虚拟设计、仿真与任务调度研究

### 虚拟设计、仿真与任务调度研究 在现代科技发展中，虚拟设计、仿真以及任务调度等技术在各个领域发挥着至关重要的作用。下面将详细介绍相关的设计流程、测试方法以及关键技术，同时探讨复杂任务调度问题的解决方案。 #### 设计与测试流程 - **设计阶段**：在设计过程中，会进行人在环仿真，对设计进行评估并修改其中的错误。随后依据设计的修改，对与HLA对应的虚拟原型和支持性仿真环境进行修改，直至完成程序设计和技术设计。这一阶段的数字方法可参考图1（文中未给出具体图）。 - **产品开发后的虚拟测试**：在技术设计接近尾声时，虚拟原型基本就绪。基于最终的技术设计开发物理原型，由于在设计阶段进行了虚拟测试并修改，物理原型无需大幅改进。与虚拟原型不同，物理原型是真实设备，需在数字虚拟测试环境中进行测试，以解决接口的“适应性”问题。接口适配器（用于控制台的物理原型）可通过以下方式实现： - 基于HLA标准访问分布式虚拟原型测试环境。 - 访问显示和控制台的真实接口特性，如UDP、CORBA、CAN、串行连接等。 通过将物理原型接入虚拟测试环境进行仿真测试，可模拟真实环境，测试产品在真实和恶劣工作条件下的适应性。此外，物理原型注重产品的可靠性设计、容错和安全设计。邀请用户参与仿真测试，评估产品在虚拟操作环境中的可靠性、可用性和人体工程学，并给出评价。这样能大幅减少后续现场测试的工作量，缩短测试周期，加快交付进度，降低开发成本，提高安全质量和可靠性。 #### 关键技术 - **分布式虚拟原型建模与仿真的集成**：C2系统的虚拟设计和仿真需要相应的仿真系统，但在工业应用中存在两个难题。一是基于HLA的C2系统仿真，与仪器工具、GIS工具等构成仿真控制台，这要求匹配的设计功能和每个仿真控制台的准确性。二是外部支持环境的仿真与C2系统的运行相关，依赖于合成自然环境。外部环境的差异会导致C2系统的过程和结果有很大不同，因此需要对外部环境进行建模和仿真。外部环境由各种专业设备组成，如机械、电子、电磁和自然环境等，需要专业研究团队基于C2系统进行建模和仿真。而且，影响C2产品运行的因素众多且难以建模，如合成自然环境中的海况、风况、能见度、温度、湿度、云量等因素相互关联，在特定区域和时间有统计特征，精确建模和仿真仍是待解决的问题。从仿真形式来看，包括全数字仿真、半物理仿真等，通过反射内存技术、串行通信和以太网可解决半物理系统中的可访问性和“实时性”问题。 - **视觉仿真技术**：在虚拟原型测试环境中，视觉仿真有以下应用： - 对于视觉C2任务，利用视觉仿真生成实时视觉场景。 - 为视频监控设备、潜望镜观察和红外检测设备生成实时视觉场景。 - 在虚拟原型测试系统中，需建立专家评估环境，连接到仿真电路，接收仿真数据，为评估系统性能的专家实时生成虚拟场景。 由于应用不同，视觉仿真的形式也不同。例如，单键命令位置的视觉场景需要高质量的场景性能，采用单球形环屏和立体投影；描绘舱外场景的视觉仿真通常采用带电视拼接的舷窗物理舱方法；多人评估的仿真采用多通道圆柱形环屏。一般来说，不同要求需要不同的视觉仿真。对于任何视觉仿真，C2系统的测试都需要“实时”和高质量的场景。通常使用高级3D图形软件，如Vega Prime，但实际应用中可能需要一些高级图形软件无法支持的特殊场景效果，因此基于OpenGL、Direct和基于图形卡的矢量编程开发是必要的。 - **虚拟现实（VR）**：VR是现代仿真技术的重要分支，与视觉仿真相比，它不仅改善了“看”的问题，还能让人有“听”“触”“嗅”等更多感受，大大提高了仿真的沉浸感和三维感。在C2系统中，人们有时用手势操作，这是物理动作命令的问题，需要在仿真中解决。通过VR，可将人的动作引入仿真，为使用手势命令的操作员开发特殊的VR程序（包括硬件和仿真软件），为操作员配备头盔、数据衣和数据手套，让他们观看虚拟场景和其他操作员的动作。数据衣收集动作信号并发送到仿真中，生成相应的虚拟动作。然而，开发VR并不容易，存在以下问题： - VR系统复杂，包含头盔、数据手套、数据衣、位置/跟踪传感器、控制计算机和图形计算机，开发涉及如何管理这些设备。 - 可靠性差，由于VR位置设备和VR位置/跟踪传感器性能不佳，VR程序在“看”和“观察”方面存在问题，降低了VR性能。 - “实时性”、同步和互连仍是待解决的问题。 - 数据衣的开发依赖于应用，需要将操作员的实时信息（位置/速度）传输到视觉场景中，再现虚拟操作员的位置/速度，难点在于如何在操作员身上布置传感器并建立传感器输出与人体动作的关系。 - 开发VR还存在其他问题，如三维显示、数据和计算的同步、运动估计和平滑度等。 - **评估技术**：C2系统的虚拟原型和虚拟测试仿真系统涉及两种评估：仿真系统的评估和仿真中业务的评估。由于无法将虚拟原型和虚拟系统设计得与真实系统完全相同，在工业应用中，首先要确定相应的模拟范围和可信度指标，通过VVA评估仿真模型和系统，确保虚拟系统和虚拟测试的有效性。虚拟原型的虚拟测试目标是测试产