块文件主要用于实体根据当前所处的地理环境进行运动速度、实体参数等属性的实时更新。本发明通过创建4个线程来进行数据的异步调度，图7给出了该类线程与主线程的交互运行机制。
[0073]如图7所示，主控线程首先根据当前实体的运动状态进行数据预测，以便进行数据预加载，确保系统的实时平稳运行。主控线程的数据预测一般在对实体下达运动控制命令后，在实体路径规划的时刻进行。主控线程首先利用系统初始化阶段加载的高层地图代价文件进行粗粒度的路径规划，从而确定实体要经过的地形块，然后根据这些地形块的坐标计算分块文件的索引号，最后通过访问常驻内存的配置文件进行分块文件的外存存储路径的映射。在分别得到高程数据分块文件、地图代价分块文件、预寻路分块文件和地表属性分块文件的存储路径后，作为消息分别以互斥的方式发送到对应线程的消息队列。
[0074]图8给出了数据调度线程在获得CPU时间片后，也以互斥的方式从自己的消息队列中读取消息，然后在数据缓存队列中进行查询流程。
[0075]若数据已经存在，则返回读取下一条消息；若数据不在缓存中，则从外存进行数据调度；在数据调度完毕后，检查数据缓冲区，若缓冲区有空闲则将数据插入到缓冲区中，否贝U，查询缓冲区中当前无用的数据块(当前没有任何实体使用的数据块)，若找到这样的数据块，则将其从数据缓冲区中剔除，然后将新调度的数据加入到缓冲区中；否则基于LRU调度策略，将在内存中存在时间最长的数据块从缓冲区中剔除，然后将新调度的数据加入到数据缓冲区。
[0076]其中，本发明采用基于运动趋向数据预测的LRU算法进行分块文件的内存置换，该算法与常规LRU算法不同的是:在进行页面置换时并不是简单的选择所有分页数据中最迟被使用的页面，而是要根据虚拟实体的运动趋势和缓存数据的存在时间进行置换页面的选择，具体步骤为:
[0077](I)首先对缓存中的分块数据进行遍历，在遍历的过程中查找当前没有被任何实体使用的数据块，即查找本机所控制的任何虚拟实体位置都不在数据块对应的地形范围的数据块，将这些地形块加入到潜在置换列表中；
[0078](2)将潜在置换列表中数据块所对应的地形区域与本机所控制的虚拟实体的运动方向进行求交计算，若找到不与任何虚拟实体运动方向相交的地形块，则将其对应的数据块从缓存中剔除，否则，则执行第(3)步；
[0079](3)选择潜在置换列表中在缓存中存在时间最长的数据块作为置换数据库，将其从缓存中剔除；
[0080]这样，主控线程在运行过程便可以以互斥的方式直接从内存缓冲区中读取数据。通过在系统中开辟了 20块大小的数据缓冲区，当每个客户端控制20个实体左右的情况下，数据的命中率接近100%。在个别情况下，数据也有可能无法命中，此时只能以等待的形式进行实时的数据调度，由于分块文件的大小一般较小，因此这种情况基本不会影响到系统的实时运行效率。经测试证明，上述的多线程数据异步调度策略可以较好的满足仿真系统的实时运行需要。
[0081]图9为本发明提出的分层动态路径规划方法的处理流程图，它从总体上说明了该方法的如何分阶段分步骤实现动态的路径规划。
[0082]三、大规模地形数据下的实验验证
[0083]我们使用Microsoft Visual Stud12008实现了本发明所提出的大规模地形环境下动态路径规划方法，并结合实际应用对其进行了测试。测试时所使用的软硬件环境为:
[0084](I)网络环境:100M以太网，采用TCP / IP协议；
[0085](2)系统运行的操作系统:Windows XP操作系统；
[0086](3)计算机硬件配置:AMD Athlon(tm)64X2DualCore Processor5000+2.61GHzCPU,2.00GB DDR RAM, NVIDIA GeForce8600GT Video Card ；
[0087]测试系统的交互界面主要由三部分组成，第一部分是二维地图，主要是用来二维图标显示以及关键路径点信息的标注；第二部分是用户指令操作面板，它提供了相关的操作命令按钮；第三部分是系统的三维显示窗口。
[0088]在系统完成初始化后，用户通过输入用户界面上的控制命令，选择要执行的命令，在二维图形界面上标定要走的路经关键点，点击指令操作面板中的下达指令按钮，系统收到这个消息后，调用动态路径规划算法进行实时路径规划。图10给出了系统下达机动命令后的效果，虚拟实体根据路径规划结果成一字队形向目的地点机动。
[0089]图11给出了在100M以太网环境下，系统在同时接入50个客户端的情况下，虚拟实体数量与绘制帧率之间的关系。从图中可以看出:随着虚拟实体的增加，三维窗口的绘制帧率呈下降趋势，其主要原因是随着需要进行路径规划的实体数的增多，路径规划计算及其相关的数据调度时间消耗均有所增加；在每个客户端控制60个虚拟实体左右，并平均以百公里的距离对这些虚拟实体进行动态路径规划时，系统依然可以保持实时平稳运行，这说明了本发明所提出的方法可以较好的满足仿真训练系统对大规模地形环境下虚拟实体实时动态路径规划的应用需求。
【主权项】
1.一种应用于虚拟仿真的分层动态路径规划方法，其特征在于包括两个阶段和八个步骤: 数据预处理阶段: (1)将原始的DEM高程数据和地表文化特征数据以lkm*lkm大小为基准划分为小数据块； (2)对每个小块数据分别提取坡度、坡向、沟壑、湖泊、河流以及道路等信息，所得信息数据存储到以原始小数据块文件索引编号的分类分块文件中； (3)生成管理所有小数据块信息的配置文件，以便于系统运行时通过解析配置文件对各类分块文件进行快速访问； (4)依据配置文件中设定的每类地貌地物因素的权重，分别读取和解析各类数据块文件，生成具有与原始数据分块文件相同索引编号的静态地图代价分块文件； (5)读取静态的地图代价文件，并调用基本的路径规划算法，分别在每个I千米*1千米地形块内预计算生成细粒度路径文件，这些分块文件与原始数据分块文件保持相同的后缀索引编号； 运行时动态路径规划阶段: (6)在I千米*1千米的分辨率层次上进行粗粒度路径规划； (7)读取并结合每个I千米*1千米地形块预计算路径规划生成最终的运动路径； (8)对于路径规划过程中的动态因素，在动态更新局部代价地图的基础上，调用基本的路径规划算法来对路径规划结果进行局部更新。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于本发明分预计算与运行时两个阶段，采用分层次的策略实现大规模数据的动态路径规划。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于本发明采用分而治之的思想对真实的大规模地形高程数据和地表文化特征数据进行分块处理，以便于将这些数据加载到内存；同时，采用在数据分块处理过程中自动生成的配置文件来对各类分块文件进行组织映射管理。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于本发明通过计算加权和的方式将地形属性的各类地貌地物要素统一纳为路径规划的决策依据，较好的解决了路径规划所需考虑因素的完备性问题。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于本发明基于真实代价地图对每个小数据分块通过预计算呈“米”字状的8条路径，将大规模路径规划的时间消耗较好的转移到了预计算阶段。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于本发明采用分层细化的方式来加速路径规划，并在对预处理文件进行多线程异步调度的基础上，通过动态路径拼接实现大规模地形数据的动态路径规划，较好地满足了路径规划的实时性要求。
【专利摘要】本发明提出一种应用于虚拟仿真的分层动态路径规划方法，该方法应用于采用大规模地形数据的虚拟仿真等领域。本发明采用分层的策略来实现大规模虚拟仿真地形中的动态路径规划，该方法包括步骤：将地表属性数据进行分块预处理；使用自动生成的配置文件组织管理预处理分块文件，以实现文件的高效映射访问；预计算和生成数据分块的细粒度路径规划，运行时使用基于高层次地图代价文件生成粗粒度路径规划结果，动态结合两结果并更新局部代价地图，生成最终的路径规划结果。该方法具有数据调度效率高、扩展性强的优势，适用于具有大规模数据的虚拟仿真等应用中的路径规划。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104573140
【申请号】CN201310464175
【发明人】贾照亮, 李刚, 淦家杭, 张鹏, 菅立恒
【申请人】北京军区军事训练模拟仿真研发服务中心
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月9日