董志明，郭齊勝

(陸軍裝甲兵學(xué)院演訓(xùn)中心，北京 100072)

1 引言

武器裝備信息化、體系化特征日益突出，多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)已成為主要作戰(zhàn)形態(tài)。針對當(dāng)前實(shí)裝對抗難以達(dá)到“體系對抗”要求，將信息化訓(xùn)練場、實(shí)際武器裝備體系、半實(shí)物模擬訓(xùn)練器、虛擬戰(zhàn)場空間融為一體是實(shí)現(xiàn)“實(shí)裝體系對抗”的有效手段[1-2]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

針對以上問題，本文詳細(xì)闡述了試驗(yàn)訓(xùn)練一體化支撐平臺5項(xiàng)關(guān)鍵仿真支撐技術(shù)。

2.1 仿真環(huán)境柔性集成技術(shù)

人在環(huán)是試驗(yàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的特征之一，每個人的作業(yè)環(huán)境構(gòu)成一個席位。由于仿真規(guī)模和投入有限，要進(jìn)行全席位仿真不現(xiàn)實(shí)。因此，提出了“成系統(tǒng)、全要素”的解決方法，成系統(tǒng)指的是指揮結(jié)構(gòu)完整，全要素指的是作戰(zhàn)要素齊全。傳統(tǒng)的仿真環(huán)境集成架構(gòu)有兩種：一種是固定功能方案，每個席位都做一套；另一種是組合功能方案，“終端個人電腦+服務(wù)器+功能固定的通信裝備+半實(shí)物模擬器或裝備”。針對以上兩種方案難以適應(yīng)快速多變的應(yīng)用需求，分別從構(gòu)件集成、席位集成、作業(yè)環(huán)境集成三個層次展開，提出柔性作業(yè)環(huán)境構(gòu)建方案。構(gòu)建集成層要完成虛擬設(shè)備(如虛擬電臺)和作業(yè)界面生成，并將它們集成為席位；席位集成層將不同席位集成為方艙；作業(yè)環(huán)境集成層負(fù)責(zé)將不同方艙集成為作業(yè)環(huán)境。

在構(gòu)件集成層，有兩個問題。一是指揮信息系統(tǒng)快速開設(shè)與配置，比如有師規(guī)模仿真變成團(tuán)規(guī)模仿真；采用虛擬桌面技術(shù)，通過本地虛擬桌面、虛擬托管桌面和三種模式的虛擬磁盤流式桌面來解決。二是信息終端快速替換，比如不同型號雷達(dá)替換，采用虛擬儀器與構(gòu)件化軟件技術(shù)，構(gòu)建信息設(shè)備的通用虛擬作業(yè)終端集成平臺，統(tǒng)一的技術(shù)體制，集成定制的相關(guān)設(shè)備的物理外觀模型、數(shù)據(jù)接口模型、操作響應(yīng)模型，形成相應(yīng)設(shè)備的虛擬操作環(huán)境。在席位集成層，要解決的問題是半實(shí)物仿真通信設(shè)備通用化、可替換，如：超短波電臺。采用硬件與軟件分離技術(shù)，按照模件化、模塊化思想，對硬件環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一建設(shè)或改造，通過少量模件替換及軟件更新，實(shí)現(xiàn)設(shè)備類型的更替。在作業(yè)環(huán)境集成層，要解決綜合集成問題，研究了電磁環(huán)境仿真、鏈路通信層仿真等技術(shù)。

2.2 裝備體系虛實(shí)交互技術(shù)

在試驗(yàn)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中有三種仿真實(shí)體，即半實(shí)物模擬器、實(shí)裝指揮軟件(實(shí)裝)和數(shù)學(xué)仿真軟件。實(shí)兵操作的是半實(shí)物模擬器和指揮信息系統(tǒng)實(shí)裝軟件，而數(shù)學(xué)仿真軟件采用的是數(shù)字仿真模型。二者數(shù)據(jù)定義的類型、表現(xiàn)形式、傳遞形式、存儲形式等有較大差異，需要通過橋接轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的操作和數(shù)據(jù)的交互理解。采用基于服務(wù)架構(gòu)的虛實(shí)交互技術(shù)。仿真中心服務(wù)器通過高速網(wǎng)絡(luò)與半實(shí)物系統(tǒng)、實(shí)裝系統(tǒng)、綜合顯示系統(tǒng)、管理控制系統(tǒng)和考核評估系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，提供仿真數(shù)據(jù)服務(wù)；半實(shí)物系統(tǒng)、實(shí)裝系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)橋接器與數(shù)學(xué)仿真軟件進(jìn)行信息交互。

要實(shí)現(xiàn)上述虛實(shí)交互，需要兩個問題。第一個問題是指揮控制信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集問題，主要采集各作業(yè)人員在應(yīng)用過程中收發(fā)的戰(zhàn)術(shù)報文、文書和信息系統(tǒng)的操作記錄。其難點(diǎn)是指揮控制信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)多，包括多種操作系統(tǒng)，現(xiàn)有指揮控制信息系統(tǒng)軟件采用非標(biāo)準(zhǔn)控件，且各軍兵種和各專業(yè)具有不同的報文格式和傳輸協(xié)議，導(dǎo)致采集對象數(shù)量大、情況復(fù)雜，難以采用常規(guī)方法進(jìn)行采集。采用API截獲、動態(tài)庫劫持和數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器等技術(shù)，截獲指揮信息系統(tǒng)交互的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)短報文、實(shí)時報文、文電信息，具有效率高和無丟包率等特點(diǎn)，且能較好地解析報文內(nèi)容。同時，采用虛擬對象標(biāo)注技術(shù)，較好地獲取了非Windows標(biāo)準(zhǔn)控件上的操作信息。第二個問題是異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時轉(zhuǎn)換問題，其難點(diǎn)是指揮信息格式復(fù)雜。運(yùn)用虛擬超級用戶代理技術(shù)、交互信息格式自動轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)裝與虛擬兵力之間的信息交換。采用交互信息格式轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過命令模板匹配、自然語言理解、解析轉(zhuǎn)化等方法分別對(可變長度)VMF報文、文電和實(shí)時報文等信息，在數(shù)據(jù)支持分系統(tǒng)與指揮信息分系統(tǒng)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)兩個分系統(tǒng)的互連互通。

應(yīng)用上述虛實(shí)交互技術(shù)建立了虛實(shí)交互轉(zhuǎn)換橋接器，實(shí)兵可以通過實(shí)裝指控軟件產(chǎn)生的指揮信息，與虛擬兵力進(jìn)行實(shí)時交互，控制作戰(zhàn)仿真過程中的各種作戰(zhàn)行動。對指揮員來講，可以將指揮員決策過程與實(shí)裝軟件系統(tǒng)、作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了指揮員在逼真的戰(zhàn)場環(huán)境中，依托實(shí)裝指揮控制系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時指揮，取得接近實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練或試驗(yàn)效果。

2.3 聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練支撐環(huán)境體系架構(gòu)技術(shù)

LVC試驗(yàn)訓(xùn)練的核心技術(shù)問題是解決異構(gòu)資源的互操作問題，需要基于一個統(tǒng)一的體系架構(gòu)，將實(shí)裝、模擬器、數(shù)學(xué)模型等試驗(yàn)訓(xùn)練資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，在這些資源之間建立統(tǒng)一的語言和通信機(jī)制，從而構(gòu)建一個具有統(tǒng)一時間、空間和戰(zhàn)場環(huán)境的邏輯靶場。因此，提出基于中間件的互聯(lián)互通互操作、基于對象模型的LVC資源互操作以及基于“網(wǎng)管+適配器”的異構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù)。

TISA中間件用于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作，并在邏輯靶場中維護(hù)統(tǒng)一的時間概念。TISA中間件以對象模型的元模型為通訊語義基礎(chǔ)，將分布式共享內(nèi)存的編碼提取、匿名發(fā)布訂閱和分布式模型驅(qū)動面向?qū)ο蟮木幊陶系揭粋€中間件系統(tǒng)中。它是一組支撐LVC試驗(yàn)運(yùn)行的中間件軟件集合，基于一系列標(biāo)準(zhǔn)化的API，為LVC試驗(yàn)提供集中管理，數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)度服務(wù)和時間服務(wù)，用于在不對現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行改動的條件下，實(shí)現(xiàn)各類LVC模型、試驗(yàn)對象和試驗(yàn)資源的互聯(lián)互通互操作。中間件在特定邏輯靶場中維護(hù)統(tǒng)一的邏輯時間，應(yīng)用資源可以選擇是否受邏輯時間控制，所有中間件處理的信息包都帶有邏輯時間戳。

TISA實(shí)現(xiàn)LVC異構(gòu)互操作的核心技術(shù)是對象模型。在試驗(yàn)訓(xùn)練活動中，各類異構(gòu)的LVC資源需要被集成到一個統(tǒng)一的邏輯靶場中，這就要求每一個實(shí)體之間可以相互理解對方的屬性，并且可以對這些屬性進(jìn)行操作。TISA采用對象模型的方式來描述這些屬性，這樣的好處有以下幾個方面：面向?qū)ο蟮姆绞绞箤ο竽Ｐ途邆淞塑浖こ桃饬x上的可重用性；在應(yīng)用程序的編譯過程中可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)接口匹配問題；通過標(biāo)準(zhǔn)化過程可以使標(biāo)準(zhǔn)對象模型保持長期穩(wěn)定、正確、有效、易于重用。

TISA通過異構(gòu)網(wǎng)關(guān)和適配器將不同類型的系統(tǒng)與TISA集成在一起。TISA網(wǎng)關(guān)/適配器利用代理模型的機(jī)制將不符合TISA規(guī)范的系統(tǒng)映射為TISA對象模型。TISA網(wǎng)關(guān)/適配器包括戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、實(shí)裝無線基站網(wǎng)關(guān)、DDS網(wǎng)關(guān)和HLA網(wǎng)關(guān)等。

2.4 約束條件下LVC仿真實(shí)時互操作技術(shù)

試驗(yàn)訓(xùn)練一體化仿真支撐平臺的核心需求是實(shí)裝、模擬器和數(shù)學(xué)仿真三類資源的實(shí)時互操作能力，這是構(gòu)建LVC邏輯靶場所必須的基本條件。LVC系統(tǒng)中互操作實(shí)時性要求的本質(zhì)是：兩個實(shí)體之間發(fā)生的互操作，其邏輯時間一致性滿足對該互操作過程進(jìn)行仿真的精度要求。例如導(dǎo)彈攔截末制導(dǎo)過程，攔截彈與被攔截彈之間的邏輯時間一致性需要達(dá)到毫秒級，才能保證空間仿真精度達(dá)到所需的米級。因此，提出基于“分類分域+邏輯時間鎖”的實(shí)時互操作，以及基于容錯置換的LVC實(shí)時仿真。

TISA中間件提供三種基本的互操作實(shí)現(xiàn)方式，分別為對象交互、消息傳遞和遠(yuǎn)程方法調(diào)用，三者具有不同的軟件實(shí)現(xiàn)流程，因此在實(shí)時性和權(quán)限方面有一定差異，如表1所示。

表1 三種基本的互操作實(shí)現(xiàn)方式

2.4.1 實(shí)現(xiàn)方式

1)對象交互。對象交互主要提供虛擬狀態(tài)信息的發(fā)布和訂閱功能，負(fù)責(zé)對象的發(fā)布/訂閱、更新和維護(hù)。實(shí)體可以將自身的物理狀態(tài)發(fā)布，供其它實(shí)體匿名訂閱。發(fā)布過程在每一個實(shí)體的仿真計(jì)算周期(TICK循環(huán))中更新一次，任何實(shí)體在讀取相關(guān)信息時，只能獲取最后一次更新的虛擬狀態(tài)信息。因此該過程的實(shí)時性受TICK周期的影響，用于實(shí)現(xiàn)邏輯靶場中的觀測過程，主要用于模擬器和數(shù)學(xué)模型。

2)消息傳遞。消息傳遞模塊提供消息發(fā)現(xiàn)與消息傳遞功能。發(fā)出消息的實(shí)體發(fā)布消息，中間件連接事件通道，將對象消息封裝成Structured Event(結(jié)構(gòu)事件)后推送到事件通道中，進(jìn)而完成整個消息更新的全過程。消息接收實(shí)體向事件通道表達(dá)訂閱消息興趣，獲取相關(guān)消息。消息過程會在TICK周期中觸發(fā)消息處理回調(diào)過程，主要用于完成邏輯靶場中的合法授權(quán)信息交互過程。

3)遠(yuǎn)程方法調(diào)用。遠(yuǎn)程方法調(diào)用是TISA中間件提供的最強(qiáng)大的交互方式，區(qū)別于對象交互、消息傳遞的處理，提供及時、可控的遠(yuǎn)程通信，可以修改實(shí)體的各種狀態(tài)，以類似中斷的方式實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)方式示例：某客戶端應(yīng)用程序需要調(diào)用某服務(wù)應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程方法，客戶端應(yīng)用程序向其代理對象提出遠(yuǎn)程方法調(diào)用請求，代理對象在接到請求后向服務(wù)端的服務(wù)者對象提出需求，服務(wù)者對象真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程方法，并將結(jié)果傳遞給客戶端的代理對象，客戶端代理對象將結(jié)果反饋給客戶端應(yīng)用程序。遠(yuǎn)程方法調(diào)用用于實(shí)現(xiàn)針對實(shí)裝的觀測過程、邏輯靶場中各種物理相互作用過程、非法授權(quán)信息交換過程。

2.4.2 實(shí)現(xiàn)原則

在技術(shù)水平和物理限制的約束之下，LVC系統(tǒng)為了滿足其互操作的實(shí)時性要求，必須在構(gòu)建邏輯靶場時進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。為了最大限度的保障邏輯靶場互操作的實(shí)時性，需要參照以下三條邏輯靶場設(shè)計(jì)原則：

1)對互操作的實(shí)時性要求差異進(jìn)行分類處理。LVC系統(tǒng)中互操作的實(shí)時性要求是不同的。例如，對于指揮控制信息的下達(dá)與傳遞，滿足秒級實(shí)時性即可；對于攔截高超聲速飛行器的防空導(dǎo)彈的探測過程，必須保障毫秒級實(shí)時性。邏輯靶場的實(shí)時性必須滿足所有互操作對實(shí)時性的要求，否則邏輯靶場就是不自洽的，是錯誤的。因此，在構(gòu)建LVC邏輯靶場的實(shí)踐過程中，必須重點(diǎn)考慮與試驗(yàn)訓(xùn)練目的相關(guān)的重要強(qiáng)實(shí)時性雙向互操作，盡可能避免建立與試驗(yàn)訓(xùn)練目的無關(guān)并且實(shí)時性要求較高的互操作。

2)對互操作的物理分布進(jìn)行分域處理，集中部署強(qiáng)耦合實(shí)時互操作實(shí)體。LVC系統(tǒng)中的互操作發(fā)生在邏輯靶場中的兩個實(shí)體之間，在很多情況下，一個實(shí)體僅與特定少數(shù)的實(shí)體之間存在同一類型的互操作過程。例如，攔截高超聲速飛行器的防空導(dǎo)彈，其探測過程僅與被攔截的高超聲速飛行器相關(guān)，與邏輯靶場中的其它實(shí)體并不存在類似的強(qiáng)實(shí)時雙向互操作。在這種情況下，盡可能使存在強(qiáng)實(shí)時互操作耦合的實(shí)體在真實(shí)世界中處在一個相對小的空間范圍內(nèi)，可以有效地保障強(qiáng)實(shí)時互操作所需的通信延遲。

3)針對強(qiáng)實(shí)時雙向互操作，盡可能采用邏輯時間鎖定的方式對齊TICK周期。TISA提供邏輯時間管理功能，這似的模擬器和數(shù)學(xué)模型類實(shí)體在大多數(shù)情況下可以將TICK周期的邏輯時間對齊，這樣其仿真精度就不再受通訊延遲波動的影響。需要注意的是，實(shí)裝類實(shí)體需要謹(jǐn)慎運(yùn)用此技術(shù)，避免造成實(shí)裝邏輯時間鎖死。

2.5 復(fù)雜試驗(yàn)訓(xùn)練資源管理及服務(wù)化技術(shù)

LVC試驗(yàn)訓(xùn)練活動涉及兩類靶場資源：第一類資源是滿足TISA規(guī)范的各類資源應(yīng)用，這些資源應(yīng)用參與邏輯靶場的運(yùn)行，稱為在線資源，提供基于hadoop在線資源管理技術(shù)，第二類是基礎(chǔ)軟件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、操作手冊等基礎(chǔ)性資源，稱為離線資源，提供了基于“門戶+云”的離線資源管理技術(shù)。

2.5.1 基于hadoop的在線資源管理

TISA提供在線資源管理系統(tǒng)對邏輯靶場的在線資源進(jìn)行描述和服務(wù)化。主要包括硬件資源管理、應(yīng)用資源管理。

1)硬件資源管理。硬件資源管理系統(tǒng)可對仿真試驗(yàn)中可用的計(jì)算資源進(jìn)行監(jiān)控管理，保證計(jì)算資源負(fù)載均衡，計(jì)算能力最優(yōu)化。硬件資源管理采用hadoop組件統(tǒng)一管理應(yīng)用計(jì)算機(jī)，在各應(yīng)用計(jì)算機(jī)安裝守護(hù)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對各應(yīng)用計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的管理和控制，并為用戶提供多種接口方便用戶提交計(jì)算任務(wù)。硬件資源管理使用yarn框架獲得計(jì)算資源狀態(tài)，結(jié)合仿真任務(wù)對硬件資源進(jìn)行資源控制和調(diào)度管理；使用hdfs管理與硬件資源有關(guān)的文本信息。硬件資源管理模塊充分利用現(xiàn)有的計(jì)算資源，對異構(gòu)高性能集群計(jì)算環(huán)境中的計(jì)算資源狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)收集和負(fù)載平衡，以充分利用其高速計(jì)算能力。

2)應(yīng)用資源管理。應(yīng)用資源管理可對試驗(yàn)中應(yīng)用模型進(jìn)行分發(fā)部署，控制啟停。試驗(yàn)訓(xùn)練應(yīng)用資源以“.rar”或“.zip”壓縮文件的形式存儲于應(yīng)用倉庫中。這些應(yīng)用資源通過試驗(yàn)分發(fā)和調(diào)度服務(wù)器分發(fā)到所有的運(yùn)行節(jié)點(diǎn)中，試驗(yàn)訓(xùn)練運(yùn)行節(jié)點(diǎn)在完成試驗(yàn)應(yīng)用的接受工作后，將試驗(yàn)應(yīng)用解壓并部署到指定的目錄下。在所有運(yùn)行節(jié)點(diǎn)完成分發(fā)、部署工作后，試驗(yàn)分發(fā)與調(diào)度服務(wù)器就可以開始對試驗(yàn)進(jìn)行運(yùn)行控制，支持試驗(yàn)的多次運(yùn)行。在試驗(yàn)運(yùn)行完畢后，用戶可以選擇是否對已分發(fā)的試驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行清除操作。

2.5.2 基于“門戶+云”的離線資源管理

TISA資源庫是一個TISA的知識庫、軟件庫和模型庫，用于存儲一切和TISA相關(guān)的可重用的資源和知識，包括：標(biāo)準(zhǔn)對象模型、可重用的模型應(yīng)用、應(yīng)用工具、通用工具、歷史經(jīng)驗(yàn)庫、中間件部署包、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文檔、用戶手冊等。同時TISA資源庫提供不同用戶之間交流技術(shù)和交易應(yīng)用資源的平臺。TISA資源庫系統(tǒng)包括底層平臺公共模塊和系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊，完成系統(tǒng)管理、流程管理、用戶工作臺面建設(shè)、資源上傳、資源管理、資源交易、資源地圖、統(tǒng)計(jì)分析等資源全流程管理。資源庫系統(tǒng)提供三員管理、人員管理、個人空間管理等安全體系建設(shè)，滿足安全保密管理規(guī)定。

3 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了仿真環(huán)境柔性集成、裝備體系虛實(shí)交互、聯(lián)合試驗(yàn)訓(xùn)練支撐環(huán)境體系架構(gòu)、約束條件下LVC仿真實(shí)時互操作、復(fù)雜試驗(yàn)訓(xùn)練資源管理及服務(wù)化5項(xiàng)試驗(yàn)訓(xùn)練一體化仿真支撐平臺相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，為裝備體系試驗(yàn)與訓(xùn)練提供了有效的技術(shù)支撐。