结合在航天发射领域开展的数字化设计验证、数字化合练与模拟训练、箭地联合仿真评估等应用工作^[1-5]，基于虚拟现实、系统仿真、数据可视化^[6-9]等技术，本文主要围绕发射信息可视化通用技术展开研究，支撑实现对重点关注的产品技术状态、勤务系统技术状态、场区环境状态的实时监视，发射任务整体态势综合分析，以及可能存在的爆炸、泄露事故的安全评估，确保产品系统的使用安全，协助各级指挥员、工作人员完成发射任务。

如图1所示，总体架构分为应用层、支撑层和基础层。

任务状态可视化是为了确认任务状态的安全性。操作流程可视化是为了验证操作人员的工作流程、关键操作、时空关系的合理性。系统接口可视化是为了验证各系统间接口的匹配性。科学计算可视化是为了增强科学计算过程的可操作性和结论的可解释性。

数据管理主要根据数字化实验建设成果数据整合生成可视化运行的数据集。脚本管理主要快速编辑生成并自动解释执行可视化运行的脚本文件。场景管理主要生成可视化运行的二三维仿真基础环境。计算管理主要集成、调度可视化运行的计算资源。

技术架构如图2所示。不同功能模块之间采用消息队列^[10-12]的形式进行交互。

对于接口服务器实时推送的数据包，按照数据解析脚本进行网络协议解析，并按照测点脚本进行格式转换、内容筛选和清洗去重等预处理操作，得到符合可视化要求的实时数据。对于数字化实验建设成果数据，按照元数据映射规则进行整编处理，得到符合可视化要求的数据集。统一数据加载提供实时数据、数据集的统一访问接口。

脚本编辑提供发射信息可视化想定编辑环境，实现数据测点、数据解析、元数据映射、语义关联和可视化流程等脚本的编辑功能。脚本解释主要解析可视化流程脚本，并将脚本指令分别发送给场景生成、计算资源调度和统一数据加载，用于构建可视化基础环境、调用计算资源开展实时计算和按需获取数据资源。场景生成在可视化基础环境下按照语义关联脚本集成计算结果、实时数据和数据集，生成可供场景显示调用的可视化场景。

如图3所示，所有功能模块均采用线程设计，主线程通过统一框架集成调用场景管理、脚本管理、计算管理和数据管理相关线程，实现交互控制、实时显示、资源调度和综合集成等。

对任务状态、操作流程、系统接口和科学计算的可视化仿真分析模型数据需求进行分析，并针对性构建可视化建模方法，包括高大空间复杂结构场景模型构建、三维数字化实时显示模型构建、厂房空间布局模型构建、测发流程推演评估模型构建、星箭地接口协调模型构建和面向计算实验的多工况危险性评估模型构建等。

收集整理发射任务所需的地面保障诸类要素，将发射场实验任务保障要素划分为地面设施、设备、工装、人员等基础资源，并在上述大类定义的基础上进行细分，定义关注的相关重点数据信息。

(1) 设施基本情况介绍、任务执行情况、适应型号分析、组成及平面布局和图档资料(技术手册、图纸)等基础信息以及发射塔架、重点技术厂房各项尺寸参数、性能指标、限制区域、设备接口等基础信息。

(2) 非标、供配电、加注供气、通信、暖通、消防、自控、环境检测、监测、C3I等各系统设备关键属性信息，产品、工装接口及技术要求信息、人员岗位信息。

(3) C3I实时传输信息，三维加注实时显示，视频监控信息，物联网监测信息。

集成各数据元素的基础上，支持各级用户通过三维仿真环境利用发射场各类信息，根据用户需求进行信息综合统计分析，科学、直观、定量显示地面设施设备的各类保障资源信息，满足不同用户所关注的信息服务要求。

包括各类三维模型、计算模型、流程模型等。

(1) 三维模型

结合使用Revit三维设计技术与仿真技术，完成发射场单体的三维建模，根据施工图完成各单体建筑中结构、加注供气、非标等多专业设备、航天器及运载器、各类人员和工装的三维建模，建成与实际发射场1∶1比例的数字化发射场^[13-14]，形成丰富完善、直观准确的三维数字化发射场资源库，包括发射场环境模型、发射场设施设备模型、火箭与卫星产品模型、地面工装模型、复杂问题仿真所需的各种计算仿真模型。

1) 设施建模

发射区以塔架、加注设施、瞄准间等作为重点建设对象^[15]。技术区以总装测试厂房、水平转载测试厂房、加注扣罩厂房等作为重点建设对象。在航天器和运载器的塔架操作空间、技术厂房的操作大厅、转载间、加注间和其他工作用房完成动平衡区域等不可载重区域、照明等突出物体、操作环境尺寸、吊车可达区域，以及测试间分布等区域和障碍物的细节建模。

2) 设备建模

非标设备：行吊、塔吊、塔架平台、垂直总装厂房大门、电缆摆杆、活动发射台、铁轨等；

供电设备：配电箱、插座箱、UPS电源、接地端子、电缆沟(墙面及地面开口)等；

消防设备：消防管路、消防环等喷水装置；

加注设备：加注管理、加注口、各类阀门、储罐、泵、仪表、电缆沟、硬管连接口等；

自控设备：工控机、可编程控制器、控制台/箱/柜、PLC、投影仪、控制网络、电缆等；

通信设备：光纤RF转发设备、光纤口、网口、电话口等；

气体监测设备：工控机、报警控制器、气体监测探头等；

C3I设备：监测终端、接口计算机、交换机、服务器、投影机、切换矩阵、LED屏、工作台等；

产品：航天器、运载器、操作口、工装设备、运输设备，活动发射平台模型等，火箭产品包括组合体模型(各级、助推、整流罩等组合在一起)，各组件模型、各类加泄装置模型(外部凸起物)、火箭开口模型及对应信息(以配置文件存在，用户可编辑)；

人员：各类人员，实现人员不同操作的骨骼建模；

各类工装模型，含人物(基本操作动作：蹲、站、趴、手臂动作)、工作梯、踏板等。

(2) 计算模型

计算模型由各类基础算法和评估算法组成，能够为用户实现各种分析评估功能提供核心算法支持。

(3) 流程模型

实现典型流程模型积累，在流程模型中可选择任务典型流程，实现基础流程的载入、修改及配置，为快速定制流程，形成合练及任务保障能力提供模型支撑。

各厂房的信息均基于二维图纸，需要重新进行三维建模，如图4~5所示。厂房数量多，结构复杂，选择非有限元建模平台AutoCAD进行建模，通过开发独立的转换程序，按照指定格式输出到其他有限元软件平台。实际厂房结构非常复杂，建立完整的几何模型具有很大难度，庞大的网格数量也无法用于数值计算，几何模型主要包括柱、梁、楼板、剪力墙、砌块墙、屋面、大门等要素。为了使计算量控制在可接受的范围内，同时保留结构的主要特征，使用一维直线配合截面信息建立厂房的梁、柱几何体(即梁单元)，使用二维平面配合厚度信息建立厂房的楼板、墙、屋面、大门等几何体(即壳单元)，同时分别附加材料信息。对于“H”型、“L”型和“口”型等特殊截面的梁单元，按照主截面惯性矩等效的原则，简化为矩形截面梁。建模流程如下：

step 1：建立文件和轴网。新建dwg文件，建立轴网图层，拷贝厂房CAD图纸的一层标准轴网，打散后全部放置到新建的轴网图层内，调整原点位置，调整轴网间距，按米取整，对分隔缝处相邻的轴网进行合并；

step 2：建立图层。根据结构图纸的分段说明，建立各段(层)的图层群，每一个群内包括若干图层，用于存放各类建筑构件，同一图层具有相同的材料属性，为便于区分赋予图层不同的颜色，各段(层)的图层群建立完成后，还需根据需求建立平台，火箭等图层；

step 3：建立材料。根据建筑构件的材料，建立“普通钢筋砼”、“高强钢筋砼”、“砌块”、“Q235钢”和“Q345钢”等5种典型材料名称，并将每个图层赋予对应的材料信息；

step 4：建立厂房文件。用于存储柱和梁的截面尺寸，每一行包含截面说明、截面编号、截面宽、截面高共4个元素，其中编号要与dwg文件中梁的截面编号相对应；

step 5：建立几何模型。分段(层)建立模型，在每段(层)中一般按照柱➝梁➝剪力墙➝砌块墙➝大门➝楼板的顺序进行。每建立一个柱、梁时，需要赋予截面和材料信息，截面编号加入到step 4建立的厂房文件中；

step 6：处理厂房重合部分。在分段建立的模型中，各段之间存在500 mm左右的变形缝等间隔，为了使模型连续和封闭，将相邻的墙体进行合并，对厚度进行叠加；

step 7：导入截面信息。在dwg文件中新建表格链接，从厂房文件中导入梁截面信息；

step 8：模型处理和信息提取。对模型进行处理，获取几何信息、检查重叠、剖分几何体，保证相邻几何体共用节点。处理完毕后输出剖分后的dwg文件以及txt格式的数据文件；

step 9：模型转换。将txt数据文件转换为APDL程序，并在ANSYS中运行，得到厂房模型；

step 10：模型检查。在ANSYS中检查厂房模型，确认几何体完整、连续，材料和截面信息齐备；

step 11：添加材料信息。

针对航天发射场测发流程实时数据驱动关键设备实施仿真动作的平行推演需求，重点围绕发射场产品设施设备信息可视化管理及实时任务保障等，开展三维数字化实时显示模型构建工作。

(1) C3I信息实时显示模型。针对C3I网信息，构建网络处理接口，通过可配置文件接收来自C3I网络的信息，接口处理程序可以适应不同基地、不同C3I网的信息，通过信息接收显示发射场地面设施设备的实时状态。C3I信息包括：塔勤信息，即厂房大门打开状态、整流罩空调温度湿度、塔架回转平台打开关闭状态、电缆摆杆摆开合拢和瞄准窗开闭作业状态；火箭测试信息，即总检查、发射期间的测试信息；气象信息，即当前及预报信息，进行文字、表格和三维直观状态形式显示；指挥口令信息；时统信息等。

(2) 三维加注信息实时显示模型。通过接收地面测发设备实时数据驱动三维模型，显示加注阶段的设施设备实时状态，并支持任务回放分析。主要功能包括实时显示和数据回放。实时显示根据接收的加注系统监测数据，实时三维显示加注过程(加注泵启动、阀门开关、储罐储箱的液位、加注管路液体流向、流量、温度、压力等动态变化过程及信息显示)；数据回放将相关地面设备在任务执行实时接收的数据时自动存储至服务器数据库，根据数据库记录可进行不同任务的三维显示回放。

(3) 物联网监测信息实时显示模型。实时显示人员活动、关键设备指标、报警等监测信息。

通过构建厂房空间布局模型，在实验任务中产品进场前对厂房适应性条件进行先期验证，实现提前发现问题，提前解决问题。需要根据不同的发射任务对产品的静态匹配关系进行验证，对主要工艺间进行空间协调。

(1) 二维布局分析模型。在二维环境(可选用VISIO等绘图软件)中进行设备的布局设计与分析，通过建立图元库标识各技术厂房和产品工装设备，建立各技术厂房的二维平面底图，通过选择厂房模版，直接获取带有具体尺寸及结构标识的详细流程图样，在此基础上从图元菜单中选择相应的设备图元完成布局编辑，可使用鼠标进行拖拉图元库中的图元来进行布局编辑调整，并显示重要设备信息，即要求能够在二维布局图上显示出所需要展示的设备名称、设施设备接口属性、距离等信息。

(2) 三维布局分析模型。三维布局(如图6所示)可导入二维布局图作为基础编辑状态，亦可新建布局文件进行布局，可从模型库中通过拖拽的方式添加模型，暂时没有相应三维模型的，设备根据用户输入的设备属性信息(基本形状、外包络尺寸、吊点、被吊点等)生成临时三维模型，或导入模型库中已有类似模型为临时替代模型，临时三维模型要标注其临时状态，用其他任务模型作替代的要能查询此模型原始出处。

对于有接口或区域功能约束的，布局摆放能给出相应的提示，如禁用区域、专用区域、吊车运行区域，要求三维布局结果可输出为二维布局图，结合设施设备信息可视化显示，准确标识三维环境中的设施设备接口信息。

测发流程推演评估模型构建主要包括实验任务流程建模、实验任务流程推演验证建模和实验任务验证结果输出建模。

(1) 实验任务流程建模。在进行实验任务流程推演、验证和辅助决策之前，需要对该任务进行流程编制，测发流程推演评估的输入和约束条件是系统间接口控制文件。从接口控制文件中梳理出实验任务中需要仿真分析的内容、测试发射工艺流程，这些是实验任务仿真的输入条件。已有的典型流程按卫星数量分为一箭一星和一箭多星，按上塔方式分有整体吊装和分体吊装。仿真分析的重点分为航天器准备、火箭准备、发射场准备、技术区联合操作、转场、发射区联合操作。根据厂房空间布局模型提供的二维、三维布局分析模型输入流程序列和节点状态的约束条件、编辑规范、序列标定规则，为测发流程推演评估工作的展开提供了统一的数据输入模式，为实验任务的数字化开展奠定了基础，提高了测发流程推演评估的数据积累和重用效率。

(2) 实验任务流程推演验证建模。在测发流程推演评估的建设过程中，根据流程推演的步骤建立流程序列、每个步骤前置条件、每个步骤推演标准、关键环节判定等模型。实验任务流程推演验证模型的构建提高了实验任务仿真推演的效率，确保了关键环节的仿真评估能力。实验任务流程推演验证模型的构建涵盖了产品抵达发射场至发射的全过程，根据系统划分如下：

火箭：

产品进场运输；

运载火箭总装、测试；

运载火箭与卫星对接及联合检查；

组合体垂直转运；

运载火箭加注与点火发射。

卫星：

产品进场运输；

卫星总装、测试；

卫星加注、合整流罩；

星罩组合体垂直转运、与火箭对接；

卫星在发射区的检查测试。

实验任务流程推演的标准化建模也为实验任务验证结果的输出奠定了基础。

(3) 实验任务验证结果输出建模。实验任务仿真推演比选完毕后，在得到各专业专家对流程的评定认可后，要提交实验任务仿真软件和实验任务仿真分析报告。实验任务验证结果输出标准模型对这两者的提交输出做出了标准化要求，其中实验任务仿真软件基于实验任务流程推演模型和实验任务流程编辑模型，输出时规范了关键步骤提示信息的显示时机、内容和范围(在仿真推演过程中这些显示属性都是可控的，但是输出目标是供非仿真专业人员使用，且此时流程推演、比选已结束，形成最终流程方案，显示目的是为准确表达仿真结果和操作注意事项，因此关闭不必要的功能，约束输入内容，将仿真结果的演示进行标准化)。实验任务分析报告则通过文本的方式描述仿真结果，提供流程介绍，显示关键节点布局图，为测发总体制定发射场操作流程提供理论依据和内容。实验任务验证结果输出模型对此规范了文档输出格式、内容和布局图覆盖范围和显示信息。

(1) 操作可达性分析模型。通过人员在平台上的操作位置和高度判断是否可以对舱口内的设备进行操作，包括人手能够接触的物体的范围、人眼能够看到的物体的范围。若低于舱口位置，平台如何调整？摆放多大尺寸的踏板？架梯是否可以达到？若高于舱口，平台放置最低，判断人员是否需要弯腰、趴下等姿态完成操作。

(2) 接口匹配性分析模型。电接口(脱插)匹配性分析模型：考虑电缆与电接口的负载匹配性，查看电缆的负载等信息，判断需要什么型号和负载的电缆，选择后，进行连接示意。气接口(空调、供气)匹配性分析模型：主要考虑气管和气接口的匹配性，查看接口及管路的孔径、型号等信息，判断需要什么规格的管路，选择后进行连接示意。液接口(加注)匹配性分析模型：主要考虑加注接口的匹配性，查看接口及管路的孔径、型号等信息，判断需要什么规格的管路，选择后进行连接示意。软管、硬管之间的接口匹配性分析模型：硬管主要部署在设施上，会通过一段软管与产品接口连接，考虑软管、硬管的孔径匹配性，查看软管、硬管的孔径、型号等信息，判断需要什么规格的管路，选择后进行连接示意。

(1) 核辐射环境下操作危险性评估模型。根据辐射剂量率估算公式，采用MATLAB插值计算出特定区域内各点辐射剂量率，然后将剂量率的取值划分为若干区间，并对每个区间用数字表示，最后绘制出辐射强度等高图，实现了对塔架区域内监督区/操作区划分以及整流罩外49.7~57.5 m高度范围辐射剂量分布的显示，从而完成了塔上测发过程中发射场处于核辐射区域的辐射影响定量分析和直观展示。

(2) 爆炸事故危险性评估模型。①忽略反射波等作用；②在第1条假设的基础上，只考虑模拟冲击波波前的演化过程。将整个空间分为若干个子空间，冲击波从爆源开始，每一步向外扩展1层子空间，通过依次计算每层子空间集实现对波前演化的模拟；③结构节点坐标按m取整，计算时，结构面按照固壁边界条件进行处理。在对波阵面进行模拟后，根据能量法则定性判断该墙面是否被破坏；④在对冲击波模拟的同时，提取出模拟为固壁边界条件的结构面上的压强，待计算结束后使用通用显式动力分析程序^[16-17]进行结构计算。

(3) 泄露事故危险性评估模型。主要是针对偏二甲肼、四氧化二氮的毒性进行分析。蒸发过程利用一系列蒸发速率的经验公式^[18-19]作为污染物气态扩散过程的输入条件，简化整个泄漏安全分析的仿真过程。气态扩散过程使用Fluent的多物质输运模型能模拟气体污染物在空气中的扩散过程。

如图7所示，基于脚本的流程可视化技术支持人机交互的方式分步骤定义流程，流程指令通常包含可视化方式、时间、对象、参数等要素信息，支持可视化编辑和程序代码映射。通常，流程通过拖拉组件方式进行创建，通过参数配置界面进行实例化，并通过连线方式确定执行顺序，最后由流程编辑输出流程脚本。

如图8所示，脚本解析对流程脚本^[20-22]进行分解得到可视化对象集合-模型队列和可视化操作集合-指令列表。指令执行主要集中控制可视化进程，并分发模型驱动指令、场景生成指令和实时计算指令给相应功能模块，协同完成流程可视化操作。

如图9所示，仿真建模除了需要建立模型内部结构，明确模型运动方式、活动值域以及物理系统连接关系外，还需要实现三维实体模型与真实属性数据间的关联映射。

如图10所示，模型数据关联映射主要包括构建场景基础布局、增加模型图元、实例化模型图元、增加信息图元、实例化信息图元、语义关联脚本文件输出等过程。

航天器在进行测试准备的后期需要进行燃料加注，燃料一般为四氧化二氮、偏二甲肼，具有较高的爆炸危险性和毒性，是发射场各类设施的重大危险源。为了保障人员、航天器、运载器及地面设施设备的安全，需要针对航天发射场可能存在的爆炸事故和泄漏事故进行分析。爆炸分析借助三维可视化手段给出建筑物内冲击波超压的分布范围，分析爆炸作用与距离的关系，挖掘对建筑物造成破坏影响的当量阈值，同时验证防护墙结构对近距离内爆炸事故的防护效果，最后给出建筑物破坏和人员安全分析以及防护建议。泄漏分析借助三维可视化手段对室内污染物(偏二甲肼和四氧化二氮)扩散过程仿真，考虑未开启事故排风(Normal)、开启事故排风(AE)、关闭空调开启事故排风(NoAC)3种工况，分析污染物(偏二甲肼和二氧化氮)的扩散过程、风速的影响、泄漏源流量影响。

如图11所示，以某发射场加注扣罩厅爆炸工况为例，选取压力范围在0.109(人员受伤，建筑轻度破坏)~0.176 Mpa(人员死亡，建筑完全破坏)作为重点分析区域，可以看出整个加注扣罩厅会受到冲击波作用。

如图12所示，可以看出加注扣罩厅与周边附属房间相邻的墙体均会发生非常严重的破坏。

任务期间需要在塔上完成特种设备的安装，由此给测发保障带来诸多挑战：①如何在特种设备的运输、储存、安装、测试、使用过程中对周围人员进行有效防护没有实际经验可以借鉴；②工艺较为复杂，涉及的工装设备较多，通过传统的CAD图纸无法获取物体间的空间相对关系、运动过程中的干涉等动态信息，无法体现工艺的细节及全部动态过程。

针对实验任务的工艺流程、操作环节、特种防护等构建科学的评价指标体系，形成时间、空间、人员等约束条件下的特种操作及工艺制定指导依据。包括：①实现航天器及配套工装上塔、整流罩翻转上塔、航天器对接扣罩和特种设备上塔过程的模拟，重点考核塔上封闭空间内工装摆放布局方案的合理性和系统对发射场技术流程的合理性；②协调航天器舱口、气管连接器、推进剂加泄连接器等与操作平台和摆杆的空间位置关系，确定各层升降平台及摆杆水平杆标高，确保加注供气管路连接等的可操作性和安全性。验证特种设备安装的可操作性等；③根据权威部门给定的公式、数据与计算结论，显示特种操作空间危害分布情况，包括塔架操作区和监督区、塔架上整流罩外柱面危害分布图、人物受危害程度。实时计算选定位置的危害率和给定时间长度内危害累计。

如图13所示，通过对发射区工艺流程及特种操作展开三维仿真演练、分析评估和优化设计，及早发现了薄弱环节并加以改进，从而确保了任务顺利实施。

探测器天线发送信号经过透波口后，会投射出一个立锥体的信号范围，需要确保转发天线在信号范围内，才能转发成功信号。由于信号源位于回转平台包围之中，转发天线的摆放位置通常位于固定塔端，两者之间存在摆杆、栏杆等金属构件，在信号传播的路径上经常会出现遮挡情况，所以，如何选取转发天线的摆放位置，确保信号尽量能接收到，或者如何修改透波口位置，确保信号尽量少地被遮挡，是需要重点关注并解决的问题。

如图14所示，针对整流罩开孔改进方案可行性进行了仿真验证，发现了天线信号被回转平台遮挡以及某些操作口的操作难度较大等问题。

测试发射流程状态可视化仿真分析主要工作包括：①实时监测分析产品温度和压力，平台、计算机、配电器系统状态；②利用二三维加注流程图联动展示工艺流程、加注液位信号、加注量实际值与装订值，以及各监测对象所处环境；③利用二三维设备控制系统图联动展示设备的运行状态，并仿真推演大门打开/关闭、工作平台翻起/放下，以及电动门打开/关闭的过程；④利用二三维环境监测分布图联动展示推进剂浓度、火灾、温湿度，闯入报警的位置、等级、详细数值等信息，排风系统、消防系统风阀位置及开度信息，单体综合环境态势信息，以及现场图像信息等，直观呈现事故扩散趋势和严重程度，为人员逃生、现场事故控制等提供决策参考依据。显示界面如图15所示。

本文开展航天发射可视化仿真分析技术与应用研究，取得了一定研究成果：①建立了二维分析与三维仿真、定量计算与定性评估、动态模拟与静态展示、虚拟现实与精准模型相结合的可视化集成环境；②采用数据集成融合、统一数据加载等技术，突破了科学计算可视化中大数据量的存储管理、加载显示等一系列技术难点，增强了系统的科学性、可靠性和可扩展性；③通过虚拟仿真技术建立科学计算可视化环境，可以在形象直观的三维虚拟场景下模拟任意事故工况、特种操作，并能够在一定程度上提供评估、论证的功能，这样就大大改进了现有的工艺设计评估的工作模式，无疑为今后工程方案的设计及优化提供了一个新的技术手段；④支撑实现发射场设施设备的信息化、数字化管理，从而为航天发射的可靠任务执行提供可视化技术保障。

航天发射可视化仿真分析技术在航天发射场规划论证、工程建设、任务保障等阶段均取得了成功应用，建立了技术支撑平台、工具，取得了重要的应用效益。具体体现在，针对文昌航天发射场方案辅助决策、参试系统接口协调、任务流程仿真推演、人员模拟训练以及信息可视化服务等方向提供了有效支撑手段，确保了文昌发射场设计建设、任务实施等工作的顺利开展，为发射场“长征7号”运载火箭、“长征5号”运载火箭、货运飞船、“嫦娥5号”探测器合练与任务成功执行提供了可靠的保障条件。

航天发射可视化仿真分析技术是伴随文昌航天发射场的建设、应用过程提出并发展起来的，相关技术具有前瞻性和实用性，为发射场后续建设更为完备的数字化实验技术体系提供了基础条件和重要支撑，是航天发射数字化建设领域的突破性创新工作，主要成果对其他发射场具有重要的参考和推广应用价值。