基于網(wǎng)格的軍事數(shù)據(jù)鏈建模與仿真框架研究

徐 盛 王文政 周經(jīng)倫 羅鵬程

摘 要:通過對數(shù)據(jù)鏈建模與仿真復雜性的分析,提出了包含應用體系、系統(tǒng)體系和技術體系的三維柔性數(shù)據(jù)鏈建模與仿真機制,確立了數(shù)據(jù)鏈建模與仿真的總體思路。在此基礎上提出了基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)鏈建模與仿真框架,該框架的主要思想是把HLA功能在網(wǎng)格系統(tǒng)中實現(xiàn),較好地滿足數(shù)據(jù)鏈建模與仿真的需求。最后給出了建模與仿真操作流程。

關鍵詞:數(shù)據(jù)鏈;建模與仿真;網(wǎng)格;框架

中圖分類號:N945.13 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-009-04

Research of Military Data Link Modeling and Simulated Framework Based on Grid

XU Sheng,WANG Wenzheng,ZHOU Jinglun,LUO Pengcheng

(College of Information Systems and Management,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract:By analyzing the complexity of data link modeling and simulation,a three-dimension flexible data link modeling and simulation mechanism is provided which includes application,system and technology,at the same time,the thought of data link modeling and simulation is established.The framework of data link modeling and simulation based on grid is provided,which implements the HLA functions with grid technologies and meets the need of data link modeling and simulation preferably.The operation flow of modeling and simulation in the framework are proposed.

Keywords:data link;modeling and simulation;grid;framework

0 引 言

軍事數(shù)據(jù)鏈(以下簡稱數(shù)據(jù)鏈)作為一種特殊的戰(zhàn)場通信系統(tǒng),可以將戰(zhàn)場上的各種作戰(zhàn)單元鏈接在一起,構成陸、海、空、天一體化的數(shù)字信息網(wǎng)絡,實現(xiàn)信息資源共享,最大限度地提高武器平臺的作戰(zhàn)效能。戰(zhàn)爭實踐表明[1],數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)的有力保障、提高體系對抗作戰(zhàn)能力的重要因素。

從檢索的文獻來看,國內(nèi)現(xiàn)有的對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的仿真研究[2-6]大都是利用成熟的商品化軟件,如SystemView,Matlab,OPNET等,針對國外先進數(shù)據(jù)鏈開展的波形級仿真,其目的是基于一定的數(shù)學方程或統(tǒng)計計算得到所需的部分性能參數(shù)。但是,作為一種復雜的武器裝備,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的整體性能不僅僅取決于部分性能參數(shù),更多的是要從系統(tǒng)的角度來研究其綜合性能。例如,在一定的戰(zhàn)場環(huán)境(不同的地形條件、不同的組網(wǎng)方式)下,仿真評估數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能;對于不同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)之間的協(xié)同互聯(lián)及其作戰(zhàn)效能開展研究,諸如此類問題,現(xiàn)有的仿真是無法解決的,需要開展數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)級、網(wǎng)絡級的建模與仿真。為此,首要的是在分析數(shù)據(jù)鏈建模與仿真需求的基礎上,開展數(shù)據(jù)鏈建模與仿真框架研究,對數(shù)據(jù)鏈建模與仿真進行統(tǒng)一規(guī)劃和整體設計,這正是本文的目的所在。

1 數(shù)據(jù)鏈建模與仿真總體設想

1.1 復雜性分析

為滿足戰(zhàn)場需求,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一般都采用了各種先進的通信技術以保證通信的實時性、安全性、可靠性和有效性。同時,為合理搭配使用資源,提高整體作戰(zhàn)效能,現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越要求各種數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的互聯(lián)互通,實現(xiàn)一體化、網(wǎng)絡化。因此,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真中必然包含各種異構多樣的諸多底層模型以及由這些底層模型經(jīng)過復雜的耦合關系組成的不同分辨率的高層模型。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真的目的不但要檢驗數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的通信質量(如傳輸時延、誤碼率、數(shù)據(jù)業(yè)務的成功發(fā)送率等)是否能滿足各軍兵種的通信需求,研究各數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)之間的互連、互通、互操作性能,為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設計開發(fā)提供技術支持。而且,還涉及到在一定作戰(zhàn)背景下,對戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡的作戰(zhàn)效能評估以及開展相關模擬訓練等問題。

因此,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真是一個多學科多目標的問題求解任務,其整體建模及仿真環(huán)境的設計也必然是一項艱巨的任務。一方面,系統(tǒng)整體建模以及各種底層模型的建立,必然需要諸多部門的多學科人員的協(xié)作;另一方面,一次性建立包容所有模型類型、具有完備功能的仿真系統(tǒng)并不現(xiàn)實,系統(tǒng)的研發(fā)必然是從簡單到復雜的不斷擴展和完善的過程。因此,理想的建模與仿真方法應該采用先進的建模與仿真技術,使仿真系統(tǒng)能夠最大限度地適應今后技術發(fā)展變化的需要,同時具有體系結構的開放性,系統(tǒng)的可靠性、可擴展性、互操作性,仿真組件的重用性、集成性以及可維護性等,也就是要尋求能夠支持多技術綜合、多系統(tǒng)集成、多層次應用的柔性建模與仿真機制。

1.2 總體設想

所謂柔性建模與仿真機制[7],就是采用統(tǒng)一的體系結構和一致的描述規(guī)范,通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)全壽命周期的數(shù)據(jù)、工具和技術共享,增強建模與仿真面向多領域應用的可擴展性、可重用性和互操作性。一個數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)柔性建模與仿真機制可以定義為一個三維結構,如圖1所示。它包含應用體系、系統(tǒng)體系和技術體系。在這三者之中,從實際需求出發(fā),通過分析與綜合,可以得出應用體系;根據(jù)應用體系的要求和準則,通過分析與綜合,得到系統(tǒng)體系;根據(jù)系統(tǒng)體系的要求和準則,通過分析與綜合,得到技術體系。實際需求是對應用、系統(tǒng)和技術體系進行分析和評價的基礎;技術體系為應用和系統(tǒng)體系提供技術支持;系統(tǒng)體系直接服務于應用體系。因此,最終目的是在技術體系的支持下,建立一個能滿足應用體系需求的系統(tǒng)體系。

1.2.1 技術體系

從技術的角度,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真的柔性可以概括為三個方面的問題:

建模方法 即如何采用多種建模方法、綜合利用各種建模工具建立包括從底層模型到系統(tǒng)模型的不同分辨率模型,以適應多種仿真用途的需要。

模型框架 即明確諸多模型之間的邏輯關系,使所建立的模型可以分層組合使用,實現(xiàn)其重用性。針對不同的應用,重點解決不同分辨率模型之間的聚合和解聚等問題,并且新建模型可以作為一種構件插入到已有的模型框架中去。

仿真框架 即建立仿真環(huán)境的體系結構以及規(guī)范化描述,如何支持多種類型仿真系統(tǒng)的分布互連及其互操作和重用。

1.2.2 系統(tǒng)體系

系統(tǒng)體系主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真環(huán)境的柔性,使之具有可擴展性、集成性與互操作性等。系統(tǒng)體系包括數(shù)據(jù)流的分析、仿真接口的設計以及仿真平臺的實現(xiàn)。仿真平臺要求采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示、接口規(guī)范,具有并行開發(fā)、動態(tài)執(zhí)行、分布操作、無縫集成等特點。

1.2.3 應用體系

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真是一個全壽命周期支持、多層次、多領域需求的應用體系。從層次上講,可以大致分為鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層。

鏈路層仿真主要對不同信道條件下的鏈路以及鏈路中的各種終端設備進行仿真。例如數(shù)據(jù)鏈報文仿真、協(xié)議仿真、以及各種服務質量(端對端時延、誤碼率、吞吐量等)的仿真等。

網(wǎng)絡層仿真主要根據(jù)實際的網(wǎng)絡應用或網(wǎng)絡應用想定,建立網(wǎng)絡拓撲結構,實現(xiàn)網(wǎng)絡路由選擇、流量控制及動態(tài)組網(wǎng)的功能,分析并輸出網(wǎng)絡的外在表現(xiàn)性能。

應用層仿真主要是實現(xiàn)任務為中心的通信作業(yè)仿真,包括多數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)互聯(lián)互通測試,作戰(zhàn)效能評估以及仿真支持的模擬訓練等。針對網(wǎng)間互連互通協(xié)議、網(wǎng)絡組網(wǎng)方案優(yōu)化、網(wǎng)絡的安全性、可靠性、電磁兼容性以及數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡對具體作戰(zhàn)行動的影響等開展研究。

2 數(shù)據(jù)鏈建模與仿真框架

開展數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的建模與仿真工作,不但涉及到高精度的協(xié)議仿真、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)底層仿真以及戰(zhàn)術移動性,而且還包括各種以任務為中心的通信作業(yè)仿真等。因此,當處理的節(jié)點非常多時,實體移動性、任務分配以及實時場景計算等需要的計算量非常大,單個計算機系統(tǒng)不能滿足需求,需要采用并行分布處理系統(tǒng)。

由美國國防部國防建模仿真辦公室(DMSO)提出的仿真“高層體系結構”(High Level Architecture,HLA)是目前應用比較廣泛的多系統(tǒng)分布仿真體系規(guī)范,現(xiàn)已被接納為IEEE 和OMG的分布仿真標準。HLA具有將仿真功能與通用的支撐系統(tǒng)相分離的體系結構,具有開放性、靈活性和適應性,為解決數(shù)據(jù)鏈仿真的互操作性和可重用性提供了通用仿真技術框架,支持用戶分布、協(xié)同地開發(fā)復雜仿真應用系統(tǒng),并最終降低新應用系統(tǒng)的開發(fā)成本和時間。

但是,HLA也存在一些局限[8],不能很好地滿足數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真的需要,主要體現(xiàn)在:

(1) 沒有統(tǒng)一的仿真數(shù)據(jù)表示。定義聯(lián)邦成員共同理解的仿真數(shù)據(jù)類型是仿真系統(tǒng)正確運行的前提條件,但HLA 規(guī)范并沒有給出數(shù)據(jù)類型的規(guī)定。

(2) 仿真資源是靜態(tài)分配。設計仿真應用時就確定了聯(lián)邦成員和仿真計算、存儲等資源的對應關系。兩者被靜態(tài)地綁定在一起。在仿真執(zhí)行過程中,無論仿真資源的負載輕重,這種綁定關系都不會發(fā)生改變。靜態(tài)綁定方式容易造成某些仿真資源成為整個仿真系統(tǒng)運行的瓶頸。

(3) 缺乏對仿真全生命周期的支持。仿真系統(tǒng)的設計、開發(fā)、分析和結果評估等部分都是離線完成的。離線方式對于協(xié)作性很強的仿真設計等操作非常不利,往往造成成本的提高。

(4) 缺乏對大型并行仿真應用的支持?，F(xiàn)有仿真系統(tǒng)中的仿真應用通常采用串行仿真程序,但數(shù)據(jù)鏈仿真中某些仿真應用的計算量非常巨大,采用串行程序處理方式不能滿足計算要求。使用高性能計算機做并行計算,是解決大型仿真應用計算需求的有效手段。

(5) 仿真系統(tǒng)的安全性不強?，F(xiàn)有仿真系統(tǒng)對安全性考慮較少。分布式仿真系統(tǒng)往往被限制在獨立的局域網(wǎng)內(nèi)運行,以防在廣域網(wǎng)上造成泄密。分布式仿真系統(tǒng)的規(guī)模受到了嚴重的限制。

(6) 仿真系統(tǒng)的容錯性較差。由于傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)的資源是被靜態(tài)分配的,當系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重問題時,往往造成整個仿真系統(tǒng)的失效。

近年來,網(wǎng)格技術[9,10]成為關注焦點。網(wǎng)格是一種分布的高性能計算與數(shù)據(jù)處理的底層支持框架,能夠管理眾多地理上、組織上分布的異構資源,包括計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、知識資源、各種設備資源,甚至合作者等。通過提供訪問遠程資源的可擴展的,安全的,高性能的機制以及相應的協(xié)議、服務和軟件開發(fā)工具,網(wǎng)格技術能使地理上分散的工作團體充分共享資源,協(xié)同工作。使用網(wǎng)格技術來支持仿真系統(tǒng)將大大改善HLA在上述方面的不足,使仿真系統(tǒng)能夠動態(tài)分配資源,極大地提高系統(tǒng)的運行效率。

為此,本文構建了網(wǎng)格技術與HLA相結合的數(shù)據(jù)鏈建模仿真框架,如圖2所示。它建立在網(wǎng)格體系結構之上,其核心是基于網(wǎng)格的HLA實現(xiàn)。

網(wǎng)絡資源是指各種仿真資源,如模型資源(包括各種分辨率的異構模型)、工具資源(如各種建模工具、可視化工具等)、數(shù)據(jù)資源(如地形數(shù)據(jù)鏈等)、存儲資源以及設備資源等。各種資源需要通過網(wǎng)絡提供的服務接口才能供網(wǎng)格用戶共享。所以,需要為每一種資源量身定做合適的資源管理接口。

網(wǎng)格服務是指具有普適性的網(wǎng)格服務,包括資源索引服務、資源分配管理服務、協(xié)同調(diào)度服務、信息服務、安全服務等。網(wǎng)格通用中間件負責分布式交互仿真中各節(jié)點的資源發(fā)現(xiàn)和動態(tài)分配,以解決傳統(tǒng)HLA中資源靜態(tài)分配的局限。網(wǎng)格通用中間件的實現(xiàn)可以借鑒現(xiàn)有的成熟技術。

仿真網(wǎng)格中間件主要是仿真運行環(huán)境RTI,它將繼續(xù)提供傳統(tǒng)HLA中的聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理以及數(shù)據(jù)分發(fā)管理等服務。在仿真網(wǎng)格中實現(xiàn)協(xié)同建模與協(xié)同仿真一體化設計,建模資源與仿真資源的一體化管理與共享;實現(xiàn)仿真網(wǎng)格組件的組裝與運行;實現(xiàn)不同粒度模型、不同實時性仿真的需求。

仿真應用主要是各種聯(lián)邦成員的實現(xiàn)。戰(zhàn)場態(tài)勢聯(lián)邦主要負責態(tài)勢生成與控制;測試評估聯(lián)邦成員負責與網(wǎng)絡測試相關的仿真執(zhí)行;模擬訓練聯(lián)邦成員實現(xiàn)系統(tǒng)與受訓人員的動態(tài)交互仿真等。其中,仿真客戶端包括用戶使用界面,仿真對象狀態(tài)維護,以及與RTI支撐環(huán)境的接口等。仿真客戶端的作用是作為HLA的仿真應用,與RTI支撐環(huán)境打交道,并與其他仿真應用共同完成整個仿真任務。

3 建模與仿真操作流程

從建模的過程來看,主要包括協(xié)議模型、設備模型以及系統(tǒng)模型三個層次。數(shù)據(jù)鏈協(xié)議模型的建立是構建系統(tǒng)設備模型和進行網(wǎng)絡仿真的基礎;數(shù)據(jù)鏈設備模型基于各個層次上的協(xié)議仿真模型構造,也即由各個層次上的協(xié)議模型疊加產(chǎn)生,所以數(shù)據(jù)鏈設備模型的實質是多層次協(xié)議模型的集成建模(可以利用多分辨率建模,聚合模型等相關理論);數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型的基礎是協(xié)議模型和設備模型,關鍵是網(wǎng)絡拓撲結構和網(wǎng)絡業(yè)務流量模型的建模。

從仿真的過程來看,仿真操作過程分為啟動、執(zhí)行和結束三個階段,如圖3所示。在啟動階段主要完成網(wǎng)格支撐平臺啟動、聯(lián)盟的創(chuàng)建、盟員加入聯(lián)盟、初始化數(shù)據(jù)、盟員能夠公布的信息以及盟員需要定購的信息等工作。在這個過程中,戰(zhàn)場態(tài)勢聯(lián)邦成員通過調(diào)用所需的各種模型以及組網(wǎng)方案等形成初始戰(zhàn)場態(tài)勢。啟動階段完成之后,進入仿真執(zhí)行階段,在這一階段,首先聯(lián)邦成員向RTI服務器請求時間推進,獲得許可后,推進到相應的時間,然后通過相應的網(wǎng)格服務代理,申請使用網(wǎng)格服務,完成所需要的本地計算后釋放實例。然后根據(jù)計算結果更新對象的屬性值。當執(zhí)行階段完成后,進入結束階段,聯(lián)邦成員退出聯(lián)邦,當所有聯(lián)邦都退出后,RTI服務器刪除聯(lián)邦執(zhí)行。結束階段輸出相應的分析評估結果。

4 結 語

數(shù)據(jù)鏈建模與仿真是一項復雜的系統(tǒng)工程,基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)鏈建模與仿真,在HLA的基礎上,采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示,具有良好的容錯性和安全性,能夠很好地支持數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)全壽命周期的仿真研究,可以較好地滿足數(shù)據(jù)鏈建模與仿真柔性機制的需求。

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作者簡介 徐 盛 男,1979年出生,湖北人,碩士研究生。研究方向為風險管理與決策支持技術。

王文政 男,1980年出生,河南人,博士研究生。研究方向為軍事無線網(wǎng)絡建模與仿真。

周經(jīng)倫 男,1955年出生,湖南人,博士,教授,博士生導師。研究方向為算法研究、系統(tǒng)工程理論與方法。

羅鵬程 男,1975年出生,江西人,博士,副教授,碩士生導師。研究方向為無線網(wǎng)絡建模和仿真、武器裝備作戰(zhàn)效能評估。