基于HLA的大氣環(huán)境仿真應(yīng)用研究

蔡軍，許麗人，馬亮，李鯤，張美根

（1.天津大學(xué) 管理學(xué)院，天津 300072；2.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；3.中國科學(xué)院 大氣物理研究所LAPC，北京 100029；4.61855部隊(duì)，北京 100094）

現(xiàn)代仿真系統(tǒng)正向大型化和復(fù)雜化的方向發(fā)展，大氣環(huán)境仿真技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了由簡(jiǎn)單的一維靜態(tài)大氣環(huán)境向復(fù)雜的四維動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境、由單一大氣環(huán)境仿真到大氣環(huán)境對(duì)武器實(shí)體的影響仿真的突破。當(dāng)前，大氣環(huán)境仿真與其他軍事系統(tǒng)仿真之間的互操作和可重用問題[1—2]已成為其中的關(guān)鍵技術(shù)。自1995年以來，美國國防部建模與仿真辦公室（DMSO）提出的高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，HLA）得到了不斷發(fā)展，并日趨完善，已成為IEEE的正式標(biāo)準(zhǔn)，它為建模與仿真提供了一個(gè)通用的技術(shù)框架和開放的標(biāo)準(zhǔn)，更好地解決了不同類型仿真應(yīng)用的互操作和可重用的問題，滿足復(fù)雜大系統(tǒng)仿真的需要[3—4]。從應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)角度看，目前國內(nèi)外基于HLA開發(fā)的分布仿真系統(tǒng)，都取得了成功，并廣泛應(yīng)用于各種分析、訓(xùn)練和測(cè)試等領(lǐng)域[5]。分布式仿真技術(shù)的發(fā)展為大氣環(huán)境仿真向其他不同類型軍事仿真系統(tǒng)的應(yīng)用提供了很好的解決方案，并已成為今后發(fā)展的趨勢(shì)[6]。

基于分布網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境仿真方面，國外早在20 世紀(jì)90 年代初期就開始了相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和研究工作。90 年代中后期，隨著HLA 技術(shù)的成熟，DMSO 資助開發(fā)的TAOS（Total Atmosphere Ocean Space）系統(tǒng)[7]，采用模塊化的組件方法將大氣海洋空間環(huán)境數(shù)據(jù)通過服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)上的其他仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送。DMSO還資助MITRE等商業(yè)公司開發(fā)基于HLA和SEDRIS（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification）技術(shù)的環(huán)境聯(lián)邦，連續(xù)進(jìn)行了海洋、大氣和空間環(huán)境（OASE）仿真的三代開發(fā)[8]，用于仿真動(dòng)態(tài)的地形、海洋、大氣和太空，以演示和驗(yàn)證現(xiàn)有技術(shù)所具備的動(dòng)態(tài)自然環(huán)境仿真能力和水平。與此同時(shí)，歐洲共同體國防領(lǐng)域的優(yōu)先合作計(jì)劃也開發(fā)了基于HLA的虛擬自然環(huán)境服務(wù)器，其中對(duì)大氣和海洋的建模與仿真實(shí)現(xiàn)了在分布網(wǎng)絡(luò)條件下為其他仿真提供復(fù)雜大氣海洋環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、模擬特殊大氣海洋現(xiàn)象和過程的能力。

文中基于HLA/RTI 公共支撐平臺(tái)，建立了大氣環(huán)境分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境與實(shí)體的環(huán)境影響仿真，增強(qiáng)了大氣環(huán)境仿真與其它仿真系統(tǒng)的互操作性，從而提高了大氣環(huán)境仿真應(yīng)用的可重用性。

1 大氣環(huán)境分布式仿真體系結(jié)構(gòu)

大氣環(huán)境仿真基于HLA/RTI 公共支撐平臺(tái)，采用面向?qū)ο蟮姆绞剑媚K化的組件方法，設(shè)計(jì)分布聯(lián)網(wǎng)、動(dòng)態(tài)交互的體系結(jié)構(gòu)，由大氣環(huán)境仿真聯(lián)邦成員、仿真應(yīng)用對(duì)象聯(lián)邦成員、綜合場(chǎng)景可視化聯(lián)邦成員、管理控制聯(lián)邦成員構(gòu)成，其體系邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。大氣環(huán)境仿真產(chǎn)品通過服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)上其它聯(lián)邦成員進(jìn)行交互，為其它實(shí)體或仿真應(yīng)用提供在分布條件下的動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境數(shù)據(jù)和信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在分布網(wǎng)絡(luò)條件下大氣環(huán)境聯(lián)邦的“即插即用”，增強(qiáng)了大氣環(huán)境仿真應(yīng)用的互操作和可重用能力。

圖1 基于HLA/RTI的大氣環(huán)境仿真應(yīng)用分布式體系邏輯結(jié)構(gòu)Fig.1 The logical diagram of distributed system

大氣環(huán)境數(shù)據(jù)通過大氣環(huán)境仿真數(shù)據(jù)庫和大氣環(huán)境數(shù)值模式計(jì)算生成，通過大氣環(huán)境聯(lián)邦成員的RTI 接口模塊對(duì)外發(fā)布，訂閱相關(guān)大氣環(huán)境參數(shù)的聯(lián)邦成員通過RTI 獲得需要的大氣環(huán)境參數(shù)，并發(fā)布環(huán)境影響信息，仿真可視化成員通過RTI 接受大氣環(huán)境、仿真應(yīng)用對(duì)象（如飛行器等）仿真信息，并向管理和控制聯(lián)邦成員發(fā)布可視化信息，整個(gè)仿真過程通過可視化仿真聯(lián)邦成員以直觀可視的方式進(jìn)行顯示。

2 大氣環(huán)境分布式仿真關(guān)鍵技術(shù)

大氣環(huán)境的建模、表示、存儲(chǔ)、環(huán)境效應(yīng)生成及其應(yīng)用，構(gòu)成了整個(gè)大氣環(huán)境仿真系統(tǒng)的基本研究?jī)?nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的分布式仿真需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 大氣環(huán)境多分辨率建模技術(shù)

動(dòng)態(tài)性是大氣環(huán)境的基本屬性之一。對(duì)于大氣環(huán)境而言，由于其變化復(fù)雜，變量和參數(shù)較多，僅僅用一個(gè)模型難以進(jìn)行全面且準(zhǔn)確的描述，不能滿足仿真領(lǐng)域多層次的應(yīng)用需求。在實(shí)際仿真應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同仿真應(yīng)用層次的需要，建立不同精度和分辨率的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)模型，從而為其他仿真應(yīng)用提供隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)[9]。為了能夠?qū)⒋髿猸h(huán)境仿真與其他仿真系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，在技術(shù)層面上需要將大氣環(huán)境仿真相關(guān)的模型按照HLA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 大氣環(huán)境仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)

仿真系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)對(duì)大氣環(huán)境參數(shù)的獲取有嚴(yán)格的時(shí)間要求，因此，大氣環(huán)境仿真的實(shí)時(shí)性成為其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[10]。發(fā)展環(huán)境仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，根據(jù)仿真想定的要求生成運(yùn)行時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)庫，采用多線程的方式，實(shí)現(xiàn)多用戶的并發(fā)訪問，實(shí)時(shí)響應(yīng)并滿足其它仿真實(shí)體對(duì)大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，解決大氣環(huán)境仿真的實(shí)時(shí)性問題，使大氣環(huán)境仿真實(shí)時(shí)地參與到其他仿真系統(tǒng)的應(yīng)用中。大氣環(huán)境仿真實(shí)時(shí)庫是運(yùn)行時(shí)能夠?yàn)閷?shí)時(shí)仿真聯(lián)邦提供環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)的軟件集，其最終輸出的數(shù)據(jù)是基本大氣環(huán)境數(shù)據(jù)場(chǎng)和動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境模型計(jì)算結(jié)果的融合。

2.3 基于SEDRIS的大氣環(huán)境多態(tài)數(shù)據(jù)表示和交換技術(shù)

大氣環(huán)境仿真數(shù)據(jù)具有多分辨率、多參數(shù)、海量等特點(diǎn)，是一種隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)場(chǎng)。因此，大氣環(huán)境數(shù)據(jù)描述的一致性、規(guī)范性和有效性對(duì)仿真應(yīng)用至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)仿真互操作性和可重用性的基礎(chǔ)。基于SEDRIS 的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的表示和交換[11]，首先要研究數(shù)據(jù)的多態(tài)表示，設(shè)計(jì)相應(yīng)的SEDRIS數(shù)據(jù)表示模型和確定使用的數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境仿真數(shù)據(jù)的完整和多態(tài)表示；而基于SEDRIS的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)模型的影射與自動(dòng)解析，也是大氣環(huán)境仿真數(shù)據(jù)交換的核心。

2.4 基于HLA 的仿真應(yīng)用服務(wù)協(xié)議、接口和數(shù)據(jù)分發(fā)管理技術(shù)

在分布式仿真體系中，大氣環(huán)境仿真與時(shí)間管理、數(shù)據(jù)分發(fā)及所有權(quán)管理等有關(guān)。為支持對(duì)不同大氣狀態(tài)參數(shù)的統(tǒng)一接口和訪問，需要定義統(tǒng)一的仿真服務(wù)協(xié)議和用戶訪問接口，支持大氣環(huán)境不同分辨率模型和狀態(tài)參數(shù)的注冊(cè)、數(shù)據(jù)設(shè)置和查詢。同時(shí)，還需要考慮采用HLA/RTI 提供的數(shù)據(jù)分發(fā)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過濾，以保證時(shí)空的一致性和數(shù)據(jù)的快速交互。

2.5 大氣環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)技術(shù)

利用視景仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)大氣環(huán)境仿真結(jié)果進(jìn)行多維視景顯示和全方位觀察，演示大氣環(huán)境條件對(duì)實(shí)體影響的主要過程，并以大氣環(huán)境為背景進(jìn)行環(huán)境影響分析，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境及其影響的虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)。該技術(shù)內(nèi)容主要包括：虛擬環(huán)境綜合表示、虛擬環(huán)境動(dòng)態(tài)運(yùn)行管理、虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)逼真表現(xiàn)等。

3 動(dòng)態(tài)大氣環(huán)境多分辨率仿真

大氣運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)，大氣環(huán)境要素的時(shí)空變化，是各種不同尺度天氣系統(tǒng)非線性相互作用、復(fù)雜下墊面動(dòng)力熱力強(qiáng)迫以及各種復(fù)雜大氣物理過程相互作用的綜合結(jié)果。因此，為真實(shí)有效地描述大氣環(huán)境，需要針對(duì)具體仿真用戶需求，確定需要的大氣環(huán)境仿真對(duì)象，建立不同應(yīng)用層次需要的多分辨率大氣環(huán)境仿真模型。

基于大氣動(dòng)力模式，利用多重網(wǎng)格嵌套技術(shù)，采用雙向作用的方式，建立不同精度和分辨率的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)模型，是實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境多分辨率動(dòng)態(tài)仿真的一種有效手段[10]。由于其積分解算過程是在同一大氣數(shù)值模式中完成，粗細(xì)網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)可以得到及時(shí)交互，有利于粗細(xì)網(wǎng)格之間質(zhì)量、動(dòng)量和內(nèi)熱動(dòng)能的守恒且保證不同分辨率大氣數(shù)據(jù)之間的協(xié)調(diào)一致。以中小尺度天氣過程的數(shù)值仿真為例，選用恰當(dāng)?shù)膮^(qū)域大氣數(shù)值模擬系統(tǒng)，針對(duì)不同的研究問題，選取特定的研究區(qū)域，建立不同分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)模型。圖2 給出了針對(duì)一次山谷氣流利用RAMS6.0數(shù)值模式模擬的水平分辨率為2 km×2 km的基本氣象要素場(chǎng)分布（風(fēng)速、溫度、氣壓）。

圖3 給出了風(fēng)速和溫度的時(shí)－空剖面，可以看出風(fēng)速和溫度的時(shí)空分布特征。利用數(shù)值模式構(gòu)建隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的數(shù)據(jù)模型，其產(chǎn)品可以比較真實(shí)地再現(xiàn)出實(shí)際天氣過程和天氣現(xiàn)象的演變規(guī)律，在水平、垂直及時(shí)間分辨率上與觀測(cè)資料相比有了很大提高，尤其保證了輸出產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的一致性。

4 大氣環(huán)境聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)

圖2 基本氣象要素場(chǎng)的數(shù)值模擬Fig.2 Numerical simulation of meteorological elements

圖3 風(fēng)速和溫度的時(shí)－空分布Fig.3 The spatial and temporal distribution of velocity and temperature

設(shè)計(jì)大氣環(huán)境聯(lián)邦，其目標(biāo)是為其他軍事仿真應(yīng)用提供隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)變化的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)。以內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)為數(shù)據(jù)管理核心，借助仿真聯(lián)邦內(nèi)專用交互類為信息交換接口，來實(shí)現(xiàn)能夠滿足實(shí)時(shí)仿真需求的大氣環(huán)境仿真聯(lián)邦成員。由于采用客戶/服務(wù)器模式，用戶首先需要確定運(yùn)行服務(wù)器和聯(lián)邦成員的機(jī)器，并將所有機(jī)器上的RTI初始化數(shù)據(jù)（rid）文件所指的服務(wù)器IP地址設(shè)置正確，然后啟動(dòng)RTI服務(wù)器。數(shù)據(jù)提供者向RTI提供數(shù)據(jù)，使用者從RTI獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g過程都由RTI來完成。

大氣環(huán)境仿真聯(lián)邦成員作為服務(wù)性的聯(lián)邦成員，主要接受來自仿真聯(lián)邦內(nèi)的環(huán)境信息請(qǐng)求（交互類），然后根據(jù)請(qǐng)求的時(shí)間位置信息在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查詢相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過插值等計(jì)算，最終以交互類的形式將大氣環(huán)境信息返回給發(fā)出請(qǐng)求的聯(lián)邦成員。作為環(huán)境請(qǐng)求與回應(yīng)的交互類分為2種：大氣環(huán)境信息請(qǐng)求交互類（Atmos Data Req）和大氣環(huán)境信息回應(yīng)交互類（Atmos Data Send），SOM表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表1。其中，信息請(qǐng)求交互類（Atmos Data Req）主要是由仿真應(yīng)用實(shí)體聯(lián)邦成員發(fā)送給大氣環(huán)境聯(lián)邦成員，參數(shù)“請(qǐng)求位置”是核心數(shù)據(jù)信息，是一個(gè)包含約定坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值的結(jié)構(gòu)體；信息回應(yīng)交互類（Atmos Data Send）主要是由大氣環(huán)境聯(lián)邦成員發(fā)送給仿真應(yīng)用實(shí)體聯(lián)邦成員，參數(shù)“大氣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體”是核心數(shù)據(jù)信息，是一個(gè)包含風(fēng)矢量、溫度、密度、氣壓、云的含水量等大氣屬性數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)體。

表1 SOM表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Table 1 Structural design of SOM table

由于大氣環(huán)境數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)通信量大、多維數(shù)、多分辨率、不同數(shù)據(jù)模型等特點(diǎn)。因此，可采用具有可變長(zhǎng)度的多維動(dòng)態(tài)數(shù)組，包括數(shù)組維數(shù)、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)的定義以及數(shù)據(jù)的打包和解包處理。同時(shí)，還需要考慮采用HLA/RTI提供的數(shù)據(jù)分發(fā)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的過濾。大氣環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)在FOM表中采用對(duì)象類描述。對(duì)象類表中的子類可根據(jù)需要?jiǎng)澐譃槿S、二維、一維站點(diǎn)和局部暫態(tài)4種類型的數(shù)據(jù)表示，分別用于不同目的、不同現(xiàn)象和不同分辨率大氣數(shù)據(jù)的描述和表示。FOM表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表2。

表2 FOM表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Table 2 Structural design of FOM table

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于HLA/RTI的大氣環(huán)境分布式仿真體系結(jié)構(gòu)，并成功應(yīng)用于大氣環(huán)境對(duì)低空飛行器影響仿真原型系統(tǒng)中。在分布式仿真體系結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境對(duì)低空飛行器飛行軌跡和飛行姿態(tài)的影響仿真，為分布式仿真過程提供演示和驗(yàn)證。大氣環(huán)境影響仿真試驗(yàn)表明，基于HLA/RTI 的大氣環(huán)境分布式仿真方法具有很好的互操作性和可重用性，為評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)實(shí)體影響仿真研究提供了一種有效的手段。

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