仿真和建模的V&VA软件工具库研究

李 皓，康风举，何军红，杨惠珍

(西北工业大学西安710072)

用面向对象技术进行模型库设计

航行器仿真模型库系统是在基于Intel x86的微型计算机上，以Windows 98为操作系统，利用Visual C 6.0作为应用软件开发工具，而开发成功的一个32位的标准应用程序库。在开发过程中充分利用了Microsoft的MFC(微软基本类库)结构，从而能够有效地以面向对象方式进行程序设计。

整个软件以类为基本单元，通过C 的继承、重载、封装等机制，不断扩充软件的类结构，丰富类的成员函数，这不仅极大地提高了软件开发效率，而且保证了软件的易维护性和可扩充性。目前，该仿真模型软件系统包括60多个类，100多种方法(函数)，20000多行C 源代码，编辑并生成了100多项程序资源(如对话框、菜单、工具条等)。

仿真所用的模型数据可从数据库获得，当进行数学仿真时，仿真软件的界面会提示你选择所要求的仿真模型参数、仿真参数，用户可以根据自己的需要选择是否将仿真结果数据导人数据库。

数据库子系统

航行器数据库系统的全部内容包含在一个名为data.pjx的项目中。数据部分包含Graph数据库、real数据库、simu数据库和torpe数据库，以及若干个自由表，而每个数据库又包含若干个子数据库，数据库的文档部分包括八个表单，各类表以表单的形式作为数据子系统库与用户交互的界面。用户通过这些友好的界面可以进行修改、查询、添加、搜索表中的记录。对于实航数据、半实物仿真数据、数学仿真数据，在结果数据库中设计了一个页框，第一页加入了一个表格，这样就使用户不局限在查询或搜索表中的单个记录上，对表中的所有数据有一个整体的了解。

为了更形象地了解数据的内涵，在页框第二页中加入了一个OLE插件，通过页面上的下拉列表框，用户可以选择其所希望了解的参数，并能看到该参数随时间变化的图形，这些图形均基于MS—GRAPH设计，为此需将这些图形设为图形库中的通用字段，从而可以通过插入OLE控件显示它们。

例如，在四个表单(tpfmain、tpfmodle、tpfparainit、browser)中，tpfmain是浮于主表单frame之上一个底层表单，而tpfmodle、tpfparainit、browser是浮于它之上的上层表单。表单中的符号与表tpmodle中的字段相对应，tpfmain表单可以对tpmodle表中航行器的39个模型参数进行浏览、查询、添加、编辑、删除等操作，通过航行器的型号访问到tpfmodle表单中正确的模型参数值(Tp_modle)，而通过实验的序列号访问到tpfparainit表单中的仿真初值和browser表单中的表格与图形(Tp_id)。

方法库子系统

方法库主要包括了各种模型验证、置信度评估方法，包括定性、方法库子系统方法库主要包括了各种模型验证、置信度评估方法，包括定性、定量、综合分析方法和数据预处理方法．结构如图3。定性分析方法有灰色关联度法和Theil不等系数法(TIC法)等。

定量分析方法中，对于动态数据主要采用基于古典谱窗估计、最大熵谱估计和交叉谱的各种谱分析方法等。对于静态数据有U检验法、F检验法、X检验法、K-S检验法以及相应的区间估计法，还包括秩和检验法、符号检验法等。综合分析法包括层次分析法、正态分析等。数据预处理法包括奇异点剔除法、滤波法等。

知识库子系统

在某些情况下，要想获得与仿真试验相同激励条件下的实航数据比较困难，更有某些复杂运动体系统(如接近或等同于实战的战场环境下的对抗系统)难于进行实际试验，此时就不能运用方法库中基于统计的仿真置信度定量对比验证方法。

为此，本文提出了将AHP方法引入该方面研究的新思路，即以仿真过程中大量的局部的定量验证分析为基础，加入仿真专家和领域专家对相应过程的置信度分析(因子或相对权重)知识，再通过系统综合计算得出全系统置信度总体指标。

AHP方法把复杂的问题分解为各个组成因素，将这些因素按支配关系组成递阶层次结构，通过两两比较的方法确定层次诸因素的相对重要性的总顺序，通过将这些定量或不可定量的因素结合并聚集的方法来确定一个复杂系统的总评价指标。知识库主要围绕航行器控制半实物仿真全过程的各个环节，并在归纳总结模型置信度评估的专家决策意见的基础上建成的，其具体层次结构如图4所示。所建的知识库的内容大体包括以下几部分。

数学模型部分的知识。其中包括了专家对于数学模型校核与验证方面的知识。数学模型校核方面，包括了专家对于仿真程序流程校核、仿真算法误差校核、仿真步长误差校核等几部分置信度的决策意见。

数学模型验证方面。包括了专家对于航行器模型验证、环境模型验证、控制器模型验证等部分置信度的决策分析。在物理设备VVA方面，包括了专家对于转台、水压仿真器、舵负载模拟器和接口装置等物理设备误差校核与置信度对比验证方面的知识。

置信度指标评估系统各层次各因素所占权重由知识库确定，通过从底层的置信度水平分析开始，逐层向上归纳，通过定性和定量因素聚集的方法可分别给出该系统的数学仿真或半实物仿真的置信度水平。

在对知识库应用程序的开发中．为了体现VVA过程的概念，使用了MFC类库中的CpropertySheet类和CprooertyPage类的派生类。三个CpropertySheet类的派生类分别体现了数学模型、物理设备、输出结果分析这三部分的VVA过程。而CprooertyPage类的派生类构成了这三个过程的每一步骤，在这每一个步骤中都应用了层次分析法(AHP法)。通过进行数学模型、物理设备、输出结果分析这三部分的VVA过程，并得出每一等级的置信度。在程序中使用CpropertySheet类中的函数SetWizardMode()将派生类设置成了Windows向导模式。

开放数据库互连(ODBC)技术

为了在数据库系统的Visual FoxPro6.0开发平台、方法库和知识库的Visual C 6.0开发平台之间进行数据交互，采用了开放数据库互连(ODBc)技术作为数据库与Visual C 程序的接口。

ODBC标准是一套数据库访问系统，它包含一组可扩展的动态连接库(DLL)，这些动态连接库提供了一个标准的数据库应用程序的设计接口。ODBC是基于SQL(结构化查询语言)的标准化版本而设计的，借助ODBC和SQL，就可以编写独立于任何数据库产品的访问代码。

ODBC由包含在DLL内的驱动程序完成任务，ODBC提供一套两个驱动程序：一个是数据库管理器的语言，另一个为程序设计语言提供公用接口，允许Visual C 用标准的函数调用，并能经公用接口访问数据库的内容，是这两个驱动程序的汇合点。在安装了所需的0DBC驱动程序之后，就可以在Visual C 中创建程序框架，并设计数据库，从而创建ODBC数据源。

应用实验

应用工具库进行的某型航行器数学仿真结果和海上试验结果对比验证分析过程如下。

从数据库中选取一组模型参数、初值和仿真参数，通过模型库中相关模型进行数学仿真，将仿真结果导人数据库，海上试验结果也需导人数据库。并与数学仿真结果进行对比分析，可以进一步验证鱼雷控制系统的数学模型。

(1)曲线对比现取二组俯仰角数据，其曲线对比如图5。由图5可以看出，这二条曲线有相同的变化趋势，而数学仿真结果变化过程相对平缓些。

(2)计算Theil不等系数和灰关联度对这二组数据计算出Theil不等系数为0.0167，由于该值远小于1，表明模型基本得到确认。取不同的分辨系数计算灰关联度，结果由表1所示。

(3)频谱估计

用大熵谱估计法估计二者的频谱，如图6所示。从图5、图6可以看出，尖峰点对应频率基本一致，实际响应幅度高于模型输出，这是由于数学模型建模过程中对实际系统具有的高阶特性和非线性作了简化处理的缘故。

上述定性和定量的分析结果表明，该鱼雷数学仿真模型具有较高的置信度水平，但其非线性部分的建模仍有待进一步完善。理论和实践均已告诉人们，良好的武器系统的数学模型通常都要经过大量的实际考核验证，通过仿真理论指导可以使实际试验条次大为减少。

在对系统仿真各个阶段和各环节模型验证取得定量分析数据的基础上，并在该航行器经海上实航试验后已取得部分实航结果数据的同时，结合所开发的知识库和运用AHP方法对仿真系统的仿真全过程进行置信度分析，末加入驾驶仪实物时其数学仿真系统的置信度为0.74，半实物仿真系统仿真总体置信度为0.86。

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