基于UML的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)*

鄧東旭，王學(xué)智，徐躍

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安　710051)

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仿真技術(shù)

基于UML的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)*

鄧東旭，王學(xué)智，徐躍

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安710051)

摘要：為了構(gòu)建某防空火力單元仿真系統(tǒng)中搜索雷達(dá)的仿真模塊，介紹了基于統(tǒng)一建模語言UML(unified modeling language)的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)的建模與實(shí)現(xiàn)，利用UML為搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆治鼋?，?gòu)建了搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)的用例模型，動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型。最后給出了系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，仿真實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：防空火力單元；搜索雷達(dá)；UML；面向?qū)ο?；建模；仿真系統(tǒng)

0引言

搜索雷達(dá)作為防空火力單元的重要組成部分[1]，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別和跟蹤，對(duì)防空作戰(zhàn)的過程具有重要影響。因此模擬搜索雷達(dá)并在防空火力單元的仿真軟件中使用，用于模擬對(duì)應(yīng)雷達(dá)的工作過程和性能，對(duì)于提高仿真火力單元的作戰(zhàn)性能和雷達(dá)自身精度上的逼真度具有重要影響。搜索雷達(dá)模擬軟件的主要功能是根據(jù)劇情產(chǎn)生系統(tǒng)的空情信息，模擬搜索雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)過程，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理，形成目標(biāo)航跡，并發(fā)送給情報(bào)處理軟件。

由于面向過程的程序設(shè)計(jì)方法在大型項(xiàng)目中逐漸暴露出軟件的開發(fā)難度大、不易維護(hù)等缺點(diǎn)，而面向?qū)ο蠓治鰟t由于對(duì)對(duì)象的封裝、繼承等使得它更能靈活和高效的適應(yīng)需求的變化[2]。在不斷的使用和發(fā)展的的過程中，UML逐漸成為一種功能強(qiáng)大，表達(dá)清晰且通用性較高的建模語言，本文針對(duì)搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于面向?qū)ο蟮乃枷?，采用UML對(duì)搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模與實(shí)現(xiàn)[3]。

1基于UML的仿真系統(tǒng)建模

UML(unifiedmodelinglanguage，統(tǒng)一建模語言)是由GrayBooch,JimRumbaugh,IvarJacobson3位著名的面向?qū)ο蠹夹g(shù)專家在基于Booch方法、OOSE方法與OMT方法上，提出的通用圖形化標(biāo)準(zhǔn)建模語言。該方法用視圖模型來描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(靜態(tài))和行為(動(dòng)態(tài))。在軟件系統(tǒng)開發(fā)過程中主要應(yīng)用到CIM(computationindependentmodel)和PIM(platformindependentmodel)階段的UML模型。

1.1UML建模步驟

CIM關(guān)注于本系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的交互，不涉及具體細(xì)節(jié)，屬于概要設(shè)計(jì)，具體包括以下3個(gè)步驟[4]：

CIM-1：確定系統(tǒng)功能，建立系統(tǒng)的用例模型。此階段描述了新建系統(tǒng)的總體功能。

CIM-2：分析系統(tǒng)工作流程，建立活動(dòng)圖。此階段需要分析CIM-1階段的用例流程，繪制出活動(dòng)圖。

CIM-3：規(guī)定系統(tǒng)范圍，建立系統(tǒng)用例圖。此階段將反應(yīng)出CIM-1和CIM-2的具體執(zhí)行動(dòng)作。

PIM屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，它不涉及系統(tǒng)的具體平臺(tái)且關(guān)注于軟件系統(tǒng)的內(nèi)部細(xì)節(jié)，具體包括以下4個(gè)步驟：

PIM-1：分析系統(tǒng)流程，總結(jié)系統(tǒng)用例敘述。針對(duì)系統(tǒng)用例，分析其內(nèi)部細(xì)節(jié)，并編寫系統(tǒng)用例敘述。

PIM-2：分析業(yè)務(wù)流程，建立狀態(tài)圖。根據(jù)業(yè)務(wù)流程，針對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)對(duì)象繪制出狀態(tài)圖。

PIM-3：定義靜態(tài)結(jié)構(gòu)，建立類圖。此階段用類表示系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

PIM-4：定義操作及方法，建立序列圖。此階段用以表示系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象間共同完成某一用例時(shí)，相互間的動(dòng)態(tài)交互過程。

1.2搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)建模

文中基于UML的7個(gè)建模步驟，采用Visio軟件工具對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件進(jìn)行建模[5]。文中先對(duì)搜索雷達(dá)的業(yè)務(wù)用例進(jìn)行建模，然后以搜索雷達(dá)業(yè)務(wù)用例中的“目標(biāo)探測(cè)模擬”為特例進(jìn)行建模。

1.2.1業(yè)務(wù)用例建模

UML模型中的用例建模通常用于描述系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能。通過對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件的需求分析，對(duì)于防空作戰(zhàn)火力單元仿真系統(tǒng)來說，搜索雷達(dá)仿真軟件主要有3類功能：目標(biāo)探測(cè)模擬；航跡生成與管理；管控信息處理。用例圖如圖1所示。

圖1　搜索雷達(dá)仿真軟件用例圖Fig.1　Use case diagram of the simulation software of search radar

目標(biāo)探測(cè)模擬用于判別在有干擾或無干擾的條件下目標(biāo)是否能被雷達(dá)探測(cè)到[6]。結(jié)合目標(biāo)的狀態(tài)和特性，計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率，判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的結(jié)果，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡；航跡生成與管理描述探測(cè)模型對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡的過程；管控信息處理對(duì)接受到的作戰(zhàn)指揮軟件的管控命令進(jìn)行執(zhí)行處理，并將雷達(dá)的狀態(tài)返回給作戰(zhàn)指揮軟件[7]。由于目標(biāo)探測(cè)模擬功能是搜索雷達(dá)的主要功能，下面以用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”為例來講述如何利用UML對(duì)搜索雷達(dá)仿真軟件進(jìn)行建模[8]。

1.2.2活動(dòng)圖建模

活動(dòng)圖類似軟件的流程圖，是每個(gè)業(yè)務(wù)用例的邏輯過程。但活動(dòng)圖是概念級(jí)的，見圖2。而軟件流程圖描述的則是具體的程序設(shè)計(jì)。下面主要針對(duì)目標(biāo)探測(cè)模擬用例分析其工作流程。

圖2　用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”執(zhí)行活動(dòng)圖Fig.2　Enforcement activities diagram of “target detection simulation”

用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”的執(zhí)行流程描述如下：

(1) 預(yù)處理接收的目標(biāo)信息，判斷該目標(biāo)是否在當(dāng)前扇區(qū)，若目標(biāo)不在當(dāng)前扇區(qū)，則轉(zhuǎn)回(1)，若目標(biāo)在當(dāng)前扇區(qū)，則轉(zhuǎn)(2)；

(2) 計(jì)算雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波功率；

(3) 判斷當(dāng)前有無干擾，若無干擾，計(jì)算信噪比，轉(zhuǎn)(5)；

(4) 有干擾，計(jì)算信干比，轉(zhuǎn)(5)；

(5) 計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率；

(6) 判斷本次掃描能否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，若能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，轉(zhuǎn)(8)；

(7) 若不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則轉(zhuǎn)(1)；

(8) 目標(biāo)位置信息加誤差；

(9) 流程結(jié)束。

1.2.3系統(tǒng)用例建模

系統(tǒng)用例模型將明確系統(tǒng)作用和范圍，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)。在不考慮實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上來描述用戶的功能需求，見圖3。

圖3　用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”用例圖Fig.3　Use case diagram of “target detection simulation”

該用例描述模擬預(yù)警雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的過程[9]。仿真雷達(dá)的探測(cè)能力，結(jié)合目標(biāo)的狀態(tài)和特性，計(jì)算雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)概率，判斷是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo)[10]；根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的結(jié)果，對(duì)探測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行相關(guān)處理并形成航跡[11]。

1.2.4用例說明

系統(tǒng)用例描述是針對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)用例，分析其內(nèi)部細(xì)節(jié)，編寫成系統(tǒng)用例敘述。

以下是對(duì)“目標(biāo)探測(cè)模擬”的用例敘述:

(1) 劇情產(chǎn)生軟件發(fā)送空情信息；

(2) 作戰(zhàn)指揮軟件發(fā)送雷達(dá)開機(jī)命令；

(3) 對(duì)接受到的目標(biāo)信息進(jìn)行處理；

(4) 計(jì)算該目標(biāo)是否已經(jīng)被探測(cè)到；

(5) 進(jìn)行編批處理，形成航跡。

1.2.5狀態(tài)圖建模

狀態(tài)圖可以捕獲對(duì)象、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的生命周期。它們可以告知一個(gè)對(duì)象可以擁有的狀態(tài)，并且事件會(huì)怎樣隨著時(shí)間的推移來影響這些狀態(tài)。

狀態(tài)圖是活動(dòng)圖的一個(gè)變體，兩者的表現(xiàn)形式殊途同歸?；谀繕?biāo)探測(cè)模塊的特點(diǎn)，本文同時(shí)用圖2來表示用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”的狀態(tài)圖。

1.2.6類圖建模

在UML中，用類圖和對(duì)象圖來表示類與對(duì)象模型，屬于靜態(tài)建模的范疇[12]。類與對(duì)象是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基本元素，類是對(duì)同一類事物的抽象。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)優(yōu)于常規(guī)面向過程程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是對(duì)對(duì)象(或類)的封裝性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)程序功能模塊的封裝，進(jìn)而使整個(gè)程序做到“高內(nèi)聚、低耦合”。

以搜索雷達(dá)為關(guān)注點(diǎn)的有關(guān)類，主要包括“目標(biāo)探測(cè)管理(TargetProcess)”類，“管控信息處理(InformationManage)”類，“航跡生成與管理(SimulationManage)”類，“控制管理(ManageControl)”類。見圖4。

在圖4中，給出了4個(gè)類，每個(gè)類都有自己的屬性(數(shù)據(jù))和操作，‘目標(biāo)探測(cè)模擬’類，即TargetProcess類的屬性和操作見下敘述:

(1) 屬性

m_taget

屬性描述：待處理目標(biāo)

(2) 操作

FindTarget：目標(biāo)發(fā)現(xiàn)判斷，若在連續(xù)5個(gè)周期中有3個(gè)周期中能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則標(biāo)示為跟蹤，否則丟棄；

GiveTargetNum：給跟蹤的目標(biāo)編批號(hào)；

IsInShanqu：判斷目標(biāo)是否在雷達(dá)扇區(qū)范圍之內(nèi)；

GiveFindProbality：計(jì)算雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的概率。

圖4　用例“目標(biāo)探測(cè)模擬”類圖Fig.4　Class diagram of “target detection simulation”

1.2.7序列圖建模

為詳細(xì)考察類的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，可利用序列圖定義程序執(zhí)行時(shí)每一步需要執(zhí)行的具體操作。圖5顯示了對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作，著重描述對(duì)象間消息傳遞的時(shí)間順序。序列圖的2個(gè)坐標(biāo)軸，橫坐標(biāo)為顯示對(duì)象，縱坐標(biāo)為顯示時(shí)間。

為得到更完備的類圖，可根據(jù)序列圖和靜態(tài)類圖進(jìn)一步開發(fā)程序需要的類[13]。

2搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)工作流程

為適應(yīng)系統(tǒng)需求，采用模塊化思想對(duì)所建立的搜索雷達(dá)仿真系統(tǒng)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)[14]。在相繼完成目標(biāo)探測(cè)，管控信息處理和航跡生成與管理用例的建模后，使用VC++6.0編程工具提供的MFCAppWizard(dll)組件開發(fā)功能，按照系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖5　用例<目標(biāo)探測(cè)模擬>序列圖Fig.5　Sequence diagram of target detection simulation

2.2搜索雷達(dá)仿真軟件實(shí)現(xiàn)

將建立的搜索雷達(dá)仿真軟件應(yīng)用于某防空火力單元仿真系統(tǒng)中[15]，實(shí)現(xiàn)了某型搜索雷達(dá)的仿真系統(tǒng)，雷達(dá)顯示界面如圖7所示。

圖6　搜索雷達(dá)探測(cè)仿真模型處理流程Fig.6　Process flow of the detection simulation model of search radar

圖7　搜索雷達(dá)仿真軟件工作界面Fig.7　Work interface of the simulation software of search radar

3結(jié)束語

本文根據(jù)防空火力單元仿真系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)裝備的特殊要求，依據(jù)雷達(dá)裝備的用途和工作原理，提出一種基于模塊化的雷達(dá)裝備建模與仿真框架。建立并實(shí)現(xiàn)了一種通用性強(qiáng)，可移植性好的雷達(dá)系統(tǒng)模擬軟件。目前，該仿真軟件在成功應(yīng)用于某防空火力單元仿真系統(tǒng)的過程中能夠較好的反映雷達(dá)的工作流程及實(shí)際性能。

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Modeling and Implementation of Simulation of Search RadarBasedonUML

DENG Dong-xu, WANG Xue-zhi, XU Yue

(AFEU,Air and Missile Defense College, Shaanxi Xi’an 710051, China)

Abstract:In order to build a radar simulation module of an air defense fire unit simulation system, a search radar simulation system based on UML (unified modeling language) is introduced. The object-oriented at analyzing modeling for search radar simulation system is proposed to compose a use-case model, dynamic model and a static model with UML. The scheme of implementation is given in the end. The simulation shows that the design of training simulation system is feasible.

Key words:air defense fire unit; search radar; unified modeling language(UML); object-oriented; modeling；simulation system

*收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-08-17

作者簡介：鄧東旭(1988-)，男，河北省保定人。碩士生，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)仿真技術(shù)。

通信地址：710051西安市灞橋區(qū)長樂東路甲字一號(hào)空軍工程大學(xué)E-mail：785646909@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.031

中圖分類號(hào)：TN959.1+1；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2016)-03-0201-07