袁 剛，許文騰

(92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000)

1 引 言

平臺(tái)級(jí)武器系統(tǒng)(主要指艦艇、飛機(jī)和戰(zhàn)車等)仿真通常含有載體運(yùn)動(dòng)模型、目標(biāo)感知、信息處理、傳感器、武器系統(tǒng)、威脅目標(biāo)及環(huán)境等眾多實(shí)體，這些實(shí)體仿真時(shí)間推進(jìn)的幀速率各不相同［1］。通常含積分環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型等實(shí)體幀速率快，而含離散采樣環(huán)節(jié)的信息處理、武器控制等實(shí)體幀速率慢。不同幀速率實(shí)體混合在一起進(jìn)行交互仿真將帶來仿真時(shí)間協(xié)調(diào)推進(jìn)問題，尤其是當(dāng)幀速率快實(shí)體輸出驅(qū)動(dòng)幀速率慢實(shí)體或幀速率慢實(shí)體輸出驅(qū)動(dòng)幀速率快實(shí)體時(shí)，必須增加必要的采樣和狀態(tài)保持環(huán)節(jié)并進(jìn)行仿真時(shí)間同步控制，否則會(huì)引起不可預(yù)知的仿真結(jié)果［2］。本文基于仿真實(shí)體的有限狀態(tài)機(jī)模型，提出一種平臺(tái)級(jí)武器系統(tǒng)仿真中多幀速率實(shí)體混合的時(shí)間推進(jìn)方法。本方法首先建立實(shí)體的有限狀態(tài)機(jī)模型，通過協(xié)調(diào)系統(tǒng)時(shí)間和本地時(shí)間之間的關(guān)系，在有限狀態(tài)機(jī)運(yùn)行時(shí)控制仿真實(shí)體交互信息的時(shí)機(jī)，增加實(shí)體交互信息的采樣和狀態(tài)保持環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了多幀速率混合仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步推進(jìn)。

2 仿真實(shí)體有限狀態(tài)機(jī)模型建立

本文涉及的平臺(tái)級(jí)武器系統(tǒng)仿真由調(diào)度和具有不同幀速率的仿真實(shí)體組成。調(diào)度負(fù)責(zé)向各仿真實(shí)體周期性發(fā)布時(shí)間推進(jìn)事件和當(dāng)前新的系統(tǒng)時(shí)間(SystemTime)，各仿真實(shí)體負(fù)責(zé)向調(diào)度回復(fù)狀態(tài)反饋事件并負(fù)責(zé)推進(jìn)自身的本地時(shí)間(LocalTime)。仿真實(shí)體在受調(diào)度的周期性時(shí)間驅(qū)動(dòng)過程中具有兩種狀態(tài):仿真計(jì)算狀態(tài)和時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)，用一個(gè)布爾變量 TimeState來表示［3］。TimeState為 0，表明實(shí)體處于仿真計(jì)算狀態(tài);TimeState為1，表明實(shí)體處于時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)。通過周期性更改和查詢?cè)摬紶栕兞?，調(diào)度和各實(shí)體間就可以協(xié)調(diào)有序地推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)間和本地時(shí)間以及控制各實(shí)體間仿真數(shù)據(jù)的交互(即信息的讀、寫或輸入、輸出)，實(shí)現(xiàn)快幀速率實(shí)體與慢幀速率實(shí)體間有序的信息交互。建立的實(shí)體有限狀態(tài)機(jī)模型如圖1所示。

圖1 仿真實(shí)體有限狀態(tài)機(jī)模型Fig．1 Finite state machine of simulation entities

3 仿真實(shí)體有限狀態(tài)機(jī)模型運(yùn)行

調(diào)度以基本幀速率發(fā)布時(shí)間推進(jìn)指令并廣播SystemTime，基本幀速率定義為系統(tǒng)最快幀速率，通常以動(dòng)力學(xué)積分步長(zhǎng)的倒數(shù)為基本幀速率。當(dāng)仿真實(shí)體完成當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間相關(guān)的仿真計(jì)算，將TimeState置為1，并將LocalTime按自身的幀周期推進(jìn)到新的本地時(shí)間點(diǎn)，表明其做好了時(shí)間推進(jìn)的準(zhǔn)備，該仿真實(shí)體處于時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)調(diào)度查詢到所有仿真實(shí)體均處于時(shí)間推進(jìn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)出推進(jìn)指令并公布新的SystemTime。當(dāng)仿真實(shí)體收到調(diào)度推進(jìn)指令和新的SystemTime，如果 LocalTime 大于 SystemTime，維持TimeState為1狀態(tài);如果 LocalTime等于SystemTime，仿真實(shí)體將TimeState置為0，并開始在當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行仿真計(jì)算，該仿真實(shí)體處于仿真計(jì)算狀態(tài)。

對(duì)于實(shí)時(shí)仿真，系統(tǒng)由外部時(shí)鐘按照基本幀速率進(jìn)行實(shí)時(shí)同步控制，外部時(shí)鐘每隔一個(gè)基本周期就發(fā)出一次硬實(shí)時(shí)中斷(中斷可以由硬件產(chǎn)生，也可以由系統(tǒng)最高優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器產(chǎn)生)。系統(tǒng)的時(shí)間同步控制是分層實(shí)現(xiàn)的:周期性的外部中斷首先觸發(fā)調(diào)度的單幀調(diào)度過程，然后調(diào)度再啟動(dòng)上述對(duì)各仿真實(shí)體的調(diào)度方法。對(duì)于超實(shí)時(shí)仿真，不需要由外部時(shí)鐘來同步調(diào)度，系統(tǒng)仿真時(shí)間直接由調(diào)度確定何時(shí)推進(jìn)［4］。

4 仿真實(shí)體間信息交互機(jī)制

仿真實(shí)體之間交互信息主要分兩種情形，一種是由快幀速率實(shí)體輸出驅(qū)動(dòng)慢幀速率實(shí)體的輸入，另一種是由慢幀速率實(shí)體輸出驅(qū)動(dòng)快幀速率實(shí)體的輸入。對(duì)于第一種情形，在快幀速率實(shí)體輸出和慢幀速率實(shí)體輸入中間加入采樣環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)方法是控制慢幀速率實(shí)體輸入信息的時(shí)機(jī)，即慢幀速率實(shí)體收到調(diào)度的時(shí)間推進(jìn)指令且滿足開始新一幀仿真計(jì)算條件時(shí)接收其他實(shí)體的輸出，在本幀其他時(shí)間不接收輸入，這樣就避免了快幀速率實(shí)體頻繁更新輸出而影響慢幀速率實(shí)體輸入的問題。對(duì)于第二種情形，在慢幀速率實(shí)體輸出和快幀速率實(shí)體輸入中間加入狀態(tài)保持環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)方法是控制慢幀速率實(shí)體輸出信息的時(shí)機(jī)，即慢幀速率實(shí)體完成當(dāng)前幀仿真計(jì)算后并不馬上輸出新狀態(tài)值，要保持新值到LocalTime-SystemTime≤T條件滿足時(shí)輸出(T為系統(tǒng)基本幀速率的倒數(shù)，即系統(tǒng)中最短幀周期)，這樣就避免了慢幀速率實(shí)體輸出時(shí)機(jī)不確定而影響快幀速率實(shí)體輸入的問題。仿真實(shí)體單幀輸入輸出信息過程如圖2所示［5］。

圖2 仿真實(shí)體間單幀交互信息過程Fig．2 Interactive process between entities in one frame

5 應(yīng)用實(shí)例

本文提出的多幀速率混合時(shí)間推進(jìn)方法已應(yīng)用于某型武器平臺(tái)分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調(diào)度節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)彈道解算節(jié)點(diǎn)、威脅目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、武器控制節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)錄取等節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)硬件采用PC+VMIPCI反射內(nèi)存網(wǎng)卡、軟件采用Windows+RTX硬實(shí)時(shí)擴(kuò)展架構(gòu)［6］。其中彈道解算節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)錄取節(jié)點(diǎn)幀速率為200 Hz、幀周期為5 ms，威脅目標(biāo)節(jié)點(diǎn)幀速率為100 Hz、幀周期為10 ms，武器控制節(jié)點(diǎn)幀速率為20 Hz、幀周期為50 ms?；編俾蕿橄到y(tǒng)最快幀速率200 Hz。該分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)時(shí)間推進(jìn)機(jī)理是:

(1)調(diào)度節(jié)點(diǎn)在GPS時(shí)鐘同步控制下，按基本幀速率每間隔5 ms向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)布時(shí)間推進(jìn)事件和當(dāng)前新的系統(tǒng)時(shí)間．

(2)兩個(gè)彈道解算節(jié)點(diǎn)以最快幀速率200 Hz推進(jìn)仿真時(shí)間，每收到調(diào)度節(jié)點(diǎn)發(fā)布的時(shí)間推進(jìn)事件就開始5 ms的單幀處理過程:數(shù)據(jù)輸入(采樣)、模型計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出．

(3)威脅目標(biāo)節(jié)點(diǎn)幀速率為100 Hz，為慢幀速率節(jié)點(diǎn)，分別在 0 ms，10 ms，20 ms，…時(shí)刻開始數(shù)據(jù)輸入(即采樣)，計(jì)算完成后并不馬上輸出數(shù)據(jù)(狀態(tài)保持)，分別在 10 ms，20 ms，30 ms，…時(shí)刻之前輸出數(shù)據(jù)，這樣輸出數(shù)據(jù)可以保持10 ms．

(4)武器控制節(jié)點(diǎn)幀速率為20 Hz，為慢幀速率節(jié)點(diǎn)，分別在 0 ms，50 ms，100 ms，…時(shí)刻開始數(shù)據(jù)輸入(即采樣)，計(jì)算完成后并不馬上輸出數(shù)據(jù)(狀態(tài)保持)，分別在 50 ms，100 ms，150 ms，…時(shí)刻之前輸出數(shù)據(jù)，這樣輸出數(shù)據(jù)可以保持50 ms．

(5)數(shù)據(jù)錄取節(jié)點(diǎn)以最快幀速率200 Hz推進(jìn)仿真時(shí)間，過程與彈道解算節(jié)點(diǎn)類似，只是沒有數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)。

該武器平臺(tái)級(jí)分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中不同幀速率實(shí)體在調(diào)度節(jié)點(diǎn)的同步控制下的時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 某分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)時(shí)序圖Fig．3 Sequence diagram of a distributed real-time simulation system

6 結(jié) 論

本文參考HLA的數(shù)據(jù)交互機(jī)制、時(shí)間推進(jìn)機(jī)制并針對(duì)實(shí)時(shí)仿真的同步控制、“死線”控制要求，設(shè)計(jì)了適應(yīng)多實(shí)體參與、多幀速率混合、強(qiáng)實(shí)時(shí)推進(jìn)的復(fù)雜仿真系統(tǒng)時(shí)間推進(jìn)方法。該方法已成功應(yīng)用于某型武器平臺(tái)分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的時(shí)間同步和調(diào)度管理軟件設(shè)計(jì)中，該仿真系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)最小幀周期為1 ms的強(qiáng)實(shí)時(shí)推進(jìn)。該方法也可以應(yīng)用于集中式仿真運(yùn)行環(huán)境，代表不同仿真實(shí)體幀速率的進(jìn)程(或線程)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)，快幀速率實(shí)體進(jìn)程(或線程)具有高優(yōu)先級(jí)，慢幀速率實(shí)體進(jìn)程(或線程)具有低優(yōu)先級(jí)。如果調(diào)度進(jìn)程(或線程)忽略外部時(shí)鐘中斷，系統(tǒng)可以按照邏輯時(shí)間推進(jìn)，進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真，因而該方法也可以應(yīng)用于超實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用。

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