侯婧，柴旭東，周軍華,3

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán) 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技發(fā)展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

ICE中間件的LVC集成模型研究*

侯婧1，柴旭東2，周軍華1,3

(1.中國(guó)航天科工集團(tuán) 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技發(fā)展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

提出一種組合式建模方法，基于RLFP 4種模型，包括需求模型、邏輯模型、功能模型、物理模型對(duì)LVC仿真系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)4種模型之間的轉(zhuǎn)換，得到可實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證的LVC集成模型；其次介紹了一種分布式中間件ICE及其通信模式，用于實(shí)現(xiàn)LVC仿真模型的集成，并針對(duì)當(dāng)前LVC系統(tǒng)中存在的弱實(shí)時(shí)性問(wèn)題提出了一種時(shí)間管理方法，最后借助一個(gè)仿真訓(xùn)練實(shí)例驗(yàn)證LVC仿真系統(tǒng)的通信和集成方法。

LVC；RLFP；模型轉(zhuǎn)換；ICE中間件；時(shí)間管理；集成模型

0 引言

LVC仿真是將真實(shí)仿真(live)、虛擬仿真(virtual)、構(gòu)造仿真(constructive)3類仿真資源互連到一起構(gòu)成的一個(gè)豐富的分布式仿真系統(tǒng)[1]，但3類仿真在模型規(guī)范、通訊協(xié)議、時(shí)間特性上存在異構(gòu)性，很難實(shí)現(xiàn)仿真模型的集成[2]。在解決集成問(wèn)題方面，相繼提出了DIS，ALSP，HLA，TENA等架構(gòu)，在真實(shí)仿真中采用TENA架構(gòu)，在虛擬、構(gòu)造仿真中采用HLA架構(gòu)[3]，但2類架構(gòu)由于模型描述和通信協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致2類仿真系統(tǒng)難以兼容。本文提出一種組合式建模方法，形成覆蓋仿真、試驗(yàn)、訓(xùn)練等方面的元數(shù)據(jù)、概念模型、基本接口，為L(zhǎng)VC仿真提供可重用和可組合的基礎(chǔ)資源庫(kù)，解決HLA，TENA等體系結(jié)構(gòu)之間對(duì)象模型不兼容、組合性差等問(wèn)題。核心思想是構(gòu)建需求模型(R)、邏輯功能(LF)模型、物理模型(P)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類仿真資源操作接口的統(tǒng)一描述。集成模型是具有仿真功能的物理模型，借助網(wǎng)絡(luò)中間件ICE作為各類仿真資源的底層通信工具進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)仿真模型的集成。在模型集成時(shí)需要考慮仿真資源之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，由此基于Petri網(wǎng)建立LVC時(shí)序一致性模型，解決LVC仿真系統(tǒng)中存在的弱實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

1 LVC仿真系統(tǒng)建模方法

LVC仿真模型包括需求模型、功能邏輯模型、物理模型(RLFP)。采用系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML建立需求模型，描述系統(tǒng)頂層需求。設(shè)計(jì)師首先從需求模型中獲取結(jié)構(gòu)和接口關(guān)系，進(jìn)而采用高層建模語(yǔ)言建立邏輯功能模型，不斷建立需求與其他模型元素的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)需求的追溯，但邏輯功能模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證，還需將邏輯功能模型轉(zhuǎn)換到物理模型，得到具有仿真功能的集成模型，最終實(shí)現(xiàn)LVC仿真模型的驗(yàn)證。從需求分析模型到物理模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖1所示。

1.1需求模型

SysML(system modeling language，系統(tǒng)建模語(yǔ)言)為系統(tǒng)提供一套層次化建模規(guī)范，通過(guò)圖形交互實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程[4]。本文基于SysML中的塊定義圖(block definition diagram，BDD)、內(nèi)部塊圖(inner block diagram，IBD)、序列圖、狀態(tài)圖從結(jié)構(gòu)組成、接口、數(shù)據(jù)交互等方面實(shí)現(xiàn)LVC仿真系統(tǒng)的頂層需求描述。

利用BDD圖對(duì)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成(圖2)進(jìn)行描述，屬性值描述組成元素隸屬層級(jí)(圖中省略部分屬性描述)。通過(guò)描述分系統(tǒng)之間的層次關(guān)系，可了解不同系統(tǒng)之間相互協(xié)作及依賴關(guān)系。利用IBD圖建立系統(tǒng)接口模型(圖3)，主要對(duì)仿真系統(tǒng)公共操作接口進(jìn)行圖形化描述，接口反映了頂層系統(tǒng)、子系統(tǒng)、邏輯構(gòu)件或物理構(gòu)件等各個(gè)層次系統(tǒng)之間發(fā)生的信息交換關(guān)系。利用序列圖建立系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序模型(圖4)，對(duì)每個(gè)仿真分系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行描述，即對(duì)每個(gè)分系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃。每個(gè)仿真分系統(tǒng)都有一條生命線，在生命線上標(biāo)注特定時(shí)間點(diǎn)，單向箭頭代表一個(gè)事件，事件與生命線的交點(diǎn)表示時(shí)間。利用活動(dòng)圖建立活動(dòng)描述模型(圖5)，強(qiáng)調(diào)活動(dòng)的輸入、輸出、順序和活動(dòng)影響行為的條件，其中作戰(zhàn)活動(dòng)的輸入/輸出關(guān)系反映活動(dòng)之間的信息交換關(guān)系。

1.2邏輯功能模型

功能邏輯模型采用高層建模語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行建模，通過(guò)對(duì)上述需求模型的分析，基于COSIM平臺(tái)[5]提供的高層建模工具可實(shí)現(xiàn)對(duì)LVC仿真系統(tǒng)的組成和行為進(jìn)行頂層宏觀描述，包括靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)行為模型[6-7]。利用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成描述系統(tǒng)或模塊，為系統(tǒng)功能模塊之間的合法連接關(guān)系作出規(guī)定。在建模過(guò)程中首先對(duì)LVC仿真系統(tǒng)各類成員端口和元素信息進(jìn)行定義，通過(guò)可視化操作界面快速搭建仿真模型(圖6)。動(dòng)態(tài)行為模型是從時(shí)間域描述整個(gè)仿真系統(tǒng)，描述各元素對(duì)交互信息的反應(yīng)。高層建模采用活動(dòng)圖與狀態(tài)圖加相應(yīng)的引擎調(diào)度機(jī)制來(lái)反映時(shí)間域交互信息的發(fā)生過(guò)程和對(duì)象系統(tǒng)的行為。靜態(tài)模型建立后，可自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)行為圖，該動(dòng)態(tài)行為圖包含兩級(jí)狀態(tài)圖，圖7表示第1級(jí)狀態(tài)圖，圖8表示第2級(jí)狀態(tài)圖，圖9表示進(jìn)入第2狀態(tài)圖后的活動(dòng)圖。

圖3 系統(tǒng)接口模型Fig.3 Interface model of LVC system

1.3物理模型

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序模型Fig.4 Sequence model of LVC system

圖5 活動(dòng)模型Fig.5 Active model

圖6 靜態(tài)模型圖Fig.6 Static model

圖7 第1級(jí)狀態(tài)圖Fig.7 First class of state chart

圖8 第2級(jí)狀態(tài)圖Fig.8 Second class of state chart

圖9 活動(dòng)圖Fig.9 Active chart

對(duì)物理模型進(jìn)行的建模過(guò)程中可以通過(guò)相關(guān)的CAD/CAE工具進(jìn)行。通過(guò)高層建模的元素代碼自動(dòng)生成工具得到仿真模型框架，在框架中插入專業(yè)相關(guān)的模型代碼，便得到可以實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證的物理模型。

1.4模型轉(zhuǎn)換方法

需求分析模型是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、交互關(guān)系等層面描述整個(gè)仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)需求模型的人工分析，獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為等信息，利用COSIM平臺(tái)提供的高層建模工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能層面的建模。平臺(tái)支持模型元素代碼自動(dòng)生成，可得到由.cpp和.h文件組成仿真模型框架(物理模型框架)，在框架中加入專業(yè)相關(guān)的模型代碼便可實(shí)現(xiàn)物理模型的建立，最終得到滿足需求的集成模型。

2 基于ICE中間件的模型集成方法

ICE(internet communications engine 網(wǎng)絡(luò)通信引擎)提供完善的分布式系統(tǒng)解決方案，適合所有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[8-9]，且 ICE定義了自己的規(guī)范語(yǔ)言Slice(special language for ICE)，描述對(duì)象接口、操作，客戶與服務(wù)器交換的數(shù)據(jù)類[10-11]。本文首先通過(guò)Slice語(yǔ)言對(duì)接口進(jìn)行定義，通過(guò)slice2cpp編譯器對(duì)定義好的.ice文件進(jìn)行編譯，自動(dòng)生成遠(yuǎn)程方法調(diào)用接口，為客戶端生成的是Proxy(代理)，為服務(wù)器端生成的是Skeleton(骨架)。代理為客戶提供一個(gè)向下調(diào)用接口(down-call)，當(dāng)客戶端調(diào)用代理中某個(gè)操作時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生RPC消息發(fā)送到服務(wù)器，從而調(diào)用目標(biāo)對(duì)象對(duì)應(yīng)的操作。骨架代碼是客戶端代理代碼在服務(wù)器端的等價(jià)物，提供了一個(gè)向上調(diào)用接口(up-call)，允許ICE把控制線程轉(zhuǎn)交給服務(wù)器端的應(yīng)用程序代碼，服務(wù)器通過(guò)接收客戶端發(fā)送的參數(shù)，并把返回值和異常傳回給客戶。ICE的通信過(guò)程如圖10所示?？蛻舳送ㄟ^(guò)本地Proxy調(diào)用服務(wù)器端應(yīng)用，由Proxy通過(guò)客戶端ICE運(yùn)行環(huán)境轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器端ICE運(yùn)行環(huán)境，由于服務(wù)器端可能會(huì)有多個(gè)不同的服務(wù)提供者，選擇合適的服務(wù)提供者是由對(duì)象適配器(object adapter)來(lái)做的，Skeleton負(fù)責(zé)類型轉(zhuǎn)換，最終由servant為客戶端提供真正的服務(wù)。

圖10 ICE 通信過(guò)程Fig.10 Communication process of ICE

大型分布式仿真系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及面廣、可靠性要求高等特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的HLA體系結(jié)構(gòu)可以有效解決各類仿真資源之間的互操作，但由于實(shí)時(shí)性較差，應(yīng)用在含有實(shí)裝類仿真資源的LVC仿真系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲，在一定程度上影響了信息傳輸實(shí)時(shí)性。ICE與HLA有很多共同之處[12]，除了實(shí)現(xiàn)HLA/RTI的各項(xiàng)功能外，還提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)分布實(shí)時(shí)計(jì)算環(huán)境的高效通信，在ICE中加入時(shí)間管理算法，可以有效解決HLA實(shí)時(shí)性弱的問(wèn)題。

3 LVC時(shí)序一致性模型

LVC仿真系統(tǒng)由于人的參與和真實(shí)裝備的硬件部分存在，要求各參試系統(tǒng)以實(shí)時(shí)模式推進(jìn)仿真運(yùn)行[13]。影響LVC系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素來(lái)自3方面的數(shù)據(jù)延遲：仿真模型自身解算時(shí)間、通信中間件數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)延遲。一般LVC系統(tǒng)會(huì)采用基于GPS授時(shí)的時(shí)間同步方法和DR外推算法[14]，盡量減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，本文提出一種基于著色Petri網(wǎng)[15]建立的LVC時(shí)序一致性模型從時(shí)間老化度方面解決目前存在的時(shí)間問(wèn)題。該模型可以說(shuō)明仿真交互信息的動(dòng)態(tài)時(shí)間特點(diǎn)，模型如圖11所示，在該模型中，生產(chǎn)者消費(fèi)者均是分布仿真節(jié)點(diǎn)，一個(gè)生產(chǎn)者應(yīng)用能向其他應(yīng)用或消費(fèi)者發(fā)布狀態(tài)數(shù)據(jù)θ。令牌表示系統(tǒng)間傳遞的交互數(shù)據(jù)，庫(kù)所表示交互數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間流動(dòng)中所處的位置，當(dāng)一次變遷創(chuàng)造一個(gè)令牌時(shí)，令牌的“創(chuàng)建時(shí)間”屬性被設(shè)定；當(dāng)一次變遷轉(zhuǎn)移令牌時(shí)，該令牌的“到達(dá)時(shí)間”屬性被設(shè)定。

圖11 LVC時(shí)序一致性模型Fig.11 Time-aligned model of LVC

數(shù)據(jù)生產(chǎn)者模型如圖12，變遷T1代表生產(chǎn)者模型線程，表示系統(tǒng)向后推進(jìn)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生更新。變遷T2表示生產(chǎn)者采樣線程，T2發(fā)生表示交互數(shù)據(jù)被網(wǎng)絡(luò)中間件處理。網(wǎng)絡(luò)模型(圖13)模擬了網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程，表示交互數(shù)據(jù)經(jīng)歷變遷T3，T4后，將θ以特定延遲從生產(chǎn)者移動(dòng)到消費(fèi)者。數(shù)據(jù)消費(fèi)者模型(圖14)建立了一個(gè)消費(fèi)者接收θ的模型，T5表示接收線程。T6表示消費(fèi)者模型線程，當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)被用于消費(fèi)者計(jì)算時(shí)才確定。

圖12 數(shù)據(jù)生產(chǎn)者模型Fig.12 Data producer model

圖13 網(wǎng)絡(luò)模型Fig.13 Network model

圖14 數(shù)據(jù)消費(fèi)者模型Fig.14 Data consumer model

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，T1，T2，T3和T6對(duì)數(shù)據(jù)老化度有影響，但經(jīng)過(guò)篩選試驗(yàn)分析得到T6對(duì)延遲基本無(wú)影響。針對(duì)大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到LVC仿真系統(tǒng)總延時(shí)為0.5T1+0.5T2+T3。因此在進(jìn)行LVC仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)上述幾種延遲源對(duì)數(shù)據(jù)老化度進(jìn)行評(píng)估，若數(shù)據(jù)衰老的估計(jì)值不滿足設(shè)計(jì)要求，可通過(guò)改變T1或T2以降低系統(tǒng)延遲，從而滿足最終的設(shè)計(jì)需求。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

4.1應(yīng)用背景

以某裝備靶場(chǎng)訓(xùn)練為背景，驗(yàn)證LVC仿真系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。其中實(shí)裝類仿真資源包括靶機(jī)、雷達(dá)；虛擬類仿真資源包括指揮控制臺(tái)、綜合空情臺(tái)、模擬器等；構(gòu)造類仿真資源包括裝備數(shù)字模型、應(yīng)用軟件等。在作戰(zhàn)訓(xùn)練中，雷達(dá)探測(cè)到飛入的靶機(jī)，獲取靶機(jī)飛行位置速度、飛行軌跡等信息，將其傳入指揮控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成制導(dǎo)指令，控制該裝備攔截目標(biāo)，模擬攔截過(guò)程。LVC仿真系統(tǒng)組成如圖15所示。

4.2基于ICE中間件的LVC仿真系統(tǒng)集成模型實(shí)例開(kāi)發(fā)

基于高層建模語(yǔ)言已生成系統(tǒng)操作接口的描述文件，結(jié)合ICE特定的語(yǔ)言規(guī)范Slice編寫(xiě)服務(wù)接口，生成.ice文件，編寫(xiě)好后使用slice2cpp命令可生成相應(yīng)的.h文件和.cpp文件(Proxy和Skeleton)。

在ICE規(guī)范下，進(jìn)一步為通信內(nèi)容定義數(shù)據(jù)類型，創(chuàng)建相關(guān)的發(fā)布和訂閱客戶端，完善各個(gè)實(shí)體的創(chuàng)建和匹配，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱。圖16描述了建立數(shù)據(jù)流通信的過(guò)程。

4.2.1 服務(wù)的發(fā)布

4.2.2 客戶端一個(gè)實(shí)體的調(diào)用

圖15 LVC仿真系統(tǒng)組成圖Fig.15 Constitutional diagram of LVC

圖16 數(shù)據(jù)通信過(guò)程Fig.16 Process of data communication

基于RLFP 4種模型建立LVC仿真模型，采樣ICE中間件作為底層通信工具將各模型集成到一起，最終構(gòu)建一套LVC仿真系統(tǒng)。驗(yàn)證結(jié)果如圖17，18所示。

(1) 服務(wù)器端發(fā)布消息結(jié)果

圖17 服務(wù)器端消息發(fā)布Fig.17 Message releasing from server

(2) 客戶端接收該消息結(jié)果

圖18 客戶端消息接收Fig.18 Message receiving from client

由圖17，18可以看出，基于ICE中間件，可以實(shí)現(xiàn)各類模型之間的數(shù)據(jù)交互，可以幫助目標(biāo)LVC仿真系統(tǒng)快速集成各類仿真資源。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先基于SysML語(yǔ)言和高層建模語(yǔ)言對(duì)LVC仿真系統(tǒng)需求模型、邏輯功能模型、物理模型進(jìn)行構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)模型之間的轉(zhuǎn)換，得到滿足需求的集成模型，統(tǒng)一模型規(guī)范。進(jìn)而采用ICE中間件對(duì)模型進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)各類仿真資源之間的數(shù)據(jù)交互和信息共享，給出仿真實(shí)例并驗(yàn)證其仿真性能。該LVC仿真系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建聯(lián)合試驗(yàn)靶場(chǎng)，可以進(jìn)行部隊(duì)人員訓(xùn)練，并真實(shí)檢驗(yàn)裝備系統(tǒng)整體性能。

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LVCIntegrationModelsBasedonICEMiddle-Ware

HOU Jing1，CHAI Xu-dong2，ZHOU Jun-hua1

(1.The Second Academy of CASIC，Beijing 100845，China；2.Beijing Aerospace Smart Manufacturing Technology Development Co.Ltd,Beijing 100854,China;3.Beijing Simulation Center，Beijing 100845，China)

Based on requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP), a LVC (live, virtual and constructive) integration model is built. By using a distributed middle-ware, internet communication engine (ICE), the integration of LVC simulation system is achieved. Then, a time-model for solving the problems of weak real-time on LVC is proposed. Eventually the communication efficiency and Integration method of this LVC simulation system is verified based on a combat training.

live, virtual and constructive (LVC); requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP); model transformation；internet communication engine (ICE) middle ware; time management; integration model

2016-12-12；

2016-12-30

有

侯婧(1992-)，女，山東菏澤人。碩士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱E-mail：1550814137@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.028

N945.12;TP391.9

A

1009-086X(2017)-05-0178-010