孟德壯 ，顏 瓅 ，劉朕明 ，方曉波

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司，上海 200083)

基于HLA的艦船輸轉作業(yè)仿真系統(tǒng)研究

孟德壯1,2，顏 瓅1,2，劉朕明1,2，方曉波1

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司，上海 200083)

針對艦船輸轉作業(yè)方案仿真存在的計算資源不足、戰(zhàn)位多、人機交互等問題，開發(fā)了基于HLA的艦船輸轉作業(yè)仿真系統(tǒng)，根據資源占有率和功能模塊劃分聯(lián)邦成員，設計分布式仿真系統(tǒng)的網絡結構，選定協(xié)同網時間管理策略，研究節(jié)點間通訊性能測試方法，解決節(jié)點間控制機制問題，建立協(xié)同網對象類和交互類。使用MAKRTI作為HLA的輔助開發(fā)工具，基于Vega Prime進行視景驅動。經過仿真試驗，結果表明：本系統(tǒng)能夠在功能和性能上滿足輸轉作業(yè)設計仿真需求。與傳統(tǒng)設計方式相比，本系統(tǒng)提高設計效率，均衡計算負載，降低節(jié)點通訊延遲時間。

輸轉作業(yè)；分布式仿真；高層體系結構；節(jié)點控制

為輸轉作業(yè)仿真研究建立分布式的仿真系統(tǒng)，一方面可以將計算負荷分攤到多臺硬件節(jié)點上，確保各種試驗計算的實時性，另一方面，由多臺計算機構成的試驗系統(tǒng)也支持開展多人多點同步對輸轉作業(yè)仿真的不同方面進行觀察、控制和評估。因此，面向輸轉作業(yè)仿真設計合理的分布式系統(tǒng)結構和有效的節(jié)點協(xié)同機制，進而建立運行高效的分布式仿真系統(tǒng)是確保輸轉作業(yè)仿真研究深入開展的重要因素。

HLA 即 High Level Architecture，是一種專用于分布式系統(tǒng)的通用技術框架核心[1]，由美國國防部（DoD）于1995年提出，并于2000年被接納為正式的IEEE標準，在軍事和工業(yè)領域得到了廣泛應用[2]。文獻[3]分析了美軍仿真體系結構的發(fā)展，介紹了多種仿真體系并存，HLA使用量大的現(xiàn)狀。文獻[4]論述了分布式仿真的優(yōu)勢，使用用戶服務層、應用服務層和數(shù)據服務層設計模式進行基于HLA的仿真系統(tǒng)開發(fā)。文獻[5]基于HLA開展艦船操縱仿真研究，開發(fā)了有效的聯(lián)邦測試工具，但無法對通訊性能進行測試。HLA在船舶輸轉作業(yè)系統(tǒng)的應用未見公開報導。本文貼合輸轉作業(yè)特點，建立了基于HLA的分布式仿真系統(tǒng)，設計了節(jié)點協(xié)同機制，并驗證了系統(tǒng)運行的高效性。

1 仿真系統(tǒng)設計

本文基于以下原則分析單機上的復雜仿真系統(tǒng)，將各部分劃分到不同的聯(lián)邦成員，分別配置到分布式系統(tǒng)的不同硬件節(jié)點上。

1）運算負荷均衡

仿真系統(tǒng)進行輸轉作業(yè)推演時干涉檢查模塊、視景仿真模塊運算量大，為了均衡計算資源消耗，將其劃分為聯(lián)邦不同成員，即碰撞成員、視景成員。

2）不同功能站位分離

考慮到仿真控制信息不受節(jié)點其他計算影響，將仿真控制、子節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測、通訊性能測試等功能集成在仿真控制成員；作業(yè)驅動和轉運路徑規(guī)劃功能劃分為數(shù)學成員；輸轉作業(yè)參與人員多，戰(zhàn)位復雜，仿真視點大致可以分為3類：引導員、指揮員和駕駛員，因此設立若干個視景成員滿足場景和戰(zhàn)位需求。

3）特殊形式硬件獨立

駕控臺節(jié)點用于實現(xiàn)人在回路的車輛駕駛仿真。集成顯示器，模擬駕駛員視窗，與視景節(jié)點一樣，基于Vega Prime進行視景驅動。具有完整坦克和車輛駕駛操作設備的駕控臺作為半物理仿真成員接入仿真聯(lián)邦，模擬坦克或者車輛駕駛，便于駕控臺成員的單獨調試。

綜上所述，艦船仿真聯(lián)邦劃分以下成員，即仿真控制成員、數(shù)學成員、碰撞成員、駕控臺成員和若干個視景成員，邏輯結構如圖1所示。

圖1 輸轉作業(yè)仿真系統(tǒng)邏輯結構圖Fig.1 Logical structure of transport operation simulation system

根據圖1的仿真系統(tǒng)邏輯結構圖，基于HLA規(guī)則，組建艦船仿真聯(lián)邦，每個成員對應1個節(jié)點，為1個單獨運行的應用程序。本文基于MAK-RTI進行開發(fā)，但各節(jié)點應用程序不直接采用復雜的MAK-RTI API實現(xiàn)，而是采用較為簡單的VR-LINK API接口來實現(xiàn)。

1.1 節(jié)點信息交互

HLA對象模型模板用于引導說明聯(lián)邦和聯(lián)邦成員在聯(lián)邦運行中需要交換的數(shù)據信息，是實現(xiàn)互操作和重用的重要機制之一[5]。在聯(lián)邦運行中，成員之間數(shù)據交換是借助RTI提供的服務實現(xiàn)。聲明發(fā)布對象類或交互類成員提供更新屬性值，訂購相應對象類或交互類成員接收數(shù)據，并將數(shù)據本地化加以利用[6]。輸轉作業(yè)仿真系統(tǒng)對象類設計如表1所示，交互類設計如表2所示。

1.2 運行框架

系統(tǒng)各節(jié)點仿真應用程序框架采用雙線程結構，一個是窗口界面線程，它主要用于處理用戶和窗口的交互；另一個是仿真聯(lián)邦線程，主要用于完成仿真模型的執(zhí)行和成員間信息交互。以駕控臺節(jié)點程序為例，說明線程之間關系及結構，如圖2所示。

表1 對象類設計Tab.1 Design of object classes

2 節(jié)點控制機制

表2 交互類設計Tab.2 Design of interaction classes

1）系統(tǒng)啟動

仿真啟動過程可分為預加載和運行2個階段。預加載階段，協(xié)同網碰撞節(jié)點、駕控臺節(jié)點和視景節(jié)點分別加載輸轉方案中實體碰撞模型、動力學模型和三維可視化模型，由用戶選定作業(yè)方案開始直到所有模型加載完畢結束。此時仿真啟動準備工作完成。預加載階段節(jié)點間信息交互如圖3所示。

2）節(jié)點交互

運行階段從用戶啟動仿真開始直至仿真停止結束。數(shù)學節(jié)點根據方案流程進行時間推演、作業(yè)驅動和路徑規(guī)劃，同時向協(xié)同網上其他節(jié)點發(fā)送時間信息。當規(guī)劃的作業(yè)類型為轉運且駕控臺節(jié)點具有駕駛輸入時，基于車輛動力學模型的駕控臺節(jié)點根據用戶操控信息向碰撞節(jié)點和視景節(jié)點發(fā)送作業(yè)類型和物體位置等信息。碰撞節(jié)點根據物體位置信息進行干涉檢查，并將碰撞信息發(fā)送到視景節(jié)點。視景節(jié)點接收到碰撞信息、具備動力學模型的作業(yè)類型和物體位置等進行虛擬仿真。隨著仿真時間推進，節(jié)點協(xié)同工作將重復以上步驟。運行階段節(jié)點間信息交互如圖4所示。

3）新節(jié)點上線

運行階段仿真聯(lián)邦增加視景成員，新視景節(jié)點接收到仿真方案信息后，同時開始加載方案對應的三維可視化模型。仿真控制節(jié)點根據來自新節(jié)點“忙”的心跳信息，將仿真運行狀態(tài)改為暫停，因此其他節(jié)點均處于暫停狀態(tài)直至新視景節(jié)點模型加載完畢。此時節(jié)點間消息交互如圖5所示。新增視景節(jié)點，暫停機制保障仿真成員間時間同步，但增加整個協(xié)同網絡暫停時間，故盡量在啟動仿真前打開滿足足夠數(shù)量的視景節(jié)點。

3 時間控制

圖2 駕控臺節(jié)點應用程序線程Fig.2 Application thread of drive control node

3.1 時間管理

圖3 預加載階段節(jié)點間信息交互機制Fig.3 Mechanism of information interaction between nodes in pre-loading state

圖4 運行階段節(jié)點間信息交互機制Fig.4 Mechanism of information interaction between nodes in runnning state

圖5 新視景節(jié)點上線節(jié)點間信息交互機制Fig.5 Mechanism of information interaction between nodes when a new visual node is online

時間是分布式仿真的重要因素，決定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣[7]。HLA聯(lián)邦成員的時間管理策略有時間控制（Time Regulating）和時間約束（Time Constrained）2種[8]。本分布式仿真系統(tǒng)為硬件在回路網絡，駕駛員操控信息受模擬駕駛視窗的場景影響，實時性要求較高，仿真聯(lián)邦各成員均設置為既時間控制又時間約束。經過艦船、裝備、人員交互關系梳理，結合輸轉作業(yè)系統(tǒng)特點，選定以下消息交互方式：消息傳遞順序均采用時戳順序TSO，消息傳遞方式采用最佳消息發(fā)送方式（Best effort）。

3.2 性能測試

協(xié)同網節(jié)點間通信延遲主要由節(jié)點間交互時間和節(jié)點內運算時間組成。仿真控制節(jié)點的通信線程不斷發(fā)送性能測試信息到目標測試節(jié)點，同時目標測試節(jié)點通過回調函數(shù)接收時間測試信息并返回。時間測試開始后仿真控制節(jié)點創(chuàng)建高精度時鐘，發(fā)送節(jié)點ID和時間開始值到目標測試節(jié)點，接收到目標測試節(jié)點的返回消息時同時記錄時鐘中止值，依照式（1），計算出仿真控制節(jié)點和目標測試節(jié)點間的延遲時間。

運行各節(jié)點應用程序，在用戶選定作業(yè)方案前啟動性能測試，此時節(jié)點內運算時間t運算可以忽略不計，統(tǒng)計記錄節(jié)點間通信延遲時間即可得節(jié)點間交互時間t交互；運行各節(jié)點應用程序，用戶選定作業(yè)方案且啟動仿真后，再啟動性能測試。記錄節(jié)點間通信延遲時間t通訊，根據式（2），剔除節(jié)點間交互時間t交互計算得出節(jié)點內運算時間t運算。

4 仿真試驗與結論

4.1 仿真試驗

依次運行仿真系統(tǒng)各節(jié)點應用程序，導入某艦輸轉作業(yè)設計方案，在仿真控制節(jié)點選定某方案。

通過某艦輸轉方案仿真演示，發(fā)現(xiàn)仿真系統(tǒng)涵蓋了全艦三維環(huán)境模型、車輛等虛擬裝備和控制面、作業(yè)面等半實物模型，仿真模型總數(shù)不少于100個，同時仿真模型對應的約束模型總數(shù)不少于1 000。從仿真開始執(zhí)行到艙室環(huán)境搜索、實體約束傳送、仿真流程推演和三維仿真顯示的總響應時間遠不足0.1 s，滿足仿真真實性、流暢性和功能性要求。

運行方案發(fā)現(xiàn)仿真控制節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測正常，數(shù)學節(jié)點、視景節(jié)點數(shù)據顯示正常，碰撞節(jié)點滿足干涉精細度要求，視景仿真工作站和三通道演示系統(tǒng)畫面流暢。

4.2 試驗數(shù)據分析

節(jié)點間交互時間的最大值如圖7所示，節(jié)點內運算時間比較結果如圖8所示。圖7表明節(jié)點間交互時間最大值在3.1 ms左右。圖8表明視景節(jié)點內部運算消耗時間最長，為5 ms左右。如單臺計算機運行仿真系統(tǒng)各模塊，系統(tǒng)運算時間總和約為5（視景節(jié)點）+3（碰撞節(jié)點）+2（數(shù)學節(jié)點）+1（駕控臺節(jié)點）= 10 ＞8.1 ms，可見均衡計算負載之后，仿真系統(tǒng)延遲時間縮短。且實際仿真時，受限于計算機資源，單臺計算機運算時間遠大于10 ms。

圖6 節(jié)點間交互時間最大值Fig.6 Maximum value of interaction time between nodes

圖7 節(jié)點內運算時間比較Fig.7 Comparison of computation time in nodes

5 結 語

本文針對艦船輸轉作業(yè)系統(tǒng)建立了仿真系統(tǒng)聯(lián)邦和聯(lián)邦成員，制定了協(xié)同仿真對象類和交互類，分析節(jié)點工作機制，研究時間管理策略，進行節(jié)點通信性能測試，最后基于HLA建立了分布式仿真系統(tǒng)框架，完成了整個協(xié)同仿真系統(tǒng)搭建。

1）本文基于HLA建立艦船輸轉作業(yè)分布式仿真系統(tǒng)，滿足了輸轉方案在仿真功能和性能上的需求，提供了輸轉作業(yè)方案仿真驗證平臺。

2）本系統(tǒng)具有較好的可擴展性，既降低仿真系統(tǒng)硬件成本，又利用仿真單元的結構化、分布化，同步開展仿真程序開發(fā)，提高開發(fā)速度。

3）本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，節(jié)點間交互延遲時間在可接受范圍之內。今后將開展分布式仿真數(shù)據記錄研究，從各節(jié)點采集仿真原始數(shù)據，為下一步進行輸轉方案仿真評估及優(yōu)化做準備。

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Research on transport operation simulation system of warship based on HLA

MENG De-zhuang1,2,YAN Li1,2,LIU Zhen-ming1,2,FANG Xiao-bo1
(1.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China;2.Shanghai Zhongchuan Ship Design Technology National Engineering Research Center Co.,Ltd,Shanghai 200083,China)

In order to solve the problems of insufficient resources,battle positions and human-computer interaction,transport operation simulation system of warship is developed based on HLA.According to computer resources’ occupation and functions,the federation is distributed into several federates.Then the network Structure for Distributed Simulation system is planned,the time management stragety of Collaboration network is chosen,the control mechanism of several nodes is emphasizly solved,and the publisher and the order of object classes and interaction classes is cleared.MAK-RTI is used as an assist develop tool of HLA,and visual view is driven by Vega Prime.It is showed that the Distributed Simulation system can satisfy designers’ needs in function and performance through simulation tests.Compared with the solution of traditional design,the system can improve design efficiency,balance computing load,and reduce delay time of node communication.

transport operation；distributed simulation；high level architecture；node control

TP391.9

A

1672 – 7649(2017)10 – 0159 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.032

0 引 言

輸轉作業(yè)是指艦船作業(yè)中與作業(yè)實體位置變化相關的所有作業(yè)，包括車輛行駛、牽引、貨物調運等作業(yè)，以及相關配套的系留解系、掛鉤脫鉤、裝貨卸貨等作業(yè)，廣泛用于補給、任務保障、貨物運輸?shù)雀鞣N作業(yè)系統(tǒng)中。隨著艦船作業(yè)的復雜化和任務多樣化，輸轉作業(yè)也面臨著環(huán)境約束增加，作業(yè)方案復雜性增加，作業(yè)實體互相擠占空間和作業(yè)流程互相沖突更易發(fā)生等問題，對輸轉作業(yè)方案的設計提出較高要求。

使用仿真方法對輸轉作業(yè)的設計方案進行研究，可以充分檢驗作業(yè)過程中各種要素中出現(xiàn)的動態(tài)變化，從而獲得對設計方案更準確的評估。仿真系統(tǒng)在試驗過程中，需要同步開展車輛等作業(yè)實體的動力學運動學仿真計算、作業(yè)實體與艙室環(huán)境和其他實體的三維干涉檢查、三維場景實時渲染，以及人在回路的駕駛仿真，對計算機的運算能力提出了很高的要求，同時，輸轉作業(yè)仿真的規(guī)模也在逐步增大，因此單臺計算機逐漸難以滿足仿真試驗計算的需要。

2016 – 11 – 17；

2017 – 01 – 09

國防基礎科研資助項目(A0720132001)

孟德壯(1989 – )，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為船舶虛擬仿真。