Программно-аппаратная интерактивная модель виртуального полигона

Компанией НПП “Адвент” выполнен целый спектр работ по проектированию имитационной модели виртуального полигона.

Виртуальный полигон (ВП) представляет собой программно-аппаратную среду, в которой можно разыгрывать произвольные сценарии с участием инструкторов, лиц, принимающих решения (операторов), тренажеров реальных машин, систем и приборов подключенных к ним.

Любая точка пространства полигона содержит всю необходимую информацию, а именно: атмосферные условия (температура, давление, влажность и т.д.), химическое, биологическое и радиационное состояние с указанием концентрации и уровня дозы, тип пространства и его параметры (земля, вода, воздух и т.д.). Помимо этого существует еще ряд дополнительных параметров: направление и скорость ветра в различных участках полигона, координаты и состояние тренажеров техники, которая участвует в розыгрыше, а также показания приборов и систем, подключенных к ВП.

/picts/devs/4/1.jpg /picts/devs/4/2.jpg /picts/devs/4/3.jpg

Для моделирования ВП решены две принципиальные задачи: во-первых, создана адекватная и полномасштабная модель ландшафта и, во-вторых, построена динамическая модель атмосферы в области виртуального полигона с возможностью задания в реальном масштабе времени различных внешних динамических воздействий, таких как выбросы аэрозолей, взрывы, погодные условия и т.д.

Особенности компьютерной модели атмосферы виртуального полигона

Атмосфера в расчетной области виртуального полигона для имитационной модели характеризуется температурой, плотностью, давлением, скоростью, в том числе ее проекциями по трем направлениям, а также концентрацией паров воды в каждой точке. Помимо этого в атмосфере могут присутствовать и различные аэрозольные образования, занимающие определенный объем и подверженные влиянию диффузионных процессов, конвективного переноса вследствие общей ветровой обстановки и конфигурации ландшафта моделируемой области. Эти образования могут оказывать влияние и на распространение других веществ в атмосфере. При моделировании учитывается влияние на распространение в атмосфере твердых частиц и аэрозолей электростатических полей, например, при наличии грозового фронта.

Атмосфера описана следующими наиболее важными моделями: динамической моделью движения влажного воздуха, находящегося под действием сил давления, влияния ветровой нагрузки в высотных слоях атмосферы и сил трения, определяемых, в том числе, и конфигурацией обтекаемого ландшафта, а также динамическими моделями образования движения облаков и грозовых фронтов.

Для имитационного моделирования атмосферных процессов в расчетной области полигона имеется возможность генерации в реальном масштабе времени искусственных атмосферных образований, включающих облака различных веществ. По природе данные образования могут имитировать быстрое распыление веществ с воздушного носителя или мгновенное их выделение в процессе взрыва в локальных областях в произвольный момент времени. Далее на эти облака будет накладываться динамика распространения при заданных атмосферных условиях.

Распространение образования может характеризоваться направлением, начальной скоростью движения частиц от центра облака к периферии и всего облака в целом, его начальным объемом и формой, начальным распределением концентраций и температур (возможно также плотности или давления) и их совокупным временным изменением. Возможно смоделировать и пространственное взаимодействие атмосферных осадков или искусственно распыленных в локальной области компонентов с веществом в наблюдаемом облаке, что позволит проследить динамику диссипации в атмосфере в виде снижения уровня концентрации распыленных частиц, а также определить область поверхностного осаждения со своими характеристиками.

В процессе имитационного моделирования легко и наглядно устанавливается дальнейшее распределение скорости, концентрации и температуры частиц облака. Параметры будут зависеть как от параметров атмосферы в расчетной области, так и от конфигурации выбранного ландшафта.

Структура имитационного виртуального полигона

Что касается моделируемых физических процессов, то динамика частиц облака будет определяться процессами физической механики, включая газовую динамику, химию, диффузионные и радиационные процессы обмена энергией между газовыми, жидкими, твердыми и искусственными источниками энергии, вследствие применения различных боевых средств. При этом существует возможность предварительного и/или оперативного вмешательства в задание начальных и граничных условий функционирования имитационной модели.

Особенно важным является повышенное внимание к процессам движения и трансформирования газовых компонент и облачных образований. Моделирование учитывает максимально широкий спектр физических и химических процессов, включая разницу температур на поверхности ландшафта и воздуха, вертикальные и горизонтальные компоненты скорости воздуха, имеющей место в приземном пограничном слое.

Создание компьютерной модели ландшафта виртуального полигона

В рамках имитационной модели ландшафтная поверхность виртуального полигона описана конкретными линейными показателями, т.е. координатами и высотами точек относительно заданного начального уровня, а также физическими показателями, такими как температура и функция поглощения (испарения) разнообразных летучих компонентов в зависимости от других параметров поверхности и состояния атмосферы в приземном пограничном слое. В свою очередь сама модель ландшафта включает в себя несколько важнейших составляющих:

  • собственно модель твердой поверхности;
  • высотную модель ландшафта в виде двумерной функции h(x,y);
  • температурную модель поверхности;
  • модель поглощения/испарения различных веществ поверхностью в каждой точке полигона с единицы площади (модель абсорбции и испарения).

Для компьютерного описания геометрической модели ландшафта производится триангуляция - дробление на небольшие плоские участки треугольной формы поверхности ландшафта. Каждая вершина треугольника поверхностного покрытия описывается тремя пространственными координатами. В каждой вершине определяется начальная температура и состояние приповерхностного слоя атмосферы. А в площади каждого треугольника задается модель поглощения и испарения потенциально возможных моделируемых веществ.

В каждый момент времени с определенной дискретностью производится расчет изменения температуры для всех вершин под воздействием температурных полей самого ландшафта (учет переизлучения поверхностей), а также влияния поверхностного слоя атмосферы или контактируемой водной среды.

Для повышения степени детализации расчетов, что характерно в случае достаточно крупной сетки дробления ландшафта, производится пересчет по простейшим линейным интерполяционным моделям нужных параметров по поверхности внутри каждого треугольника и расчет объема поглощения и испарения веществ из пограничного слоя. При этом вводится допущение о том, что свойства поверхности в пределах участка триангуляции постоянны.

Немаловажной особенностью имитации атмосферных процессов полигона является моделирование небольших водоемов, при этом при разработке и создании математического аппарата принято допущение о том, что водная поверхность является безволновой и без течений. В модели учитывается описание периметра водоема, температурная модель верхнего слоя воды, модель абсорбции и испарения различных веществ поверхностью водоема.

В процессе имитационного моделирования в ВП могут быть внесены внешние события, такие, как боевые действия с применением различных средств вооружения (в том числе, ОМП), террористические атаки, промышленные аварии, экологические катастрофы, выход из строя технических средств, ввод дополнительных ресурсов (могут задаваться инструкторами или про¬исходить спонтанно с заданной вероятностью).

Работа людей в такой среде, в том числе в конкурентном режиме (виртуальные учения, боевые действия) позволит познакомиться с ситуациями, максимально приближенными к реальности, на практике разобраться в сценариях взаимодействия и принятия решений, отработать навыки, полученные при изучении отдельных образцов техники, проверить и закрепить знания тактических приемов.

Особенности программно-аппаратной реализации компьютерной модели атмосферы над виртуальным полигоном

Программно-аппаратная реализация строится на принципе блочного структурирования. Центральным звеном структуры является модель атмосферы в расчетной области полигона с учетом заданного ландшафтного рельефа. Модель обеспечивает циклическое восстановление распределений нужных параметров атмосферы для меняющихся по известным законам граничным условиям и детерминированной конфигурации ландшафта. В процессе моделирования могут регулироваться и собственно погодные условия, в том числе направление и сила ветра.

Организация имитационного моделирования на ВП

Задачу восстановления параметров атмосферы с требуемым временным разрешением обеспечивает центральный сервер. Требования к этому серверу весьма высоки, поскольку именно он будет обеспечивать обработку большого количества данных.

Следующей важной расчетной составляющей будут являться так называемые блоки «подыгрыша». Назначение блоков состоит в генерации в реальном масштабе времени внешних воздействий на атмосферные параметры. «Подыгрыш» можно разделить на две компоненты: первая направлена на формирование в атмосфере естественных структур типа облаков, осадков и т.п., что характеризует погодные условия, а вторая направлена на формирование искусственных образований в атмосфере в виде облака распыленного аэрозоля, облака от взрыва и т.п. Структуры «подыгрыша» моделируются и формируются на отдельных компьютерах, информация с которых «вбрасывается» в массивы данных атмосферной модели на центральном сервере.

Далее атмосферная модель на центральном сервере проводит прогнозирование параметров с учетом тех данных, которые были сформированы блоками «подыгрыша».

Все тренажеры, приборы и системы подключаются к ВП по единому информационному протоколу и обмениваются с ним информацией.