Software & Systems

Задача имитационного моделирования морской обстановки является неотъемлемой частью разработки морских тренажерных комплексов. В настоящее время эта задача решается для целого ряда тренажеров различного назначения.

Одной из особенностей моделирования морской обстановки является необходимость имитации функционирования множества сложных объектов, входящих в ее состав. В частности, к таким объектам относятся надводные корабли и подводные лодки, летательные аппараты, стационарные объекты (буи, нефтяные вышки и т.п.). Большинство объектов являются сложными техническими системами. В связи с этим задача создания полноценной модели морской обстановки – это самостоятельная проблема разработки морских тренажеров [2].

Разработка имитационных моделей объектов морской обстановки имеет ряд особенностей:

-   количество типов моделируемых объектов достаточно велико (несколько десятков);

-   перечень моделируемых объектов в начале разработки тренажера определяется ориентировочно и постоянно уточняется в ходе его разработки;

-   последующая модернизация тренажера может также потребовать изменения номенклатуры моделируемых объектов морской обстановки;

-   требования к адекватности моделей также подвержены уточнению, поскольку их качество не является определяющим фактором эффективности обучения на тренажере;

-   реализация моделей должна быть эффективной в смысле времени выполнения, поскольку в морской обстановке одновременно могут моделироваться десятки и сотни объектов [1].

Приведенные особенности обусловливают необходимость реализации гибкой, расширяемой, настраиваемой системы имитационного моделирования, основное требование к которой – обеспечить возможность постепенного увеличения количества и сложности моделей как в ходе разработки тренажера, так и в ходе последующей модернизации. Для этого необходимо обеспечить независимость программной реализации имитационных моделей от реализации остальных компонентов тренажера.

Система моделирования, удовлетворяющая выдвинутым требованиям, была разработана в рамках проекта по созданию тактического тренажера для ВМФ России на базе объектно-ориентированного и модульного подходов. Особенностью данной системы является динамическое конфигурирование системы имитационного моделирования морской обстановки на основе задания на тренировку и библиотеки моделей.

Задание на тренировку определяет перечень объектов, которые необходимо моделировать, и их начальное состояние. Библиотека моделей представляет собой набор программных модулей, содержащих реализацию имитационных моделей. Имитационная модель определяет способ изменения состояния объекта в ходе тренировки. Задача конфигурирования системы имитационного моделирования заключается в нахождении соответствия между объектами и моделями. Конфигурирование осуществляется на этапе инициализации вычислительно-моделирующего комплекса (ВМК) тренажера. Имитационные модели реализованы как обособленные программные компоненты с унифицированным программным интерфейсом. В результате программная реализация тренажерного комплекса не зависит от состава и программной реализации имитационных моделей морской обстановки. Дополнение и изменение программных модулей имитационных моделей объектов морской обстановки возможно как при разработке комплекса, так и при его модернизации.

Независимость тренажерного комплекса от состава и способа реализации имитационных моделей объектов морской обстановки достигается за счет разделения данных, определяющих состояние объекта (входных и выходных параметров модели), и способа их изменения (реализации модели). Выходные и входные данные модели объекта доступны всем компонентам тренажера. Способ же их изменения скрыт в реализации имитационной модели. Например, модель надводного корабля в качестве выходных параметров включает такие характеристики: курс, угловая скорость, скорость, параметры качки и т.п., в качестве входных – заданный курс, скорость и т.д. Возможности получать значения этих параметров достаточно для реализации таких компонентов тренажера, как автоматизированные рабочие места обучаемых (АРМО) и преподавателя (АРМП). При этом программная реализация этих компонентов совершенно не зависит от способа изменения параметров моделей объектов обстановки. Хранение входных и выходных параметров моделей и передача их между компонентами тренажера обеспечивается ВМК (см. рис.).

Возможность динамического конфигурирования системы имитационного моделирования основывается: на классификации объектов и имитационных моделей; на унификации динамических параметров объектов морской обстановки, программного интерфейса имитационных моделей и модулей библиотеки моделей.

Классификация объектов обеспечивает возможность разрабатывать специализированные модели для объектов различной физической природы и характеризовать их различными параметрами в ВМК. Все объекты морской обстановки могут быть классифицированы признаками {класс, тип, наименование}. Классификация проводится с учетом физической природы объектов и схожести их основных характеристик. В качестве примеров классов объектов приведем надводные корабли, вертолеты, гидроакустические станции и т.д. Классификационные признаки присутствуют как в задании на тренировку, так и в программном модуле имитационной модели. За счет этого можно установить соответствие между описанием объекта в задании на тренировку и реализацией имитационной модели.

Унификация входных и выходных параметров моделей объектов морской обстановки определяет принципиальную возможность взаимодействия моделей с другими компонентами тренажера. Для каждого типа объекта определяется набор значимых для тренажера характеристик, которые образуют динамические параметры объекта (входные и выходные параметры модели объекта). Значения динамических параметров характеризуют состояние объекта в ВМК. ВМК осуществляет предоставление этой информации АРМО и АРМП. Таким образом, результаты моделирования объектов обстановки становятся доступными остальным частям тренажерного комплекса.

Унификация программного интерфейса моделей позволяет ВМК единообразно производить операции с моделями различных объектов. За счет этого обеспечивается независимость программной реализации ВМК от реализации частных имитационных моделей. Задача унификации программного интерфейса моделей решена на базе объектно-ориентированной технологии программирования. Все имитационные модели объектов реализованы в виде классов, наследников базового класса, определяющего единый интерфейс модели. Интерфейс имитационной модели определяет основные функции моделирования, вызываемые ВМК в ходе проведения тренировочного занятия на тренажере (см. табл.). Приведенные функции обеспечивают осуществление базовых операций над моделью, включая сохранение и восстановление состояния модели. Изменение динамических параметров объектов осуществляется в функции Run, из которой реализуется вызов частных моделей процессов функционирования объекта.

Реализации имитационных моделей объектов размещаются в программных модулях (DLL). Произвольный набор программных модулей образует библиотеку моделей объектов морской обстановки. Унификация программного интерфейса модулей реализации моделей позволяет ВМК при загрузке задания на тренировку поставить каждому объекту в соответствие имитационную модель. Реализация программного интерфейса модулей основана на возможности экспортируемых функций DLL. Каждый модуль библиотеки имитационных моделей экспортирует две функции, обеспечивающие получение информации о реализованных в модуле моделях (GetOwnAlgoInfo) и создание экземпляра выбранной имитационной модели (CreateOwnAlgo).

Таблица

Базовые функции модели объекта обстановки

Первая функция позволяет получить список реализованных в модуле моделей и их классификационные признаки (для какого класса и типа объектов предназначена модель). Классификация моделей совпадает с классификацией объектов, однако в отличие от нее допускает неопределенность. То есть для имитационной модели может быть не указан конкретный класс и наименование объекта, в этом случае модель подходит для моделирования объектов указанного типа и различных классов и наименований. Это позволяет в предельном случае иметь всего одну имитационную модель для всех объектов обстановки. Алгоритм загрузки имитационных моделей по полученному из задания на тренировку перечню объектов находит наиболее полно соответствующую модель и использует функцию CreateOwnAlgo для создания экземпляра этой модели в ВМК. Например, при наличии моделей с классификациями {надводный корабль, любой, любой} и {надводный корабль, рыболовецкие, любой} для рыболовецкого судна будет выбрана вторая модель, а для других надводных кораблей – первая.

Реализованное рассмотренным образом динамическое конфигурирование системы имитационного моделирования позволяет: максимально быстро получать функционирующий вариант модели морской обстановки на основе минимального количества частных моделей; эффективно распределять разработку частных моделей между исполнителями; увеличивать количество и качество моделей без изменения остальных компонентов тренажера даже после ввода его в эксплуатацию; разрабатывать частные модели объектов обстановки сторонними организациями.

Таким образом, использование принципа динамического конфигурирования системы имитационного моделирования позволяет не только эффективно организовать разработку тренажера, но и повысить срок его эксплуатации за счет возможности постоянной модернизации имитационных моделей.

Список литературы

1.  Недзельский И.И. Морские навигационные тренажеры: проблемы выбора. – СПб.: Электроприбор, 2002. -219 с.

2.  Бичаев Б.П. Морские тренажеры (Структуры, модели, обучение). – Л.: Судостроение, 1986. – 383 с.