基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的航天器演訓(xùn)任務(wù)可視化方法

王佳偉 羅毓芳 邱瑞

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

航天器仿真可視化是仿真領(lǐng)域研究的重要課題，其中針對航天器演訓(xùn)任務(wù)特點進行的可視化，是用戶進行業(yè)務(wù)追蹤和決策的重要內(nèi)容。隨著航天器數(shù)量的不斷增加，演訓(xùn)任務(wù)的復(fù)雜性不斷提升，任務(wù)范圍包括測控事件、故障處理、特定演練、聯(lián)合作戰(zhàn)等?？梢暬臅r效性、直觀性及交互性要求不斷提高，因此僅對航天器任務(wù)過程的遙測信息進行列表顯示，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前航天器演訓(xùn)任務(wù)可視化的需求。

在過去幾十年中，圍繞工程任務(wù)需求，國內(nèi)外已經(jīng)開展了航天器演訓(xùn)仿真任務(wù)可視化方法的相關(guān)研究。研究的重點主要集中在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計及面向信息流的可視化方法等方面，提出了基于時間序列、層次信息、隨機分布等方法。

隨著航天器演訓(xùn)仿真任務(wù)的復(fù)雜性與動態(tài)性不斷提高，仿真系統(tǒng)需要對多源異構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)，包括仿真遙測信息、仿真控制信息、仿真流程信息等類型數(shù)據(jù)進行顯示。能否全面、快速、動態(tài)顯示演訓(xùn)任務(wù)信息是航天器可視化系統(tǒng)亟待解決的問題。通過演訓(xùn)任務(wù)的實時動態(tài)可視化，用戶可更為直觀的掌握仿真任務(wù)狀態(tài)，及時有效的進行決策分析。

本文通過分析航天器演訓(xùn)任務(wù)特點，在多源異構(gòu)仿真數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的航天器演訓(xùn)任務(wù)可視化方法，并結(jié)合某航天器演練訓(xùn)任務(wù)仿真實例進行了試驗驗證，為航天器仿真系統(tǒng)可視化提供了新的方法手段。

1 動態(tài)可視化方法

在仿真系統(tǒng)中，航天器演訓(xùn)任務(wù)可視化的內(nèi)容與顯示形式應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對演訓(xùn)任務(wù)全流程的完整描述，滿足仿真演訓(xùn)的要求。用戶可通過可視化的顯示內(nèi)容，完成對演訓(xùn)任務(wù)流程的正確認知和分析評估。目前可視化方法對任務(wù)信息顯示以數(shù)據(jù)列表為主，對數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性顯示較少[1]。針對任務(wù)多源數(shù)據(jù)的可視化，缺少以場景為主導(dǎo)的交互數(shù)據(jù)動態(tài)實時顯示[2]。針對復(fù)雜航天器演訓(xùn)任務(wù)，涉及任務(wù)環(huán)節(jié)多，任務(wù)進行過程中交互數(shù)據(jù)量大，當(dāng)數(shù)據(jù)交互關(guān)系復(fù)雜時，單一的可視化手段無法滿足高效仿真決策的要求。

為進一步增加演訓(xùn)任務(wù)現(xiàn)實豐富性，解決關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)可視化問題，本文提出了基于仿真實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)可視化方法，包括對演訓(xùn)任務(wù)結(jié)構(gòu)化分析、基于任務(wù)場景的數(shù)據(jù)生成和封裝、對任務(wù)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)性顯示分析及任務(wù)全過程的動態(tài)展示。該方法根據(jù)航天器演訓(xùn)任務(wù)規(guī)范和操作人員的訓(xùn)練習(xí)慣，將演訓(xùn)任務(wù)可視化分為任務(wù)流程時序可視化、任務(wù)遙測數(shù)據(jù)可視化、交互數(shù)據(jù)可視化等方面。演訓(xùn)任務(wù)流程通過各子任務(wù)環(huán)節(jié)之間的時序關(guān)系進行表示，顯示過程中采用動態(tài)可視化模式。

1.1 可視化方法流程

演訓(xùn)任務(wù)仿真可視化過程中，有兩個主要問題需要解決：一是將多源分散的仿真數(shù)據(jù)和任務(wù)的整個流程轉(zhuǎn)變?yōu)闀r序的結(jié)構(gòu)化模型；二是實現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析和動態(tài)顯示[3]。對于第一個問題，本文提出一種結(jié)構(gòu)化樹形語言模型，對任務(wù)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換；對于第二個問題需要進行多層次的任務(wù)流程數(shù)據(jù)動態(tài)可視化實現(xiàn)。動態(tài)可視化方法過程如圖1所示。

(1)演訓(xùn)任務(wù)結(jié)構(gòu)化語言描述模塊，通過接收用戶設(shè)定的演訓(xùn)任務(wù),并根據(jù)指定的結(jié)構(gòu)化語言對仿真任務(wù)進行處理。將任務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成表格結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)化語言轉(zhuǎn)換成可視化層次樹結(jié)構(gòu)存儲，用于支持后續(xù)可視化的操作。

(2)關(guān)聯(lián)屬性展示模塊，對演訓(xùn)任務(wù)結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)屬性分析，對多個任務(wù)節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行配置，同時根據(jù)遍歷算法，按照時序流程遍歷顯示所有任務(wù)節(jié)點。

(3)場景化數(shù)據(jù)封裝模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)處理引擎生成的任務(wù)樹形結(jié)構(gòu)，對可視化節(jié)點進行各種配置，最終生成可視化的數(shù)據(jù)包。包括節(jié)點布局配置、類型配置、可視化配置和關(guān)聯(lián)配置。其中布局配置用以指定可視化節(jié)點整體的布局；類型配置用以指定各個節(jié)點可視化使用的圖形或控件類型；可視化配置用以詳細配置各個可視化圖形的具體參數(shù),如坐標軸對應(yīng)的數(shù)據(jù)、可視化圖形元素的顏色、尺寸等屬性；關(guān)聯(lián)配置用以配置多個不同的可視化節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。所有場景數(shù)據(jù)最終作為動態(tài)可視化顯示的輸入。

(4)動態(tài)可視化模塊，對已經(jīng)生成的任務(wù)數(shù)據(jù)樹進行遍歷和渲染的過程，確保能夠?qū)崟r動態(tài)地顯示用戶交互數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)。

圖1 動態(tài)可視化方法過程Fig.1 Dynamic visualization method flow

1.2 可視化方法架構(gòu)

可視化過程按照演訓(xùn)任務(wù)的時序流程進行，每個任務(wù)環(huán)節(jié)按照結(jié)構(gòu)化語言規(guī)則對環(huán)節(jié)包含的數(shù)據(jù)進行建模，同時整個環(huán)節(jié)的可視化數(shù)據(jù)進行“容器”封裝。根據(jù)時序規(guī)劃，對任務(wù)節(jié)點進行遍歷顯示，并根據(jù)用戶的交互信息作實時動態(tài)調(diào)整。

演訓(xùn)任務(wù)過程中會包含眾多的仿真節(jié)點，每個節(jié)點數(shù)據(jù)包括用戶交互操作數(shù)據(jù)、仿真遙測數(shù)據(jù)、可視化屬性相關(guān)數(shù)據(jù)等信息，這些數(shù)據(jù)的格式不同，在可視化實現(xiàn)過程中首先要對任務(wù)涉及的數(shù)據(jù)進行融合處理，格式歸一化。

演訓(xùn)任務(wù)經(jīng)過結(jié)構(gòu)化分析表示后，形成了各種功能的仿真數(shù)據(jù)包。進行可視化實現(xiàn)時，按場景對可視化進行服務(wù)級組裝，系統(tǒng)保存的仿真任務(wù)場景結(jié)構(gòu)化文件經(jīng)過一定的仿真模擬算法轉(zhuǎn)化為時序數(shù)據(jù)，然后以一定頻率發(fā)送給可視化模塊。在場景化的數(shù)據(jù)文件中，保存了仿真任務(wù)場景中涉及的可視化模型實例及各實例的表達式形式。場景化數(shù)據(jù)生成架構(gòu)如圖2所示。

(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)化處理后的演訓(xùn)任務(wù)節(jié)點，將同一個可視化節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)放在同一個服務(wù)中，一個場景對應(yīng)一個服務(wù)，確保拆分的可視化節(jié)點是可獨立部署升級的服務(wù)單元。

(2)根據(jù)仿真任務(wù)類型、任務(wù)規(guī)模選擇合適的服務(wù)架構(gòu)模式，確定服務(wù)縱向分區(qū)、橫向分層的原則，確定分區(qū)之間與分層之間的交互方式與通信機制。

(3)確定場景化服務(wù)中內(nèi)部服務(wù)通信接口和外部服務(wù)通信接口，為了降低服務(wù)間耦合，服務(wù)對外暴露的信息應(yīng)盡可能少，并充分利用服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制實現(xiàn)服務(wù)之間的透明通信。

(4)針對特定子任務(wù)的場景化封裝，將不同的子任務(wù)設(shè)定為主題選擇，通過選擇不同的主題風(fēng)格,可以實現(xiàn)對演訓(xùn)任務(wù)的組裝。提供對多數(shù)據(jù)源的支持以及對多可視化圖形之間關(guān)聯(lián)的支持。在可視化設(shè)計的過程中,可以隨時選擇新的數(shù)據(jù)源進行加載。

圖2 場景可視化數(shù)據(jù)生成架構(gòu)Fig.2 Scene visualization data generation architecture

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對航天器演訓(xùn)任務(wù)的可視化方法，必須結(jié)合航天器演訓(xùn)任務(wù)自身特點，對仿真流程及各節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)性進行分析，再通過結(jié)構(gòu)化語言規(guī)則進行描述[4]?？梢暬^程中，不僅要對每個節(jié)點相關(guān)數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)換，還需要顯示各節(jié)點間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對各關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的可視化是要解決的重要問題。

2.1 任務(wù)結(jié)構(gòu)化描述方法

航天器演訓(xùn)任務(wù)包括常規(guī)演訓(xùn)任務(wù)、應(yīng)急演訓(xùn)任務(wù)、故障處置任務(wù)等類型。演訓(xùn)任務(wù)仿真所涉及的可視化數(shù)據(jù)包括：任務(wù)流程節(jié)點數(shù)據(jù)、任務(wù)相關(guān)遙測數(shù)據(jù)、任務(wù)交互數(shù)據(jù)和可視化屬性數(shù)據(jù)。針對任務(wù)過程的動態(tài)可視化就是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，將任務(wù)時序執(zhí)行過程中各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息進行動態(tài)可視化顯示，演訓(xùn)任務(wù)過程中涉及的仿真數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 演訓(xùn)任務(wù)數(shù)據(jù)分類Fig.3 Classification of training task data

本文設(shè)計了樹形結(jié)構(gòu)可視化語言描述方法，通過樹形結(jié)構(gòu)描述演訓(xùn)任務(wù)過程和可視化相關(guān)數(shù)據(jù)。演訓(xùn)任務(wù)和樹形結(jié)構(gòu)化語言數(shù)據(jù)之間為一一對應(yīng)的映射關(guān)系，通過可視化方法實現(xiàn)語義層的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)含義與任務(wù)數(shù)據(jù)實體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。[5]

任務(wù)流程數(shù)據(jù)可表示為一組節(jié)點Qi的集合{Q1,Q2,…,Qn}。節(jié)點的數(shù)據(jù)通過屬性子節(jié)點T1、T2、T3、T4的樹形結(jié)構(gòu)表示，如圖4所示。

(1)Qi是演訓(xùn)任務(wù)流程的一個節(jié)點，作為節(jié)點結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的根節(jié)點。

(2)Qi節(jié)點的任務(wù)樹劃分為4個子樹,包括節(jié)點任務(wù)功能描述子樹T1、可視化屬性子樹模塊T2、遙測數(shù)據(jù)子樹T3和關(guān)聯(lián)關(guān)系描述子樹T4。根節(jié)點與每個子樹均為一對多的關(guān)系,即根節(jié)點可以包括0個或多個子樹的實體。

(3)演訓(xùn)仿真任務(wù)劃分為多個子任務(wù)節(jié)點Qi的組合，其中T1是Qi的任務(wù)功能角度的分解，每個功能項對應(yīng)一個樹節(jié)點，節(jié)點數(shù)據(jù)組成功能描述數(shù)據(jù)包；T2是任務(wù)可視化相關(guān)屬性的描述，包括可視狀態(tài)、可視屬性，節(jié)點數(shù)據(jù)組成可視化屬性數(shù)據(jù)包；T3是每個任務(wù)節(jié)點所涉及的遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)定的協(xié)議組成可視化遙測數(shù)據(jù)包；T4是各任務(wù)節(jié)點數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)演訓(xùn)任務(wù)不同維度可視化數(shù)據(jù)的聯(lián)動。[6]

(4)以圖4中T2節(jié)點為例，T2節(jié)點為可視化屬性節(jié)點，劃分為節(jié)點形狀、節(jié)點顏色、節(jié)點相鄰邊和節(jié)點位置等數(shù)據(jù)包。通過結(jié)構(gòu)化描述規(guī)則將數(shù)據(jù)與相應(yīng)的節(jié)點屬性進行綁定，后續(xù)進行可視化顯示時對T2包含的所有數(shù)據(jù)包進行遍歷。[7]

2.2 關(guān)聯(lián)特性可視化方法

演訓(xùn)任務(wù)中包含多個可視化圖形,則需要對多個圖形之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系配置。關(guān)聯(lián)配置允許在結(jié)果包含多個可視化圖形時,將兩個圖形對應(yīng)的數(shù)據(jù)中的某個維度的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。當(dāng)具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的子任務(wù)中數(shù)據(jù)發(fā)生變化,具有關(guān)聯(lián)性的任務(wù)節(jié)點均會根據(jù)數(shù)據(jù)的變化而重新繪制。

通過設(shè)置的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以查看仿真任務(wù)節(jié)點的鄰居節(jié)點。關(guān)聯(lián)關(guān)系通過節(jié)點之間的邊結(jié)構(gòu)進行描述，基于邊數(shù)據(jù)的樹形展示提供系統(tǒng)歸屬編輯的參考依據(jù)[8]。針對仿真任務(wù)流程進行展示時，則需要快速查找基于仿真節(jié)點的邊數(shù)據(jù)。樹形展示算法的輸入為任務(wù)節(jié)點的編號，根據(jù)節(jié)點中的輸入邊與輸出邊屬性獲取樹形關(guān)聯(lián)關(guān)系可視化的數(shù)據(jù)，如圖5所示。

在關(guān)聯(lián)關(guān)系可視化階段，T1、T2、T3、T4存在一個節(jié)點具有相同關(guān)聯(lián)節(jié)點情況：例如節(jié)點T1有鄰居，節(jié)點T2有鄰居T4、T5、T6。當(dāng)用戶雙擊節(jié)點T1時，展示T3、T4、T5節(jié)點；用戶繼續(xù)雙擊節(jié)點T2，展示T4、T5、T6節(jié)點，此時不需要再對節(jié)點T4與T5進行展示，僅需要繪制T2和T4、T2和T5之間的邊?？梢暬^程中，同時定義一個對象用于記錄已展示節(jié)點與上一級節(jié)點的關(guān)系[9]。該對象的目的是為了解決鄰居節(jié)點已添加后避免二次添加的問題。

圖5 任務(wù)節(jié)點關(guān)聯(lián)屬性配置Fig.5 Task node association attribute configuration

關(guān)聯(lián)屬性可視化主要步驟如下：

(1)傳入用戶點擊的任務(wù)節(jié)點編號；

(2)獲取被點擊點的關(guān)聯(lián)關(guān)系鏈表結(jié)構(gòu)；

(3)構(gòu)建節(jié)點的輸入、輸出邊關(guān)系；

(4)判定鄰居中是否有節(jié)點被添加至界面中，根據(jù)結(jié)果添加/刪除節(jié)點與邊；

(5)根據(jù)節(jié)點上下級關(guān)系，獲取上級節(jié)點的坐標，并進行布局計算。

3 可視化實例分析

本文依據(jù)某航天器實際演訓(xùn)任務(wù)，根據(jù)可視化方法，實現(xiàn)整個演訓(xùn)任務(wù)可視化系統(tǒng)，驗證動態(tài)可視化方法的有效性和實用性。

選取航天器演訓(xùn)任務(wù)中“某航天器規(guī)避演訓(xùn)任務(wù)”作為可視化實例，該任務(wù)是通過地面發(fā)送干擾信號，仿真航天器識別干擾信號、處理信號、預(yù)警規(guī)避的過程，任務(wù)過程如圖6所示。

演訓(xùn)任務(wù)開始，地面模擬干擾信息，并發(fā)送至航天器綜合電子分系統(tǒng)；綜合電子分系統(tǒng)中的中心管理單元(SMU)收到地面發(fā)出的干擾信號后，形成預(yù)警數(shù)據(jù)包；在自主預(yù)警規(guī)避功能使能的前提下，對姿態(tài)進行適當(dāng)調(diào)整，規(guī)避干擾信號，任務(wù)結(jié)束。利用本文的動態(tài)可視化方法，首先對演訓(xùn)任務(wù)的流程進行結(jié)構(gòu)化分解和描述，將任務(wù)的每部動作轉(zhuǎn)化為節(jié)點數(shù)據(jù)，并通過結(jié)構(gòu)化規(guī)則進行數(shù)據(jù)描述；然后分析各環(huán)節(jié)間的關(guān)聯(lián)屬性，形成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并將節(jié)點相關(guān)可視化數(shù)據(jù)封裝為可視化數(shù)據(jù)包；最后根據(jù)動態(tài)可視化方法對任務(wù)進行遍歷顯示。

(1)將演訓(xùn)任務(wù)轉(zhuǎn)換為一系列節(jié)點鏈接圖的遍歷顯示,通過節(jié)點鏈接圖的信息組合來解決可視化過程多信息展示的問題，數(shù)據(jù)節(jié)點信息描述及實現(xiàn)如圖7所示。

圖6 某航天器規(guī)避演訓(xùn)任務(wù)流程Fig.6 Process of a spacecraft evasion training mission

圖7 任務(wù)節(jié)點結(jié)構(gòu)化代碼Fig.7 Task node structured code

(2)遍歷演訓(xùn)任務(wù)節(jié)點列表，讀取每個節(jié)點數(shù)據(jù)包，并按照動態(tài)顯示方法進行顯示。讀取任務(wù)節(jié)點Qi數(shù)據(jù)，包括節(jié)點的功能數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)。

(3)若節(jié)點存在關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)，檢查遍歷節(jié)點相關(guān)的邊是否存在。根據(jù)檢查進行維護上下級關(guān)系并進行畫布上的節(jié)點與邊的操作。在可視化插件中，所有的節(jié)點均默認添加至畫布中央原點的位置再進行彈力布局，在此基礎(chǔ)上根據(jù)上下級關(guān)系修正了樹形節(jié)點的坐標，代碼實現(xiàn)如圖8所示。

圖8 關(guān)聯(lián)特性可視化代碼Fig.8 Visualization code of association characteristics

(4)根據(jù)用戶實時的交互信息，更新任務(wù)節(jié)點信息。基于數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化方法應(yīng)用在航天器演訓(xùn)任務(wù)仿真中，能夠?qū)崟r顯示任務(wù)流程，幫助用戶在演訓(xùn)過程中迅速發(fā)現(xiàn)和掌握任務(wù)執(zhí)行情況。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動的演訓(xùn)任務(wù)可視化方法，對航天器演訓(xùn)任務(wù)的流程顯示形式進行了規(guī)范和設(shè)計。將演訓(xùn)任務(wù)過程按照結(jié)構(gòu)化的方式進行描述，并封裝成場景化數(shù)據(jù)包，對任務(wù)流程進行動態(tài)可視化。該方法將航天器演訓(xùn)任務(wù)操作人員的交互需求，融入到可視化過程中，對于提高演訓(xùn)人員操作效率起到關(guān)鍵作用。提出的層次化任務(wù)數(shù)據(jù)描述方法，符合航天器演訓(xùn)任務(wù)可視化的實際需求，實現(xiàn)了可視化數(shù)據(jù)的快速生成；關(guān)聯(lián)性可視化方法支持多可視化圖形之間的交互配置,可以實現(xiàn)多個任務(wù)節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)顯示；場景化的數(shù)據(jù)封裝，可以設(shè)計隨時間、隨參數(shù)變化的可視化圖形。按照該方法開發(fā)的的軟件系統(tǒng)，經(jīng)過試驗驗證，在性能和應(yīng)用效果方面達到了預(yù)期效果，證明該方法可行且有效，能夠?qū)教炱餮萦?xùn)任務(wù)決策和實施起到較好的輔助作用。