（计算机应用技术专业论文）新一代塔台视景模拟机仿真核心的研究与实现.pdf

四川大学硕士学位论文 新一代塔台视景模拟机仿真核心的研究与实现 计算机应用技术专业 研究生陈楷民指导教师李永宁 随着航空运输业的迅速发展，飞行流量和复杂性急剧增大，对空中交通管 制人员的要求越来越高，因此对采用现代化手段训练空中交通管制人员也提出 了迫切的要求。在这种新的形势下，能为空中交通管制人员提供全面、安全、 高效的训练手段的空中交通管制仿真训练系统的研究正成为当静人们关注的 重点。 本文主要研究了新一代c d z s 机场塔台视景模拟机的体系结构，仿真核心的 软件架构及其运动仿真模型。 用于训练机场塔台管制员的塔台模拟机系统是一个实时仿真系统。由于其 涉及的模拟对象数量大，行为动作复杂，加剧了系统设计的困难程度。为了更 有效地设计仿真计算核心，我们采用实时面向对象建模语言( r e a l - t i m eo b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n g ，r o o m ) ，并成功的使用c + + 规范化的实现了r o o m 自动机。 塔台仿真训练系统是空管仿真训练设备中技术最为复杂的一类。针对塔台 仿真训练系统复杂性高的特点，提出基于分层模式的仿真核心软件构架，把仿 真核心分成命令解析层、状态转换层、运动参数接口层、仿真计算层。实践证 明这使得仿真核心软件结构易于维护、易于扩充。 由于实际管制训练中的指令种类相当多且随时可能因实际需求而变动，所 以配合仿真计算核心引入了原语、宏命令的命令机制。采用这种命令机制之后， 系统的灵活性、易用性、可维护性得到迸一步增强。 改进了滑行线求交点算法，提出一种跨立求交点算法，避免了求交点的盲 目性，满足了仿真系统的实时性要求。 四川大学硕士学位论文 在对塔台仿真训练领域不断实践的过程中，完善并改进了航空器空中运动 仿真模型，提出了路径飞行算法，满足仿真训练的要求；在建模时考虑了风对 航空器的影响，提高了仿真系统的逼真度。 文章主要分为以下四个部分： 首先介绍了项目背景、虚拟现实仿真技术；总结国内外近年来在空管 训练仿真方面的研究成果和最新研究进展。 描述了新一代c d z s 机场塔台模拟机系统的物理结构和软件结构。 详细研究了仿真计算核心模块的软件结构，分别讨论了命令解析层、 状态转换层、运动参数接口层及仿真计算层。 重点研究了运动仿真建模，分别对地面运动模型、起飞模型、着陆模 型、空中运动模型作了详细的探讨。 关键词：虚拟现实仿真训练系统仿真模型塔台视景模拟机 n 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o n o fs i m u l a t i o nc o r e o fn e w g e n e r a t i o nt o w e rs i m u l a t o r m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n p o s t g r a d u a t e ：c h e nk a i m i n t u t o r ：l iy o n g l i n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i la v i a t i o na n da u g m e n t i n go fa i rt r a f f i cf l o w a n di t sc o m p l e x i t y ，t h e r ea r em u c hm o r es t r i c tr e q u i r e m e n t si m p o s e do na t c c o n t r o l l e r s , s oi ti su r g e n tt ot a k em o d e mm e a s u r e st ot r a i na t cc o n t r o l l e r s a sa r e s u l to ft h i sn e wt e n d e n c yd e s c r i b e da b o v e ，t h er e s e a r c ho na t cs i m u l a t i o n t r a i n i n gt h a tc a l lp r o v i d ea t cc o n t r o l l e r sw i t l lac o m p r e h e n s i v e s a f ea n de f f e c t i v e a p p r o a c hi sb e c o m i n gaf o c u s t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fn e wg e n e r a t i o no f c d z st o w e rs i m u l a t o r ，i t ss i m u l a t i o nc o r ea n ds i m u l a t e dm o d e l s t o w e rs i m u l a t o ri sar e a l t i m es i m u l a t i o ns y s t e m f o ral a r g en u m b e ro f s i m u l a t e do b j e c t si n v o l v e da n dt h e i rc o m p l e xb e h a v i o r s ，i ti st o u g ht od e s i g nt h e s y s t e m i no r d e rt od e s i g nt h es i m u l a t i o nc o r ei nam o r ee f f i c i e n tw a y , w eu s e o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n g ( r o o m ) a p p r o a c hi nd e s i g no ft h es y s t e m a n d s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n tr o o ma u t o m a t o ni nc + + t o w e rs i m u l a t o ri sas o p h i s t i c a t e ds y s t e ma m o n ga l lt h ea t cs i m u l a t o r s a i m i n ga tt h ec o m p l e x i t yo ft o w e rs i m u l a t i o ns y s t e m ，w ep r e s e n tal a y e r - b a s e d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fs i m u l a t i o nc o r et h a ti sd e c o m p o s e di n t of o u rl a y e r s ： i n s t r u c t i o ni n t e r p r e t e r , s t a t e - t r a n s i t i o nl a y e r ，s i m u l a t e dd a t aa e c e s s o ra n ds i m u l a t e d c a l c u l a t o r i ti sp r o v e dt h a tt h i sf r a m e w o r km a k e st h es y s t e mm o r em a i n t a i n a b l e a n de x t e n s i b l e w ec r e a t ean o v e l i n s t r u e t i o nm e c h a n i s mm a tc o n s i s t so fi n s t r u c t i o na t o ma n d m a c r oa si na c t u a lw o r kt h e r ea r et o om a n yt y p e so fi n s t r u c t i o n sa n dt h e ya r e 1 1 1 四川大学硕士学位论文 u s a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t yo ft h es y s t e ma r ea l lg r e a t l yi m p r o v e d w e i m p r o v et h ea l g o r i t h mo ff i n d i n gp o i n to fi n t e r s e c t i o no fl i n es e g m e n t sa n d p r e s e n tas u b s t i t u t e dm e t h o dc a l l e dc r o s s c a l c u l a t i o na l g o r i t h m t h i sn e wm e t h o d a v o i d sb l i n d n e s so fc a l c u l a t i n gp o i n to fi n t e r s e c t i o no fl i n es e g m e n t sa n dg r e a t l y m e e t st h ed e m a n d sf o rr e a l - t i m e i nt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sp r a c t i c ei nt h er e s e a r c hf i e l do ft o w e rs i m u l a t e d t r a i n i n g , w ee n h a n c 圮t h es i m u l a t e dm o d e li na i ra n dp r e s e n tt h ea l g o r i t h mo f r o u t e n y 1 1 l i sa l g o r i t h ms a t i s f i e st h en e e d so fs i m u l a t e dt r a i n i n g w ea l s oc o n s i d e r i m p a c to ft h ew i n do na i r c r a f ti n t oa c c o u n tw h i l ed e s i g n i n gt h es i m u l a t e dm o d e li n a i r t b i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： n cf i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fp r o j e c ta n dt h ec o m b i n a t i o no f v i r t u a lr e a l i t ya n ds y s t e ms i m u l a t i o n i ta l s op r e s e n t ss u m m a r i z a t i o na b o u t t h el a t e s tr e s e a r c hi na t cs i m u l a t e dt r a i n i n g 1 1 l cs e c o n dp a r to u t l i n e st h e s y s t e m i cs t m c t u r eo ft h ec d z st o w e r s i m u l a t o ra n dp r e s e n t st h ed e p l o y m e n to fs y s t e ma n ds o f t w a r ec o m p o n e n t s r e s p e c t i v e l y n ct h i r dp a r te l a b o r a t e st h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo fs i m u l a t i o nc o r ea n d m a k e sas t u d yo fi n s t r u c t i o ni n t e r p r e t e r , s t a t e - t r a n s i t i o nl a y e r , s i m u l a t e d d a t aa o c e s s o ra n ds i m u l a t e dc a l c u l a t o r 1 1 l ef o u r t hp a r tm a i n l ys t u d i e so nt h es i m u l a t e dm o d e l s k e y w o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , s i m u l a t e dt r a i n i n gs y s t e m ，s i m u l a t e dm o d e l ，t o w e r s i m u l a t o r 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1 项目背景 近年来，随着科学的进步与社会的发展，并伴随着民航运输业的迅猛 发展，使得飞行流量和复杂性急剧增加，空中交通管制的现代化进程和由国际 民航组织规定的新航行体制的实施，对空中交通管制人员的要求越来越高因 此对采用现代化手段训练管制人员提出了迫切的要求旧由于空中交通管制对 航空安全的直接影响，对空中交通管制人员的各种类型的实习、训练，除非特 别必要，都必须尽可能地在模拟训练系统上进行。 使用空管仿真训练系统对空中交通管制学员进行训练具有很多优点：它不 会影响飞行安全；可以人工设计各种管制情况，进行全面训练；可以模拟各种 现实中不易遇到的情况：如大流量训练，意外、紧急情况处理等；同时它不受 航班时刻的限制，可以灵活方便地随时进行训练，从而提高训练的数量和质量 啪 欧美发达国家从七十年代开始研制以雷达模拟机为代表的空中交通管制仿 真训练系统，八十年代开始大量使用空管模拟机培训航管人员。我国曾在国际 民航组织( i c a o ) 支持下由加拿大引进一套塔台视景模拟机，但由于性能不稳 定而没有投入实际使用。目前四川大学图形图像研究所研制开发的机场塔台视 景模拟机是国内唯一通过了国家鉴定，并投入实际使用的空管仿真训练产品。 机场塔台视景模拟机是用于训练塔台管制人员的一套实时视景仿真系统， 它采用虚拟现实仿真技术，能为用户提供与典型塔台管制基本一致的虚拟操作 环境，可以模拟春夏秋冬不同季节，白天黑夜不同环境，以及各种气象状况( 雾、 雨、雪、闪电、雷雨等) 和紧急情况( 引擎冒浓烟、着火、航空器相撞、迫降、 起落架故障、冲出跑道) 等等。这一虚拟操作环境是完全可控制的，它适用不 同的训练目的，如管制员的养成培训，在岗培训、强化培训等。另外，它还可 用于军用航空机场塔台指挥训练，以及评估现有机场的流量和容量，或者对设 计新机场进行仿真评估。 四川大学硕士学位论文 1 2 虚拟现实仿真系统 1 2 1 虚拟现实技术 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) ，又称灵境技术，是9 0 年代为科学界和 工程界所关注的技术。它的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域； 为智能工程的应用提供了新的界面工具；为各类工程的大规模的数据可视化提 供了新的描述方法。这种技术的特点在于，计算机产生一种人为虚拟的环境， 这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空间，或是把其它现实环境编制 到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸 于虚拟环境的感觉。这种技术的应用，改进了人们利用计算机进行多工程数据 处理的方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时；同时，它在许多不同领 域的应用，可以带来巨大的经济效益“”。 从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同 时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段、最大限度地 方便用户的操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。虚拟现实 系统通常具有以下特征： 沉浸性( i 脚e r s i o n ) 使用户感觉到已融合到虚拟现实环境中去，能在真 三维图像的虚拟空间中有目的地漫游，观看、触摸、听取和闻嗅各种虚拟对象 的特征，而且似乎离开了自身所处的外部环境，沉浸在所研究的虚拟世界之中， 成为系统的组成部分。 交互性( i n t e r a c t i o n ) 用户在虚拟世界中所感受到的信息，经过大脑的 思考和分析，形成自己想要实施的动作或策略，通过输入界面反馈给系统，实 现与系统的交互和独立自主地控制系统运行的功能。 想象( i m a g i n a t i o n ) 用户在虚拟世界中根据所获取的多种信息和自身 在系统中的行为，通过联想、推理和逻辑判断等思维过程，随着系统的运行状 态变化对系统运动的未来进展进行想象，以获取更多的知识、认识复杂系统深 层次的运动机理和规律性”1 。 1 2 2 虚拟现实和系统仿真 人类为了研究和解决问题，需要对现实系统做一些必要的实验和数据采集 2 四川大学硕士学位论文 工作，然而，在现实生活中这些系统可能并不存在或现有系统与所研究系统之 间有较大的差异，有些现实系统虽然具有较好的代表性，但在这些系统上进行 实验可能需要花费大量的人力、资源和代价，或需要冒较大的风险或危险等原 因；在这种情况下，可以利用系统仿真、建模的方法，建立能充分代表对象系 统的仿真模型，通过计算机仿真手段对该系统模型进行充分的仿真运行和仿真 实验，模仿实际系统的运行过程，对仿真过程进行观察和输出数据的统计分折， 提取最重要的性能测度，用以推断所研究系统或所设计系统的真实参数与性 能。因此，可以说系统仿真是一种对系统进行动态实验的理论和建模方法。 但是，人们并不满足于通过运行仿真模型获取必要的数据和对系统动态性 能的认识，而是期望在获取代表性数据之外，还能看到真实系统运行过程的场 景。在多媒体技术的支持下，出现了与仿真模型对应的可视化仿真系统，在仿 真运行过程中建模人员和决策人员不仅能得到各种重要的仿真数据，而且可以 看到相应的二维或三维仿真动画，从而显著提高了对系统运行的直观性和逼真 性。有助于他们理解和认识所研究系统的本质和动态规律。 从字面上来看，虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 和系统仿真( s y s t e m s i m u l a t i o n ) 是两个不同的概念。有时人们又把虚拟现实认为就是系统仿真或 虚拟现实具有系统仿真的全部功能。实际上它们之间既具有区别又有着内在的 联系，或者说二者之间是既互相包容又互相区别的，存在二者之间的交集，这 个交集恰恰构成了虚拟现实仿真系统的内容，它综合了虚拟现实和系统仿真各 自的优点和长处，并且具有广阔的应用潜力和发展前景嘲。 其中虚拟操作训练仿真器( v r o t s ：v i r t u a lr e a l i t yo p e r a t i o nt r a i n i n g s i m u l a t o r ) 就是虚拟现实仿真系统的重要应用之一。在人工虚拟仿真复杂操作 训练环境方面的研究，一个典型系统是美国哈勃望远镜的虚拟维修训练虚拟现 实环境的研制这是第一次大规模应用虚拟维修训练技术完成实际任务。另一 个典型例子是日本h i s h i i 等人研究了一个用于机器维修的虚拟训练环境。此 外，目前国际上在虚拟手术仿真训练方面取得了一系列进步。应该说，v r a f r s 应用的一个广阔领域是对特殊的环境或操作对象的虚拟仿真。但对这类仿真系 统的研究，目前存在多方面的问题：一是由于不同行业的特殊领域操作环境没 有通用性；二是这类系统没有现成的仿真模型，使研制难度相应增大。同时， 3 四川大学硕士学位论文 这类训练仿真系统除了注重对操作经验和技巧的训练，还注重操作心理的训练 和环境适应的训练，这往往要求系统提供全沉浸感的虚拟操作环境。 我们的机场塔台视景模拟机正是虚拟现实仿真系统迅速发展的产物，依托 川大图形图像研究所多年来在空管领域的实践经验，抽象出一套适合空管领域 的仿真模型，并且在对模型的形式化描述上、在人机界面上、在多机同步渲染 的技术上做了多方面的创新。这些创新使我们的塔台仿真训练系统达到了虚拟 操作训练仿真器的要求并具有很高的实用价值。 1 3 国内外塔台仿真训练系统的研究和发展状况 国外在很早的时候就开始了塔台模拟机的研制，并已经开发出了很多成熟 的产品。主要有c e l l s 公司的d a t s d u r a b l ea v i a t i o n ，r a y t h e o n 公司的 f i r s t p l u s t mt o w e rs i m u l a t o r ，c a e 公司的c a et r o p e s “和c a em a x v u e “2 0 0 0 ， n a s a 公司的s u r f a c em a n a g e m e n ts y s t e md f mf u t u r ef l i g h tc e n t e r ，a d a c e l 公司的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 以及c s ( c o m m u n i c a t i o n & s y s t e m ) 公司的s t a r l i f e p e r s o n a lt r a i n e r 。 我国曾在国际民航组织( i c a o ) 支持下由加拿大引进一套塔台模拟机，但 由于性能不稳定而没有投入实际使用。国内在很长一段时间内，都没有进行具 有自主知识产权的塔台模拟机的研制，我国的很多塔台管制人员在进行机场塔 台的实际操作以前，甚至要先到国外的塔台模拟机上进行培训，导致了人力物 力的巨大消耗。在这样的形式下，在民航交通管制领域具有很强技术优势的川 大图像图像研究所从1 9 9 8 年开始进行机场塔台模拟机的研制，并成功实现了 达到国际先进水平的，具有实用价值的塔台视景模拟机c d z s 。c d z s 塔台视景 模拟机能够提供给培训人员一个3 6 0 度的机场视景，并能够模拟出复杂的机场 环境。这些环境包括了机场跑道、停机坪、滑行线、地面建筑、航空器、地面 运动车辆等，以及对机场雨、雪、雾等天气现象的模拟。表1 1 是c d z s 和多 家目前国外最先进的同类产品的对比。 4 四川大学硕士学位论文 表 1同类产品的系统功能与性能对比 产品 c d z st o w e r d a t s d u r a b l ev i r t u a lf u t u r ef 1i g h t 名称 s i m u l a t o ra v i a t i o nt o w e r t mc e n t e r t o w e rv i s n a lt o w e r s i m u l a t o rs i m u l a t o r 公司四川大学图形 c e l l - i t sc a e - l i n kn a s a 图像研究所 视景生成s g i 图形工作站微机 s g i 图形工作 s g i 图形工作 器 多台微机同步 站站 渲染 水平视角 4 5 。3 6 0 。6 0 。3 6 0 。6 0 。1 8 0 43 6 0 。 ( 可选) 垂直视角 3 0 。4 5 。 4 5 。4 5 。 4 5 。 图形通道 3 4 1 6831 2 颜色深度2 4 位真彩色2 4 位真彩色2 4 位真彩色2 4 位寅彩色 仿真图像 1 6 0 0 1 2 0 0 不洋不洋1 2 8 0 x1 0 2 4 最高分辨 塞 可显示的 2 5 65 01 81 0 0 1 2 0 运动目标 数 运动目标平滑不平滑平滑平滑 跨屏幕平 滑度 基本云、雨、雪、风、云、雨、雪、风、云、雨、雪、风、云、雨，雪、风、 环 气象雾雾雾雾 境 特殊雷雨、闪电，台 不详雷雨、闪电雷雨、闪电 模气象风 拟 昼夜 并能模拟全天 时间连续变化 四季 不详 机场 灯光 其它朊芏器袋地烟、无 无无 效果塔台望远镜 四川大学硕士学位论文 引擎着火冒浓 引擎着火、航空 引擎着火、航空引擎着火、航空 烟、航空器碰 器碰撞 器碰撞、塔台设器碰撞、起落架 特撞、航空器冲出备失效故障，塔台设备 情跑道、起落架故 失效 模 障、风切变、中 拟断起飞、复飞、 快速脱离跑道、 航空器1 8 0 0 调 头、塔台设备失 效，通讯设备失 效 记录回放 功能 内通系统 场面监视 雷达 进程单打脱机联机打 脱机打印 印系统 印 与d r s 、d p s具备不具备 不具备不具备 同步接口 从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年间，先后有北京机场和广州机场的大批塔台管制人员 在四川大学图形图像所的c d z s 塔台视景模拟机上进行培i j i i ，系统的实用性得 到了一致好评。这也标志着我国虚拟仿真技术达到了个新的领域。 1 4 作者所做的工作 本文的作者主要完成了塔台视景模拟机的仿真计算核心模块的研发工作， 包括以下一些方面： 提出并实现了基于原语的语义描述方法，构造了一个用于空中交通管制命 令的完备原语集，这个原语集使得所有的空中管制中的命令模型都可以用 原语集的序列描述，从而保证了塔台仿真训练系统的高扩充性。 在原有系统的基础上进一步抽象塔台训练的业务需求，对整个仿真核心进 6 四j i i 大学硕士学位论文 行全新的体系结构设计，采用基于分层模式的方法，大大的减轻子系统间 的耦合度，提高了软件的重用度，使仿真核心易于维护和扩展。 改进滑行线求交点算法，提出一种跨立求交点法，此法可以通过简单的向 量运算判断出两条滑行线段是否有交点，再采用直线求交点法求出交点， 避免了求交点的盲目性，满足了仿真系统的实时性要求。 在对塔台训练仿真领域不断深入实践的过程中，完善并改进了仿真模型， 优化了不同状态的仿真实现算法，在空中运动建模时，考虑了风对航空器 的影响，提高了仿真系统的逼真度，提出了路径飞行算法，使之能更加满 足空管模拟训练的要求。 四j 大学硕士学位论文 2 机场塔台模拟机体系结构 2 1 系统物理结构 机场塔台视景模拟机采用分布式结构，通过局域网将各个设备和席位连接 起来，协同工作。图2 ：l 为系统物理拓扑结构图： 图2 1 机场塔台视景模拟机系统物理结构 系统主要由以下部件构成： 实时网络服务器 数据库系统 管制员工作站 模拟机长工作站 8 l 套 1 套 l 1 6 套 1 1 6 套 四川大学硕士学位论文 内通电话交换机( 8 门)l 2 套 视景发生器8 1 6 通道 视景服务器( p c 机)l 台 语音记录仪( 8 路)1 2 套 模拟地空通信系统( 8 路) 1 2 套 网络交换机( 1 6 路)2 套 投影仪( 分辨率1 2 8 0 x 1 0 2 4 )8 1 6 台 投影屏幕8 1 6 块 声音模拟系统1 套 实时网络服务器是塔台视景模拟机的核心，完成运动模型的实时计算，系 统网络的协调调度及管理，系统中的管制员工作站、模拟机长工作站、三维视 景子系统都通过网络与网络服务器连接，实时网络服务器负责集中处理和计算 各种信息并且向所有席位发送。 数据库系统是一个可以脱机运行的子系统。管制教员可事先通过数据库编 辑好航空器和地面车辆的性能、机场数据、飞行计划、训练计划等，以供整个 仿真训练系统使用。数据库提供友好的用户输入界面，并支持将a u t oc a d 的 d x f 数据文件导入数据库，生成系统可以识别的图元，以减少用户建立机场模 型的工作量。 通用管制员工作站是管制员进行管制工作的平台。管制员工作站由工作 站、高分辨率大屏幕显示器、照明灯、电源控制单元、机架等组成，并配置有 飞行进程单打印机、进程单架和进程单盒、模拟地空通讯系统、内通电话系统、 耳机、脚踏开关等。通用管制员工作站可以很方便地配置成塔台管制员席位、 地面滑行管制员席位，使管制员们协同训练，提高训练的效率 通用机长工作站是模拟机长和教员进行工作的平台。通用机长工作站由工 作站、高分辨率大屏幕显示器等组成，并配置有模拟地空通讯机、耳机、脚踏 开关等。通用机长工作站也可以很方便的配置成模拟机长席位和教员席位。模 拟机长席位与管制员进行通讯，接收管制员发出的管制指令，对航空器和车辆 进行控制；教员席位可以对整个训练状况进行监控，并可以在训练的过程中随 时改变天气环境状况，如雾、雨、雪等等，设置航空器特情，达到改变训练难 9 四j i l 大学硕士学位论文 度和增加训练随机性、突发性的目的。 三维视景发生器是三维视景子系统的核心部分，多台微机通过网络与视景 服务器连接，在视景服务器的管理下协同工作，它们负责接收从三维视景服务 器发送来的机场、运动目标、环境等信息，进行同步渲染，从而生成逼真的三 维机场视景。 视景服务器是三维视景子系统中的重要组成部分。它作为网络服务器的客 户端与网络服务器相连接，接收网络服务器发送的信息，同时他又作为视景子 系统的服务器，通过另一个子网与三维视景客户端相连接，负责管理协调视景 客户端之间的同步运作。 投影机与视景客户端工作站的图形输出口相连接，将渲染的三维场景影像 投影到屏幕上，以营造出真实的机场塔台视景环境。 记录和重放设备是机场塔台视景模拟机中的重要部分，它分为语音记录和 雷达信号记录两部分，其中语音记录仪用于记录内通系统和模拟地空通讯系统 之间的话音通道，雷达信号记录部分在实时网络服务器上实现，记录下的语音 和雷达信号，可以在训练结束后，在需要的时候进行回放，供教员进行讲评和 统计分析。 语音通讯系统包括了模拟地空通讯系统和内通电话通讯系统，由语音交换 机和通信控制面板、话机、耳机、脚踏开关等组成，用于模拟地空无线通话联 系和管制员之间的有线电话联系。 2 2 系统的软件结构 系统从软件结构上可以划分为如下几个子系统：服务器、中心机、机 长位、管制员位、三维视景渲染系统和数据库系统，系统的数据流图如图2 2 所示。 1 0 四川大学硕士学位论文 图2 2 机场塔台视景模拟机数据流图 服务器软件 机场塔台视景模拟机的服务器软件安装在实时网络服务器主机上，用于实 现模拟训练的实时仿真计算、命令执行以及同步协调功能。包含网络管理模块、 数据访问接口模块以及运动模型仿真计算模块。根据状态同步产生航空器和地 面车辆的立体声音。其数据和功能的处理流程如图2 3 所示。 l l 四川大学硕士学位论文 服务器 数据库访问接 口 1 辫 _ i _ j 语音记录仪控 制接口模块 雷达数据 灯兜觳据一 气霉嬲 l 接收从客户端 发来的信息 仿真计算核心 命令解析 目标仿真计算 雷达象据 灯光数据 气象数据 图2 3 服务器处理流程 服务器的特点 采用多线程设计，网络线程与计算线程协同运行，使系统的实时响应能力 达到最优。在运动目标( 航空器、地面车辆) 模拟计算时，采用基于状态自动 机的实时面向对象方法，将目标的运动归纳为隐藏、停止、滑行、起飞、路径 飞行等1 6 种状态。而将对运动目标的控制命令归纳为2 4 种命令原语。通过命 令原语组合的方式来表达系统的目标控制命令。这种方式提高了命令可扩展 性。服务器可记录并反演整个训练过程的执行情况。在训练计划执行过程中， 所有控制命令均被记录下来，并可以通过回放的方式供教学或分析用。反演的 速度可以在单倍速和多倍速之间选择，并可随时暂停。反演过程中所有的模拟 地空通话也被记录下来并可同步播出。其它各位( 模拟机长位、管制员位) 作出 相应的同步显示。 中心机软件 中心机是提供给用户用以控制服务器的软件，用户通过中心机软件可以选 辫糍 目 一 槲确卜瓣 赭；|一 一记达一一 四川大学硕士学位论文 择装载预先编辑好的训练计划，显示客户端的连接状态，提供启动训练、暂停 训练、结束训练、记录、重放、快进、倒退等功能，控制语音记录仪录制和重 放话音等等。 数据库软件 数据库软件提供用户界面供用户编辑和查看航空器及地面车辆的性能参 数、机场数据、飞行计划、训练计划等等；同时可以通过仿真计算模块以及二 次雷达场面监视雷达显示模块来提供飞行计划、训练计划的预演调试功能。 其数据处理流程如图2 4 所示。 图2 4 数据库处理流程 雷达管制员位软件 雷达管制员软件可配置成塔台管制员席位或地面管制员席位。此软件完成 以下功能：显示二次雷达信息场面监视雷达信息、显示训练计划、飞行计划 信息、可以模拟对机场灯光的控制。其处理流程如图2 5 所示。 四川大学硕士学位论文 图2 5 管制员位软件处理流程 模拟机长席位软件 模拟机长席位软件在启动时可配置成模拟机长席位或教员席位。此软件完 成以下功能：显示二次雷达信息场面监视雷达信息、显示训练计划、飞行计 划信息、可以输入命令对航空器及车辆进行控制、可以控制天气变化、设定航 空器的特殊情况等。其处理流程如图2 6 所示。 1 4 四川大学硕士学位论文 连接通讯申。机 i 图2 6 模拟机长位软件处理流程 语音记录仪软件 m d s ls u i t 。此软件安装在语音记录仪上，可以录制、重放模拟地空无线 通话和内部有线通话。 三维视景子系统 三维视景子系统包括了两个软件包：视景服务器软件包和视景客户端 软件包。视景服务器软件包中包含两部分： 服务器管理软件完成以下功能：管理客户端机器中的模型，使多台机器中 的模型保持一致；管理客户端的视景生成器，使多台机器中的视景生成器版本 保持一致；启动客户端的视景生成器程序，可以根据需要启动客户端中一台或 多台上的视景生成器程序；重新启动客户端机器，在某些特殊的情况下可供系 统管理员使用；关闭客户端机器，这一功能可以使用户直接在视景服务器上关 闭整个系统的多台机器。 四川大学硕士学位论文 服务器信息处理软件完成以下功能：处理模块接收实时网络服务器发送来 的各种信息，并将其和本机的鼠标、键盘事件信息一起封装成视景位客户端需 要的信息包，用u d p ( 广播) 的方式同时传给所有的视景客户端。 视景客户端软件包中包含两部分： 客户端管理软件可以自动完成以下功能：更新本机上的模型数据和视景生 成器程序，使本机模型和视景生成器程序与其它客户端上的保持一致；启动本 机视景生成器程序；重启机器或关机等。 客户端渲染软件( 视景生成器) 完成以下功能：根据视景服务器传来的各 种信息渲染机场、运动目标以及各种气象效果。视景客户端和视景服务器的功 能流程如图2 7 所示。 图2 7 三维视景子系统处理流程图 四川大学硕士学位论文 3 系统仿真核心的软件结构设计 从本质上说，仿真的主要组成部分是一个计算、调度的过程。其软件核心 就是一个仿真事件循环( s i m u l a t i o ne v e n tl o o p ) 。它为整个仿真系统提供了 一个一致有效的时序，仿真系统通过不断地执行仿真事件循环来推动虚拟世界 时间的流逝，并在每一个循环内处理与用户的交互，接受用户对虚拟对象的操 作，决定虚拟对象的行为，改变虚拟对象的状态，对虚拟对象进行更新。一个 典型的仿真事件循环如图3 1 所示： 图3 1 仿真事件循环 与典型的仿真事件循环相比较，在塔台仿真训练系统中，通过用户向系统 输入命令来实现“系统读取传感器信号”的过程。仿真核心模块在每个计算周 期内完成对象的更新。 塔台训练仿真系统是一个人机交互的可视化仿真系统，其呈现出开发周期 长，设计实现的难度大，要求系统可靠性高、可维护性好、可扩充性好的特点。 我们针对以上的特点，提出了一种新的基于分层模式的仿真核心软件构 架，把仿真核心模块分成命令解析层、状态转换层、运动参数接口层、仿真计 算层。 1 7 四川大学硕士学位论文 3 1 命令解析层 命令解析层可以看成是仿真核心模块的外部交互接口，命令解析层由命令 预处理、命令解释两个子服务层构成。 3 1 1 命令预处理 对于管制命令我们首先要对它进行预处理，命令预处理的主要职责是对输 入的命令字符串进行拆分、语法检查和宏解析，将管制命令分解成一系列原语 命令。预处理层的数据流如图3 2 所示。 图3 2命令预处理层数据流图 命令预处理的首要任务是对管制命令进行拆分。拆分管制命令的依据是在 管制命令字符串中预先定义的分隔符，这里我们就用执行方式的命令标记作为 分隔符。在管制命令字符串中除了第一个分隔符含有执行方式的含义，其他的 分隔符都是队列执行方式，因此预处理的第一步就是扫描管制命令中的分隔 符，将第一个分隔符以外的所有分隔符都替换成队列执行分隔符；如命令串： “t a x p a r a m lp a r a m 2 ：s t o p ；m a c r op a r a m l ：”经过一次扫描后被替换成 “t a x p a r a m lp a r a m 2 s t o p m a c r op a r a m l ”。其中“：”与“”表示意 四川大学硕士学位论文 义可参见表3 2 。然后根据分隔符进行拆分，上述命令串被拆分为三个子序列： t a x p a r a m lp a r a m 2 s t o p m a c r op a r a m l 如果拆分后的命令子序列是命令原语，则命令预处理层对子序列进行语法 检查，如参数个数、参数位置、参数范围等合法性的检查，如果命令子序列是 宏，则命令预处理层进行宏命令的展开操作，把宏命令展开成一系列的原语命 令。 3 1 1 1 基于原语的语义描述方法 空中交通管制过程中要用到的管制命令非常多且复杂，仅初步统计即达到 7 0 多种，且随着管制规程的修订和使用国家( 地区) 的不同还会有所改变和增 加。在这种情况下，如果我们的命令解析设计成程序依赖的模式，就会造成一 旦管制命令发生改变或增加，就不得不重新为其修改或编写新的命令解析代 码，这样就会造成系统的扩展性与可维护性变的非常差。因此我们利用p b s d ( p r i m i t i v e b a s e ds e m a n t i cd e s c r i p t i o n ，基于原语的语义描述) 方法来解 决这一问题。 基于原语的语义描述方法的核心是构造一个完备的原语集p ，使得我们任 意一个塔台仿真中的管制命令都可以用p 中的原语序列描述出来。这里p 是最 小完备集。但是我们在构造原语集时，只保证了完备性，目前还没有考虑其最 小性。 根据上面的思想，我们认真地分析了塔台仿真训练中的管制命令，根据航 空器以及车辆运动过程的特点，我们将各种复杂的航空器、地面车辆动作分解 为一系列原语，构造除了一个完备原语集，见表3 1 。 表3 1 仿真原语集 地面管制命令原语 s t e 开发动机 s h e 关发动机 t a x 滑行 t b k 倒退 四川大学硕士学位论文 s t o p 停止 l c h起飞 l n d降落 r o u 简单路径飞行 f r u复杂路径飞行 c r u 巡航 o r b盘旋 空中管制命令原语 j u j 改变飞行高度 s p d 改变飞行速度 h d g 改变飞行航向 a s h 同时改变航空器的高度、速度、航向 c d r 改变航空器的怛升下降率 t i 矾t e 调整航空器的转弯率 c u t i n 切入跑道 每条原语命令由原语关键字，参数关键字，参数数值构成。格式如下： 原语关键字 参数关键字 参数数值 原语命令的执行方式分为三种：立即执行、插入执行、队列执行，三种执 行方式的描述见表3 2 。 表3 2 命令执行方式 执行方式命令标记作用 立即中断当前指令的执行，同时清空指令队列中余下 立即执行 的指令，立即执行输入的指令。 在当前指令之后加入需执行的指令，当前指令执行完 后执行该指令。接着执行指令队列中余下的指令。如 插入执行 当前无指令，即在默认稳定状态( 停止或巡航) ，就 执行插入的指令 在指令队列后加入需执行的指令，直到原指令队列执 队列执行行完毕，才执行加入的指令。如当前无指令，则本方 式无效。这主要用于在训练前编制训练计划。 四川大学硕士学位论文 3 1 1 2 基于宏的描述方法 除了原语外的其它管制命令，可以由一系列的原语命令进行组合描述，我 们称之为宏宏由宏名，宏的形式参数，形式参数通配符构成。宏定义的格式 如下： 宏名 形式参数 形式参数通配符 宏的各个参数间以空格分开，宏的名称可以为任意字母和数字的组合，长 度小于2 0 个字符。形式参数以“# ”作为标记，可以为字母或数字，如# 1 、# a 等，形式参数和通配符构成的参数串的长度小于2 5 6 个字符。通配符以“丰” 表示，表示任意个参数( 包括无参数) 。一个宏只能有一个通配符，且必须将 其放在最后位置。表3 3 描述了一个宏命令t p 3 0 7 的示例，其含义是，通过拳 指定的滑行线进入编号为3 0 7 的停机位。 表3 3 宏命令示例 名称 参数 声明 t p 3 0 7 定义 t a x z 63 0 7p 3 0 7 调用 t p 3 0 7m 4 实现 t a xm 4z 63 0 7p 3 0 7 宏命令的展开流程图如图3 3 所示。 实践证明，用户对管制命令的增加和修改基本上集中在非原语上，通过原 语和宏的描述方法可以很灵活的支持命令集的扩充，并且对脚本提供了很好的 支持。 四川大学硕士学位论文 图3 3 宏展开流程图 3