任棕詵　任雄偉

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

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大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究*

任棕詵任雄偉

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

摘要針對(duì)大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)所面臨的松散耦合、異構(gòu)互聯(lián)、靈活擴(kuò)充的設(shè)計(jì)要求,提出一種兩層發(fā)布/訂購(gòu)?fù)ㄐ艡C(jī)制的系統(tǒng)集成方案,利用RTI底層廣播機(jī)制的高效性和DDS分布式P/S機(jī)制的動(dòng)態(tài)配置能力,解決異構(gòu)系統(tǒng)的松散耦合和應(yīng)用擴(kuò)展;通過(guò)通信協(xié)議適配和應(yīng)用適配的設(shè)計(jì),屏蔽不同系統(tǒng)模型之間的結(jié)構(gòu)差異和功能差異,解決不同粒度模型之間的協(xié)同運(yùn)行、信息交互和功能切換。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足多模式、多層次、多平臺(tái)的一體化協(xié)同訓(xùn)練需求。

關(guān)鍵詞分布式仿真; 數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù); 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

Design of A Large Scale Distributed Simulation Training System

REN ZongshenREN Xiongwei

(College of Electronics Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn order to satisfy the design requirement of loose coupling, heterogeneous interconnection and flexible extension for a large scale distributed simulation training system, a novel system integration solution based on a two-layer publish/subscribe communication mechanism, which takes advantage of high effectiveness of underlying broadcast mechanism of RTI and dynamic reconfiguration ability of distributed publish/subscribe mechanism of DDS, is proposed to support loose coupling and application extension for heterogeneous system. The communication adaptation and the application adaptation design used to shield structural difference and functional differences among the different system models is proposed to support coordinative operation, information interaction and function switching among the different granularity models. System designing can meet the multimode, multilevel and multiplatform requirements of integrated collaborative training.

Key Wordsdistributed simulation, data distribution service, simulation training system

Class NumberTP391.9

1引言

隨著軍事模擬訓(xùn)練水平和需求的不斷提高,軍事模擬訓(xùn)練的目的與對(duì)象都有了很大變化,從早期的單系統(tǒng)、單平臺(tái)的操作技能訓(xùn)練,發(fā)展為多系統(tǒng)、多平臺(tái)的分布式協(xié)同訓(xùn)練,綜合一體化聯(lián)合訓(xùn)練需求不斷增長(zhǎng)。

當(dāng)前分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通常采用基于RTI的體系結(jié)構(gòu),以仿真對(duì)象為中心進(jìn)行通信,通過(guò)訂閱機(jī)制和數(shù)據(jù)分發(fā)管理,將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開(kāi),促進(jìn)仿真應(yīng)用的互操作性和仿真資源的可重用性[1]。然而RTI提供的是一種集中式的通信機(jī)制,適用于集成目標(biāo)已知的較小規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大仿真對(duì)象增多后遭遇通信瓶頸,產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的延時(shí),無(wú)法提供QoS和實(shí)時(shí)運(yùn)行支持[2]。同時(shí)基于RTI的分布式開(kāi)發(fā)方式導(dǎo)致復(fù)雜的數(shù)據(jù)集成結(jié)構(gòu),仿真成員之間耦合程度高[3],降低了系統(tǒng)靈活性、擴(kuò)展性和適應(yīng)性,難以滿足大型模擬訓(xùn)練系統(tǒng)集成的動(dòng)態(tài)性和擴(kuò)展性要求。

為解決分布式環(huán)境中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和QoS約束,提供松散耦合的系統(tǒng)集成機(jī)制,OMG推出DDS規(guī)范[4],它采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱模式,提供分布式的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為數(shù)據(jù)中心,是目前唯一支持QoS的發(fā)布/訂閱機(jī)制[5],具有多種通信模式和實(shí)時(shí)通信能力。該機(jī)制具有時(shí)間松耦合、空間松耦合、同步松耦合的特點(diǎn)[6],增強(qiáng)了分布式系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性、靈活性和可靠性,為大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制提供了一種技術(shù)途徑[7]。如何將DDS機(jī)制引入大型模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì),是本文的一個(gè)研究重點(diǎn)。

2大型模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成及功能

為支撐實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)、裝備三級(jí)訓(xùn)練需求,大型模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通常由運(yùn)行支撐系統(tǒng)、戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)、以及裝備級(jí)模擬系統(tǒng)組合而成,如圖1所示。

圖1　模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成圖

其中,運(yùn)行支撐系統(tǒng)由綜合導(dǎo)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬系統(tǒng)、綜合顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄、評(píng)估與回放系統(tǒng)等組成,為各類模擬訓(xùn)練提供戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、裁決評(píng)估和運(yùn)行支撐。運(yùn)行支撐系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心單元,具有較為固定的組成結(jié)構(gòu)。

戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)包括紅方兵力指揮系統(tǒng)和藍(lán)方兵力指揮系統(tǒng),主要依據(jù)各作戰(zhàn)平臺(tái)所擔(dān)負(fù)的作戰(zhàn)任務(wù),按指揮關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)各作戰(zhàn)平臺(tái)的指揮控制與武器裝備使用。指揮命令包括:定速定向、伴隨、計(jì)劃航線、對(duì)空攔截、對(duì)艦打擊、對(duì)潛打擊、傳感器使用、起飛飛機(jī)、隊(duì)形變化等。

戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)通過(guò)對(duì)單平臺(tái)傳感器系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的模擬和互聯(lián),進(jìn)行指揮決策、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和攻防對(duì)抗等訓(xùn)練,并可以與其它戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)一起,按照指揮關(guān)系和協(xié)同關(guān)系進(jìn)行協(xié)同訓(xùn)練。

裝備級(jí)模擬系統(tǒng)由各類平臺(tái)上的傳感器系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)等模擬器組成,按照裝備的實(shí)際工作機(jī)理,完成目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)判別、參數(shù)計(jì)算、威脅識(shí)別、運(yùn)動(dòng)解算、發(fā)射決策、目標(biāo)分配、火力打擊等處理。

3模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)

3.1模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

1) 運(yùn)行模式

運(yùn)行支撐系統(tǒng)提供想定設(shè)置、兵力模擬、環(huán)境仿真、效能評(píng)估、導(dǎo)調(diào)監(jiān)控等通用功能,支持作戰(zhàn)指揮和裝備操作兩種類型的訓(xùn)練。在戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)背景下,戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)、裝備級(jí)模擬系統(tǒng)既可以單獨(dú)運(yùn)行,又可以在下一層級(jí)模擬系統(tǒng)的支持下聯(lián)合運(yùn)行等多種運(yùn)行模式。不同運(yùn)行模式下,模擬系統(tǒng)的組成和規(guī)模隨訓(xùn)練目的的不同而有所不同。

戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)主要完成對(duì)參戰(zhàn)兵力的指揮控制和武器裝備的作戰(zhàn)使用,獨(dú)立運(yùn)行時(shí)直接控制計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)中的相關(guān)模型。戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)作為兵力平臺(tái)運(yùn)行,可以接收戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)發(fā)送的作戰(zhàn)指令,并全面控制平臺(tái)的作戰(zhàn)行為,其運(yùn)行結(jié)果替代計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)中相應(yīng)實(shí)體模型仿真數(shù)據(jù)。裝備級(jí)模擬器運(yùn)行時(shí)替代兵力模擬系統(tǒng)的裝備模型功能。

2) 運(yùn)行關(guān)系與系統(tǒng)接口

各類模擬系統(tǒng)之間的運(yùn)行關(guān)系較為復(fù)雜。例如:戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)之間存在指揮關(guān)系、不同戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)之間存在協(xié)同關(guān)系、戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬系統(tǒng)和裝備級(jí)模擬系統(tǒng)之間存在控制關(guān)系、紅方模擬系統(tǒng)和虛擬藍(lán)軍之間存在對(duì)抗關(guān)系等。此外,不同異構(gòu)系統(tǒng)之間具有不同層次的接口。例如,裝備模擬器與兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)之間存在裝備級(jí)接口,運(yùn)行支撐系統(tǒng)與兵力指揮模擬系統(tǒng)、兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)之間存在平臺(tái)級(jí)接口等。

3) 模型粒度與解算

由于戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)、裝備三級(jí)模擬系統(tǒng)訓(xùn)練時(shí)關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同,它們所需的模型粒度也完全不同。系統(tǒng)需要支持三類不同粒度的仿真模型: 1) 基于概率的模型,由仿真引擎實(shí)現(xiàn); 2) 基于解析的模型,由兵力模擬系統(tǒng)或教控臺(tái)實(shí)現(xiàn); 3) 基于工作機(jī)理的模型,由裝備模擬器實(shí)現(xiàn)。為平衡系統(tǒng)間的模型計(jì)算負(fù)載,依據(jù)模型粒度的不同,采用集中解算和獨(dú)立解算相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。集中解算由計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)中的仿真引擎完成,采用基于概率的模型;獨(dú)立解算由兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)或裝備模擬器實(shí)現(xiàn),分別采用數(shù)學(xué)模型和裝備工作機(jī)理模型。

3.2模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的交互特點(diǎn)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的信息交互關(guān)系如圖2所示。

圖2　模擬訓(xùn)練系統(tǒng)信息交互示意圖

系統(tǒng)之間需要交互的信息分為三類:控制、事件和數(shù)據(jù)。其中,控制和事件為一次性信息,控制包括運(yùn)行控制、兵力控制和裝備控制,事件包括武器發(fā)射、裝備使用、目標(biāo)命中毀傷、干擾信息等;數(shù)據(jù)為周期性信息,主要包括環(huán)境信息、目標(biāo)信息、裝備狀態(tài)、態(tài)勢(shì)信息、運(yùn)行狀態(tài)等。系統(tǒng)之間的交互主要滿足兩種需要:一種是模擬系統(tǒng)之間由于指揮流程和信息流程關(guān)系產(chǎn)生的調(diào)用;另一種是裝備模擬器、教控臺(tái)、兵力模擬系統(tǒng)、兵力指揮模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)模型之間的互操作。

圖2中可以看出,周期性信息交互具有明顯的以計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)為中心的特點(diǎn),需要提供高效的分發(fā)機(jī)制。同時(shí)裝備模擬器(裝備)與兵力模擬系統(tǒng)和教控臺(tái)(平臺(tái))之間的信息交互關(guān)系十分復(fù)雜,需要支持一對(duì)多、多對(duì)多、多對(duì)一、一對(duì)一等多種通信模式。整個(gè)系統(tǒng)兼有集中式分發(fā)和分布式分發(fā)的特點(diǎn)。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型分布式模擬訓(xùn)練需要有合理的系統(tǒng)架構(gòu)和通信機(jī)制,異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)之間應(yīng)具有松散耦合的接入機(jī)制,不同粒度模型之間應(yīng)具有協(xié)同運(yùn)行機(jī)制等,以滿足不同模擬系統(tǒng)間的互操作性、可重用性、可伸縮性、實(shí)時(shí)性和協(xié)同性等要求。

4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決的首要問(wèn)題。根據(jù)前面對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)信息交互的特點(diǎn)分析,設(shè)計(jì)兩層發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的集成,如圖3所示。

圖3　基于兩層發(fā)布/訂閱機(jī)制的系統(tǒng)集成示意圖

圖3中,運(yùn)行支撐系統(tǒng)、戰(zhàn)役模擬系統(tǒng)和兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)之間采用RTI機(jī)制,充分利用其底層C/S架構(gòu)廣播機(jī)制的高效性[8];兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)和裝備模擬器之間采用DDS機(jī)制,充分利用其基于主題的動(dòng)態(tài)配置能力[9]。

系統(tǒng)集成方案中采用兩種不同粒度的模型。戰(zhàn)役模擬系統(tǒng)和兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)按照仿真引擎中平臺(tái)實(shí)體的粒度加入運(yùn)行支撐系統(tǒng)創(chuàng)建的聯(lián)邦中。以MAK RTI為例[10],在VR-LINK組件的支持下,發(fā)布信息時(shí)只需使用實(shí)體狀態(tài)倉(cāng)庫(kù)和實(shí)體發(fā)布器,接收信息只需利用反射實(shí)體列表和實(shí)體狀態(tài)倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn),消息處理可采用回調(diào)函數(shù)的形式,極大減輕系統(tǒng)通信協(xié)議的復(fù)雜性,便于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的共享與交互,其實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。

圖4　基于VR-LINK的數(shù)據(jù)訂閱/分發(fā)機(jī)制

兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)作為平臺(tái)級(jí)模型和裝備級(jí)模型的連接橋梁,參與RTI和DDS兩層數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制,具有裝備和平臺(tái)兩個(gè)層次之間的信息聚合解聚功能,能將裝備信息映射到相應(yīng)的平臺(tái),也能將平臺(tái)獲取的信息分發(fā)給搭載的裝備。兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)和裝備模擬器之間采用基于主題的DDS通信機(jī)制進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置,如圖5所示。

圖5　DDS發(fā)布/訂閱機(jī)制原理圖

兵力模擬系統(tǒng)/導(dǎo)控臺(tái)和裝備模擬器等節(jié)點(diǎn)可以成為發(fā)布者、訂閱者或兩者都是,并可擁有多個(gè)主題。一方面可以通過(guò)增加新的主題,為系統(tǒng)添加新功能(功能擴(kuò)展);另一方面,可以根據(jù)系統(tǒng)需要隨時(shí)增加或刪除節(jié)點(diǎn),調(diào)整分布式系統(tǒng)規(guī)模(規(guī)模擴(kuò)展)。

4.2系統(tǒng)適配設(shè)計(jì)

適配器設(shè)計(jì)為各類模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與運(yùn)行支撐系統(tǒng)的交互、裝備模擬器與兵力模擬系統(tǒng)的交互、仿真引擎內(nèi)部與外部模型的交互、以及不同粒度模型之間的交互提供統(tǒng)一的接口,規(guī)范交互數(shù)據(jù)的格式、結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換方法,將不同系統(tǒng)中的模型統(tǒng)一到仿真引擎中的實(shí)體模型。需要實(shí)現(xiàn)兩種類型的適配:通信協(xié)議適配和應(yīng)用適配。應(yīng)用適配又分為裝備模型適配、平臺(tái)模型適配和仿真模型適配。適配器的交互關(guān)系如圖6所示。

圖6　適配器交互關(guān)系示意圖

通信協(xié)議適配器實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議之間協(xié)議內(nèi)容和協(xié)議格式的轉(zhuǎn)換。將從RTI中間件中仿真對(duì)象和交互對(duì)象獲取的信息,轉(zhuǎn)換成DDS中間件中主題規(guī)定的格式,以便對(duì)其進(jìn)行發(fā)布。同樣,將DDS中間件中基于主題訂閱的信息,轉(zhuǎn)換為RTI中間件中仿真對(duì)象和交互對(duì)象的屬性,以便對(duì)其進(jìn)行發(fā)布。通信協(xié)議適配器屏蔽了底層通信協(xié)議的復(fù)雜性,將各系統(tǒng)對(duì)外公布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RTI/DDS所支持的標(biāo)準(zhǔn)通信數(shù)據(jù)格式,各系統(tǒng)訂閱數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為專用格式。通信協(xié)議適配器一方面具備內(nèi)部和外部系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換能力,另一方面具備對(duì)不完善數(shù)據(jù)的修復(fù)能力。

應(yīng)用適配用于解決不同粒度模型之間的映射和異構(gòu)模型之間的信息交互。其中,裝備適配器解決兵力模擬系統(tǒng)中的裝備模型與裝備模擬器之間信息轉(zhuǎn)換;平臺(tái)適配器解決模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中平臺(tái)仿真模型與計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)中平臺(tái)實(shí)體模型的信息交互;模型適配器解決仿真引擎內(nèi)部模型與外部模型的映射,將外部系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)和裝備的控制指令,轉(zhuǎn)換為對(duì)內(nèi)部實(shí)體模型參數(shù)和行為的控制,并將外部模型的運(yùn)行結(jié)果替換內(nèi)部模型功能。

5結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的功能組成、運(yùn)行模式、交互機(jī)制進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了一種兩層發(fā)布/訂閱機(jī)制的系統(tǒng)集成方案。該方案針對(duì)運(yùn)行支撐系統(tǒng)具有較為固定的組成結(jié)構(gòu)和周期性信息交互具有以計(jì)算機(jī)生成兵力系統(tǒng)為中心的特點(diǎn),將戰(zhàn)役級(jí)模擬系統(tǒng)、兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)以平臺(tái)級(jí)仿真實(shí)體的粒度接入基于RTI的運(yùn)行支撐系統(tǒng),充分利用RTI廣播機(jī)制的高效性;針對(duì)裝備模擬器與兵力模擬系統(tǒng)/教控臺(tái)信息交互關(guān)系復(fù)雜、通信要求各異的特點(diǎn),采用以數(shù)據(jù)為中心的DDS發(fā)布/訂閱通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)仿真功能和仿真節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。

兩層發(fā)布/訂閱通信機(jī)制的系統(tǒng)集成方案和多級(jí)適配器的接口設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了大型分布式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的信息交互,能夠支持異構(gòu)模擬系統(tǒng)的分散控制、松散耦合、動(dòng)態(tài)配置和應(yīng)用擴(kuò)展,滿足多模式、多層次、多平臺(tái)的一體化聯(lián)合訓(xùn)練需求。

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中圖分類號(hào)TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.022

作者簡(jiǎn)介:任棕詵,男,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)系統(tǒng)工程,分布式仿真。任雄偉,男,博士,教授,研究方向:武器裝備體系效能分析,復(fù)雜系統(tǒng)建模,作戰(zhàn)模擬仿真等。

*收稿日期:2015年8月4日,修回日期:2015年9月26日