基于并行的電子信息裝備效能可視化分析研究

吳玲達(dá), 楊 超, 于榮歡

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室,北京101416)

基于并行的電子信息裝備效能可視化分析研究

吳玲達(dá), 楊 超, 于榮歡

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室,北京101416)

針對(duì)電子信息裝備效能分析的實(shí)際需求,引入并行計(jì)算技術(shù),以國(guó)產(chǎn)集群環(huán)境為基礎(chǔ),重點(diǎn)突破了國(guó)產(chǎn)集群條件下電子信息裝備并行仿真計(jì)算和三維可視化分析等難點(diǎn)問(wèn)題,構(gòu)建了基于并行計(jì)算的電子信息裝備效能可視化分析平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該平臺(tái)能夠有效支持復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備效能仿真的高效直觀分析。

電子信息裝備;并行計(jì)算;可視化分析

基于電子信息裝備模型,構(gòu)建信息化條件下虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,建立電子信息裝備體系研究實(shí)驗(yàn)環(huán)境,并以提高系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能為目標(biāo),進(jìn)行電子信息裝備體系作戰(zhàn)仿真,是開(kāi)展電子信息裝備體系頂層設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)模擬、體系優(yōu)化、效能評(píng)估的主要研究方法。

目前使用的電子信息裝備占用頻譜范圍寬,電磁特性差異大,所產(chǎn)生的電磁環(huán)境極為復(fù)雜。但電磁環(huán)境在空間中是無(wú)形的,不能通過(guò)肉眼直觀察覺(jué),只能通過(guò)電磁偵測(cè)設(shè)備去感知,這樣只能了解偵測(cè)設(shè)備附近的電磁信息,難以把握戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的整體電磁態(tài)勢(shì),不利于指揮人員對(duì)電磁態(tài)勢(shì)做出準(zhǔn)確快速的決策。

本文針對(duì)電子信息裝備效能分析的需求,研究各類(lèi)電磁輻射源輻射特性,建立典型電子裝備電磁模型、并行仿真模型和可視化分析模型,以國(guó)產(chǎn)集群仿真環(huán)境為基礎(chǔ),在復(fù)雜電磁環(huán)境計(jì)算、電子信息裝備體系仿真等方面引入并行計(jì)算技術(shù),在效能分析中引入可視化分析方法,構(gòu)建電子信息裝備效能分析平臺(tái),以支持復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)電子信息裝備進(jìn)行相關(guān)環(huán)節(jié)定量化的效能評(píng)估分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

依據(jù)電子信息裝備效能分析的需要,可將電子信息裝備效能分析平臺(tái)分為仿真場(chǎng)景編輯器、電子信息裝備并行仿真和電子信息裝備效能可視化分析3個(gè)模塊。

各模塊通過(guò)文件的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,并且采用直接數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的形式訪問(wèn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的模型數(shù)據(jù),電子信息裝備并行仿真模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與高性能并行計(jì)算機(jī)相連,訪問(wèn)高性能計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算資源進(jìn)行加速計(jì)算。電子信息裝備效能分析平臺(tái)總體運(yùn)行流程如圖1所示。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了電子信息裝備參數(shù)信息、輻射源信息、目標(biāo)散射特性信息、基礎(chǔ)地理信息等,為平臺(tái)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。仿真場(chǎng)景編輯構(gòu)建用于仿真分析的想定。電子信息裝備并行仿真根據(jù)想定對(duì)整個(gè)仿真過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。電子信息裝備可視化根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)體系對(duì)抗過(guò)程進(jìn)行直觀展示分析。

圖1 電子信息裝備效能分析平臺(tái)運(yùn)行流程圖

2 電子信息裝備并行仿真研究

對(duì)電子信息裝備的效能進(jìn)行分析,即包括對(duì)電子信息裝備平臺(tái)本身在電磁對(duì)抗仿真中的效能分析,又包括對(duì)由電子信息裝備產(chǎn)生的復(fù)雜電磁環(huán)境的分析。電磁對(duì)抗仿真過(guò)程和電磁環(huán)境計(jì)算均十分復(fù)雜,計(jì)算量很大,基于傳統(tǒng)的單PC的仿真計(jì)算已很難滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此本文基于國(guó)產(chǎn)高性能集群系統(tǒng),設(shè)計(jì)了面向集群的電磁對(duì)抗仿真過(guò)程和電磁環(huán)境計(jì)算過(guò)程的并行化方法。

1)電子信息裝備并行仿真方法。針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備對(duì)抗建模仿真的需求,設(shè)計(jì)構(gòu)建了典型電子信息裝備電磁模型,采用層次化組織結(jié)構(gòu),對(duì)典型電子信息裝備包括雷達(dá)、電臺(tái)、干擾機(jī)等進(jìn)行了建模。以可擴(kuò)充模塊組織方式,建立了典型電子信息裝備層次結(jié)構(gòu),該層次結(jié)構(gòu)能夠不斷新增和完善裝備模型。

平臺(tái)裝備模型主要負(fù)責(zé)電子信息裝備模型的搭載功能,主要設(shè)計(jì)了飛機(jī)模型和地面站模型等。平臺(tái)模型包含裝備實(shí)體的外觀屬性和行為屬性,具有一定的物理特性。不同裝備實(shí)體抽象成不同的平臺(tái)模型,采用層次化結(jié)構(gòu),把平臺(tái)公共屬性進(jìn)行抽象,如：實(shí)體的軍標(biāo)符號(hào)、位置、敵我屬性、運(yùn)動(dòng)屬性、RCS(radar cross section)等。雷達(dá)模型主要用于模擬雷達(dá)的探測(cè)跟蹤過(guò)程,包含了雷達(dá)的參數(shù)和行為屬性,主要有雷達(dá)的頻率、功率、極化方式、掃描方式等。通信電臺(tái)模型主要用于模擬通信傳輸過(guò)程,包含了通信電臺(tái)的參數(shù)和行為屬性,有通信電臺(tái)的頻率、功率、極化方式、通信對(duì)象等。干擾機(jī)模型主要用于對(duì)雷達(dá)、通信電臺(tái)實(shí)施干擾的模擬,包含了干擾機(jī)的頻率、功率、干擾方式、干擾目標(biāo)等。

在國(guó)產(chǎn)并行集群環(huán)境下對(duì)電子信息裝備對(duì)抗進(jìn)行仿真,主要采用基于Agent的并行仿真技術(shù)[1]。其主要思想為：每一個(gè)集群節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)1個(gè)或多個(gè)電子信息裝備平臺(tái)的計(jì)算,每一個(gè)電子信息裝備平臺(tái)由1個(gè)Agent管理,各集群節(jié)點(diǎn)間通過(guò)MPI(message passing interface)機(jī)制進(jìn)行通信和并發(fā)控制。各電子信息裝備平臺(tái)根據(jù)典型電子信息裝備對(duì)抗仿真場(chǎng)景想定設(shè)置,應(yīng)用典型電子信息裝備電磁對(duì)抗模型和復(fù)雜電磁環(huán)境模型,整個(gè)電子信息裝備對(duì)抗并行仿真采用時(shí)序等步長(zhǎng)遞進(jìn)的方式,計(jì)算得到在復(fù)雜電磁環(huán)境下、多種電子干擾組合下的電子信息裝備性能情況。并行仿真流程如圖2所示。

2)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境并行計(jì)算方法。對(duì)電子信息裝備所產(chǎn)生的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行分析也是電子信息裝備效能分析的一個(gè)重要、有效的手段[2]。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的電子信息裝備應(yīng)用到現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中,戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。如何準(zhǔn)確、快速地掌握和分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境,已成為制約電子信息裝備發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵。隨著電磁環(huán)境計(jì)算范圍的擴(kuò)大、計(jì)算精度和本身計(jì)算復(fù)雜性的提高,傳統(tǒng)的單CPU的計(jì)算加速算法難以滿足快速分析戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的計(jì)算要求。而目前通過(guò)多CPU的高性能并行計(jì)算已成為解決大規(guī)模復(fù)雜數(shù)值計(jì)算的一種有效途徑,因此本文對(duì)大規(guī)模戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的計(jì)算引入高性能并行計(jì)算方法,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的并行化計(jì)算方法進(jìn)行研究探討。

由于戰(zhàn)場(chǎng)中主要是以雷達(dá)和無(wú)線通信裝備形成的電磁環(huán)境為主,因此本文主要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中這2類(lèi)最重要和最典型的電磁環(huán)境進(jìn)行并行化計(jì)算方法研究,當(dāng)然經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整,本文并行化計(jì)算方法也適合其他類(lèi)型電磁環(huán)境的并行計(jì)算。為了表征戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境,需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行定量化描述。對(duì)于雷達(dá)電磁環(huán)境,由于雷達(dá)是通過(guò)目標(biāo)反射的電磁波進(jìn)行目標(biāo)的探測(cè)、定位和跟蹤,主要根據(jù)接收到的反射電磁波進(jìn)行檢波判斷,當(dāng)出現(xiàn)在一定虛警概率情況下滿足特定探測(cè)概率的信號(hào)就認(rèn)為是探測(cè)到了目標(biāo)[3],因此可以采用雷達(dá)探測(cè)概率作為雷達(dá)電磁環(huán)境的定量化描述方式,它能夠表征雷達(dá)的探測(cè)能力。對(duì)于通信電磁環(huán)境,由于通信裝備是通過(guò)接收和發(fā)送調(diào)制的無(wú)線電磁信號(hào)進(jìn)行通信,空間中接收到的信號(hào)強(qiáng)度決定了通信能力,因此可以采用電磁信號(hào)功率強(qiáng)度作為通信電磁環(huán)境的定量化描述方式。

圖2 電子信息裝備對(duì)抗并行仿真流程

對(duì)于雷達(dá)電磁環(huán)境和無(wú)線通信電磁環(huán)境,由于三維空間各個(gè)位置點(diǎn)的探測(cè)概率計(jì)算和電磁輻射信號(hào)功率強(qiáng)度的計(jì)算均具有相對(duì)獨(dú)立性,因此采用數(shù)據(jù)并行的方式將會(huì)優(yōu)于算法并行的方式。采用數(shù)據(jù)并行的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境并行計(jì)算總體結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境并行計(jì)算總體結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)并行中任務(wù)分配與負(fù)載平衡是算法性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。對(duì)于這2類(lèi)電磁環(huán)境本文均采用三維標(biāo)量場(chǎng)采樣方式所示。同時(shí),由于不同空間位置采樣點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度不太一致,為了保持各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡,采用三維空間逐次均勻分配和動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡的方式提高并行計(jì)算效率。

3 典型電子信息裝備效能可視化分析研究

復(fù)雜電磁環(huán)境下典型電子信息裝備效能分析主要是分析電子信息裝備在電子對(duì)抗環(huán)境中作戰(zhàn)能力變化情況,主要包括敵我電子信息裝備攻防能力的分析評(píng)估。采用可視化仿真分析的形式對(duì)典型電子信息裝備效能進(jìn)行分析,利用電子信息裝備并行仿真數(shù)據(jù),構(gòu)建電子信息裝備對(duì)抗仿真的可視模型,對(duì)通信能力、雷達(dá)探測(cè)跟蹤能力、干擾進(jìn)攻能力等進(jìn)行直觀分析。對(duì)于通信能力,主要分析通信網(wǎng)通信能力;對(duì)于雷達(dá)探測(cè)跟蹤能力,主要分析雷達(dá)探測(cè)和跟蹤范圍;對(duì)于干擾進(jìn)攻能力,主要是分析干擾機(jī)干擾通信、雷達(dá)的能力,可以通過(guò)被干擾的通信電臺(tái)的通信能力或者雷達(dá)的探測(cè)跟蹤能力來(lái)分析。

可視化仿真分析主要負(fù)責(zé)在構(gòu)建三維地理環(huán)境的基礎(chǔ)上,通過(guò)讀取仿真數(shù)據(jù),利用多層等值面和光線投射體繪制算法,實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境對(duì)象的多層等值面繪制和體繪制,并與三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)集成,主要突破的關(guān)鍵技術(shù)有多層等值面提取技術(shù)、多層等值面模型繪制技術(shù)[4]、直接體繪制技術(shù)[5]和集成繪制技術(shù)等。

3.1 多層等值面方法

等值面繪制方法是一種有效展示體數(shù)據(jù)外觀輪廓的方法,通過(guò)提取體數(shù)據(jù)中特定數(shù)值的等值曲面信息,構(gòu)建三維輪廓模型,直觀展示體數(shù)據(jù)中相同數(shù)值的范圍。由于等值面繪制方法在繪制效率和表面輪廓范圍信息清晰表達(dá)等方面的優(yōu)勢(shì),目前應(yīng)用非常廣泛。常用的等值面提取方法有MC(marching cubes)方法[6-7],它通過(guò)把體數(shù)據(jù)離散為六面體的方式,分別對(duì)每個(gè)六面體進(jìn)行等值面構(gòu)建,最終形成整個(gè)體數(shù)據(jù)的等值面。由于傳統(tǒng)的等值面提取方法只提取唯一一層體數(shù)據(jù)的等值面,損失了體數(shù)據(jù)的大量?jī)?nèi)部細(xì)節(jié)信息,因此通過(guò)提取體數(shù)據(jù)的不同數(shù)值的多層等值面,能夠一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)單層等值面的內(nèi)部細(xì)節(jié)信息大量丟失的問(wèn)題。

3.2 直接體繪制方法

基于光線投射的直接體繪制方法是一種典型的直接體繪制算法,該方法最先由Levoy等人于1988年提出[8],隨著圖形硬件的高速發(fā)展和算法的優(yōu)化改進(jìn),該方法已成為三維體數(shù)據(jù)展示的重要方法,它能夠表征體數(shù)據(jù)的內(nèi)部細(xì)節(jié)特征?；诠饩€投射的直接體繪制方法是通過(guò)投射光線的方式,累積穿過(guò)體數(shù)據(jù)的采樣數(shù)據(jù),再通過(guò)光照模型構(gòu)造出體數(shù)據(jù)的二維圖像,基本過(guò)程如圖4所示。

首先,沿著視點(diǎn)往投影圖像的每個(gè)像素點(diǎn)都投射一條光線,投射光線會(huì)穿過(guò)體數(shù)據(jù),在每條穿過(guò)體數(shù)據(jù)的投射光線上均勻采樣體數(shù)據(jù),得到體數(shù)據(jù)的采樣值,采樣值一般采用三線性插值的方式得到。然后,通過(guò)傳遞函數(shù),即數(shù)值-顏色映射關(guān)系,把采樣值映射成顏色值,這樣就得到了一個(gè)采樣點(diǎn)的顏色值。最后,把這條投射光線上所有采樣值映射成顏色值后,按照從前往后的方式進(jìn)行顏色融合,就得到了這條投射光線的累積顏色值,通過(guò)累積完所有投射光線的顏色值,最終得到體數(shù)據(jù)的二維圖像[9]。

圖4 光線投射直接體繪制算法

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文研究?jī)?nèi)容的可行性和有效性,在銀河高性能仿真機(jī)麒麟操作系統(tǒng)環(huán)境下,采用MPI并行計(jì)算框架對(duì)基于并行計(jì)算的電子信息裝備效能可視化分析平臺(tái)進(jìn)行了編碼實(shí)現(xiàn)。平臺(tái)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分別由仿真場(chǎng)景編輯器、電子信息裝備并行仿真計(jì)算和電子信息裝備三維可視化效能分析等模塊組成,各模塊間通過(guò)文件數(shù)據(jù)進(jìn)行信息傳遞,平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)采用各模塊多進(jìn)程啟動(dòng)方式獨(dú)立運(yùn)行,便于系統(tǒng)的集成和系統(tǒng)的擴(kuò)展。

圖5 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

其中想定場(chǎng)景編輯器用于構(gòu)建某一特定區(qū)域的雷達(dá)電磁環(huán)境仿真想定和通信電磁仿真想定,并能夠以二維可視化的方式對(duì)仿真想定進(jìn)行展示。為支持麒麟操作系統(tǒng),想定場(chǎng)景編輯器在Qt集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā),采用Qt界面庫(kù);同時(shí)支持對(duì)仿真想定的創(chuàng)建、編輯、打開(kāi)和保存功能。

電子信息裝備并行仿真計(jì)算模塊主要根據(jù)想定編輯器生成的想定文件在國(guó)產(chǎn)銀河高性能集群仿真計(jì)算平臺(tái)上采用MPI對(duì)電子信息裝備仿真對(duì)抗和復(fù)雜電磁環(huán)境進(jìn)行并行仿真計(jì)算,按照步長(zhǎng)推進(jìn)的方式,生成仿真計(jì)算結(jié)果,支持不同三維可視立體范圍和不同采樣密度的設(shè)定功能。電子信息裝備三維可視化效能分析根據(jù)想定編輯器的編輯文件、電子信息裝備并行仿真計(jì)算的仿真計(jì)算結(jié)果,對(duì)仿真想定的復(fù)雜電子信息裝備仿真過(guò)程進(jìn)行三維展示和可視化分析。圖6是電子信息裝備可視化效能分析界面圖,分別展示了采用多層等值面和直接體繪制2種可視化分析方法下的效果圖。

圖6 復(fù)雜電磁環(huán)境可視化界面圖

5 結(jié) 論

電子信息裝備效能可視化分析平臺(tái)基于國(guó)產(chǎn)軟硬件環(huán)境,引入了并行加速計(jì)算方法,通過(guò)采用適合并行計(jì)算的電子信息裝備體系模型組合方法,實(shí)現(xiàn)了基于空間獨(dú)立分解的體系對(duì)抗并行仿真計(jì)算;采用多層等值面和直接體繪制等可視化方法,實(shí)現(xiàn)了電子信息裝備推演過(guò)程和復(fù)雜電磁環(huán)境的直觀三維展示。平臺(tái)有效支持了復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備體系效能可視化分析。

References)

[1]余文廣,王維平,李群.并行Agent仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2012,24(2)：245-251.

[2]徐文耀,國(guó)連杰.空間電磁環(huán)境研究在軍事上的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(2)：335-344.

[3]BLAKE LV.雷達(dá)距離性能分析[M].吳秉瑋,趙楊,劉元林,等譯.南京：機(jī)械電子工業(yè)部第十四研究所,1990：135-366.

[4]李改.Marching Cubes算法中等值面的優(yōu)化分析[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,31(1)：73-77.

[5]田玲.基于體繪制的三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007：14-17.

[6]LORENSEN W,CLINE H E.Marching cubes：a high resolution 3D surface construction algorithm[J].Computer Graphics,1987,21(4)：163-169.

[7]嚴(yán)小波.基于三維分割的Marching Cubes算法重構(gòu)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008,36-41.

[8]LEVOY M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphic and Applications,1988,8(3)：29-37.

[9]楊安榮,林財(cái)興.一種基于快速直接插值的光線投射法[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,30(19)：9-10.

(編輯：李江濤)

Visual Analysis of Electronic Information Equipment Effectiveness Based on Parallel Computation

WU Lingda, YANG Chao, YU Ronghuan

(Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

According to the actual needs of the electronic information equipment effectiveness analysis,the parallel computation technology is adopted.After solving the parallel simulation and visual analysis problems,a visual analysis system for electronic information equipment effectiveness based on parallel computation is proposed.The experiment shows that the visual analysis system can support the analysis of electronic information equipment effectiveness efficiently.

electronic information equipment;parallel computation;visual analysis

TP 391.9

2095-3828(2014)02-0001-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.001

2013-06-18

“核高基”重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目

吳玲達(dá)(1962-),女,教授,博士.主要研究方向：多媒體信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).wld@nudt.edu.cn.