AFSIM软件仿真平台应用研究

AFSIM软件仿真平台应用研究

朱念华1

1.中国飞行试验研究院  西安 710089

摘要：现今对于武器装备以及作战环境的系统建模与仿真已成为装备研制和战术战法推演分析中必不可少的一部分。如何有效使用功能强大以及兼容性广泛的软件仿真平台是现阶段急需解决的问题。AFSIM作为美国空军研究实验室（AFRL）正在使用且实时开发和维护的软件仿真平台，能够作为解决上述问题的基础。本文基于AFSIM的底层设计，从总体、软件组成以及工作原理三方面进行分析，完成了对其的应用研究；并为后续的软件使用以及面向使用对象的精细化开发打下基础。

关键词：系统建模与仿真；软件仿真框架；C++；应用研究

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：

伴随着系统建模与仿真技术的不断发展，针对作战平台和武器系统的仿真软件系统层出不穷。国内外典型的仿真软件包括：Cadence公司开发的SPW（Signal Processing WorkSystem）[1]；安捷伦公司开发的ADS（Agilent Advanced Design System）[2]；美国空军研制的JMASS（Joint Modeling and Simulation System）[3]以及美国空军研制的NGTS（Next Generation Threat System）。上述软件仿真平台能够满足使用者的大部分需求，但其交互性和兼容性并不能匹配现今建模与仿真技术的快速发展。

针对这一问题，美军研制完成了本文的研究对象——The Advanced Framework for Simulation, Integration, and Modeling（AFSIM）。AFSIM是由波音公司开发，现被美国空军研究实验室（AFRL）所收购的以系统建模与仿真技术为核心，采用多分频率建模的仿真软件系统。其能够用于陆、海、空、天、电、网各类作战环境的复杂系统仿真；并且能作为面向协同、智能、全域、以信息系统为核心的数字平行战场的核心技术和平台。

1  总体介绍

AFSIM作为软件仿真框架，其通过内置的脚本语言和插件式扩展框架，实现模型数字化仿真的同时也拥有极佳的模型应用可扩展性和兼容性。平台提供了丰富的模型模板、灵活的扩展支持和全面的工具集，用户能更加便捷地使用模型，快速搭建可视化仿真应用，并在此基础上实现各类领域的应用。AFSIM仿真推演平台有如下四个特点。

1.1  组件化的建模机制

以面向对象组件化建模技术为核心，支持OODA过程仿真，在模型准备、方案拟定、系统运行、分析评估及态势展现各个阶段，提供集成开发、运行管理等全方位支持，内置通用建模语言，支持插件管理，支持模型及应用软件的精细化开发，可为分析论证、模拟训练、试验评估等各领域仿真系统的研制集成和运行管理提供解决方案。

1.2  面向协同的仿真引擎

AFSIM采用离散事件引擎，支持通信网络协议模型，基于行为树和状态机机制进行行为建模，采用任务处理模型进行任务处理和指挥协同。

1.3  多分辨率建模技术

支持不同分辨率的组件模型，已包含任务级、交战级和工程级模型。

1.4  人工智能技术应用

AFSIM既是成熟的仿真应用平台，又是专业的仿真应用生成器，具有丰富的可扩展接口，具备丰富的模型模板、灵活的扩展支持和全面的工具集。

2软件组成

AFSIM仿真平台采用基于C++面向对象组件化建模技术，提供了一个具有极佳扩展性和兼容性的模块化结构，允许包含许多易于集成的附加功能。软件基于扩展和插件机制，提供了包括仿真模型、仿真服务、应用工具的全方位多层级扩展能力，允许在不重新编译核心代码的情况下实现仿真模型的扩展开发（包括仿真模型的类型扩展和已有类型的模型扩展）和功能服务的扩展添加。

AFSIM主要由应用工具和仿真平台两部分组成。其中，应用工具包括实验支持工具和仿真建模工具；仿真平台包括框架服务、仿真模型和模型数据。

2.1应用工具组成

应用工具组成如图2-1 应用工具组成；分为实验支持工具和建模仿真工具。实验支持工具具体由五部分组成，各部分内容较多，在下文分开介绍；而仿真建模工具由四部分组成，其中各部分联系紧密，在下文以整体的形式进行介绍。

2.1.1  想定编辑工具

图形化编辑工具，能够在集成开发环境基础上提供一系列图像化编辑工具，用来代替脚本文件编辑器，实现想定的快速搭建。

2.1.2  集成开发环境

基于脚本的二次开发环境，可用于仿真模型开发和仿真场景编辑。

2.1.3  仿真运行工具

能够载入并运行仿真场景文件，控制速度；并且能以所谓的上帝视角对各个仿真实体进行实时控制。

2.1.4  仿真回放工具

能够读取仿真数据文件进行态势回放，通过拖拽进度条实现对任何时刻仿真内容的查看。

2.1.5  结果分析工具

基于仿真结果数据，生成指定格式的仿真报告。

2.1.6  仿真建模工具

仿真建模工具包括4部分，各部分之间联系紧密，相互作用共同构建完整的仿真模型。其具体分工如下：

1)模型管理工具：提供模型的创建、删除和装配；

2)运动建模工具：飞行器以及武器的6自由度运动模型构建；

3)传感器特性分析工具：提供图形化分析传感器特性；

4)武器火控建模工具：生成武器模型测试场景和评估结果。

2.2  仿真框架平台组成

仿真平台包括框架服务、仿真模型和模型数据。框架服务由10部分构成，具体结构如图2-2 框架服务组成。各部分具体功能如表2-1框架服务功能汇总。

表2-1 框架服务功能汇总

仿真模型主要如由环境模型、处理器模型、平台模型和装备模型四大部分组成如图2-3仿真模型组成。

其中环境模型包括地形模型和大气模型等；处理器模型则包括用于平台行为逻辑或计算算法。平台模型包含目标特性模型、武器模型以及运动模型；装备模型包括通信模型、传感器模型、网络对抗模型和电子对抗模型。

而整个仿真过程中模型所产生的数据如图2-4 模型数据组成。

3  工作原理

系统工作主要由模型开发阶段、场景开发阶段、仿真推演阶段和分析评估阶段四个部分组成如图3-1 AFSIM工作原理图。

3.1  模型开发阶段

主要完成6自由度平台运动模型及武器火控模型的扩展开发，为场景开发阶段提供模型和数据支撑。

3.2  场景开发阶段

通过可视化界面或脚本语言文本编辑的方式构建仿真场景，完成模型组件的实列化和装配，编辑和配置各平台处理器逻辑，形成场景想定文件。

3.3  仿真推演阶段

加载场景想定文件，构建仿真系统并推进仿真进行。过程中可通过XIO接口服务与外部仿真系统进行分布式仿真。

3.4  分析评估阶段

加载仿真回放文件进行可视化回放，并对武器效能等仿真结果进行分析评估，生成仿真报告。

4应用分析

对前三节对于AFSIM软件仿真平台的总体介绍、软件组成以及工作原理进行分析研究。AFSIM软件仿真平台具有灵活可扩展的开放式系统架构和分布式仿真、人在回路实时仿真等能力支撑，以及丰富的脚本化定义和扩展的各类组件模型的特点。能够在模型设计、方案拟定、系统运行、分析评估、可视化展现等各个阶段，提供集成开发、运行管理等多方位支持。

平台可广泛用于解决防空反导、预警探测、情报侦察、电子对抗、指控等装备、系统与体系仿真模型设计仿真，构建体系对抗仿真实验应用的软件环境，能够解决电子信息装备在复杂战场环境下的分析论证、作战实验、装备研制、作战试验和模拟训练等。

5参考文献

[1]YANG De-wei, WU Nan, KUANG Jing-ming, SUN Dong-han. Application of Signal Processing Worksystem Simulation in the Design of Wideband Multi-Rate Modem[J]. Transactions of Beijing institute of Technology, 2008, (11): 1018-1022.

[2]杨亚洁. 相控阵机载火控雷达系统建模与仿真[D].西安电子科技大学,2011.

[3]Yu Wang. Joint Modeling and Simulation of the Spindle System of Hammer Crusher Based on Finite Element Analysis and Flexible Multi-Body Dynamics.Part1: Modeling[A]. Information Engineering Research Institute, USA.Proceedings of 2012 International Conference on Manufacturing(Manufacturing 2012 V630)[C].Information Engineering Research Institute, USA:,2012:6.