海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)構(gòu)建研究*

張欣景，趙志軍，謝國新，夏紅梅

（海軍兵種指揮學(xué)院模擬訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510430）

隨著現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭條件的復(fù)雜化，單一兵種往往很難勝任某項(xiàng)軍事任務(wù)的完成。海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、龐大、典型的分布式仿真系統(tǒng)，其涵蓋了海軍現(xiàn)有的水面艦艇、航空兵、潛艇、陸戰(zhàn)及岸防等五大兵種，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下各兵種間多平臺(tái)、多武器、多行為、多精度的實(shí)時(shí)戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗訓(xùn)練仿真。當(dāng)前，軍內(nèi)在建立與完善不同軍兵種、不同層次的各類分布式戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中積累了許多經(jīng)驗(yàn)［1-6］，但如何將這些系統(tǒng)通過統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，并合理地控制仿真粒度及規(guī)范仿真行為，實(shí)現(xiàn)各類系統(tǒng)的一體化建設(shè)，提高各類系統(tǒng)的可重用性，仍是當(dāng)前軍內(nèi)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，這也是本文探討研究的重點(diǎn)。

1 構(gòu)建系統(tǒng)擬需解決的主要問題

HLA（High Level Architecture）是在系統(tǒng)級(jí)別上建立起來的一個(gè)開放式的仿真體系結(jié)構(gòu)，其主要目的就是要使得不同用途的，不同實(shí)現(xiàn)方式的仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)互操作，并提高仿真系統(tǒng)及其部件的可重用性［7-9］。在構(gòu)建海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)時(shí)，其需要解決的主要問題就是要將這些針對(duì)不同用途開發(fā)的仿真系統(tǒng)，通過HLA這樣一個(gè)統(tǒng)一的體系框架進(jìn)行有效地融合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)仿真系統(tǒng)間的互操作和仿真系統(tǒng)及其部件的可重用。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由圖1可以看出構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)具體要解決的問題包含以下3個(gè)方面：1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，設(shè)計(jì)合理、開放的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，讓體系龐大的多系統(tǒng)，多成員能夠滿足實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)信息交互需求，并滿足未來新系統(tǒng)、新成員的加入；2）分析系統(tǒng)需要仿真的實(shí)體，控制好仿真粒度（定義基本仿真粒度為平臺(tái)級(jí)），并規(guī)范仿真行為；3）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的信息交互協(xié)議，統(tǒng)一管理信息交互格式。下文將分別闡述這3個(gè)方面的設(shè)計(jì)思路與具體做法。

2 構(gòu)建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1基于RTI的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海軍諸兵種綜合作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到系統(tǒng)可能會(huì)有數(shù)量龐大的聯(lián)邦成員加入，為均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，系統(tǒng)采用了分層式 MAKRTI（Run Time Infrastructure）中基于局域網(wǎng)的分布式獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)代理（Singleton Forwards）拓?fù)淠Ｊ剑?0］，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑硎疽鈭D如圖2如示。

圖2 基于局域網(wǎng)的分布式獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)代理拓?fù)鋱D

圖2中，F(xiàn)orwarderA/B/C表示LAN中三個(gè)獨(dú)立的RTI網(wǎng)絡(luò)代理，每個(gè)RTI網(wǎng)絡(luò)代理有三個(gè)聯(lián)邦成員通過LAN與之相連，F(xiàn)orwarderA/B/C分別獨(dú)立運(yùn)行于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，每個(gè)聯(lián)邦成員也分別運(yùn)行于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。從圖2中可以看出，三個(gè)RTI網(wǎng)絡(luò)代理之間是互為主代理，而成員僅將與之相連的網(wǎng)絡(luò)代理視為主代理。如果成員B2要發(fā)信息到A1或C1，則必須先通過 ForwarderB轉(zhuǎn)發(fā)至 ForwarderA/C，再由ForwarderA/C轉(zhuǎn)發(fā)給A1或C1。實(shí)際應(yīng)用中，令每個(gè)兵種的仿真子系統(tǒng)啟用一個(gè)Forwarder，并且限定各兵種的所有成員僅加入到該 Forwarder中，且兵種內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互通過啟用RTI的路徑空間形式嚴(yán)格限制在本 Forwarder中，兵種間的數(shù)據(jù)交互則是通過Forwarder轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就可以有效地減少同一個(gè) LAN中的數(shù)據(jù)流大小。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也可以不作修改地作為一個(gè)整體加入到以萬維網(wǎng)為基礎(chǔ)的更大型 HLA系統(tǒng)中使用，具有很好的可擴(kuò)展性。采用這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)于橋接方式而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于每一個(gè)聯(lián)邦成員，可完全兼容全部RTI服務(wù)，有效規(guī)避了在橋接方式下處理時(shí)空一致性和復(fù)雜邏輯的諸多難題[11]。

2.1.2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

基于上面的設(shè)計(jì)，結(jié)合綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的實(shí)際情況，可以得到系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。這里需要注意的是，整個(gè)系統(tǒng)體系中，只運(yùn)行一個(gè) RTI中心服務(wù)器，各兵種則分別運(yùn)行一個(gè)RTI網(wǎng)絡(luò)代理。

圖3 諸兵種綜合訓(xùn)練仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)仿真實(shí)體分析

綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)涉及大量的仿真實(shí)體，能否將這些實(shí)體的信息與行為進(jìn)行合理的抽象與歸納，并體現(xiàn)到程序設(shè)計(jì)中，將影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，其主要做法可由下文給出。

2.2.1仿真實(shí)體歸類及其定義

依據(jù)各類仿真實(shí)體在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出來的基本特性（是否運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)，是否靜止的設(shè)施、是否發(fā)射或接收輻射波并為平臺(tái)或設(shè)施所搭載，以及是否產(chǎn)生爆炸等），并結(jié)合海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的實(shí)際需求（諸兵種基于多平臺(tái)間的協(xié)同戰(zhàn)術(shù)對(duì)抗演練）等原則，將系統(tǒng)仿真所涉及到的多達(dá)近千個(gè)實(shí)體劃分成四個(gè)基本類別：運(yùn)動(dòng)實(shí)體類、靜止實(shí)體類、暴露性器材類和非精確制導(dǎo)武器類，這四個(gè)類別基本涵蓋了系統(tǒng)所有所需仿真的實(shí)體。其中，運(yùn)動(dòng)實(shí)體一般可理解為“平臺(tái)”，如飛機(jī)、艦艇、潛艇、車輛等，而非平臺(tái)上所搭載的各類設(shè)備，其最大的特點(diǎn)是該實(shí)體可以周期性地自主改變位置、速度等參數(shù)；靜止實(shí)體可理解為“設(shè)施”，如機(jī)場、固定場站、各類工事等，其特點(diǎn)為實(shí)體的位置等參數(shù)不發(fā)生變化；暴露性器材是指該設(shè)備有能力向外發(fā)射各類輻射信號(hào)的器材，如雷達(dá)、聲納、無線電通訊設(shè)備等；非精確制導(dǎo)武器是指具備面殺傷能力（即彈藥具備爆炸特性）且不精確模擬實(shí)時(shí)彈道的武器彈藥，殺傷的對(duì)象應(yīng)為實(shí)體類中定義的各類實(shí)體，如各類炮彈、深彈、炸彈等。

2.2.2仿真實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述分類，運(yùn)動(dòng)實(shí)體的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)：周期更新型數(shù)據(jù)（將所有運(yùn)動(dòng)實(shí)體的周期更新型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可參見后文中定義的Target復(fù)雜類型），事件變化型數(shù)據(jù)及靜態(tài)數(shù)據(jù)。與此類似，將靜止實(shí)體的數(shù)據(jù)也設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)：實(shí)體描述型數(shù)據(jù)（要依據(jù)不同類型的實(shí)體分別設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)體以存儲(chǔ)能描述反映該實(shí)體特性的信息，如機(jī)場與觀通站的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就大不相同），事件變化型數(shù)據(jù)及靜態(tài)數(shù)據(jù)。在實(shí)際仿真中，因?yàn)楸┞缎云鞑目偸谴钶d在運(yùn)動(dòng)或靜止實(shí)體中，因此，可以將暴露性器材相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)包含在動(dòng)、靜止實(shí)體的事件變化型數(shù)據(jù)及靜態(tài)數(shù)據(jù)中。具體的實(shí)現(xiàn)方法及其優(yōu)點(diǎn)在后文中加以闡述。非精確制導(dǎo)武器數(shù)據(jù)則作為面殺傷性武器爆炸交互定義中的參數(shù)進(jìn)行使用。

2.2.3仿真實(shí)體的行為規(guī)范

系統(tǒng)中所有“可見的”的行為或者說可被各子系統(tǒng)響應(yīng)的交互，必須是作用于仿真實(shí)體的行為，而非仿真實(shí)體內(nèi)部的交互行為。

2.3 系統(tǒng)信息交互協(xié)議（公共參考FOM）設(shè)計(jì)

公共參考 FOM 設(shè)計(jì)是指在某一領(lǐng)域內(nèi)，建立一個(gè)公共的 FOM 模型，這個(gè)模型涵蓋了該領(lǐng)域內(nèi)仿真系統(tǒng)開發(fā)所需的各種對(duì)象類和交互類等方面的信息，當(dāng)開發(fā)聯(lián)邦成員時(shí)，可以依托公共參考 FOM 來設(shè)計(jì)自己所需的FOM模型［12］。在OMT中要定義一個(gè)完整的FOM模型應(yīng)包括14個(gè)表格，其中對(duì)象類結(jié)構(gòu)表、屬性表、交互類結(jié)構(gòu)表及參數(shù)表是定義系統(tǒng)主要交互數(shù)據(jù)的載體，另外路徑空間表對(duì)于數(shù)據(jù)分發(fā)管理有著重要的作用。

2.3.1實(shí)體類設(shè)計(jì)

實(shí)體類主要是描述仿真系統(tǒng)中需要不斷更新自身屬性的成員。在設(shè)計(jì)綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的實(shí)體類時(shí)，就需要精準(zhǔn)地找出哪些實(shí)體中哪些數(shù)據(jù)是需要不斷更新的屬性。系統(tǒng)將需要仿真的實(shí)體分成了四個(gè)類別，運(yùn)動(dòng)實(shí)體、靜止實(shí)體、暴露性器材和非精確制導(dǎo)武器。由這些實(shí)體的定義可知，靜止實(shí)體、暴露性器材和非精確制導(dǎo)武器沒有周期性實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。因此，在 FOM表的實(shí)體類設(shè)計(jì)中，只需定義運(yùn)動(dòng)實(shí)體類。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)實(shí)體的數(shù)據(jù)又劃分成了三個(gè)層次，如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)實(shí)體屬性的分層及控制示意圖

為了進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，并不需要運(yùn)動(dòng)實(shí)體類中的所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)周期性地在RTI上傳遞，因此，只將運(yùn)動(dòng)實(shí)體的周期更新型數(shù)據(jù)定義為 FOM表中實(shí)體類，而事件變化型數(shù)據(jù)，如平臺(tái)自載的雷達(dá)開關(guān)機(jī)信息則由交互類來控制實(shí)現(xiàn)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)實(shí)體的靜態(tài)數(shù)據(jù)，如平臺(tái)的性能參數(shù)、自載設(shè)備的性能參數(shù)則是需要時(shí)從本地?cái)?shù)據(jù)庫查詢得到。事實(shí)上占用系統(tǒng)流量的數(shù)據(jù)主要是運(yùn)動(dòng)實(shí)體的周期更新型數(shù)據(jù)。而對(duì)于各類交互產(chǎn)生的事件變化型數(shù)據(jù)或者是靜止實(shí)體的狀態(tài)改變數(shù)據(jù)（包含實(shí)體描述型數(shù)據(jù)和事件變化型數(shù)據(jù)）則由各子系統(tǒng)收到交互后在本地建立或修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)表項(xiàng)。

在綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中，為每個(gè)兵種的運(yùn)動(dòng)實(shí)體的周期性變化屬性分別統(tǒng)一定義了一個(gè)實(shí)體類，即CAim_Route_SMJT（水面艦艇）、CAim_Route_QT（潛艇）、CAim_Route_HKB（航空兵）、CAim_Route_LZ（陸戰(zhàn)）以及 CAim_Route_AF（岸防），并且這些類中只有一個(gè)為 TARGET類型的m_TargetVar屬性，該屬性用數(shù)組形式表示可以仿真運(yùn)動(dòng)實(shí)體的最大數(shù)值。TARGET類型是FOM中自定義的一個(gè)復(fù)雜類型，用于描述運(yùn)動(dòng)實(shí)體周期性變化的屬性，TARGET類型的結(jié)構(gòu)描述見表1。

表1 TARGET復(fù)雜類型的結(jié)構(gòu)定義

另外，對(duì)于靜止實(shí)體的數(shù)據(jù)也可分為三層，如圖5所示。

靜止實(shí)體中實(shí)體描述型數(shù)據(jù)，如位置、實(shí)體類型、損傷程度以及該靜止實(shí)體的特有屬性等是由初始方案庫或交互來產(chǎn)生或修改，事件變化數(shù)據(jù)以及靜態(tài)數(shù)據(jù)的使用方法則與運(yùn)動(dòng)實(shí)體相同。需要注意的是，靜止實(shí)體在 FOM 表中并不需要建立相應(yīng)的實(shí)體類，并且靜止實(shí)體生成有兩種不同的方式，一是系統(tǒng)初始化時(shí)，各成員讀取初始方案數(shù)據(jù)后建立相應(yīng)的靜止實(shí)體數(shù)據(jù)表項(xiàng)；二是在系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，新增靜止實(shí)體是由交互來產(chǎn)生并建立相應(yīng)的靜止實(shí)體數(shù)據(jù)表項(xiàng)。

圖5 靜止實(shí)體屬性的分層及控制示意圖

2.3.2交互類設(shè)計(jì)

交互類主要是描述仿真系統(tǒng)中各成員之間的行為，而且發(fā)出方的該行為會(huì)對(duì)接受方產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的交互類時(shí)，除了考慮交互的雙方A和B外，還需在設(shè)計(jì)時(shí)引入觀察者C，這樣才可以將系統(tǒng)內(nèi)部各成員的行為更充分地展現(xiàn)。例如，“開火”交互，接受方也許并不需要開火交互，或者說開火交互提供的參數(shù)或數(shù)據(jù)對(duì)于接受方而言是毫無用處的。但是，引入了第三方觀察者C后，“開火”交互就變得很有必要，可以讓觀察者C知道A產(chǎn)生了一個(gè)行為，這個(gè)行為叫開火，并且開火后，產(chǎn)生了A成員的新實(shí)體如導(dǎo)彈、炮彈或魚雷等。C在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)應(yīng)的就是導(dǎo)演成員。

在對(duì)系統(tǒng)中各兵種間的典型交互活動(dòng)進(jìn)行抽象與歸納的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一定義了七個(gè)交互類（系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)遠(yuǎn)不止這些），見表 2。限于篇幅，交互的具體參數(shù)定義表未能詳細(xì)給出。

表2 綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的交互定義

2.3.3路徑空間設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將各子系統(tǒng)內(nèi)部交互的數(shù)據(jù)限定在子系統(tǒng)內(nèi)部，即實(shí)現(xiàn)典型的RTI數(shù)據(jù)分發(fā)管理，定義了一個(gè)系統(tǒng)的路徑空間：ARMS_SPACE，一維空間，維名：ARMSTYPE，數(shù)據(jù)類型為 short，枚舉映像區(qū)間。區(qū)間分配見表 3。子系統(tǒng)內(nèi)部的所有對(duì)象類實(shí)例的注冊(cè)和交互類的發(fā)送必須處于相應(yīng)的路徑空間，使用registerObjectInstanceWithRegion接口注冊(cè)實(shí)體，使用sendInteractionWithRegion接口發(fā)送交互。

表3 綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)路徑空間定義表

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖

綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖 6所示?？偪爻蓡T指的是綜合導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)的成員，分系統(tǒng)控制成員指的是各分系統(tǒng)的導(dǎo)演成員，而分系統(tǒng)仿真成員則是指具體的仿真單元。

系統(tǒng)采用了 HLA中保守時(shí)間推進(jìn)機(jī)制，并建立了兩個(gè)消息隊(duì)列：一個(gè)用于保存來自RTI消息的隊(duì)列，一個(gè)是Windows的消息句柄隊(duì)列，用Windows消息來觸發(fā)RTI的TSO（Time-Stamp Ordered）消息處理。并在聯(lián)邦成員中啟用Windows系統(tǒng)下的定時(shí)器，每隔一定時(shí)間（20ms-1000ms）更新并處理Windows消息及RTI的TSO消息。

圖6 綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖

3.2 仿真實(shí)現(xiàn)

以上設(shè)計(jì)在.net2005平臺(tái)下，使用基于MFC模式予以開發(fā)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在 MAK RTI3.2平臺(tái)上進(jìn)行了仿真測試，全系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)RTI中央服務(wù)器，并使用6個(gè)網(wǎng)絡(luò)代理，分別擔(dān)負(fù)水面艦艇、航空兵、潛艇、陸戰(zhàn)及岸防五大兵種成員以及綜合導(dǎo)控成員的網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)。全系統(tǒng)最多支持120個(gè)成員，127臺(tái)計(jì)算機(jī)，峰值實(shí)體數(shù)量400個(gè)左右，在1：10超實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)下，主網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量峰值小于10Mbit/s，系統(tǒng)運(yùn)行正確，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。

4 結(jié)論

構(gòu)建海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。本文利用 HLA仿真技術(shù)框架，詳細(xì)闡述了構(gòu)建海軍諸兵種綜合戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)時(shí)所要解決的主要問題，體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)手段，提出了多項(xiàng) HLA理論在工程實(shí)踐時(shí)的應(yīng)用方法，是HLA理論在實(shí)現(xiàn)異類系統(tǒng)間互操作、可重用領(lǐng)域中所做的一次非常有價(jià)值的實(shí)踐嘗試。

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