成并管理的，在空管 仿真模擬訓(xùn)練的過程中靜態(tài)數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生改變。 ( 2 ) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是隨著仿真模擬系統(tǒng)的運(yùn)行而實(shí)時(shí)改變的數(shù)據(jù)，它們是運(yùn)動(dòng)實(shí)體 的動(dòng)態(tài)特征的描述，通過將一組離散的數(shù)據(jù)按照時(shí)間組織起來，得到運(yùn)動(dòng)實(shí)體 在某一時(shí)間段的運(yùn)行軌跡。在空管仿真模擬系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)一般不存儲(chǔ)在硬盤 上，而是由系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型計(jì)算出來存放在內(nèi)存中并實(shí)時(shí)地更新，通過對 這些數(shù)據(jù)的操作來對運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)有時(shí)候會(huì)被按照 時(shí)間順序保存下來，為訓(xùn)練過程的回放提供數(shù)據(jù)支持。 靜態(tài)數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的最大區(qū)別就是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的改變而改變，而 靜態(tài)數(shù)據(jù)始終保持一致。 3 2 空管仿真模擬系統(tǒng)建模 3 2 1 計(jì)算機(jī)仿真理論 仿真h 是對所選現(xiàn)實(shí)世界或假想條件下事件和過程特征的動(dòng)態(tài)描述，它借 助于從最簡單到最復(fù)雜的方法和設(shè)施的輔助，依據(jù)已知的或假想的過程和數(shù)據(jù) 運(yùn)行。一個(gè)系統(tǒng)的模型是對這個(gè)系統(tǒng)的描述，而仿真是系統(tǒng)模型的一次執(zhí)行或 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 演練。 3 2 1 1 仿真模型 一個(gè)仿真系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)摸型所組成的，一個(gè)模型可以是一個(gè)裝備、 一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)對象的某些或全部性質(zhì)的描述，模型有三個(gè)基本類別：數(shù)學(xué)模 型、物理模型和過程模型( 如圖3 一l 所示) 。 ( 1 ) 數(shù)學(xué)模型 由過程( 算法) 和數(shù)學(xué)方程組成的一組描述。這些模型通常由算法或可求 解的一組方程式或關(guān)系式組成。由于在這些模型中有時(shí)存在某些較為復(fù)雜的數(shù) 學(xué)函數(shù)，這些函數(shù)的精確解難以被求出，所以也常常運(yùn)用數(shù)值近似方法來獲取 函數(shù)的近似解。 ( 2 ) 物理模型 對現(xiàn)實(shí)世界某個(gè)對象的一種物理描述。這種描述常以仿真器的形式進(jìn)行象 征性的刻畫在風(fēng)洞中試驗(yàn)中的按比例縮小的機(jī)翼、船殼以及新建筑設(shè)計(jì)方案 等，都屬于物理模型。所要描述的對象屬性越多，模型就會(huì)變得越復(fù)雜，所以 就必須在完整性與復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡。 ( 3 ) 過程模型 用數(shù)學(xué)的或邏輯的方法對某種動(dòng)態(tài)關(guān)系的一種表示。 一般這些模型在仿真設(shè)計(jì)中都會(huì)用到。設(shè)計(jì)和使用一個(gè)模型的理論基礎(chǔ)， 就是要用模型復(fù)制出真實(shí)系統(tǒng)的各個(gè)特征【”。 圖3 - 1 仿真模型的三個(gè)主要類別 1 4 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 1 2 建模與仿真 “建?！?、“模型”及“仿真”常常被誤以為是同義的，盡管它們相互之間 密切相關(guān)，但從技術(shù)意義上講，確切地說它們并不等同。建模指對所要仿真的 對象特征進(jìn)行抽象提取的過程，模型是對所仿真對象主要特征的描述。模型是 仿真模擬的核心，是其本要素或本質(zhì)特征。仿真模擬則是模型根據(jù)需要運(yùn)行實(shí) 驗(yàn)的過程。現(xiàn)在一般都采用計(jì)算機(jī)建立模型和進(jìn)行仿真，這就是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿 真。計(jì)算機(jī)幾乎可以對任何事物進(jìn)行仿真模擬，所以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)仿真已經(jīng)占據(jù) 了主要的地位。我們所說的仿真也大多指計(jì)算機(jī)仿真。 3 2 1 3 仿真系統(tǒng) 系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干組成部分( 要素) 結(jié)合在 一起形成的具有特定功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體。按面向?qū)ο蟮姆椒▽W(xué)觀點(diǎn)， 系統(tǒng)及組成部分( 要素) 都可看作對象。任何系統(tǒng)都存在三個(gè)方面的研究內(nèi)容， 即實(shí)體、屬性、活動(dòng)。 實(shí)體組成系統(tǒng)的具體要素( 對象) ； 屬性實(shí)體的特性( 狀態(tài)和參數(shù)) ； 活動(dòng)要素( 對象) 隨時(shí)間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。 “仿真系統(tǒng)”，顧名思義指“運(yùn)行仿真模型并且用于仿真分析、研究、訓(xùn) 練、裝備論證等目的的系統(tǒng)” 3 2 1 4 計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng) 現(xiàn)代仿真技術(shù)均是在計(jì)算機(jī)支持下進(jìn)行的，系統(tǒng)仿真也稱為計(jì)算機(jī)仿真。 利用計(jì)算機(jī)達(dá)到仿真目的的系統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真有三個(gè)基本 的活動(dòng)，即系統(tǒng)建模( 一次建模) 、仿真建模( - - 次建模) 和仿真實(shí)驗(yàn)。聯(lián)系 這三個(gè)活動(dòng)的是計(jì)算機(jī)仿真的三要素：系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)( 包括硬件和軟件) 。 它們的關(guān)系可用圖3 - 2 表示 我們要對空中交通管制訓(xùn)練這一過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)的仿真模擬，首先我們需 要用多個(gè)模型來描述整個(gè)系統(tǒng)的特性，通過建立模型來確定模擬環(huán)境中各個(gè)實(shí) 體的屬性和它們之間的相互關(guān)系，并將這些模型通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 四川大學(xué)碩十學(xué)位論文 嬲模臾撇驗(yàn) 西嗍模菌 圖3 - 2 計(jì)算機(jī)仿真三要素及三個(gè)基本活動(dòng) 3 2 2 空管仿真模型 空中交通管制訓(xùn)練為管制員提供一個(gè)模擬管制環(huán)境，管制員通過雷達(dá)顯示 屏( 雷達(dá)模擬機(jī)) 或三維視景裝置( 塔臺(tái)模擬機(jī)) 觀察管制區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)運(yùn)行 情況，并通過管制區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)飛行狀況通過地空通話裝置發(fā)送管制命令給機(jī) 長；模擬機(jī)長位收到管制員的管制命令后按照管制員的要求改變飛機(jī)的飛行狀 態(tài)，空管仿真模擬系統(tǒng)與用戶交互的關(guān)系如圖3 - 3 所示： 圖3 - 3 空管仿真模擬系統(tǒng)與用戶交互圖 從圖3 3 我們可以看到，對于空管仿真模擬系統(tǒng)來說，它需要接收機(jī)長 教員的控制命令，并通過仿真計(jì)算向機(jī)長和管制員輸出顯示信息，顯示信息需 要實(shí)時(shí)地更新，顯示信息中應(yīng)該包括飛機(jī)( 塔臺(tái)模擬機(jī)中還有車輛) 的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，管制區(qū)域的環(huán)境( 雷達(dá)模擬機(jī)以二維平面圖顯示，塔臺(tái)模擬機(jī)以三維視景 顯示) 等信息。 通過對空管仿真模擬過程的分析，我們可以將系統(tǒng)的模型大體分為以下六 類模型i g j ： 1 6 四川i 大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模型 運(yùn)動(dòng)實(shí)體主要是指模擬訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的飛機(jī)( 車輛) ，運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模 型是對飛機(jī)( 車輛) 性能的描述，通過模型的建立，使我們可以將運(yùn)動(dòng)實(shí)體的 運(yùn)動(dòng)性能通過數(shù)據(jù)的形式來描述。 ( 2 ) 環(huán)境模型 環(huán)境模型是對空管仿真模擬訓(xùn)練的環(huán)境的描述，一次空管仿真模擬訓(xùn)練都 是在某一個(gè)機(jī)場進(jìn)行的，環(huán)境模型需要對該機(jī)場的環(huán)境進(jìn)行描述，環(huán)境對于一 個(gè)機(jī)場來說主要包括了機(jī)場信息，跑道信息，導(dǎo)航臺(tái)信息，航路信息，天氣狀 況信息等。環(huán)境信息不但需要以二維雷達(dá)圖或三維視景的方式顯示給用戶，而 且需要參與到仿真計(jì)算的過程中去，所以環(huán)境模型中包含了顯示屬性與性質(zhì)屬 性。 ( 3 ) 仿真計(jì)算模型 空管仿真模擬訓(xùn)練過程中的運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由仿真計(jì)算模型計(jì)算確 定，是對運(yùn)動(dòng)實(shí)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述。 ( 4 ) 客戶模型 客戶模型是對參與管制訓(xùn)練的人員所使用的平臺(tái)的描述，在空管仿真模擬 系統(tǒng)中客戶模型可以分為中心機(jī)席位，模擬機(jī)長席位，管制員席位三類，它提 供顯示與操作兩個(gè)功能。 ( 5 ) 想定計(jì)劃模型 空管仿真模擬訓(xùn)練是在一個(gè)想定的空中交通狀態(tài)下運(yùn)行的，在訓(xùn)練開始前 需要對本次訓(xùn)練的空中交通狀況進(jìn)行想定并編制成計(jì)劃，想定計(jì)劃模型是對訓(xùn) 練初始狀態(tài)與想定過程的描述。 ( 6 ) 管理模型 對整個(gè)空管仿真模擬訓(xùn)練進(jìn)行管理控制的模型，管理模型是對模擬訓(xùn)練過 程控制的描述。 上面六類模型相互作用，構(gòu)成了空中交通管制仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真模 型。想定計(jì)劃模型依賴于運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模型與環(huán)境模型，是對整個(gè)訓(xùn)練過程的 初始狀態(tài)的描述，它在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生變化；管理模型加載想定計(jì) 劃模型，使各仿真節(jié)點(diǎn)獲得初始化信息，并接受客戶模型的輸入，在系統(tǒng)運(yùn)行 1 7 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 過程中對仿真計(jì)算模型進(jìn)行控制；運(yùn)動(dòng)實(shí)體系參數(shù)模型與環(huán)境模型在運(yùn)行過程 中不會(huì)發(fā)生改變，它們?yōu)榉抡嬗?jì)算模型與客戶模型提供數(shù)據(jù)支持；仿真計(jì)算模 型接受管理模型的控制，獲取運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模型與環(huán)境模型的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)仿真 模擬過程中的仿真計(jì)算任務(wù)；客戶模型在系統(tǒng)運(yùn)行后發(fā)送控制命令給管理模 型，獲取運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模型與環(huán)境模型的數(shù)據(jù)，并接收仿真計(jì)算模型的計(jì)算結(jié) 果。幾類模型的關(guān)系如圖3 - 4 所示。通過對系統(tǒng)仿真模型的分析，我們可以將 系統(tǒng)的靜態(tài)特征用運(yùn)動(dòng)實(shí)體參數(shù)模型、環(huán)境模型、想定計(jì)劃模型來表示，動(dòng)態(tài) 特征用仿真計(jì)算模型、客戶模型與管理模型來表示，這三類模型相互作用，構(gòu) 成了一個(gè)仿真事件的循環(huán)，通過循環(huán)交互達(dá)到對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行描述的目 的，其中管理模型將靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特征串聯(lián)起來，對整個(gè)空管模擬過程進(jìn)行仿真。 圖3 - 4 空管仿真模擬系統(tǒng)模型關(guān)系圖 3 3 靜態(tài)數(shù)據(jù)生成 3 3 1 數(shù)據(jù)庫理論 3 3 1 1 數(shù)據(jù)庫基本概念 數(shù)據(jù)庫【1 9 l 應(yīng)用系統(tǒng)簡稱數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)( d a t ab a s es y s t e m ，d b s ) ，是一個(gè)計(jì) 算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序和用戶 1 8 四川大學(xué)碩士學(xué)位論文 等部分組成。 ( i ) 計(jì)算機(jī)硬件 是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫及運(yùn)行數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的硬件資 源，主要包括主機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、i o 通道等，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 ( 2 )