李 卿

( 大連91550部隊， 遼寧 大連 116023 )

0 引 言

某大型測量任務由多套測量系統(tǒng)共同完成。這些測量系統(tǒng)涵蓋了光學、聲學、機械、電子以及數據處理等多項技術，技術密集度高，操作使用過程復雜，裝備之間協同交互性強，要求操作手對裝備基本操作規(guī)程熟練掌握，并能夠在緊急情況下對裝備故障迅速排除。由于實際裝備只能工作在海洋環(huán)境下，日常的實操訓練難以展開，迫切需要一種貼近實戰(zhàn)、易操作的訓練方法來提高裝備訓練工作的真實性和有效性。

解決這一訓練突出矛盾的方法是建立擴展性好、成本低、可多次重復和無風險的分布交互式仿真訓練平臺[1]。目前，開發(fā)分布交互式仿真平臺通常采用3種仿真支撐環(huán)境[2]：(1)自定義數據傳輸標準的共享內存方式；(2)基于DIS標準的仿真體系；(3)基于HLA標準的仿真體系。第1種方法簡便易行，但系統(tǒng)擴展性差，主要用于代理人數目較少的系統(tǒng)；第2種和第3種方法實現復雜，但擴展性好，適合建立多代理人的復雜仿真系統(tǒng)。尤其是HLA/RTI仿真體系框架，不但可以對仿真系統(tǒng)進行調度管理，還可以實時對仿真數據進行管理和分發(fā)。HLA已經成為IEEE建模與仿真的標準，并逐步取代DIS協議和ALSP協議，成為分布式交互仿真的通用技術框架[3-5]。HLA強調仿真資源的可重用性、仿真模型可擴展性和聯邦成員的互操作性，能夠提供大規(guī)模、多系統(tǒng)間的構造仿真、虛擬仿真和實況仿真。

HLA良好的可重用性使得仿真聯邦可以進行不斷擴展，在裝備更新和改造后仍然能夠滿足要求，而互操作性則加強了仿真子系統(tǒng)(聯邦成員)的交流和信息的共享，能夠更好地發(fā)揮測量裝備的協同優(yōu)勢，并可為裝備的二次開發(fā)提供平臺。為此，從測量裝備分布式的特點和日常訓練的實際需要出發(fā)，嘗試建立基于HLA聯邦仿真機制的訓練軟件環(huán)境，把測量裝備以分布的方式組合在一起，搭建分布式訓練仿真平臺，并對關鍵性技術問題作初步研究。

1 基于HLA的虛擬訓練平臺工作原理

1.1 聯邦成員的邏輯結構

HLA規(guī)定多個仿真應用通過網絡的聯合稱為聯邦(Federation)。聯邦是由若干相互交互的聯邦成員構成的集合。參與聯邦的所有應用都稱為聯邦成員，簡稱邦員。如圖1所示，虛擬訓練平臺由若干聯邦成員組成，這些聯邦成員包括觀察員邦員、海洋水體邦員和測試裝備邦員，作為分布在不同計算機上的虛擬仿真器，這些邦員仿真器相互之間進行信息的交互仿真，從而構成分布式仿真系統(tǒng)。HLA的特點是支持仿真系統(tǒng)的可重用和可擴展，正如圖1所示，聯邦成員通過聯邦接口模塊與RTI軟件進行交互，而不是直接與底層通信網絡進行交互，當有新的聯邦成員加入到聯邦中時，不必作任何的改動，只需對接口模塊進行編輯，從而提高仿真器的可重用和聯邦的可擴展，降低開發(fā)成本，提高仿真效率。

圖1 多個測量裝備仿真聯邦邏輯結構Fig.1 The logical frame of simulation federation for the measuring systems

1.2 仿真訓練平臺開發(fā)的步驟和關鍵技術

按照HLA規(guī)范，聯邦開發(fā)的一般步驟是：首先開發(fā)聯邦概念模型(Federation Concept Model，FCM)，對所研究的問題進行空間描述和界定，包括開發(fā)聯邦劇情，對聯邦主要實體的數量、能力、行為及相互間隨時間變化關系作功能性描述；然后是開發(fā)聯邦對象模型(Federation Object Model，FOM)，保證聯邦運行時各成員之間正確的數據交換；最后是根據所開發(fā)的聯邦對象，設計分布式支撐框架RTI軟件，完成對時間管理、步長推進等關鍵性軟件開發(fā)[9]。

2 建立聯邦概念模型(FCM)

2.1 仿真劇情設計

根據裝備的操作規(guī)程要求，結合被測目標運動的實際情況，對聯邦訓練系統(tǒng)仿真劇情設計如下：由多套裝備完成對被測目標運動姿態(tài)的記錄，這些裝備有各自的獨立性，能夠獨立完成各自的測量任務，彼此之間又有一定的關聯性，所以可以把它們分別視為聯邦成員，裝備聯邦成員的任務是對被測目標運行姿態(tài)進行記錄，包括聲學測量、光學測量和姿態(tài)測量等。建立視景聯邦成員，該聯邦成員應真實反映航行器、水體、被測目標等可視化信息，同時對被測目標運行姿態(tài)進行真實數值模擬和再現。視景聯邦成員相當于觀察員，不僅對仿真過程進行觀察，對仿真結果進行再現，同時對訓練效果進行考評。視景觀察員接收聯邦中其他成員的仿真數據，記錄這些數據，并驅動視景，把仿真過程用視景實時仿真的形式再現給仿真組織者，記錄的數據則用于事后分析和過程再現。為清楚再現測量環(huán)境，將海洋水體作為單獨的聯邦成員進行描述，其仿真的真實性可以增強觀察員的逼真度，并且該聯邦成員向光學測量裝備發(fā)布照度、透明度等海洋環(huán)境參數信息。

2.2 聯邦成員的交互

結合裝備的實際情況，設計了具有7個聯邦成員的仿真聯邦，包括觀察員、水體、被測目標、航行器和3個裝備邦員，其交互關系如圖2所示。在聯邦運行過程中，由被測目標將其動力學參數和圖像資料信息分別傳遞給聲學和光學測量裝

圖2 聯邦成員的邏輯關系Fig.2 Logical relationship of the federation members

備，水體參數將海洋環(huán)境參數傳遞給光測裝備，光測裝備將按照相應的參數信息進行數據采集。航行器將運動狀態(tài)傳遞給姿態(tài)測量裝備，姿態(tài)測量裝備獲取姿態(tài)數據后，將其結果傳遞給聲學測量裝備進行數據采集。觀察員接收各個聯邦的數據，生成動態(tài)的三維視景仿真圖像。

3 聯邦對象開發(fā)

聯邦對象模型(Federation Object Model，FOM)定義了聯邦和聯邦成員的交互數據，是HLA應用系統(tǒng)進行數據交互的基礎，也是開發(fā)HLA系統(tǒng)的關鍵技術之一。FOM的主要目的是為聯邦成員之間的數據交換提供一個通用的、標準的格式說明。數據內容包括所有對象類和交互類以及這些類的屬性和參數。如圖3所示，利用UML語言描述方法[6]，每個單元是一個類，箭頭指向為其父類，類成員數據為交互類參數，以及交互類的參與狀態(tài)是發(fā)布(publish)還是訂購(subscribe)，為建立一個完全開放的聯邦對象交互類，數據成員的狀態(tài)都是PS狀態(tài)，即既可發(fā)布也可訂購。

圖3 部分聯邦運行交互類結構圖Fig.3 Federation running interactive classes

4 RTI軟件設計

HLA的核心思想是通過仿真支撐軟件RTI將聯邦成員與底層網絡通信分隔開來，從而實現仿真系統(tǒng)的可重用、可擴展。RTI是HLA仿真系統(tǒng)的支撐框架，它為分布式仿真提供所需的軟件環(huán)境，并集成了分布仿真所需的功能(聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理等)。RTI軟件包括3個組件：rtiExec、FedExec和LibRTI。其中rtiExec管理聯邦的創(chuàng)建和撤銷，并指示成員加入正確的聯邦執(zhí)行。FedExec管理聯邦中成員的加入和退出。LibRTI是一個C++(或Java)庫，為聯邦成員開發(fā)者提供了HLA接口規(guī)范定義的一系列服務。邦員通過libRTI調用HLA的服務，并同rtiExec、FedExec和其他邦員通信。利用C++編程工具，創(chuàng)建訓練仿真平臺邦員RTI接口程序的流程如圖4所示。

圖4 HLA接口實現流程Fig.4 The flow chart for the HLA interface realization

5 裝備聯邦成員的實現

對于裝備聯邦成員，其開發(fā)程度的好壞將直接影響整個仿真系統(tǒng)的伸縮性和可擴展性。根據面向對象的思想，對裝備聯邦成員統(tǒng)一建立模型模板，即開發(fā)用C++實現的面向對象的、圖形化的、集成的底層建模、仿真工具。

裝備邦員的具體開發(fā)過程如下：通過建立基本的裝備對象庫、組件庫，按照模塊化、層次化的方法，建立裝備的仿真模型，模擬裝備的組裝、連線和控制，以及裝備的操作界面。對象庫(Object Library)包含基本對象(Basic Object)和各種應用對象(Application Object)。基本對象分為物理對象和信息流對象，應用對象是通過基本對象產生的，它可以任意放到對象庫中，以備將來使用。一個應用對象可能是一個基本對象的框架，或者一個完整的模型，或者一個模型的一部分，或者是幾個基本模型的組合。利用基本對象，任何測量裝備都能夠通過圖形化和交互的方法產生。應用模板(Application Templates)包含了基本對象和構造應用對象，根據需要，可以用應用模板來更新基本裝備模板。

6 結 論

對裝備操作使用和維修保障的熟練程度是影響測量裝備工作能力發(fā)揮的重要因素。通過建立測量裝備訓練仿真系統(tǒng)，可以獨立于各測量裝備的硬件系統(tǒng)開展基于分布式計算機仿真的訓練工作。所建立的HLA標準分布式平臺具有較好的實時性和交互性。如何對聯邦成員進行軟件開發(fā)，進一步提高仿真劇情實效性是本文進一步的研究方向。

[1] 劉鵬遠,張錫恩. 基于HLA某型裝備虛擬操作訓練系統(tǒng)[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2004, 16(6):1280-1283.

[2] 董光波,張錫恩. 聯邦式操作訓練仿真系統(tǒng)對象模型設計方法[J]. 計算機仿真, 2004, 21(10):201-205.

[3] 孫柏林,靳大安. 外軍建模與仿真綜述[J]. 計算機仿真, 2002, 19(1):4-8.

[4] 黃柯棣. 略論軍用仿真技術面臨的需求與發(fā)展的方向[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2001, 13(1):6-10.

[5] 遲剛. HLA仿真技術綜述[J]. 計算機仿真, 2004, 21(7):1-3.

[6] 盧鍵,齊歡,代建民. 基于UML的HLA/RTI聯邦執(zhí)行管理的可視化建模[J]. 計算機仿真, 2005, 22(6):170-173.