張玉珠，孟 新，潘忠石

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 空間信息與仿真技術(shù)研究室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100190）

0 引 言

空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)支持不同學(xué)科的專家在該設(shè)施上應(yīng)用并行的方法來(lái)設(shè)計(jì)空間任務(wù)［1］，對(duì)新的空間任務(wù)技術(shù)和成本進(jìn)行可行性論證、立項(xiàng)論證的分析和評(píng)估。對(duì)于不同空間任務(wù)，此系統(tǒng)所需的聯(lián)邦成員由不同項(xiàng)目小組完成，開(kāi)發(fā)平臺(tái)存在差異，那么經(jīng)過(guò)多個(gè)空間任務(wù)的論證后，在已建立起來(lái)的聯(lián)邦成員中，部分聯(lián)邦成員是基于不同RTI開(kāi)發(fā)的。此外，空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)，每次論證都要重新構(gòu)建聯(lián)邦成員是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。因此需要提高此論證系統(tǒng)的可重用性和擴(kuò)展性，從而縮短空間任務(wù)的論證周期。針對(duì)上述問(wèn)題，本文基于橋接盟員和異類RTI的概念，提出在此論證系統(tǒng)中進(jìn)行異類RTI的橋接，即將基于不同RTI的聯(lián)邦成員之間互聯(lián)互通起來(lái)，使已開(kāi)發(fā)完成的聯(lián)邦成員能夠在新的空間任務(wù)論證中有機(jī)會(huì)得以重復(fù)利用。目前，瑞典的Pitch公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出1516 Adapter，使遵循 HLA 1.3標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)幫成員能夠在pRTI 1516上運(yùn)行。北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)的RTIBridge軟件能在一定程度上實(shí)現(xiàn)遵循HLA1.3和IEEE 1516應(yīng)用系統(tǒng)的互操作。上述軟件關(guān)注的均是遵循不同標(biāo)準(zhǔn) （HLA 1.3和IEEE 1516）的RTI互聯(lián)問(wèn)題，但沒(méi)有解決如空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)所面臨的接口服務(wù)不一樣的RTI的互聯(lián)問(wèn)題。因此本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MAK－pRTI橋接軟件，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性。

1 基于HLA的空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)

1.1 HLA簡(jiǎn)介

HLA最初是由美國(guó)國(guó)防部提出的一個(gè)開(kāi)放的、支持面向?qū)ο蟮姆植际浇换シ抡孳浖w系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)者可以據(jù)此進(jìn)行分布式的建模和仿真。它最顯著的特點(diǎn)就是通過(guò)提供通用的、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)環(huán)境，將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分開(kāi)，即將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信三者分離，隱蔽各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)［2］，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTI就是遵循HLA1.3或者IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的分布式仿真的支撐軟件。由于基于HLA開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、重用性、支持交互等特性，使其廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)指揮、航空航天和航天等大型任務(wù)的仿真驗(yàn)證中。

圖1 HLA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及聯(lián)邦成員基本構(gòu)成

空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)使用HLA以實(shí)現(xiàn)靈活管理和運(yùn)行控制，主要功能包括：支持新的空間任務(wù)的任務(wù)分析和系統(tǒng)分析；對(duì)有效載荷的確定和主要參數(shù)的選擇；支持空間系統(tǒng)方案的權(quán)衡和選擇評(píng)估；支持系統(tǒng)級(jí)或任務(wù)級(jí)的新技術(shù)確認(rèn)等［3］。它的建成滿足空間任務(wù)的需要，而且大大提升了論證的質(zhì)量。其體系結(jié)構(gòu)和聯(lián)邦成員劃分分別如圖2和圖3所示。此仿真系統(tǒng)基于HLA/RTI平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，聯(lián)邦成員主要包括任務(wù)分析成員、仿真管理成員、飛行器成員組、通信成員、空間環(huán)境成員、地面系統(tǒng)成員組、數(shù)據(jù)采集成員、可視化成員和評(píng)估成員等。其中，任務(wù)分析成員是根據(jù)仿真想定分析目標(biāo)為仿真系統(tǒng)中的各個(gè)單元制定運(yùn)行方案的；可視化成員是根據(jù)仿真輸出結(jié)果進(jìn)行可視化顯示；飛行器成員可以有衛(wèi)星、運(yùn)載等各類飛行器；還有地面系統(tǒng)成員組，可以是遙測(cè)、遙控、測(cè)控和通信等各類地面站和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)成員。

1.3 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中存在異類RTI互聯(lián)問(wèn)題

由上述內(nèi)容可知，基于HLA/RTI的聯(lián)邦成員大都隨具體任務(wù)而變化。在完成幾個(gè)空間任務(wù)論證后，會(huì)建立起多種聯(lián)邦成員，那么在進(jìn)行新空間任務(wù)論證時(shí)，為了提高系統(tǒng)的可復(fù)用性和可擴(kuò)展性，應(yīng)盡量使用已建立的聯(lián)邦成員組成空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)。但是，已有的各類聯(lián)邦成員可能是基于不同的RTI建立的，那么就需要將這些聯(lián)邦成員連接起來(lái)進(jìn)行仿真。在空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中，地面系統(tǒng)成員組是基于MAK RTI建立的，其他成員是基于pRTI建立的，如圖3所示。但是這兩個(gè)RTI提供的服務(wù)接口不同，需要通過(guò)某種途徑將二者連接起來(lái)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互操作。下面將介紹橋接和異類RTI的概念，它們是連接基于不同RTI的各類聯(lián)邦成員的基礎(chǔ)。

圖2 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖3 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)聯(lián)邦成員劃分

2 橋接盟員及異類RTI互聯(lián)

2.1 橋接盟員技術(shù)

最初，橋接盟員的概念是為了解決多聯(lián)邦多級(jí)性問(wèn)題而提出的。隨著仿真系統(tǒng)需求的變化發(fā)展，此概念目前用于實(shí)現(xiàn)多聯(lián)邦的互聯(lián)。橋接盟員由兩部分組成［4］：代理部件 （Surrogate）和轉(zhuǎn)換部件 （Transformation Manager），其中，代理作為成員加入到某一聯(lián)邦中，獲取該聯(lián)邦中的控制信息，其行為與其他成員一樣。代理通過(guò)轉(zhuǎn)換部件交換兩個(gè)聯(lián)邦的信息，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)聯(lián)邦間的信息和數(shù)據(jù)的交互。這里轉(zhuǎn)換部件起著連接兩個(gè)代理部件的作用且包含不同聯(lián)邦中實(shí)例屬性或參數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2 異類RTI互聯(lián)技術(shù)

能直接共享相同的私有代碼和狀態(tài)信息的RTI稱為同類 RTI （homogeneous RTI）［5］。遵循的標(biāo)準(zhǔn) （HLA 1.3或IEEE 1516）、支持的操作系統(tǒng)及提供的接口等的不同，導(dǎo)致不同的RTI不能夠直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互操作，這些RTI稱為異 類 RTI （heterogeneous RTI）［5］。當(dāng) 前，主 流RTI系統(tǒng)針對(duì)不同的聯(lián)邦成員開(kāi)發(fā)環(huán)境大多采用獨(dú)立的版本，但是版本眾多不僅增加了仿真應(yīng)用開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，而且基于不同版本RTI的聯(lián)邦成員之間往往不能直接互聯(lián)而需要轉(zhuǎn)換，因此異類RTI多聯(lián)邦的互操作是目前HLA分布式仿真技術(shù)中急需解決的問(wèn)題之一［6－7］?？臻g任務(wù)論證仿真系統(tǒng)使用的MAK RTI和pRTI分別是由美國(guó)M K公司和瑞典的Pitch公司開(kāi)發(fā)的RTI軟件。這兩個(gè)RTI軟件較新的版本都遵循IEEE 1516標(biāo)準(zhǔn)，不同之處在于二者提供的接口服務(wù)不一樣，因此它們之間的連接屬于異類RTI互聯(lián)。下節(jié)將研究二者之間的互聯(lián)問(wèn)題。

3 MAK RTI與pRTI互聯(lián)互通技術(shù)研究

3.1 MAK RTI與pRTI互聯(lián)模型構(gòu)建

由于只是將兩個(gè)RTI互聯(lián)，并且它們運(yùn)行于同一局域網(wǎng)上，所以MAK RTI－pRTI互聯(lián)模型是集中式的，即轉(zhuǎn)換部件和兩個(gè)代理是一個(gè)整體。構(gòu)建的MAK RTI－pRTI的互聯(lián)模型如圖4所示，它由協(xié)調(diào)模塊，MAK RTI代理、pRTI代理及連接于兩個(gè)RTI的聯(lián)邦成員組成。從圖中可以看到，兩個(gè)聯(lián)邦的互聯(lián)方式是線性的［8］，而且它們的地位是對(duì)等的，也就是說(shuō)在邏輯上沒(méi)有隸屬關(guān)系。協(xié)調(diào)模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)兩個(gè)聯(lián)邦的聯(lián)邦對(duì)象模型 （federation object model，F(xiàn)OM）表映射、聯(lián)邦管理、聲明管理、對(duì)象管理和時(shí)間管理，不涉及所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理。MAK RTI代理、pRTI代理則通過(guò)協(xié)調(diào)模塊交換兩個(gè)聯(lián)邦的信息，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)聯(lián)邦間的信息和數(shù)據(jù)的交互。

圖4 MAK RTI－pRTI互聯(lián)模型

3.2 時(shí)間管理技術(shù)

為使橋接成員能夠在它所加入的聯(lián)邦中接收和發(fā)送時(shí)戳順序 （time stamp order，TSO）消息，所有的橋接成員必須同時(shí)為時(shí)間控制和時(shí)間受限的，這是橋接多聯(lián)邦仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間管理的首要條件［9］。時(shí)間推進(jìn)有兩種方式［10－11］，一種是根據(jù)需要設(shè)定推進(jìn)時(shí)間的主動(dòng)方；另一種是由轉(zhuǎn)換部件發(fā)起的，使兩個(gè)聯(lián)邦同時(shí)進(jìn)行時(shí)間的推進(jìn)。由于兩個(gè)聯(lián)邦需要保持時(shí)間上的絕對(duì)同步，無(wú)論以哪種方式推進(jìn)時(shí)間，這兩個(gè)的時(shí)間前瞻量與時(shí)間推進(jìn)步長(zhǎng)必須是一樣的。這里采用第一種時(shí)間推進(jìn)方式。協(xié)調(diào)模塊的時(shí)間管理偽代碼如下：

異類RTI聯(lián)邦中的成員已完成上次時(shí)間推進(jìn)后的信息交互

｛

pRTI聯(lián)邦可以向前推進(jìn)時(shí)間；

MAK RTI聯(lián)邦不可以向前推進(jìn)時(shí)間；

pRTI聯(lián)邦當(dāng)前邏輯時(shí)間增加一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)；

pRTI聯(lián)邦可以向前推進(jìn)時(shí)間 ＆＆pRTI聯(lián)邦當(dāng)前時(shí)間不等于推進(jìn)目標(biāo)時(shí)間）

｛

pRTI代理成員推進(jìn)邏輯時(shí)間；

……

｝

pRTI聯(lián)邦當(dāng)前時(shí)間等于推進(jìn)目標(biāo)時(shí)間

｛

pRTI聯(lián)邦不可以向前推進(jìn)時(shí)間；

MAK RTI聯(lián)邦可以向前推進(jìn)時(shí)間；

MAK RTI聯(lián)邦當(dāng)前邏輯時(shí)間增加一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)；

｝

當(dāng)MAK RTI聯(lián)邦可以向前推進(jìn)時(shí)間 ＆＆MAK RTI聯(lián)邦當(dāng)前時(shí)間不等于推進(jìn)目標(biāo)時(shí)間）

｛

MAK RTI代理成員推進(jìn)邏輯時(shí)間；

……

｝

…//異類RTI聯(lián)邦中的成員進(jìn)行信息交互

// （1）

異類RTI聯(lián)邦中的成員已完成此時(shí)間推進(jìn)后的信息交互；

｝

設(shè)時(shí)間推進(jìn)由pRTI代理帶動(dòng)，且當(dāng)前時(shí)間為t0。若pRTI代理已申請(qǐng)將時(shí)間推進(jìn)到t1（t0＜t1），那么pRTI代理可以繼續(xù)推進(jìn)其邏輯時(shí)間至t2（t1＜t2）有兩個(gè)條件：MAK RTI代理已獲得將時(shí)間推進(jìn)至t1的許可和連接于pRTI的聯(lián)邦中的每個(gè)成員的邏輯時(shí)間都推進(jìn)到t1。類似的，在MAK RTI代理獲得時(shí)間推進(jìn)許可將時(shí)間推進(jìn)到t1后，只有當(dāng)pRTI代理已將其邏輯時(shí)間推進(jìn)至t2并且MAK RTI聯(lián)邦中的每個(gè)成員的邏輯時(shí)間都推進(jìn)到t1時(shí)，MAK RTI代理才可以將時(shí)間推進(jìn)至t2。這樣就保證了互聯(lián)的這兩個(gè)聯(lián)邦邏輯時(shí)間的一致。這種一致性是空間任務(wù)仿真必須達(dá)到的要求。

3.3 對(duì)象管理

異類RTI聯(lián)邦成員對(duì)象類屬性更新/反射過(guò)程示意圖如圖5所示。

圖5 異類RTI聯(lián)邦成員某對(duì)象實(shí)例更新/反射過(guò)程

圖5 描述的是聯(lián)邦M訂購(gòu)的聯(lián)邦P對(duì)象類的對(duì)象實(shí)例的更新過(guò)程，聯(lián)邦P訂購(gòu)的聯(lián)邦M對(duì)象類的對(duì)象實(shí)例的更新過(guò)程亦如此。在聯(lián)邦P內(nèi)，聯(lián)邦成員n成員更新一個(gè)對(duì)象實(shí)例，pRTI代理反射該對(duì)象實(shí)例并將這些屬性暫存于協(xié)調(diào)模塊的全局變量中。協(xié)調(diào)模塊在時(shí)間管理過(guò)程中，邏輯時(shí)間每推進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)，MAK RTI代理的更新屬性值函數(shù)便會(huì)被調(diào)用，其調(diào)用代碼位于協(xié)調(diào)模塊中時(shí)間管理偽代碼中標(biāo)號(hào)為 （1）處。此后，在聯(lián)邦 M中，該對(duì)象實(shí)例的對(duì)象類的有效訂購(gòu)者將收到反射屬性值回調(diào)函數(shù)。聯(lián)邦M訂購(gòu)的聯(lián)邦P對(duì)象類的對(duì)象實(shí)例得到更新。交互類實(shí)例發(fā)送/接收過(guò)程與對(duì)象實(shí)例的更新過(guò)程類似。

3.4 FOM映射技術(shù)

此部分為協(xié)調(diào)模塊維護(hù)著多聯(lián)邦間FOM信息的以及對(duì)象實(shí)例ID和回退句柄的對(duì)應(yīng)關(guān)系［12］，在需要的時(shí)候進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于不同仿真系統(tǒng)的仿真內(nèi)容不同，因此FOM表是不一樣的，為了將一聯(lián)邦中的實(shí)例屬性或參數(shù)的值映射為另一聯(lián)邦的實(shí)例屬性或參數(shù)的值有兩種方法。一是使用FOM映射文件FMF（FOM mapping File），含于協(xié)調(diào)模塊中，F(xiàn)MF中含有互聯(lián)起來(lái)的每一個(gè)聯(lián)邦的對(duì)象、屬性、交互和參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；另一種方法就是直接在協(xié)調(diào)模塊中編寫轉(zhuǎn)換關(guān)系?？臻g任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中的異類RTI接口采用后者。由3.3節(jié)可知，將需要進(jìn)行交互的對(duì)象類和交互類的結(jié)構(gòu)體作為變量存在協(xié)調(diào)模塊中?；诋愵怰TI的聯(lián)邦成員通過(guò)這些變量進(jìn)行交互。由此可見(jiàn)，協(xié)調(diào)模塊實(shí)際上是一個(gè)具有時(shí)間管理功能的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器，在每一次時(shí)間推進(jìn)時(shí)，暫時(shí)存儲(chǔ)來(lái)自主動(dòng)推進(jìn)聯(lián)邦的信息，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給被動(dòng)推進(jìn)聯(lián)邦。

4 MAK RTI與pRTI互聯(lián)模型性能測(cè)試分析

時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度是判斷多RTI能否滿足實(shí)時(shí)仿真要求的一個(gè)重要參考依據(jù)，其定義為在聯(lián)邦成員數(shù)量一定的前提下，單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)聯(lián)邦時(shí)間推進(jìn)次數(shù)［13－15］，單位為：次/s。那么通過(guò)查詢計(jì)算機(jī)的CPU頻率和當(dāng)前計(jì)數(shù)狀態(tài)，獲取精確的機(jī)器時(shí)間，則可以計(jì)算時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度。性能測(cè)試主機(jī)配置見(jiàn)表1。

表1 互聯(lián)模型性能測(cè)試主機(jī)配置

本次測(cè)試在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)改變聯(lián)邦中成員的數(shù)目得出時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度變化趨勢(shì)，測(cè)試統(tǒng)計(jì)次數(shù)為10 000，并取3次測(cè)量的平均值。參數(shù)設(shè)置：evoke－MultipleCallBacks（0.001，0.1），此函數(shù)允許 RTI在獲得時(shí)間推進(jìn)允許前處理其他事情，時(shí)間推進(jìn)步長(zhǎng)為1s。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示，圖中實(shí)線是基于pRTI的聯(lián)邦中無(wú)MAK成員，即沒(méi)有啟用橋接程序時(shí)，時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度隨成員總數(shù)的變化情況。另外兩條虛線分別是有一個(gè)MAK成員和有兩個(gè)MAK成員時(shí)，時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度的變化情況?？梢钥闯?，在上述3種情況下，隨著成員總數(shù)目的增長(zhǎng)，時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度都會(huì)逐漸減小，而且走勢(shì)幾乎相同?？梢?jiàn)，MAK RTI與pRTI連接后，橋接部件并沒(méi)有拖慢聯(lián)邦時(shí)間推進(jìn)的速度，可以說(shuō)，本文研究的異類RTI橋接實(shí)現(xiàn)技術(shù)是高效可行的。

圖6 時(shí)間推進(jìn)請(qǐng)求的響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了HLA在空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；基于橋接盟員和異類RTI的概念，設(shè)計(jì)出MAK RTI與pRTI的互聯(lián)模型并實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)異類RTI的連接。經(jīng)仿真測(cè)試，此橋接軟件高效可行，沒(méi)有降低時(shí)間推進(jìn)的響應(yīng)速度。本文研究成果使基于不同RTI開(kāi)發(fā)的成員復(fù)用成為可能，從而縮短空間任務(wù)論證周期。下一步將研究多個(gè)異類RTI線性和非線性 （如樹(shù)型）的互聯(lián)模型，并對(duì)其進(jìn)行屬性延遲、交互延遲等全面的性能測(cè)試。

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