劉高峰 汪霆

應(yīng)用建模與仿真方法,構(gòu)建聯(lián)合訓(xùn)練條件下的綜合分布式仿真系統(tǒng),是全面提升模擬訓(xùn)練層次,促進(jìn)戰(zhàn)斗力生成模式轉(zhuǎn)變的有效途徑,對(duì)信息化條件下我軍軍事訓(xùn)練水平的全面提升有巨大的推動(dòng)作用和可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.現(xiàn)有的仿真系統(tǒng)大多是各軍兵種專(zhuān)業(yè)系統(tǒng),技術(shù)體制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范等不盡統(tǒng)一,在互聯(lián)互通、可重組、通用性方面與聯(lián)合訓(xùn)練的需求存在較大缺陷,因此,構(gòu)建聯(lián)合訓(xùn)練條件下的分布式仿真系統(tǒng)勢(shì)在必行[1].在這一過(guò)程中有幾個(gè)問(wèn)題必須要解決:仿真訓(xùn)練如何更加貼近實(shí)戰(zhàn),并能夠根據(jù)訓(xùn)練目標(biāo)構(gòu)建訓(xùn)練體系;如何提升仿真系統(tǒng)訓(xùn)練效益,提高系統(tǒng)智能化水平,減少對(duì)技術(shù)人員的依賴(lài),能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用和有機(jī)聯(lián)合;仿真系統(tǒng)如何與未來(lái)國(guó)防和軍隊(duì)發(fā)展戰(zhàn)略相一致,克服部門(mén)利益保護(hù),避免煙囪式發(fā)展,提高聯(lián)合訓(xùn)練層次[2].這3個(gè)問(wèn)題,都與結(jié)構(gòu)技術(shù)密切相關(guān).

本文從研究現(xiàn)有仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)入手,提供對(duì)比分析方法,對(duì)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了探討,構(gòu)建了一種基于SOA的分布式海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)概念模型,并對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討研究.

1 中大型仿真系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)技術(shù)

1.1 TENA與HLA

試驗(yàn)訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(TENA)是依照擴(kuò)展的C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架(ECAF),建立的邏輯靶場(chǎng)資源開(kāi)發(fā)、集成和互操作的總體技術(shù)框架,TENA主要目的是促進(jìn)試驗(yàn)領(lǐng)域與訓(xùn)練領(lǐng)域的互操作和可重用性,根據(jù)任務(wù)需要將分布在各靶場(chǎng)和設(shè)施中的仿真、訓(xùn)練、試驗(yàn)、高性能計(jì)算能力集成起來(lái),構(gòu)成試驗(yàn)和訓(xùn)練的“邏輯靶場(chǎng)”.研究TENA對(duì)C4ISR系統(tǒng)與訓(xùn)練靶場(chǎng)的完美對(duì)接,以及構(gòu)建大型仿真系統(tǒng)具有重要意義[3?4].

在分布式交互仿真(DIS)基礎(chǔ)上,為了促進(jìn)仿真系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)之間的互操作,提升仿真組件的可重用性,美國(guó)國(guó)防部于1996年9月制定并頒布了高層體系結(jié)構(gòu)(HLA).HLA主要由3部分組成:規(guī)則(Rules)、接口規(guī)范說(shuō)明(Interface Specification)、對(duì)象模型模板(OMT).它是一個(gè)開(kāi)放的、支持面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu),通過(guò)提供相對(duì)獨(dú)立的、通用化的支撐服務(wù)程序,將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分離開(kāi)來(lái).HLA的基本思想是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的對(duì)象模型,以獲得仿真聯(lián)邦的高層次的互操作和重用.如今,HLA已經(jīng)是一種成熟的、得到廣泛應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu),并成為IEEE建模與仿真的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn),是現(xiàn)階段仿真系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)技術(shù).文獻(xiàn)[5]中對(duì)基于HLA的指揮控制網(wǎng)絡(luò)仿真進(jìn)行了研究,并給出了一種指揮控制網(wǎng)絡(luò)仿真模型.

HLA是建模與仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與集成規(guī)范,而TENA是試驗(yàn)與訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與集成規(guī)范,兩者的目的都在于促進(jìn)互操作、重用和可組合,但HLA立足于應(yīng)用領(lǐng)域,而TENA支持試驗(yàn)與訓(xùn)練領(lǐng)域,HLA已成為IEEE標(biāo)準(zhǔn),而TENA還在開(kāi)發(fā)、完善、標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中[6].

1.2 LVC與JLVC

LVC(Live,Virtual Simulation,Constructive Simulation)的發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了概念-探索-大力投入的3個(gè)階段.自20世紀(jì)70年代起,美軍開(kāi)始著力發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真模擬訓(xùn)練,先后研發(fā)了一系列的仿真推演系統(tǒng)和模擬器,逐漸形成了包括DIS、ALSP、HLA等的分布式仿真協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn).但是在進(jìn)行仿真及模擬訓(xùn)練過(guò)程中,訓(xùn)練與實(shí)際作戰(zhàn)脫節(jié)的缺陷逐漸暴露出來(lái).因此,美軍嘗試將模擬器與實(shí)裝及推演系統(tǒng)互聯(lián)互通,達(dá)到既能發(fā)揮仿真模擬訓(xùn)練經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì),又能提供貼近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練環(huán)境的目的,因此,形成了LVC訓(xùn)練的概念[7].

為了支撐LVC 訓(xùn)練,美軍提出組建JLVC(Joint Live Virtual Constructive)聯(lián)邦作為L(zhǎng)VC訓(xùn)練的技術(shù)支撐環(huán)境,其本質(zhì)是一種結(jié)構(gòu)技術(shù).JLVC聯(lián)邦是由分布式的多個(gè)推演仿真系統(tǒng)、C4I系統(tǒng)、接口以及模擬器共同組成,可以將實(shí)兵訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬模擬系統(tǒng)和推演模擬系統(tǒng)互聯(lián),構(gòu)建一個(gè)虛擬化的綜合訓(xùn)練空間,共同支持LVC訓(xùn)練.JLVC聯(lián)邦采用了較為開(kāi)放的系統(tǒng)體系架構(gòu),聯(lián)邦中多種技術(shù)體系并存,約定了數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)不同分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的相互識(shí)別、保證多系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的邏輯合理性,訓(xùn)練系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和靈活的可組合性.在 “千年挑戰(zhàn) 2002”(“MC2002”)演習(xí)中,美軍首次采用了JLVC聯(lián)邦環(huán)境來(lái)支撐演習(xí),取得了很好的訓(xùn)練效果,并在后續(xù)演習(xí)中廣泛采用.

JLVC的一個(gè)核心思想是將真實(shí)的C4I系統(tǒng)作為聯(lián)邦的一部分集成到JLVC聯(lián)邦中去,提供戰(zhàn)訓(xùn)一致的訓(xùn)練環(huán)境.因此,JLVC聯(lián)邦在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上特別強(qiáng)調(diào)接入的C4I系統(tǒng)就是實(shí)際作戰(zhàn)的C4I系統(tǒng),這是美軍現(xiàn)在仿真系統(tǒng)發(fā)展中所采用的一種思路[8?9].

2 中大型仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)動(dòng)態(tài)

2.1 JLVC2020

隨著JLVC聯(lián)邦中各分系統(tǒng)數(shù)量的快速增長(zhǎng)和復(fù)雜程度的不斷增加,在采用多種技術(shù)體系的傳統(tǒng)聯(lián)邦集成模式時(shí),系統(tǒng)集成難度迅速上升,系統(tǒng)穩(wěn)定性大大削弱,逐步暴露出集成過(guò)于繁雜,發(fā)展受限,不能很好滿(mǎn)足未來(lái)聯(lián)合訓(xùn)練需要等問(wèn)題.為此,美軍借鑒模塊化設(shè)計(jì)理念和云服務(wù)思想,提出基于云使能模塊化服務(wù)(CEMS)的JLVC2020,其目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)靈活、逼真、效益好、可組合,并能適應(yīng)未來(lái)作戰(zhàn)訓(xùn)練需求的LVC訓(xùn)練支撐環(huán)境[2].

美軍提出的仿真訓(xùn)練平臺(tái)的模塊化理念,是通過(guò)開(kāi)發(fā)小型并具有特定功能的模塊化服務(wù)單元來(lái)代替龐大復(fù)雜的仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)松散聯(lián)邦結(jié)構(gòu)向模塊化框架的轉(zhuǎn)變.美軍聯(lián)合參謀部已經(jīng)完成模塊化服務(wù)的概念開(kāi)發(fā),并計(jì)劃于2019年前建成基于CEMS的JLVC2020.

基于CEMS的JLVC2020由許多功能模塊化服務(wù)單元構(gòu)成,框架構(gòu)成包括CEMS、想定管理工具(SMT)、虛擬訓(xùn)練接口(VTI)、相關(guān)數(shù)據(jù)層(CDL)和權(quán)威數(shù)據(jù)源(ASD)等,如圖1所示.在JLVC2020發(fā)展期,這些服務(wù)單元必須與當(dāng)前的JLVC聯(lián)邦在一個(gè)混合狀態(tài)下交互運(yùn)行,隨著模塊化服務(wù)的擴(kuò)展與成熟,最終成為一個(gè)完全由模塊化服務(wù)單元構(gòu)成的訓(xùn)練平臺(tái).

圖1 基于CEMS的JLVC2020框架

從2014年起,美軍開(kāi)始進(jìn)行模塊化框架的原型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),在DSB建設(shè)初期,JLVC2020將與JLVC聯(lián)邦共同發(fā)展,逐漸用JLVC2020的0.6版本替代JLVC聯(lián)邦6.X版本,最終在2020年前,在模塊化服務(wù)規(guī)范和DSB等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破,進(jìn)入快速發(fā)展期.

2.2 面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)理念,具有松散耦合、互操作性好、信息資源共享便捷等特點(diǎn),可以將跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言的資源以服務(wù)形式封裝和應(yīng)用,進(jìn)行通信和交互[10].將SOA的思想引入到仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,可以設(shè)計(jì)出高效、通用和松耦合的面向服務(wù)的仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)下層功能組件的透明封裝和上層服務(wù)的靈活調(diào)用,可以減輕異構(gòu)對(duì)系統(tǒng)交互的影響,有利于系統(tǒng)的構(gòu)建、重組和擴(kuò)展[11?12],對(duì)此,業(yè)內(nèi)也進(jìn)行了大量的研究.圖2為設(shè)計(jì)的一種基于SOA的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

圖2 一種基于SOA的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念的提出,在建模與仿真領(lǐng)域提出了一種基于SOA原理的網(wǎng)絡(luò)中心化仿真方法[13],代表了一種新的仿真系統(tǒng)研究方向.其主要內(nèi)涵是以SOA思想為指導(dǎo),采用規(guī)范統(tǒng)一的仿真資源描述、接入及共享準(zhǔn)則,依托軍事信息柵格,建立更廣泛的仿真資源互聯(lián)共享環(huán)境,完成各種仿真應(yīng)用任務(wù).

在仿真系統(tǒng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中心化仿真方法能夠解決兩個(gè)問(wèn)題:建立與實(shí)裝系統(tǒng)技術(shù)體制相兼容的仿真體系結(jié)構(gòu),解決仿真系統(tǒng)與實(shí)裝系統(tǒng)無(wú)縫集成和高層次互操作的問(wèn)題;運(yùn)用面向服務(wù)的思想以及信息柵格技術(shù),實(shí)現(xiàn)仿真資源的“隨意接入、即插即用、按需共享、動(dòng)態(tài)重組”能力.

網(wǎng)絡(luò)中心化仿真系統(tǒng)總體分為4個(gè)層次,從上到下依次為:應(yīng)用服務(wù)層、公共服務(wù)層、核心服務(wù)層、信息柵格基礎(chǔ)設(shè)施.網(wǎng)絡(luò)中心化仿真支持任務(wù)共同體仿真模式,即通過(guò)面向服務(wù)的仿真支撐平臺(tái),將網(wǎng)絡(luò)上分布式的仿真資源組成任務(wù)共同體,實(shí)現(xiàn)任務(wù)帶動(dòng)仿真的目的[14].

3 聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)探討

以海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的構(gòu)建為例,結(jié)合SOA和JLVC2020體系結(jié)構(gòu)技術(shù)研究動(dòng)態(tài),對(duì)采用這兩種結(jié)構(gòu)下的仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,其中重點(diǎn)研究了基于SOA結(jié)構(gòu)的海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)概念模型及其關(guān)鍵技術(shù).

3.1 基于SOA的海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)是基于不同技術(shù)結(jié)構(gòu)的實(shí)裝模擬/仿真系統(tǒng)、實(shí)裝系統(tǒng)和基于仿真的運(yùn)行支撐基礎(chǔ)環(huán)境一起構(gòu)成的復(fù)雜大型仿真系統(tǒng),其系統(tǒng)域主體上劃分為作戰(zhàn)問(wèn)題域、裝備模擬域和仿真環(huán)境域三大部分,如圖3所示[15].

在明確仿真系統(tǒng)域劃分的基礎(chǔ)上,根據(jù)海上聯(lián)合訓(xùn)練的基本要求、功能定位以及分布交互式仿真技術(shù)框架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以海上聯(lián)合訓(xùn)練指揮體系和聯(lián)合作戰(zhàn)力量為基礎(chǔ),采用基于網(wǎng)格技術(shù)和面向服務(wù)的仿真框架等方法和手段,并運(yùn)用先進(jìn)成熟的作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和定性與定量的系統(tǒng)方法,建立了由海上聯(lián)合訓(xùn)練的模擬控制與管理系統(tǒng)、環(huán)境兵力綜合生成系統(tǒng)、資源服務(wù)系統(tǒng)、紅方/藍(lán)方模擬系統(tǒng)等共同組成的一種基于SOA的分布式海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)概念模型,如圖4所示.

3.2 基于SOA的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 時(shí)間管理技術(shù)

仿真系統(tǒng)時(shí)間管理的主要功能是按照仿真任務(wù)需要推進(jìn)仿真時(shí)間,其目的是保證仿真系統(tǒng)事件和消息分發(fā)準(zhǔn)確性和高效率,即能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以適當(dāng)?shù)捻樞蚝头绞将@取各自所需信息.現(xiàn)有的各類(lèi)時(shí)間同步算法各節(jié)點(diǎn)間缺乏可靠的控制信息交換,存在時(shí)間推進(jìn)效率低及網(wǎng)絡(luò)帶寬占用過(guò)大等不足.因此,中大型分布式仿真系統(tǒng)中需要更先進(jìn)的時(shí)間管理技術(shù),以提高系統(tǒng)時(shí)間推進(jìn)效率并避免死鎖發(fā)生,尋求適用于基于廣域網(wǎng)的大規(guī)模分布式仿真的時(shí)間同步.

3.2.2 仿真服務(wù)管理技術(shù)

仿真服務(wù)管理是指運(yùn)行于仿真系統(tǒng)中的一切服務(wù)監(jiān)控、系統(tǒng)管理、配置管理、策略定義、服務(wù)更新、故障處理等與運(yùn)行管理及監(jiān)控有關(guān)的技術(shù).仿真服務(wù)管理技術(shù)需要突破傳統(tǒng)仿真平臺(tái)在監(jiān)控及容錯(cuò)方面存在的局限性,為各類(lèi)服務(wù)的設(shè)計(jì)提供輔助分析及構(gòu)造工具,幫助監(jiān)聽(tīng)、分析、優(yōu)化和組合各類(lèi)服務(wù).當(dāng)服務(wù)部署完成后,仿真服務(wù)管理能夠根據(jù)底層系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、資源利用情況等,實(shí)現(xiàn)參與仿真應(yīng)用的成員動(dòng)態(tài)遷移和調(diào)整,狀態(tài)保存和錯(cuò)誤恢復(fù)能力.

圖3 海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)域劃分示意

圖4 一種基于SOA的海上聯(lián)合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)

3.3 基于JLVC2020的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 模塊化服務(wù)規(guī)范

JLVC2020由大量的模塊化服務(wù)單元構(gòu)成,而模塊化服務(wù)的研發(fā)將由各兵種和不同部門(mén)共同協(xié)作完成,各獨(dú)立模塊可能由不同的開(kāi)發(fā)者研發(fā),此外,現(xiàn)存的中大型仿真系統(tǒng)也將進(jìn)行拆解并轉(zhuǎn)化為模塊化服務(wù)單元,在這一過(guò)程中,必須要有統(tǒng)一、清晰的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范才能保證模塊化服務(wù)構(gòu)建過(guò)程中的一致性.因此,美軍高度重視模塊化服務(wù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),并將其視為JLVC2020成敗的核心環(huán)節(jié),如采用這一結(jié)構(gòu)技術(shù),這項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題就必須很好解決.

3.3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)代理(DSB)

DSB是模塊化服務(wù)和數(shù)據(jù)活動(dòng)的中間部件,是仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互中心,其能力的強(qiáng)弱直接影響基于JLVC架構(gòu)的仿真系統(tǒng)信息交換能力.未來(lái)在持續(xù)提升的計(jì)算機(jī)硬件性能和愈加高速的骨干網(wǎng)絡(luò)支持下,DSB的交互和數(shù)據(jù)能力將進(jìn)一步增強(qiáng),必須要通過(guò)硬件解決辦法對(duì)DSB進(jìn)行升級(jí)改進(jìn),以使其能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)大型仿真訓(xùn)練任務(wù)和演習(xí)項(xiàng)目提供支撐,以滿(mǎn)足復(fù)雜程度不斷提高的仿真訓(xùn)練需求.

4 結(jié)論

本文對(duì) TENA、HLA、JLVC、SOA 等現(xiàn)有仿真系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)探討了JLVC2020、SOA及網(wǎng)絡(luò)中心化仿真等未來(lái)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展方向,分析了若干關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于聯(lián)合訓(xùn)練條件下新型中大型分布式仿真系統(tǒng)建設(shè)具有一定的參考價(jià)值.