（交通信息工程及控制专业论文）面向对象的空中交通进程仿真技术及应用.pdf

中国民航人学硕 ：学位论文 摘要 面向对象技术与系统仿真结合，经过多年的发展已经形成了很多理论和方法，广泛 应用于空中交通仿真中。随着国内空管仿真系统研究的不断深入，国内对实时的空中交 通进程仿真的需求越来越迫切。 本文针对现代仿真技术的要求，应用面向对象的思想方法和现代空中交通管理的理 论，提出了一种新的空中交通进程仿真技术。从空中交通进程的几个核心组成部分出发， 以面向对象的仿真技术为基础，重点研究了飞行性能仿真、领航导航进程仿真、高动态 视频的图形处理等三个方面，同时就目前研究的结果进行了实际的应用，以西安区域为 例对其整体空域的燃油经济性进行了分析。 j 本论文采用的关键技术有： 。 面向对象的编程方法。面向对象的概念以及面向对象建模与仿真的特点。 面向对象技术在建模设计中的具体应用一- - u m l 的三种模型的建立。 飞行性能仿真。以空中交通管制研究中常用的对象为例，介绍了飞行性能能量模型 和在不同飞行状态下的性能模型以及面向对象的实现方法。 领航和导航进程仿真。介绍了区域导航、i l s 、过v o r 台的基本运行原理和仿真程序 实现方法。 仿真环境的建立高动态视频地图显示技术。介绍了地图投影的概念以及空域视 频图的实现方法。 结合工程应用的实际情况，从空中交通管制的角度，在采用空中交通进程仿真技术 的仿真平台上，提出了一种空域运行燃油经济性的模型，通过对仿真实验结果的分析， 证明了该技术的可行性。 关键字：面向对象技术，空中交通进程仿真，统一建模语言，燃油经济性，空中交通 中国民航人学硕1 ：学位论文 a b s t r a c t o v e rt h ep a s td a c a d e s ，o b j e c to r i e n t e dt e c h o n o l o g yc o n n e c t e dw i t hs y s t e m ss i m u l a t i o n w h i c hm a k e sag r e a ta d v a n t a g eo nd i f f e r e n tt h e r i e sa n dm e t h o d s ，a n db e e nw i d e l ya p p l i e dt o t h ea i rt r a f f i cs i m u l a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa t cs i m u l a t i o na th o m e ，r e a l - t i m ea i r t r a f f i cp r o c e s ss i m u l a t i o nh a sb e c o m eah o tf o c u sa n di si nu r g e n tn e e di na i rt r a f f i c s i m u l a t i o n i nt h i st h e s i s ，i ti sm a i n l yr e s e a r c h e dt h a ta i rt r a f f i cp r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h ea i rt r a f f i cs i m u l a t i o n f i r s to fa l l ，t h ec o n c e p to fa i rt r a f f i cp r o c e s s s i m u l a t i o na n di t sr e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h ew o r l da r ei n t r o d u c e d a n dt h e n ，t h r e eu m l m o d e l sa r ed e s i g nb yo b je c to r i e n t e dt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h ew o r kf l o wo fa i rt r a f f i c p r o c e s s ，u s i n go b j e c to r i e n t e dp r o g r a md e s i g nm e t h o d ，i n t e g r a t e dw i t hf l i g h tp e r f o r m a n c e ， a i rn a v i g a t i o n ，f i g u r ea n dg r a p ht e c h n i q u ee t c ，a i r c r a f tp e r f o r m a n c ei nt h ed i f f e r e n tp h a s e s a n ds o m en a v i g a t i o nm o d e ，s u c ha si n s t r u m e n tl a n d i n gs y s t e m ，p a r a l l e la i rr o u t e ，a n dv o r n a v i g a t i o n ，a r es i m u l a t e d b yt h ep r i n c i p l eo fm a pp r o j e c t i o n s ，u s i n gl a m b e r tp r o j e c t i o n ，t h e b o t t l e - n e c ko fa i rs p a c em a pp r o t r a c t i o ni ss u c c e s s f u l l yb r o k e nt h r o u g h ，a n da i r w a yp o i n t s ，a i r r o u t e ，n a v i g a t i o na i d ，r e s t r i c t i o na r e a s ，c o n t r o l l e da r e a sa r er e a l i s t i c a l l yd i s p l a y e di nt h ea i r s p a c em a p s b yu s i n gg r a p h i ct o o l v i s u a lg r a p h ，t h es e c o n d a r yr a d a rl a b e li sm a d e ，w h i c hi s d y n a m i c a l l yd i s p l a y e db yt h ef i x e d - t i m es t e po ft i m ep r o c e s s i n gm e c h a n i s m i nt h ee n d a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o no fa i rt r a f f i cc o n t r o l ，b a s e do nt h er e a ls i t u a t i o no f p r o j e c ta p p l i c a t i o n ，a na i r s p a c eo p e r a t i o nf u e le c o n o m i z a t i o nm o d e li sp u tf o r w a r di nt h ea i r t r a f f i cp r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e m ，a n db ya n a l y z i n gt h er e s u l to ff l i g h to p e r a t i o ns i m u l a t i o n e x p e r i m e n t t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm o d e li sp r o v e d k e y w o r d s ：o o d ，a i rt r a f f i cp r o c e s ss i m u l a t i o n ，u m l ，f u e le c o n o m i z a t i o n ，a t c 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究：】二作及取得的研究成果。尽我所 知，除了交中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也乔包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期：o 查塑星! 垒：2 当 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全 部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国比航人学研究生部办理。 研究生签名：玉乳导师签名：气啦 期：兰丝金查：! y 中国民航火学硕士学位论文 1 1 空中交通进程仿真简介 第一章概论 空管自动化仿真是验证空管理论研究方法的重要工具，用来模拟空中交通运行场景 和动态，真实再现实际空管系统的管理模型和运行状态。 空中交通进程仿真是空管自动化仿真系统中的一个核心组成部分。它是内核处理和 外部显示的一个动态交互接口。按照定时间步长的时间推进机制，生成空中交通场景， 模拟空中交通进程的动态过程。首先读取空域数据、多源集成数据( 标准雷达格式、a f t n 电报数据或者飞行计划数据和训练课程数据) ，使程序初始化，显示空域的雷达视频地 图。在仿真引擎( 定时间补偿的仿真时间机制下) ，结合飞行性能数据包，模拟飞机在各 个飞行阶段的空中运动，接受管制指令的输入，改变飞行高度、速度等飞行状态。飞机 运动的计算在分布式的计算机上独立完成，通过网络将飞机的状态信息不断地发送给管 制计算机，该计算机通过雷达视频显示程序动态地在显示器上更新飞机状态。 其中，飞行运动的仿真是空中交通进程仿真的核心内容，要提高飞机运动仿真的逼 真度，必须使飞机按照飞机性能要求，符合空气动力学的规律。根据飞机性能参数和各 个飞行阶段质点运动方程，建立飞机性能模型来模拟飞行速度、加速度、爬升下降率等 运动行为。通过设计国内商务运输机的性能模型，构成飞机性能数据包。 作为一个动态交互接口，高动态空间数据显示与交互式操作界面的丌发也是其重要 的组成部分。雷达显示图形界面能够做到符合空管软件显示规范，静态空域背景指示分 明，层次清晰；高动态、多雷达目标显示准确，交互性好。 1 2 空中交通进程仿真的研究现状 1 2 1 国外现状 空中交通进程仿真是嵌入在空中交通仿真系统的子系统。空中交通仿真技术，近几 年来在国内外取得了很大的发展，已由过去单纯的数学仿真，发展成分行式的、具有良 好人机交互能力的联网仿真。 从仿真系统的角度来看，国外近几年来许多公司丌发出了较为成熟的包含空中交 通进程仿真的空中交通仿真软件。具有代表性的空管模拟仿真平台有美国e m b r y r i d d l ea e r o n a u t i c a lu n i v e r s i t y 研制的x - a t a s i m 系列和s i m u l a t e ds k y 公司的i s e n a i n t e r a c t i v es i m u l a t o rf o re n - r o u t ea n da p p r o a c h 和i s t a g i n t e r a c t i v e s i m u l a t o rf o rt o w e r ，a p r o na n dg r o u n d 。两者都能较为清楚真实的反映空中交通的 中国民航人学倾i ：学位论文 动态场景。x - a t a s i m 系列是一个分布式、多用户软硬件结合的训练仿真平台。它的主要 特点是覆盖美国t r a c o n ( a r t si i i e ，a c d ) 和航路( d s r h o s t ) 雷达和飞行数据系统，i d s 信息显示和v s c s 声音转换面板；完全仿效飞行数据用户接口和图形用户界面输入的命 令行，准确模拟全世界的雷达显示；能够完整记录训练的语音和场景，以便回放、分析 和生成报告。i s e n aa i rt r a f f i cc o n t r o ls i m u l a t o r 主要特点是考虑了缩小垂直间隔 ( r v s m ) ，突出了图形图象技术上的处理和个性化的定制卫1 。 1 9 7 8 年美国联邦航空局推出s i 埘o d 机场地空仿真模型、澳大利亚民航机构合作开 发而成t a a m 全空域及机场模型等对机场和空域进行了仿真同时也运用到了空中交通进 程的仿真。其中，s i m m o d 主要关注机场地面交通管理、飞机油耗估算以及航线运行等。 它主要输入数据是对机场地面及空域的详细说明及空中交通情况的描述。它可以运行在 个人计算机上，但是大型的应用通常需要使用s u n 或h p 的工作。对于一个典型的大型 机场2 4 小时的运作情况，仿真一次约需3 5 分钟。s i m 4 0 d 输出的数据包括飞行器行进 时间、具体地理点的交通流量，单位时间的吞吐量、同发生延迟及延迟地点，延迟原因 及油耗等。 相比同类其他模型，s i m m o d 成本较为低廉，但s i m m o d 在空中交通管理方面的成绩 并不出色。 t a a m 为( t o t a la i r s p a c e a i r p o r tm o d e l e r ) 。由t p g ( t h ep r e s t o ng r o u p ) 与， 其仿真对象是整个空中交通系统，模拟空中交通管理的大部分功能，覆盖整个空中交通 管理过程。t a a m 的空中交通管理基于三维空间，可以在四维的方向上进行冲突探测和冲 突规避管理，极大地提高了t a a m 空域管理的自由度。 t a a m 将空中交通时间表、环境描述、飞机飞行计划，空中交通控制机输出控制规则 作为模型的输入数据。利用这些数据模拟机场空域和地面使用情况，进行冲突检测和解 决以及协调模型内部运算法则和用户自定义规则进行综合计算。 t a a m 组件中包括一个可实时交互的图形工具，为用户提供空域和机场地面的二维或 三维视图。还包括一个实时的空中交通监视工具，一个具备定制功能的数据报告工具， 用于输出图表等仿真输出的结果。仿真过程可以被中断和重启，模型的关键方面例如冲 突解决和机场资源使用情况都可由用户自定义的规则库来控制，用户甚至可以在仿真运 行过程中对规则库进行编辑。 相比s i h v i o d ，t a a m 引入了更贴近实际的三维飞行空间，但是其应用仍然不很成熟， 譬如危险的天气或机场的特殊使用情景仍然不能被动态的仿真，在四维方向上的冲突探 测和冲突规避能力也有待改进。另外t a a m 的获取成本非常高，通常只应用在大型的研 究中1 。 从仿真技术的角度来看，多数仿真系统以面向对象仿真技术为基础进行建模与仿 真。同时，1 9 8 3 年美国国防部的国防高级研究计划局( d a r p a ) 启动了s i m n e t ( s i m u l a t o r n e t w o r k i n g ) 计划，开始了分布交互仿真技术的研究和应用，当时，主要应用于任务演练、 训练、武器评估等军事领域。如今，分布交互仿真技术已应用于交通运输、医疗、娱乐、 2 中国民航人学硕。i ：学位论文 互联网商业、制造业等其他领域。近年来，仿真技术己不再局限于某一单一技术的应用， 而是与各种先进的专业技术相结合在仿真领域形成了又一大飞跃。较为典型的有人工智 能与计算机仿真技术的结合、虚拟现实技术与实时仿真的结合等n 1 。 1 2 2 国内现状 在国内，从仿真系统角度来看，1 9 9 3 年四川大学与中国民航飞行学院合作研制成功 d r s 系列雷达管制模拟机，1 9 9 8 年厦门航务管理站研制了a t c - - 2 0 0 0 雷达管制模拟机， 这两个系统主要用于进近飞行和区域飞行仿真与训练。2 0 0 3 年，中国民航学院的王超， 设计了基于面向对象技术的空中交通仿真航空器对象哺1 。2 0 0 3 年，中国民航学院的赵嶷 飞等开发了空中交通仿真流量管理仿真系统1 。2 0 0 3 年，南京航天航空大学的蒋兵、胡 明华等建立了终端区空中交通容量评估仿真模型盯1 。2 0 0 5 年，北京航天航空大学的李承 冉、张学军等使用高层体系结构( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ，h l a ) 仿真技术框架设计 了分布式空中交通管理仿真系统m ，。 从技术的角度来看，d r s 系列采用了超高分辨率光栅扫描图形显示、雷达视频图的 多窗口动态显示、多任务实时并发工作环境、微机网络通讯等技术等。2 0 0 2 年，北京航 天航空大学的杨振鹏、于宝峰等，将空中交通管制技术、飞行模拟器技术、三维视景技 术相结合，构造出分布式空中交通虚拟场景阳1 。 但是，d r s 9 3 模拟机造价非常昂贵，同时由于受到当时计算机技术的限制，在计算 机网络组成和数据库技术上都不太完善。同时，对飞行运动的仿真逼真度较低。空中交 通进程的仿真度较差。而a t c - 2 0 0 0 雷达管制模拟机则相对简陋，基本上是一种单机产 品。同时以上两种产品都存在一个重大的问题，就是对用户的需求没有彻底了解，在模 拟实际的管制环境时不够真实。比如，两者在飞机飞行性能仿真、飞行程序仿真等方面 缺乏研究，以至于在训练教学的过程中达不到真实的效果。另外，对交通场景的仿真和 功能上的仿真都比较单一，在应用上受到了很大的限制n 0 1 。 1 3 本文研究的主要内容 鉴于目前空管自动化模拟系统的不断发展，空中交通进程在其运行中的意义也不断 提升，如何能够在空管系统仿真中建立高逼真度、可靠的、符合空管要求的、符合实际 运行要求的空中交通进程仿真已经成为一个亟待解决的问题。因此，本文从空中交通进 程的几个核心组成部分出发，以面向对象的仿真技术为基础，重点研究了飞行性能仿真、 领航导航进程仿真、高动态视频的图形图象处理等三个方面，同时就目前研究的结果进 行了实际的应用，以西安区域为例对其整体空域的燃油经济性进行了分析。 本文共分八章，第一章概论，主要介绍空中交通进程仿真的基本概念以及国内外目 前的研究现状；第二章从面向对象的基本概念、分析设计方法、建模方法以及u m l 统一 中团民航火学硕i ：学位论文 建模语言的角度介绍了面向对象技术；第三章从空中交通进程工作特点、功能、工作流 程、模型建立和模块设计等几个方面概括了本系统的总体设计思想；第四章分别介绍了 飞行能量模型、大气数据、不同飞行状态性能模型；第五章从区域导航、i l s 引导、过 v o r 台引导三方面对领航和导航进程进行了介绍；第六章介绍了系统仿真中的图形图象 技术、视频地图；最后在第七章给出了空中交通进程仿真在空管仿真系统中的应用一空 域运行的燃油经济性分析。 4 中国民航火学硕l ：学位论文 第二章面向对象仿真技术 本章主要介绍了面向对象的基本概念和特点、系统分析和设计方法、程序设计方法、 面向对象建模方法，其中主要包括对象、消息、类、实例、系统设计、对象设计、程序 设计和统一建模语言( u m l ) 的基本概念和使用方法，为面向对象的空中交通进程仿真 技术提供了基本的理论基础。 2 1 面向对象的基本概念 面向对象的方法是当前软件方法靴的主要研究方向之一，也是目前最有效、最使用 的软件方法之一。它是一种在分析和设计阶段独立于程序设计语言的概念化过程。面向 对象的方法可以简明地用下面的等式描述： 面向对象的方法= 对象( 属性及服务的封装) + 分类+ 继承+ 消息的通信。 面向对象的方法学的基本原则是：按人们通常的思维方式简历问题域的模型，设计 尽可能自然地表现求解方法的软件。用计算机解决问题时需要用程序设计语言对问题的 求解加以描述，实质上，软件是问题求解的一种表述形式。显然，如果软件能够直接地 表现求解问题的方法，则软件不仅易于被人理解，而且易于维护和修改，从而提高了软 件的可靠性和可维护性。此外，如果能够按人们通常的思维方式来简历问题域的模型， 还可以提高公共问题域中的软件模块化和重用化的可能性。 面向对象方法中，用概念对象和消息表示事物及事物间的相互联系，类和继承是适 应人们一般思维方式的描述方式，用方法表示作用在该类对象上的各种操作。建立在上 述对象、消息、类、继承、方法等概念基础上的面向对象软件的基本特性是对象的封装 性和继承性。通过继承可以表达类与类之间的关系，以及由此带来的动态联编和实体的 多态性。从而构成了面向对象的基本特征。 。 。 下面先介绍对象、消息、类、实例和面向对象的基本特征。 2 1 1 对象与消息 1 对象 在日常生活中，人们经常使用“对象这个词汇。人们认为，世界上的各个事物都 是由各种可以看见，触摸道或是感觉到的对象组成。每件事物有自己的一些属性，特征， 有特定的功能，行为。任何一个复杂的事物对象都可以由相对简单的事物对象以某种方 法组成，每个对象都有其自身所具有的状态特征和功用。和人们认识世界的规律一样， 面向对象的基本方法学认为：客观世界是由各种各样的对象所组成的，每种对象都有各 自的内部状态和运动规律，不同对象的相互作用和联系就构成各种不同的系统，构成了 中国民航人学硕十学位论文 我们作面对的客观世界。在计算机面向对象技术中，对象是系统的基本成分，是具有特 殊属性( 数据) 和行为方式( 方法) 的实体。具体来说，它应该具有唯一的名称、有一 组状态( 用公共数据与私有数据来显示) 、有表示对象行为的一组公共与私用的操作。 作为对象，主要有如下三个特征。 ( 1 ) 模块独立性 从逻辑上看，一个对象是独立存在的模块。对外界对象来说，只需要了解它具有那 些功能，而不用去深究它的内部实现过程，即不用关心它内部用了哪些局部数据、算法 等等被“屏蔽 了的模块内部消息。一般情况下，模块与系统、模块与模块之间的数据 交互、信息传递、状态控制，只能通过特定的接口来进行，模块内部的状态不会因外界 的直接干预而改变，也不会涉及其它模块。模块直接的依赖性极小，各个模块可以独立 为系统所组合选用，也可以被程序员重用，不用担心会影响或破坏其它模块。 ( 2 ) 动态连接性 客观世界中各式各样的对象并不是孤立存在的，它们之间存在千丝力缕的联系。正 式这些对象直接的相互作用、相互联系和连接，才构成世界上各种各样丰富多彩的系统。 在面向对象的设计中，通过消息的激活机制，把对象之间的动态连接到一起，使整个机 体运转起来。 ( 3 ) 易维护性 对象的功能的实现细节隐藏在该对象的内部，好像被一层封装壳保护在内部。所以 无论是完善本对象的功能，还是改变功能实现的细节，都是在对象自身内部进行；而不 会影响其它模块，不至于“牵一发而动全身”。这就增强了对象和整个系统的易维护性。 2 消息 消息是要求某个对象执行在定义它的类中所定义的某个操作的规格说明，消息既可 以是数据流，又可以是控制流。一个消息由下述三部分组成：接收消息的对象、消息名 和消息参数。在面向对象系统中，对象间的联系只能通过传递消息进行。对象只有在接 受到消息后，才被激活。被激活后的对象代码知道如何去操作它的私有数据去完成该消 息所要求的功能。消息有如下几个性质： ( 1 ) 同个对象可以接受不同形式的多个消息，产生不同响应。 ( 2 ) 一条消息可以发送给不同的对象，消息的解释完全由接受对象完成，不同的对 象对相同形式的消息可以由不同的解释。 ( 3 ) 与传统程序的调用返回方式所不同的是，对于传来的消息，对象可以返回相应 的回答信息，也可以不返回，即消息的响应并不是必须的。 2 1 2 类与实例 现实世界中存在的客观事物有些是彼此相似的，人们习惯上把有相似特征的事物归 为一类，分类是人们认识客观世界的基本方法。 6 中困民航人学硕i ：学位论文 在面向对象的软件技术中，“类”就是对具有相同数据和相同操作的一组相似对象抽象， 它定义了属于该类型的所有对象的性质，包括外部特征和内部实现。 但是，类本身并不真正存在，存在的是一个个具有类属性的行为和对象实体。由类 可以定义产生若干个具体的对象，每个对象就是类的一个实例。同一类的不同实例具有 如下特点： ( 1 ) 相同的操作集合 ( 2 ) 相同的属性集合 ( 3 ) 不同的对象名 2 1 3 面向对象技术的基本特征 在面向对象的软件中，对象是构成和支撑整个软件的最重要，最基础的单元，而类 是对象集合的抽象，规定了各个对象的属性集合和操作集合，确定了对象间的关系。所 以，类的特征也就反映了面向对象系统的基本特征。 ( 1 ) 封装性 封装的概念首先是把数据结构同操作数据的函数( 方法) 组合在一起，构成一个不 可分割的整体( 对象) 。其次是，在这个整体中一些成员( 可以是数据，也可以是对这 些数据的操作) 是保护的，或者是私有的，它们被有效地屏蔽，以防外界的干扰和误操 作；另一些成员是公共的，它们作为接口提供给外界使用。 i 从概念可以看出，封装使数据和过程实现了一体化，并且限制了类的属性( 数据) 和方法( 函数) 的可访问性，使各类成为独立的模块。一边情况下，其它类不得引用本 类的私有数据与操作，因此避免了传统程序设计中大量的数据传递，减少了数据误操作 的可能，提高了软件的可靠性和可维护性。 ， ( 2 ) 继承性 继承是指能够直接获得已有的性质和特征，而不必从零开始。在面向对象系统中， 类是按一定层次组成起来的，称为类层次，即通过类层次把类进行体系化。继承是实现 这种层次化的一种机制，是指子类能够自动共享父类中定义的疏忽和方法的机制，利用 类的这种特性，在生成新类时，可以只定义和已定义的父类不同的数据和操作。 继承性使系统自然地形成了清晰的层次结构，并且与现实事物的分类习惯相吻合。 最重要的是，继承机制真正体现了这么一种理念：在已有的基础上创新，不断发展。对 父类的数据及操作的继承使得子类直接拥有父类的大部分属性和功能，可大大提供代码 的效率和重用性。 ( 3 ) 多态性 面向对象的多态性是指不同对象接收到相同的消息是产生不同的操作。具体说来就 是指在类的层次结构中共享一个方法的名字，而不同层次的类各自按自己的需要来实现 这个方法，这样一来，同样的消息既可以发送给父类对象，也可以发送给子类对象，而 7 中国民航人学硕士学位论文 接收到消息的对象自己所属的类动态地选用自己的实现算法。这一种机制增加了面向对 象系统的灵活性，提高了软件的可重用性和可扩充性1 。 2 2 面向对象的分析和设计方法概述 面向对象分析的目的是完成对问题空间的分析和建立系统模型。具体任务是确定和 描述系统中的对象、对象的静态特性和动态特性、对象问的关系及对象的行为约束等。 面向对象的设计是确定问题的解决方案的过程。分析和设计与问题域的模型紧密相 联。把问题域作为一系列相互作用的对象实体构造出模型，形成面向对象软件系统结构。 在分析阶段形成的信息输出成为设计阶段的主要输入，两者的自然延续保证了对象模型 的一致性。m 1 本节主要从分析和设计的内容角度出发描述了面向对象分析和设计的基本思想。 2 2 1 分析的内容 面向对象分析的主要内容包括静态结构分析和动态行为分析。 ( 1 ) 静态结构分析 静态结构分析首先要确定对象和对象类。对象是一种具有简明界面及应用意义实体 的抽象。所有对象都是唯一标示和可区分的。对象类描述的是一组具有共同属性、操作 和语义特征的对象，属性是类中对象的性质，操作是类中对象的行为。 ( 2 ) 动态行为分析 动态行为描述了系统中对象的合法状态序列。对象的动态行为通常用动态模型来表 示，一个是对象自身的生命周期变化过程，一个是对象系统中对象之间的消息传递和协 同工作。 对象的动态行为可以通过集成关系由其子类对象继承。在对象系统中，对象之间通 过消息传递来协同工作。对应于系统的每一项任务，都有一组消息传递及动作来完成该 任务。每个对象系统要完成一组任务，每个任务就都有一组事件序列与之对应n 羽。 2 2 2 设计的内容 面向对象设计包括系统设计和对象设计两方面的内容。 l 系统设计 系统设计是为实现需求目标而对软件的系统结构进行的总体设计，主要对系统的结 构、系统数据存储方式、系统资源访问手段、以及网络与分布式结构和对象间互操作方 式进行设计。系统的结构设计需要在时间和空间、硬件和软件、专用和通用、效率和可 维护性之间做出权衡。 8 中困民航人学硕i ：学位论义 2 对象设计 对象设计是根据具体的实现策略，。对相关模型进行扩充的过程。对象设计通常要扩 充对实现分析模型的支持，对人机交互的支持，对资源访问和数据存取的支持，以及对 网络通信的支持。有两方面的内容：静态结构设计和动态行为模型的设计。在分析的基 础上，对模型的信息加以细化，补充。为了提高重用性，尽量使用继承的优点，换药考 虑计算复杂度、代码易读性及性能方面的平衡问题，以便于有效地实现操作u 刳。 通常在整体仿真软件的实现的过程中，完成分析和设计之后要进行程序的设计与实 现，下面简单介绍面向对象程序设计的方法和设计准则。 2 3 面向对象程序设计方法 在较早以前，大多数软件开发采用结构化程序设计方法，其基本思想可以表现为下 面的式子： 程序= ( 算法) + ( 数据结构) 即算法是一个独立整体，数据结构也是一个独立的整体，两者可以分开设计。程序 的实现过程就是若干数据被若干说法调用、处理的过程，这个过程中，算法实现是程序 的中心。现在，面向对象程序设计方法得到了越广泛的应用，其基本思想也可以用下面 式子表示： 一 对象= ( 算法) + ( 数据结构) ，程序= ( 对象+ 对象+ 对象+ ) 就是说，面 向对象的程序设计方法强调了数据与算法的一体性，认为程序应该是若干具有自己数据 结构( 属性) 、自己算法( 方法) 的对象实体的一种组合过程，这个过程中，对象是程 序的核心。 2 3 1 设计准则 面向对象的仿真程序设计解决的是把系统仿真方案用程序语言实现的问题，不同的 系统，有不同的设计方法；相同的系统，也有不同的设计方法。在面向对象的程序设计 中，也同样存在各种各样的具体设计思路和过程，但是，优秀的程序设计，就是权衡了 各种因素，从而使得设计从方案到实现能够获得最大的好处，比如可能缩短设计时间、 减少代码、易于修改、易于扩充等等。经过不断的探索，人们总结出一些面向对象程序 设计的一些准则，本文的仿真软件和仿真模型的设计也尽量遵循了这些准则。 准则1 ：模块化 模块化要求数据与操作的捆绑，面向对象方法很自然的具有这一特性，这符合把系 统分解成模块的设计原理。一个好的模块要求内部强内聚，即模块内的各个元素之间、 数据与操作彼此结合紧密，功能专一；还要求对外弱耦合，即模块的内部实现过程与其 它模块相关程度尽量低，提高模块的独立性。 o 中国民航人学硕l ：学位论文 准则2 ：抽象 面向对象方法不仅支持过程抽象，而且支持数据抽象。类是一种抽象数据类型，通 过公共接口提供它的功能，这使得系统的构成比较容易在宏观上把握。 准n 3 ：信息隐蔽 对象通过消息发生动作，实现功能。但对调用者来说，对象本省象个“黑箱”，只 有公共的接口与系统，或者与别的对象发生联系，内部信息不可见。 准则4 ：重用性 、程序重用是提高程序设计效率的一大手段，是程序优化设计要考虑的重要内容。对 程序的扩充、修改、维护都有极大的意义。 2 4 面向对象建模方法 用面向对象方法分析一个仿真软件，通常要建立三种形式的模型，它们分别是描述 系统数据结构的对象模型，描述系统控制结构的动态模型和描述系统功能的功能模型。 这三种模型都涉及到数据、控制和操作等共同的概念，从三个不同但有密切相关的角度 模拟目标系统，又从不同侧面反映了系统的实质性内容，综合起来则全面的反映了对目 标系统需求。 个典型模块化软件系统组合了上述三方面的内容：它使用数据结构( 对象模型) ， 执行操作( 动态模型) ，完成数据值的变化( 功能模型) 。 对象模型表示静态的、结构化的系统的数据属性。它是模拟客观实体的对象以及对 象彼此间关系的映像，描述了系统的静态结构。对应于本文空中交通进程仿真来说，相 当于参与仿真的每一个子模块、模块的参数、变量等数据结构。 动态模型表示瞬时的、行为化的系统的“控制”属性，它规定了对象模型中的对象 合法变化序列，从三个方面理解：事件、状态和行为。描述了这个对象模型中有什么样 的事件、状态，发生了某个事件后作出的行为。 2 4 i u m l 统一建模语言 统一建模语言( u m l ) 是一个通用的可视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化 处理、构造和建立软件系统制品的文档。在u m l 之前，已经有一些试图将各种方法中使 用的概念进行统一的初期尝试，比较有名的是c o l e m a n 和1 他的同事们所创造的，包括o m t ， b o o t h c r c 方法的f u s i o n 方法。由于这项工作没有这些方法的原作者参与，实际上仅仅 形成了一种新方法，而不能替换现存的各种方法。第一次成功合并和替换现存的各自方 法的尝试始于1 9 9 4 年在r a t i o n a l 软件公司r u m b a u g h 与b o o t h 的合作。他们丌始合并0 m t 和 b o o c h 方法中使用的概念，于1 9 9 5 年提出了第一个建议。此时，j a c o b s o n 也加入了 r a t i o n a l 公司开始与r u m b a u g h 和b o o c h 一同工作。他们共同致力于设计统一建模语言。 l o 中国民航大学硕 ：学位论文 三位最优秀的面向对象方法学的创始人共同合作，为这项工作注入了强大的动力，打破 了面向对象软件开发领域内原有的平衡 h ，。 1 9 9 6 年，o m g 发布了向外界征集关于面向对象建模标准方法的消息。u m l 的三位创始 人开始与来自其他公司的软件工程方法专家和工作人员一道制定一套使o m g 感兴趣的方 法，并设计一种能被软件开发工具提供者、软件丌发方法学家和丌发人员这些最终用户 所接受的建模语言。与此同时，其他一些人也在做这项富有竞争性的工作。1 9 9 7 年9 月， 所以建议合并成一套u m l 方法提交蛰j o m g l 9 9 7 年1 1 月，u m l 被o m g 全体成员一致通过，并被 采纳为标准。o m g 承担了进一步完善u m l 标准的工作。 作为一种建模语言，u m l 记录了对必须构造的系统的决定和理解，可用于对系统的 理解、设计、浏览、配置、维护和信息控制。u m l 适用于各种软件丌发方法、软件使命 周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具，是一种总结了以往建模技术的经验 并吸收当今优秀成果的标准建模方法。u m l 包括概念的语义，表示法和说明，提供了静 态、动态、系统环境及组织结构的模型。它可被交互的可视化建模工具所支持，这些工 具提供了代码生成器和报表生成器。u m l 标准并没有定义一种标准的开发过程，但他适 用于迭代式的开发过程。它是为支持大部分现存的面向对象丌发过程而设计的。 u m l 描述了一个系统的静态结构和动态行为。u m l 将系统描述为一些离散的相互作用 的对象并最终未外部用户提供一定功能的模型结构。静态结构定义了系统中重要对象的 属性和操作以及这些对象之间的相互关系。动态行为定义了对象的时间特性和对象为完 成目标而相互进行通信的机制。从不同单元相互联系的角度对系统建立的模型可用于不 同的目的。 u m l 还包括可将模型分解成包的结构组件，以便于软件小组将大的系统分解成易于 处理的块结构，并理解和控制各个包之间的依赖关系，在复杂的开发环境中管理模型单 元。它还包括用于显示系统实现和组织运行的组件= m 1 。 中国民航人学硕1 ：学位论文 第三章空中交通进程仿真的总体设计 本章主要介绍空中交通进程的组成原理，及其仿真技术的构成和设计思想，从空中 交通进程的运行特点、功能、工作流程等几个方面介绍仿真的基本设计思想，同时根据 其设计思想建立了三种模型。最后，说明其外部接口与空中交通仿真系统其它模块直接 的交互关系，同时阐述了系统的模块的组织结构和内部逻辑。 3 1 空中交通进程简介 空中交通进程是在一定的空间范围内，按照特定的时间序列，对所有航班飞行全过 程的详细描述整个过程从横向角度来看，它包括滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、 落地等几个阶段，从纵向的角度来看，它又联系到飞行性能计算、航空气象与领航导航 计算几个重要模拟计算。可以说航空器在空域的运行是无数个子进程的组合。 3 2 总体设计 从空中交通进程的组成结构和工作原理出发，空中交通进程仿真从总体上分为飞行 性能仿真、领航导航仿真、空域视频动态仿真三大功能。根据功能的要求，首先提出该 仿真的需求规定即所需的输入输出项目。考虑到实际运行的需要，提出研发本仿真平台 所需的运行环境。依据面向对象的设计思想，给出了本仿真的基本设计模型、外部接口 和内部逻辑。 3 2 1 需求规定 a 本系统的主要输入项目： ( 1 ) 模拟练习的详细的地理信息； ( 2 ) 模拟练习的飞行计划信息； ( 3 ) 不同机型飞机的飞行性能数据； ( 4 ) 模拟练习的气象条件； b 本系统的主要输出项目 ( 1 ) 动态空间数据显示界面； ( 2 ) 交互图形操作界面 ( 3 ) 不同阶段飞行性能数据显示； ( 4 ) 特殊状态下飞行运动的实现； 1 2 中国民航大学硕一l 学位论文 3 2 2 运行环境 本系统采用c s ( 客户h i 务器) 体系结构，网络平台为现有的局域1 0 m 1 0 0 m 网 络，服务器和客户机均为p c 。服务器操作系统为w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，客户机操作 系统为w i n d o w s 2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 。数据库系统为o r a c l e8 0 5 。采用的开发软件为 d e l p h i 7 0 。 3 3 设计模型 根据本系统的运行特点，系统的设计综合采用面向对象的分析和设计方法，将空中 交通进程作为一个统一的类来处理；使用u m l 语言建立面向对象的分析模型，抽象化空 中交通进程中的相关实体，建立用例模型、静态模型和动态模型。同时分析用例模型中 各参与者与用例之间的关系、各抽象类的属性和方法以及类之间的关系。 。 航空器模拟采用面向对象的方法，将一个个航空器作为对象来处理，其中封装了航 空器的数据和对它的操作方法，并采用面向对象的图形工具绘制航空器的二次雷达目标 等形式的外形及其操作。根据飞行运动状态的不同从性能的角度将仿真的核心组成一飞 行运动模拟分解为爬升、巡航、下降三个模块分别进行计算和模拟，同时将领航与导航 模块集中作为一个对象实体来描述。 3 3 1 用例模型 在设计阶段，我们的任务是捕获并且理解系统的需求，同时建立系统的用例模型。 也就是从较高的层次来分析系统与外部的交互以及系统所需提供的主要功能。r a t i o n a l 统一过程用例模型的静态部分采由u m l 中的用例图表现，而动态部分由交互图、状态图 和活动图表现。如图3 - 1 所示，为空中交通进程仿真的用例图。图3 3 涉及到4 个参与者 和8 个用例。下面分别对各个参与者、用例以及它们之间的相互关系进行描述，并给出 部分用例的典型脚本。 ( 1 ) 参与者 控制席位 飞行动态的显示模块。它负责与管制员的交互界面，取得管制员的操作指令，进而 对后台处理提出相应的请求。同时显示空域地图和相关计划信息。 一性能数据管理 管理多种机型的飞行性能参数，如机型、重量等级分配、升力系数、阻力系数等传 递系统计算所需的基本参数。 一综合数据管理 传递综合数据( 标准雷达格式、a f t n 电报数据或者飞行计划数据等) 到空中交通进 中固民航人学硕i ：学位论文 程仿真系统。空中交通进程仿真系统根据收到的雷达数据或电报信息与系统中的飞 行计划进行匹配。 空域数据库 图3 1 空中交通进程仿真的用例粗略图 空间数据库 为空域视频地图提供静念数据。如一般空域、禁区、限制区、危险区等。 ( 2 ) 用例 一改变飞行状态 它是空中交通进程仿真系统的边乔，当管制员修改指令改变飞机飞行状态时，向飞 行航段性能计算、空气动力数据计算发送指令信息。 典型用例脚本如下： a 飞行状态改变，从飞行航段性能计算用例中获得运动信息； b 向飞行动态视频发送状态参数信息 飞行状态性能计算 负责实时地对不同的飞行状态( 如、爬升、巡航、下降等) 进行性能仿真计算。 典型用例脚本如下： a 从性能数据管理和综合数据管理中取得性能计算的基本参数和气象数据； b 将计算结果发送到改变飞行状态用例中数据管理和综合数据管理中取得性能。 一领航导航计算 负责对飞行轨迹的预测、i l s 引导飞行、v o r 台引导飞行和区域导航的仿真计算。 典型用例脚本如下： a 从飞行状态性能和综合数据管理中取得性能计算的基本参数； b 将计算结果发送到改变飞行状态用例中。 1 4 中国民航人学硕? ：学位论文 一空气动力数据计算 负责飞行性能计算所需的大气数据等的计算。 典型用例脚本如下： a 从性能数据管理和综合数据管理中取得性能计算的基本参数和气象数据： b 将计算结果发送到改变飞行状态用例和飞行航段性能计算用例中。 一飞行架驶程序仿真 负责进行常用的五种飞行操作程序的性能计算。 典型用例脚本如下： a 从性能数据管理和综合数据管理中取得性能计算的基本参数和气象数据； b 将计算结果发送到改变飞行状态用例中。 3 3 2 静态模型 在r a t i o n a l 统一过程中，静态模型描述系统的元素及元素间的关系。在静态模型