肖樹臣， 陳秀健， 陳 萃， 劉 凡

(空軍航空大學(xué)，長春 130022)

0 引言

飛機機載武器管理系統(tǒng)進行實裝訓(xùn)練會造成機載電子設(shè)備使用壽命縮短，同時訓(xùn)練時機受天氣影響比較大，不利于飛機設(shè)備的長期使用?；趯嵮b訓(xùn)練的缺點，現(xiàn)在各個國家都在積極開發(fā)各種系統(tǒng)的地面模擬器，美國在仿真領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。相對于實裝訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練具有安全、經(jīng)濟、可控、可多次重復(fù)、無風(fēng)險不受氣候條件和場地空間限制、既能常規(guī)操作訓(xùn)練，又能培訓(xùn)處理各種故障(包括災(zāi)難性故障)的應(yīng)變能力以及訓(xùn)練的高效率、高效益等獨特優(yōu)勢。結(jié)合飛機機載武器管理系統(tǒng)分布性、重用性、交互性的特點和模擬器的設(shè)計要求，利用HLA仿真的聯(lián)邦成員之間的互操作性和仿真模型與部件的重用，設(shè)計了基于HLA機載武器管理仿真系統(tǒng)。

1HLA

美國國防部于1995年發(fā)布了建模與仿真主計劃(M＆S Master Plan，MSMP)，決定在國防部范圍內(nèi)建立一個通用的仿真技術(shù)框架來保證國防部范圍內(nèi)的各種仿真應(yīng)用之間的互操作性。技術(shù)框架的核心是高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)。HLA在1996年8月完成基礎(chǔ)定義，隨后被北約各國采納，并于2000年9月被IEEE接受為標(biāo)準(zhǔn)。美國國防部規(guī)定2001年后所有國防部門的仿真必須與HLA相容。

HLA充分利用了交互仿真部件之間的互操作性和部件個體的可重用性。DMSO HLA 1.3規(guī)范主要由3部分組成:HLA規(guī)則(HLA Rules);HLA接口規(guī)范(Interface Specification);HLA對象模型模板(Object Model Template，OMT)［1－4］。

HLA規(guī)則共有10條，前5條規(guī)定聯(lián)邦必須滿足的要求，后 5條規(guī)定聯(lián)邦成員必須滿足的要求［5－6］。HLA接口規(guī)范定義了聯(lián)邦在運行過程中，支持聯(lián)邦成員之間互操作的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。這些服務(wù)分為6大類，即聯(lián)邦管理服務(wù)、聲明管理服務(wù)、對象管理服務(wù)、時間管理服務(wù)、所有權(quán)管理服務(wù)和數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)。HLA OMT定義了兩類對象模型:1)聯(lián)邦對象模型(FOM);2)聯(lián)邦成員的成員對象模型(SOM)。

2 基于HLA的武器管理系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)研制目標(biāo)

系統(tǒng)旨在建立一個可視化的，具有交互性和重用性強的某型飛機機載武器管理系統(tǒng)的分布式仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬該機機載武器真實的發(fā)射控制流程，用于對空軍飛行人員和地面人員訓(xùn)練使用。達到使訓(xùn)練人員快速熟悉武器系統(tǒng)的操作流程，并且能夠設(shè)置故障，讓操作人員將來能夠在真實設(shè)備上快速排故，提高快速反應(yīng)能力和整體戰(zhàn)斗力。

2.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計要求

1)具有良好的互操作性和可擴充性，為以后該型飛機其他仿真系統(tǒng)(如:飛機發(fā)動機系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng))的接入留有接口并做好準(zhǔn)備，方便其他聯(lián)邦成員的設(shè)計和進行系統(tǒng)升級。

2)具有分布性，各個子系統(tǒng)要相對獨立，可以進行單獨開發(fā)和操作，具備與真實設(shè)備相同的控制顯示功能。

3)具有良好的實時性，系統(tǒng)連接真實的武器設(shè)備，要求控制指令與反饋操作實時性好，模擬真實武器發(fā)射控制。

4)具有逼真的可視化效果，具有友好的人機交互界面，武器發(fā)射形象逼真。

5)具有良好的可靠性、可維護性，方便操作人員使用維護，具有很高的可利用率［7］。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

高層體系結(jié)構(gòu)HLA代表著未來分布式交互仿真的發(fā)展方向，其宗旨是提高仿真系統(tǒng)之間的可重用性和互操作性，以利于仿真系統(tǒng)的重構(gòu)。而HLA只是一種軟件體系結(jié)構(gòu)，不是軟件實現(xiàn)，真正的實現(xiàn)是運行支撐環(huán)境RTI(Run Time Infrastructure)。RTI負責(zé)底層的信息通訊，使仿真應(yīng)用與底層通訊相分離，便于各個聯(lián)邦成員的單獨開發(fā)，使得仿真系統(tǒng)開發(fā)效率大大提高，它在仿真執(zhí)行過程中負責(zé)聯(lián)邦成員間的信息交換，包括了運行庫函數(shù)。

通過對該仿真系統(tǒng)的分析研究，將該系統(tǒng)劃分為4個聯(lián)邦成員，分別是仿真控制聯(lián)邦成員、座艙顯示控制聯(lián)邦成員、機載武器聯(lián)邦成員、視景仿真聯(lián)邦成員。4大聯(lián)邦成員的模型和功能如下。

1)仿真控制聯(lián)邦成員。對仿真初始狀態(tài)進行設(shè)定，運行RTI創(chuàng)建聯(lián)邦，機載武器的選擇和掛載方案的設(shè)定，并且負責(zé)整個仿真過程的開始和結(jié)束。

2)座艙顯示控制聯(lián)邦成員。模擬真實駕駛員座艙，為操作員提供與真實飛機相同的、并且與真實武器控制面板相同的操作按鈕和控制面板，主要用于提供對機載武器進行控制的一切控制信息，控制武器的選擇和投放。座艙顯示控制聯(lián)邦成員用GL Studio制作，仿真效果如圖1所示。

圖1 座艙顯示控制Fig.1 Cabin display control

3)機載武器聯(lián)邦成員。真實的機載武器實體，可掛載炸彈、火箭彈和導(dǎo)彈，主要是在地面對機載武器進行充填裝載，模擬真實飛機武器的掛載。

4)視景仿真聯(lián)邦成員。對裝載的機載武器進行逼真顯示，主要模擬武器從飛機上的投放過程，使仿真更具生動性。

基于HLA的體系結(jié)構(gòu)要求和RTI的運行支撐環(huán)境，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of system

3 聯(lián)邦建模開發(fā)

3.1 系統(tǒng)想定

仿真控制聯(lián)邦成員對系統(tǒng)進行初始裝訂，當(dāng)模型飛機遭遇敵機時或轟炸地面目標(biāo)時，操作人員通過操作模擬座艙仿真面板產(chǎn)生武器控制信號，通過通信系統(tǒng)，控制信號傳給機載武器聯(lián)邦成員，武器系統(tǒng)做出響應(yīng)的投射響應(yīng)，然后該響應(yīng)傳給座艙顯示控制聯(lián)邦成員和視景仿真聯(lián)邦成員，顯示武器已經(jīng)投放。

3.2FOM/SOM 設(shè)計

FOM和SOM的設(shè)計通常在系統(tǒng)設(shè)計之前完成，它們是聯(lián)邦運行的基礎(chǔ)。FOM/SOM設(shè)計的好壞直接影響著系統(tǒng)運行的效率和好壞，如果FOM中對象類結(jié)構(gòu)劃分不合理，將使聯(lián)邦應(yīng)用的重用性不好、整個仿真系統(tǒng)不易重構(gòu)，如果FOM中冗余信息多，則會導(dǎo)致聯(lián)邦成員編程復(fù)雜度提高、網(wǎng)絡(luò)通信量增大、時延增加等不良后果。

FOM(聯(lián)邦對象模型)的主要目的是提供聯(lián)邦成員之間用共用的、標(biāo)準(zhǔn)化的格式進行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，描述仿真聯(lián)邦的聯(lián)邦對象模型在仿真運行過程中將參與聯(lián)邦成員信息交換的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性［8］。HLA SOM(成員對象模型)是單一聯(lián)邦成員的對象模型，它描述了聯(lián)邦成員可以對外公布或需要訂購的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性，這些特性反映了成員在參與聯(lián)邦運行時所具有的能力。

在眾多的FOM和SOM設(shè)計方法中，基于面向?qū)ο?OOAD)的設(shè)計方法是最適合的，基于面向?qū)ο蟮腇OM/SOM 設(shè)計方法一般步驟［9－11］如下。

1)確定聯(lián)邦執(zhí)行中的實體類型和事件響應(yīng)。機載武器管理仿真系統(tǒng)中的實體由仿真控制平臺、座艙顯示控制平臺、機載武器管理平臺和視景仿真平臺組成。所發(fā)生的事件響應(yīng)有武器初始狀態(tài)裝訂、操作員發(fā)射武器控制指令、武器狀態(tài)傳遞、目標(biāo)狀態(tài)傳遞等。

2)分析仿真任務(wù)，確定聯(lián)邦成員及其仿真中的實體類型。根據(jù)分析結(jié)果，將聯(lián)邦執(zhí)行中所要完成的任務(wù)以及各個聯(lián)邦成員所要進行的仿真實體和所要完成的任務(wù)進行分解和剖析。

3)確定FOM中的對象類和交互類。根據(jù)聯(lián)邦概念模型和劇情模型，確定聯(lián)邦中的對象類和交互類。

4)確定對象類屬性和交互類參數(shù)的特性。

5)生成SOM表確定SOM中每個對象類的屬性和每個交互類的參數(shù)，綜合SOM，生成FOM。

開發(fā)FOM和SOM可采用OMDT軟件。OMDT是一種專門用于開發(fā)HLA的FOM和SOM的對象類和交互類以及其屬性的開發(fā)軟件，可以生成“.fed”文件，作為RTI識別聯(lián)邦交互數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)。OMDT便于模型的建立、修改、生成和管理，便于對已開發(fā)的仿真資源的再利用，能夠促使建模走向標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)對仿真系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)中的對象類有仿真控制面板、機載武器類、武器控制面板、視景仿真界面;子類有武器狀態(tài)類、掛載武器類型、武器選擇按鈕、武器投放開關(guān)、總電門控制開關(guān)、單連投按鈕等。具體如表1所示。

表1 對象類SOM表Table 1 SOM table of object class

交互信息主要說明了相互關(guān)聯(lián)的聯(lián)邦成員發(fā)出了什么控制指令，正在做什么，已經(jīng)做過什么以及仿真過程推進到什么階段，以此維護聯(lián)邦成員之間操作一致性和時空一致性［12］。交互類有:武器選擇交互、武器投放交互。

SOM的公布/訂購關(guān)系如表2所示，P代表公布(Publish)、S代表訂購(Subscribe)。

表2 SOM公布/訂購關(guān)系Table 2 SOM Publish(P)/Subscribe(S)

4 仿真系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

RTI運行時，需要兩個配置文件:一個是聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)執(zhí)行文件(Federation Execution Date，F(xiàn)ED)，F(xiàn)ED文件由OMDT產(chǎn)生;另一個是RTI初始化文件(RTI Initialization Data，RID)。FED文件包含了來源于FOM中的信息，包括聯(lián)邦中各個聯(lián)邦成員的對象類、交互類、對象類屬性、交互類參數(shù)和路徑空間等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。在使用“Create Federation Execution”服務(wù)時，需要指定FED文件所在的路徑和文件名。當(dāng)調(diào)用“Create Federation Execution”服務(wù)后，F(xiàn)ED文件中的信息被讀取、解析，并存儲在一個內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中［13］。

RTI主要由RTI全局執(zhí)行進程RtiExec、聯(lián)邦執(zhí)行進程FedExec、LibRTI庫組成。RtiExec是一個全局進程，主要功能是管理聯(lián)邦的創(chuàng)建、結(jié)束以及管理多個不同的聯(lián)邦。FedExec管理聯(lián)邦成員的加入與退出。LibRTI是一個接口函數(shù)庫，它為開發(fā)者提供HLA接口規(guī)范中所描述的服務(wù)，該庫包括兩個主要類:RTIambassador(RTI大使)和 FederateAmbassdor(聯(lián)邦成員大使)［14］。

圖3 系統(tǒng)主仿真流程圖Fig.3 Flow chart of main simulation system

仿真主代碼如下

5 結(jié)論

以飛機機載武器管理系統(tǒng)為開發(fā)對象，開發(fā)了一套基于HLA的某型飛機機載武器管理仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)以HLA作為分布式仿真軟件體系結(jié)構(gòu)。對系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，設(shè)計了仿真系統(tǒng)4個聯(lián)邦成員，對成員進行了深入剖析。開發(fā)了基于聯(lián)邦成員的聯(lián)邦對象模型和仿真對象模型，設(shè)計了對象類和交互類，給出了仿真流程圖，簡單設(shè)計了流程代碼。進一步需要做的工作是完善聯(lián)邦模塊，使仿真趨于實際化，加深研究仿真的時間推進機制，提高仿真的時效性和逼真度。

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