专利名称：基于组件的航空仪表高效建模设计方法
技术领域：
本发明属于计算机虚拟现实技术领域，具体地说是从开发分布式交互式仿真系统的实际需求出发，通过研究驾驶舱仪表建模技术的现状，为方便用户进行实体建模而开发的一个航空仪表建模设计方法。
背景技术：
航空仿真技术是随着仿真技术和航空事业的发展而同步发展起来的。飞行模拟器作为一种重要的航空仿真设备，与使用真实飞机进行实际飞行试验相比，具有可控性、无破坏性、经济性、可靠性等优点，并可以在飞行模拟器上进行驾驶舱设计合理性评估。近年来， 随着计算机技术的高速发展，以计算机为基础的飞行仿真技术也取得了长足的进步。飞行仿真技术已经越来越多地被广大研究人员、飞行员、领航员及空、地勤人员所重视。其中，虚拟仪表在飞行仿真系统中有着非常重要的作用，它能够为使用者提供和现实世界中尽可能一致的环境和体验，并为虚拟驾驶舱场景中内部数据的输出提供更友好、直观的显示方式。此外，虚拟仪表具有传统仪表无法比拟的优点，主要表现在用户可以自己定义逻辑策略、灵活地设计仪表系统，以满足不同系统的需要。而且，虚拟仪表在场景中可以方便地拆卸、修改，具有良好的可靠性和可维护性。文献 I-Haasz, V. , Platil, A. · Virtual Instrument-no Virtual Reality but Real PC Based Measuring System, Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems !Technology and Applications, 2005. DAACS 2005. 261-266 中指出虚拟仪表是具有虚拟仪表面板的个人计算机仪表，它是计算机资源、模块化功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件的有机结合，可以利用软件在屏幕上生成各种仪表面板，完成对数据处理、表达、传送、存储、显示等功能。虚拟仪表有多种实现方式，伴随着仿真技术的发展及其推广应用，出现了很多商用仪表建模工具，例如Mu 11 i gen-Parad i gm公司专门针对可视化仿真行业应用特点推出的可视化三维建模软件 Multigen Creator,文献 2_MultiGen-Paradigm Inc. MultiGen Creator User’s Guide记录其用法，以及美国DiSTI公司开发的旗舰产品GL Studio,可以用来创建实时的、三维的、互动图形界面，能与HLA/DIS仿真应用相连，生成C++或java源代码，并可以单独运行或嵌入到其他应用程序中。使用上述仪表建模工具虽然可以实现驾驶舱的三维数字化建模，但是对驾驶舱中仪表、控制器等重要部件的建模重用性、通用性和柔化性方面考虑较少，导致设计周期长、 开销大，给研发工作带来诸多不便；并且由于缺乏设计人员与用户之间的交互功能，测评结果较难反馈给设计过程，使得设计人员在对驾驶舱设计布局的检查和评估方面显得力不从心。
发明内容
本发明提供一套基于组件的航空仪表建模设计方法，该方法提供了一种基于组件的航空仪表实体及属性描述方法，能够高效快速的对仪表模型进行建模。本发明的基于组件的航空仪表建模设计方法，步骤如下(I)基于组件的航空仪表实体、属性及组件库描述所述航空仪表实体包括静态实体加入场景后不再需要其他操作的实体，例如航空仪表的表盘、壳体、刻度等。在实际系统运行中，都以被动方式对交互做出反映，同时体现着三维虚拟环境某一方面的特性。其在仿真过程中不需要其他操作，大多以纹理形式存在。动态实体加入场景后可以与用户进行交互，仿真过程中需要实时更新的实体，例如航空仪表中的指针、按钮、旋钮等部件；在仿真过程中可以主动方式与外界物体进行交互，是仿真中需要首要处理的部件，也是行为描述的主要对象。所述航空仪表属性包括(一)定制属性定制属性用于对实体自身功能进行定制，实现实体功能的完善，局部于定制的单个实体，不影响软件系统整体。几何属性描述实体的几何模型信息，如顶点、颜色、纹理等；物理属性描述各类动态实体所具有的基本行为，例如按钮拔起的位移大小、旋钮旋转的角度及方向、数码盘读数变化的方式等。(二)交互属性用于实体间的交互、通信，从而实现实体间的协作，完成系统的整体功能。动作属性描述实体在仿真过程中所产生的属性变化的过程。行为属性对象随时间推移而产生的自身状态的序列，即描述实体之间的相互作用。建立实体组件库，存储并管理各类实体对象；组件库由五部分组成实体容器类存放实体的管理工具，提供增加、删除、修改等方法对实体组件库中的实体进行管理；实体基类实体的一个原型,其它各类实体都由这个模型派生；实体模板类实体的属性描述模板，包括静态、动态实体模板；实体类一个可以根据用户要求生成自定义实体的类，可以进行版本替换，可进行修改或添加等操作；复合实体类若干个实体的组合，被封装为一个实体形成复合实体；(2)根据步骤(I)中的实体及属性描述方法，构建基于快速原型的仪表建模工具以及行为属性编辑工具；(a)静态对象编辑，在系统左侧的工具条中选择静态实体，经过鼠标拖拽在绘制窗口中进行绘制，载入相应纹理，并调整纹理图位置使其适应几何形状，完成制作；重复上述过程，完成复合实体的编辑；整个仪表建模绘制过程充分基于纹理映射技术，系统构建了一个功能强大的纹理编辑器，提供对纹理的移动、缩放、旋转等控制功能，为实现快速高效的设计构建航空仪表提供技术基础。(b)动态对象编辑，选取(a)中建立的静态对象，修改其属性设置，完成动态行为设计；主要用于实体行为的设计，需要在静态对象编辑结束后进行，用户可以通过选择静态实体并使用动态实体模板对其物理属性进行设置，实现动态实体的物理属性建模。(c)代码编辑，设定(a)和(b)所建立实体的动作、行为属性，实现逻辑仿真；(d)读写模型，包括载入fit等格式文件，编辑、设计或建模完后，保存成fit格式文件的功能；最终绘制仪表样式。(3)基于工作流的行为仿真；本系统采用行为属性的工作流模型，行为属性描述实体之间的相互作用，即对象随时间推移而产生的自身状态的序列，是对实体之间相互作用的一种描述。在过程定义阶段使用自定义的流程定义方式进行过程建模，以便能够灵活地描述流程；在系统运行时，工作流引擎通过解释以脚本形式存在的流程定义，生成相应的系统内部的对象模型，同工作流引擎相交互；(a)构建过程/活动实例，过程实例是工作流过程的一次执行；活动实例是一个逻辑步骤或环节的工作任务；(b)节点设计，节点代表一个或多个可以被人执行的任务，当执行到达一个节点时，任务实例将在任务清单中被建立，之后，节点将作为一个等待节点，因此当用户执行完当前任务时，将触发下一节点继续执行；节点包括状态、分支节点、聚合节点、普通节点、 循环节点和开始/结束节点。(C)本系统提供了一个图形化的流程设计器，使用户可以通过可视化的流程建模来定义飞行仿真过程及其相关信息；并具有转化功能，能够把仿真流程描述转换为可以被识别并加以运行的配置信息，完成实际的工作流流程到计算机可处理的形式化定义的转化。本发明与现有技术相比的优点在于采用基于组件的仪表描述方法，降低建模过程和仿真运行的耦合度，研究实体的定义和表示方法，把实体建模彻底从仿真运行过程中独立出来，使其具有广泛的适用性；利用基于快速原型的实体属性描述方法，对实体建模和实体行为进行描述，加以完善形成独立的模型编辑器，解决了传统手工方式建模效率低，建模周期长的问题；采用基于工作流进行仿真，更好的描驾驶舱中种类繁多且行为极其复杂的仪表的运动特性。
图I为系统设计-流程图。
具体实施例方式本发明的具体实施过程包括三个主要步骤仪表属性建模、工作流建模和播放工具的构建。设计流程图如图I所示。步骤一本系统将仪表属性分解为描述组件自身功能的定制属性和描述组件间通信的交互属性。其中定制属性包括几何与物理属性；交互属性可进一步层次化分解为行为属性以及动作属性。接口是实体间进行交互的唯一机制，提供了实体和外部环境的交互点，通过接口可以对实体进行操作，提供与外界的交互。连接作为建模软件体系结构的主要实体，同样也有接口，连接的接口由一组角色组成，连接的每一个角色定义了该连接表示的交互的参与者,二元连接有两个角色。—个组件是驾驶舱中某一类实体对应于解域中的一个解，各种各样的实体决定了系统中的组件的多样性，多个组件相互协作构成一个有机的整体，进而组合成仿真系统。本系统分为以下四个层次(a)建模层为建模人员提供的本地组件模板集，包括静态、动态实体模板，用于快速生成、定制组件；(b)交互层提供组件的行为设计；(C)组件层固有组件或由用户编辑得到的组件；(b)应用层即用户接口层，向用户提供人机交互界面，对建模结果进行仿真，接受用户的各种输入信息，并将系统执行结果反馈给用户。步骤二 构建行为属性的工作流模型。行为属性描述实体之间的相互作用，即对象随时间推移而产生的自身状态的序列，是对实体之间相互作用的一种描述。将仿真实体之间的相互作用和相互影响的程度量化为包含若干参数的向量，称之为交互。实体的交互过程中一般需要两个实体触发实体和接收实体。触发实体产生主动行为，将交互信息发送给接收实体，进而通过接收实体进行仿真并模拟二者间的交互。本系统采用Petri网的方式设计了一个基于工作流的行为属性描述方法，该引擎具有一个图形化流程设计器，并可以仿真流程控制过程，从而描述动作产生的事件以及动作执行所需要的条件，实现实体行为仿真。节点代表一个或多个可以被人执行的任务，当执行到达一个节点时，任务实例将在任务清单中被建立。之后，节点将作为一个等待节点，因此当用户执行完当前任务时，将触发下一节点继续执行。本系统中的节点分为以下六类(a)分支节点一个分支把一个执行路线分割成多个并发执行路线，默认分支的行为是为每个离开分支转换建立一个子流程序列，在动作指向的各分支之间建立一个父母-子女关系。(b)聚合节点聚合为所有来自同一个父母的子流程序列的聚合点，当在流程序列执行前期使用分支节点时，所有子流程序列分支将被建立，当序列到达聚合节点时，聚合节点将检查父母-子女分支，若所有兄弟分支到达聚合节点，父母节点可以离开转换；若还有兄弟分支活动时，聚合节点将保持等待状态。(c)普通节点普通节点类型为一个子元素动作，动作在执行到达这个节点时将被执行，普通节点可以做任何仿真动作，本系统中的节点即为实体的动作属性。(d)循环节点仿真过程中可以循环执行的节点，直至执行指定次数。该类节点需包括一个表示执行次数的变量，作为可选项，也可以包括两次执行的时间间隔。(e)开始/结束节点开始、结束节点分别表示仿真流程的开始和终止，一个仿真流程仅有一对开始、结束节点。
步骤三构建播放和评估工具。使用建模工具进行模型编辑和行为设计后，通过播放工具进行场景渲染和仿真。该工具载入场景文件，并渲染.fit模型。仿真过程中，播放工具将从组件库中提取相应模型，对场景进行渲染；同时读取触发文件，解析相关实体模板， 按照用户设定的行为触发方式进行仪表的动态行为仿真。使用播放工具进行仿真的同时， 评估工具将记录仿真过程中所需要的各种反馈信息，用于作为驾驶舱仪表布局设计合理性评估的依据，并实时反馈给设计人员，实现协同设计-评估。本系统在代码设计窗口中提供评估接口，供用户设置评估过程中所需数据的内容和记录方式。依据合理性评估的特殊需求，需要记录以下几项数据(a)项目名称每一项记录在评估文件中都应有一个项目名称，存储待评估对象名，以免评估过程中对数据项的混淆，(b)项目记录值触发记录的值；(C)项目值描述触发记录项的描述。
权利要求
1.一套基于组件的航空仪表高效建模设计方法，其特征在于步骤如下(1)基于组件的航空仪表实体及属性描述方法所述航空仪表实体包括静态实体加入场景后不再需要其他操作的实体；动态实体加入场景后可以与用户进行交互，仿真过程中需要实时更新的实体；所述航空仪表属性包括(一)定制属性，用于对实体自身功能进行定制，实现实体功能的完善，包括几何属性描述实体的几何模型信息；物理属性描述各类动态实体所具有的基本行为；(二)交互属性，用于实体间的交互、通信，从而实现实体间的协作，完成系统的整体功能，包括动作属性描述实体在仿真过程中所产生的属性变化的过程。行为属性对象随时间推移而产生的自身状态的序列，即描述实体之间的相互作用；建立实体组件库，存储并管理各类实体对象；组件库由五部分组成实体容器类存放实体的管理工具，提供增加、删除、修改等方法对实体组件库中的实体进行管理；实体基类实体的一个原型，其它各类实体都由这个模型派生；实体模板类实体的属性描述模板，包括静态、动态实体模板；实体类一个可以根据用户要求生成自定义实体的类，可以进行版本替换，可进行修改或添加等操作；复合实体类若干个实体的组合，被封装为一个实体形成复合实体；(2)根据步骤(I)中的实体及属性描述方法，构建基于快速原型的仪表建模工具以及行为属性编辑工具；(3)基于工作流的行为仿真工具，对静态模型极其动态属性进行仿真，即可视化地展
2.根据权利要求I所述的基于组件的航空仪表高效建模设计方法，其特征在于所述步骤(2)中构建基于快速原型的仪表建模工具以及行为属性编辑工具的方法为(a)静态对象编辑，在系统左侧的工具条中选择静态实体，经过鼠标拖拽在绘制窗口中进行绘制，载入相应纹理，并调整纹理图位置使其适应几何形状，完成制作；重复上述过程， 完成复合实体的编辑；(b)动态对象编辑，选取(a)中建立的静态对象，修改其属性设置，完成动态行为设计； (C)代码编辑，设定(a)和(b)所建立实体的动作、行为属性，实现逻辑仿真；(d)读写模型，包括载入fit格式文件，编辑、设计或建模完后，保存成fit格式文件； 最终绘制仪表样式。
3.根据权利要求I所述的基于组件的航空仪表高效建模设计方法，其特征在于所述步骤(3)中工作流的行为仿真工具构建方法为(a)构建过程/活动实例，过程实例是工作流过程的一次执行；活动实例是一个逻辑步骤或环节的工作任务；(b)节点设计，节点代表一个或多个可以被人执行的任务，当执行到达一个节点时，任务实例将在任务清单中被建立，之后，节点将作为一个等待节点，因此当用户执行完当前任务时，将触发下一节点继续执行。
全文摘要
本发明涉及一种基于组件的航空仪表高效建模设计方法(1)基于组件的航空仪表实体及属性描述方法，建立实体组件库，存储并管理各类实体对象；(2)基于快速原型的仪表建模工具以及行为属性编辑工具；(3)基于工作流的行为仿真工具；本发明能够高效快速的进行航空仪表建模，快速实现设计建模过程。
文档编号G06F17/50GK102609585SQ201210029100
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月9日 优先权日2012年2月9日
发明者张肖如, 沈旭昆, 赵凌, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学