0104028航天试验靶场试验指挥与信息综合管理系统的研究(doc)
航天试验靶场试验指挥与信息综合管理系统的研究* 毛庆华** （太原卫星发射中心测量部，750004） 摘要 本文以正在研究和建设的“航天试验靶场系统试验指挥与信息综合管理系统”为背景 ，介绍了系统的总体结构及各主要部分的功能，并给出了系统在实现时的一些关键 技术，从而为进一步开发“航天试验靶场系统试验指挥与信息综合管理系统”奠定了 基础。 关键词 航天试验靶场 试验指挥 信息 管理系统 1 引言 航天试验是一项大规模的综合性很强的科研试验，这个复杂的巨系统通常由航天器系 统、运载火箭系统、地面测试发射系统、跟踪测控系统、指挥控制系统、时统通信系统 、气象保障系统和勤务保障系统等组成。随着航天活动信息化、军事化、商业化的迅猛 发展，对传统的航天试验管理活动提出了严峻的挑战。经过多年的发展，美国、俄罗斯 、欧洲航天局等航天大国和集团，在航天信息化建设与组织管理方面达到了较高水平， 而我国航天试验指挥的现代化程度和信息化水平却相对较低。近几年我国正在完善建设 的航天试验指挥与综合信息网，将充分利用信息技术和现代科技，提高航天试验管理的 效能，进一步促进我国航天事业的稳步发展。 本文在分析了“航天试验靶场系统试验指挥与信息综合管理系统”的功能需求及总体结 构之后，着重探讨了该系统所采用的网络技术、仿真技术及决策管理等手段。 2 系统的需求与功能 目前，在我国航天试验任务的组织指挥中，虽然已应用了一些自动化指挥监测手段， 但手段比较单一，试验信息（命令、程序、状态等）仍主要依赖于各级指挥员的口令调 度，信息的反馈也是有限的。因而有必要利用现代化的信息技术、监测技术和科学管理 手段，实现试验信息资源管理的实时性、共享性和可靠性，以提高试验任务组织管理的 有效性。 因此，本系统基于“试验与训练结合，指挥与管理共用”的原则，以计算机网络环境为 系统运行的基础，采用分布式控制与交互式仿真技术的主要形式，组成对试验全过程实 施指挥与控制的“人－机”系统，可以实现试验任务的组织指挥、试验信息的汇集和发送 以及监控信息的实时显示、存贮处理，为指挥员汇集和提供准确、形象、直观，具有决 策意义的试验数据、曲线、图形和电视实况。可以规范试验指挥程序，加强训练与合练 效果，提高系统联调的效率，从技术手段上提高组织指挥水平。此外，通过有关设备状 态、数据及相关信息的仿真处理，可以进行工程仿真的综合训练。考虑到系统功能实现 的条件，将分阶段进行建设和完善，并且在系统开发的过程中，充分借鉴和吸收国内外 同类系统的先进经验和技术，始终以建设具有先进性、开放性、可靠性、实用性、经济 性、安全性、易维护性和可扩充性的系统为最终目标。 3 系统的结构方案 总体方案要求：针对试验指挥管理的设备类型多、分布范围广、技术层次高、信息量 复杂等特点，系统本着实用性强、可靠性高、扩展性好的原则，进行系统的总体设计。 3.1 系统的基本组成 本系统由试验指挥网和仿真训练网组成，二网之间通过网桥互连。试验指挥网系统的 软硬件构成，拟以通用的开放式计算机多层网络环境和分布式工作站的结构形式组成。 试验指挥网系统是二层总线型分布式信息监测管理系统，分布式测控管理系统一般可 构造二至三级。由于本系统在功能构成上的特点，采用三级管理较为合适。第一级（最 低级）：由数台现场试验信息采集计算机系统构成的现场测控级，有关单测站分别完成 各自系统的信息采集控制任务。第二级：由单测站信息传输计算机构成的单测站监控传 输级，这里共有多套单测站分别完成各自系统的信息监控和传送任务。第三级（最高级 ）：由指控中心监视显示系统构成系统综合管理级。 3.2系统的硬件 本系统结构复杂,整个系统由现场数据采集与控制、现场摄象与图象传输、通信网络 、卫通网管、指挥控制、监测显示、仿真处理等分系统组成，该系统的硬件环境由多台 不同功能配置的计算机及其附属设备通过二个计算机局域网组成（如图1所示）。 3.3 系统的软件 根据系统的总体技术要求及其具体功能，在系统硬件的基础上，软件系统采用分布式 处理与集中控制处理相结合的方式。整个系统软件的集成环境，使用了VC、VB和多媒体 开发系统工具（如Authorware）、数据库工具（如FoxPro）等通用编程工具。在Window s环境下进行集中、分步与协同式的软件开发。 系统软件按功能不同，构成了指挥控制、通信管理、数据采集、监测处理、系统仿真 等软件子系统。软件的结构模型如图2所示。 这几部分软件在功能与结构上相互独立，但在整个系统运行时，其它子系统却受控于中 心控制软件子系统。它以计划调度和面向对象的方式，实现系统任务的可靠调度与运行 。 试验指挥网系统软件可分为三个层次，即指控中心级、测站级、前端级；由各级分别 按各自的功能编制相应的应用软件，进行模块化设计，满足系统的实时性、可靠性、可 维修性等要求，设计成多窗口、图形化建模、自动运行分析和程序控制以及信息传输处 理的综合环境。系统仿真网络的软件环境以Ｗindows下的分布交互式多媒体仿真开发环 境为基础，它将仿真建模、实验运行、设备控制和结果分析等功能融为一体，实现面向 对象的仿真。在应用软件的设计上，以软件工程的设计方法为主体，将各种软件工具集 成为一体，设计成多窗口、图型化建模和运行分析的仿真环境。 3.3.1 综合管理级软件 在系统任务调度管理下，运行相应的程序任务。系统任务管理包括：系统联调指挥程 序、数据通信程序、系统联调仿真、通信网络管理、辅助决策程序等。 3.3.2 测站级软件 它既要完成前端采集管理，又要应答指控中心管理级的命令，同时要形成本级任务数 据库和实现对本级工作信息的实时监视，其软件功能模块的划分大体上与综合管理级相 似。 3.3.3 前端采集级(现场测控级)软件 可以分为系统设置、信息采集、信息传输和状态显示等功能模块。 3.3.4 仿真系统软件 仿真环境的开发全面采用面向对象的技术和开放式结构。该环境提供给用户一个方便 的生成功能模块，建立仿真模型，调试运行和仿真结果分析，半实物仿真数据采集，故 障诊断分析的工作平台。它包括功能模块生成系统、图形化建模系统、仿真实验运行系 统、数据分析与处理系统、仿真数据库管理系统。本系统的仿真以我国在编的航天试验 设备为仿真对象，在建立正确的物理与数学模型的基础上，利用面向对象的仿真、数学 建模等技术，将航天试验组织实施的全过程和工作原理真实、直观的表现出来，并提供 交互式仿真的训练手段。 3.3.5辅助决策软件 由于航天试验决策的复杂性和风险性，因而在决策管理系统的设计上确立了“着眼长 远，总体论证，稳步推进，分步实施”的指导思想。以集成式系统和分布式网络环境为技 术依托，将决策支持环境设计成一个分布式智能化的决策平台，它包括人机交互系统、 各类模型库系统（包含模型库管理系统）、数据库系统（包含数据库管理系统）以及控 制调度系统等。 该部分主要由以下模块组成：数据库管理分系统、方法库管理分系统、知识库管理分 系统、模拟库管理分系统、模型库管理分系统、指挥命令输入/出与编辑模块、试验文书 处理模块、试验数据采集模块、气象与地理信息处理及显示模块、图形用户接口、控制 调度模块、指挥效能评估模块等。其中包括的数据库有：基础数据库（人员实力库、设 备性能库、保障器械性能库等）、经验知识库、气象数据库、方案数据库、有关故障库 等。其包括的模型库有：故障模型库、设备寿命预测模型库等。 现就主要数据库的内容及模块的功能介绍如下： （1）基础数据库 根据国家信息化标准及指挥自动化现行国家军用标准，采用分布式数据库技术建立的 数据编码、格式、存储方法都统一的开放型数据库。 （2）经验知识库 该库是指挥决策和评估所依据的重要资料，它是航天专家有关航天试验综合知识和经 验的汇总，是经过条理化、结构化，并以适当的形式表示的高新知识。该系统知识库的 表示运用了产生式系统、框架系统及面向对象的方法。知识库的内容主要包括有关航天 试验全过程组织指挥的思想、理论、策略、各种原则、方式、方法以及航天力量的部署 、配备、开进、展开等知识。 （3）数据库及其管理系统 该系统对航天试验所需要的数据库进行编辑、录入、删除、修改等。 （4）模型库及其管理系统 模型库是存储有关模型信息的“模型词典”。利用系统比较先进的面向对象的建模方法 和图形建模技术，使复杂的建模过程得到简化。模型中包括有关现代管理决策的各种预 测、评价、优化等模型。 4 主要关键技术 在技术途径上采取选购部份主流硬件产品，包括接口板级产品，自主开发应用软件为 主。主要技术方法：运用先进的面向对象的仿真技术、高速采集技术、信号处理技术、 计算机网络与多媒体技术、指挥自动化与辅助决策技术等。使系统具有指挥调度、仿真 运行、故障诊断、辅助决策和模拟训练等多方位管理功能，实现了“试验与训练结合，指 挥与管理共用”。 4.1 计算机通信与网络技术 本系统采用了二个局域网通过网桥互连以进行信息交换,对试验指挥网采用了路由器 与分布在多个地域的局域网互连以进行信息传输。同时又从试验指挥网构成的二层计算 机网络所要求的主从式工作特点和经济实用性出发,选用位总线的拓扑结构。系统设计上 以通用的开放式计算机网络环境和分布工作站的结构形式，这在软件上有一定难度。一 般的分布式系统是建立在计算机网络之上的，二者在物理结构上是基本相同的，它们的 主要区别是在高层软件上，分布式系统是一个建立在网络之上的软件系统，保证系统高 度的一致性与透明性。 4.2 系统仿真技术 本系统的实现主要运用面向对象的仿真技术。传统的数字仿真技术主要基于科学计算 ，这种以数学模型为中心的仿真系统是以面向过程为核心，其本质是要将人们对系统认 识的方法转变为适用于计算机符号处理的模式。 面向对象的思想就是使所分析和研究系统的建模方式与对客观世界的认识过程尽可能 一致。在面向对象的仿真中，系统被看成是由对象组成的，对象是一个独立的实体，对 象的属性和属性的变化规律即对对象的操作完全封装在对象内部，外部的作用必须通过 对象的操作接口来实现。面向对象的仿真系统的运行是通过对象之间互相发送消息来执 行的。面向对象的仿真在理论上突破了传统仿真方法观念，使建模过程接近人的自然思 维方式，所建立的模型具有内在的可扩充性和可重用性，有利于可视化建模仿真环境的 建立。 在仿真系统中，软件功能模块与实际仿真的具体对象一一对应。建模的主要任务就是 把仿真模块库中提供的各种功能模块进行修改、设置与组合，以形成仿真模型。面向对 象的仿真技术使用户不仅可以利用已有功能模块，而且可以利用功能模块生成工具来建 立新的功能模块。功能模块建成后，仿真建模变得较简单，主要任务就是创建、控制、 组合和删除功能模块。该仿真系统是基于客户机/服务器(Client/Server)方式局域网实 现的（如图1所示），该局域网采用c/s结构的关系型数据库作为数据处理中心，以服务 器为信息交换的枢纽。 4.3 决策管理系统中应用的知识表示方法和分类建模技术 决策管理系统的设计关键在于知识的表示。知识必须以适当的形式表示出来，便于在 计算机中储存、检索、使用和修改。实质上知识表示就是关于如何描述事物的一组约定 。一般而言，知识的表示形式主要有：产生式系统、语义网络、框架系统、一阶谓词演 算系统等。本系统在设计上采用了产生式系统和框架系统的知识表示，并初步运用了面 向对象的知识表示方法。航天试验的知识库是该领域知识的存储器，包含了领域中的事 实（一定的公开知识）和规则（经验型的探索式知识）。这显然是一种大型、复杂的知 识库，面向对象（Object—Oriented）的方法学显式地提供了力图还客观世界本来面目的 “对象”的概念，程序设计者可以按照问题空间中对象的丰富特征比较自由地定义解空间 的对象，从而，用面向对象的方法学构造软件系统或知识系统，能比较自然地反映人们 思考问题的方式。按照面向对象方法学的观点，一个对象的形式定义可以用如下四元组 表示： 对象∷= 其中有关符号表示如下： ID——对象标识符； DS——数据结构； MS——方法集合； MI——对象的消息接口。 可以看出，在面向对象的系统中，消息流统一了控制流和数据流，它是实现对象之间 联系的唯一途径。因而，面向对象的知识表示是比语义网络和框架系统更结构化的知识 表示法。在这里，对象的处理方法可以是过程的调用，规则知识的推理以及框架结构信 息的继承推理等。在该模型中，对象...
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