HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員的研究與實(shí)現(xiàn)

邵紅全，杜峰，馬駿，孫葉鋼

（1.軍事科學(xué)院 軍事運(yùn)籌分析研究所，北京100091；2.總裝工程兵科研二所，北京100036；3.解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

1 引 言

HLA聯(lián)邦可以根據(jù)想定的要求通過聯(lián)邦對(duì)象模型（FOM）和仿真對(duì)象模型（SOM）來定義成員間交換的信息和數(shù)據(jù)，成員之間實(shí)際的數(shù)據(jù)交換是通過公布訂購(gòu)機(jī)制經(jīng)由RTI進(jìn)行的[1]。HLA將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層數(shù)據(jù)傳輸三者分離，隱蔽了各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而使各個(gè)部分可以相對(duì)獨(dú)立地開發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的即插即用，具有很好的擴(kuò)充性、兼容性[2]。分布式仿真應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄分析是其必不可少的功能，是用戶得出分析仿真結(jié)果和進(jìn)行綜合分析的前提。開發(fā)獨(dú)立的數(shù)據(jù)記錄分析成員來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)分析，能夠?yàn)榉抡婊胤?、程序調(diào)試、仿真監(jiān)視提供服務(wù)，也有利于程序功能的模塊化與通用性。因此，在HLA環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。國(guó)外比較著名的主要有STOW數(shù)據(jù)收集器、SimdicatorTMToolkit等[3，4]，其中STOW數(shù)據(jù)收集器是應(yīng)用在STOW仿真系統(tǒng)中的，較早地進(jìn)行了關(guān)于HLA數(shù)據(jù)采集的研究，SimdicatorTMToolkit也是一種基于HLA的數(shù)據(jù)收集和分析工具，可以收集FOM中定義的公有數(shù)據(jù)和聯(lián)邦成員中定義的私有數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)也有多家單位開發(fā)了HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)收集器，但是多數(shù)工具存在與用戶需求結(jié)合不緊密、執(zhí)行效率不高等缺點(diǎn)。

2 HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員的設(shè)計(jì)

2.1 成員的數(shù)據(jù)記錄原理

HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員采用分布式數(shù)據(jù)記錄方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄功能，分布式數(shù)據(jù)記錄就是在仿真成員向RTI發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，將所需要的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)記錄分析成員保存到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶可選擇進(jìn)行在線分析或者在仿真運(yùn)行結(jié)束后進(jìn)行整理分析。HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員的工作原理如圖1，將仿真成員合理配置到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，將數(shù)據(jù)記錄分析成員也配置到合適的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，由于HLA聯(lián)邦成員之間的數(shù)據(jù)交換是通過RTI以組播的形式實(shí)現(xiàn)的，在整個(gè)仿真聯(lián)邦運(yùn)行的過程中，數(shù)據(jù)記錄分析成員通過訂購(gòu)的方式記錄仿真對(duì)象的屬性和成員交互等信息，而且對(duì)數(shù)據(jù)的記錄既不會(huì)增加分布式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)流量，也不會(huì)影響仿真成員的運(yùn)行。

2.2 成員的功能組成

HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員由數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)記錄與分析、仿真結(jié)果可視化、數(shù)據(jù)庫(kù)等四個(gè)部分組成。

數(shù)據(jù)記錄與分析組件主要用于實(shí)時(shí)記錄仿真成員發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行在線或離線的分析，包括數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)分析兩個(gè)子組件，它們是以數(shù)據(jù)庫(kù)組件為基礎(chǔ)的，數(shù)據(jù)庫(kù)組件主要用于存儲(chǔ)管理仿真記錄數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接口組件主要用于數(shù)據(jù)記錄分析成員與仿真成員之間數(shù)據(jù)交換，包括數(shù)據(jù)庫(kù)接口和HLA接口兩種不同類型的接口方式。數(shù)據(jù)庫(kù)接口提供訪問數(shù)據(jù)庫(kù)的功能以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)解析并存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)或從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取數(shù)據(jù)，HLA接口主要是用于數(shù)據(jù)記錄分析成員訂購(gòu)與公布相關(guān)數(shù)據(jù)。

仿真結(jié)果可視化組件主要用于仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化，包含曲線圖、直方圖、餅圖以及表格顯示等功能。它是以數(shù)據(jù)記錄與分析組件為基礎(chǔ)的，具有在線可視化和離線可視化兩種方式。

數(shù)據(jù)庫(kù)組件是數(shù)據(jù)記錄分析成員的重要組成部分，其組成及功能在下一小節(jié)詳細(xì)說明。

2.3 成員的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

成員的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為初始數(shù)據(jù)庫(kù)、中間數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)層次如圖2。

初始數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和初始規(guī)劃數(shù)據(jù)。初始狀態(tài)數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)記錄分析成員從仿真資源庫(kù)中提取的已知數(shù)據(jù)，是在開始仿真運(yùn)行之前預(yù)先裝載的數(shù)據(jù)，主要包括仿真對(duì)象初始狀態(tài)數(shù)據(jù)等，初始規(guī)劃數(shù)據(jù)是指參與仿真運(yùn)行的各個(gè)仿真對(duì)象的對(duì)象類別等，供數(shù)據(jù)分析組件在分析整理數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用；中間數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄分析成員實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，包括仿真對(duì)象的屬性狀態(tài)數(shù)據(jù)、聯(lián)邦成員之間的交互參數(shù)數(shù)據(jù)、資源損耗數(shù)據(jù)等，由數(shù)據(jù)記錄與分析組件通過RTI訂購(gòu)的方式記錄，其中屬性狀態(tài)數(shù)據(jù)主要是指參與仿真運(yùn)行的各個(gè)仿真對(duì)象在每一個(gè)或幾個(gè)仿真步長(zhǎng)發(fā)生變化的屬性數(shù)據(jù)，交互參數(shù)數(shù)據(jù)主要是指仿真成員之間發(fā)送的關(guān)鍵交互的參數(shù)數(shù)據(jù)，資源損耗數(shù)據(jù)主要是指仿真成員在仿真運(yùn)行過程中的資源消耗量；結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)各類仿真結(jié)果的綜合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括對(duì)在仿真運(yùn)行中記錄的屬性狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析而形成的綜合數(shù)據(jù)、仿真成員之間發(fā)送的關(guān)鍵交互的參數(shù)數(shù)據(jù)的累計(jì)綜合值、仿真成員在仿真運(yùn)行過程中的資源消耗數(shù)據(jù)的綜合值等。

2.4 成員的時(shí)間管理機(jī)制

HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員同時(shí)采用兩種時(shí)間管理機(jī)制。

（1）連續(xù)的時(shí)間步進(jìn)管理機(jī)制。主要包括記錄步長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)兩類時(shí)間節(jié)點(diǎn)。記錄步長(zhǎng)是數(shù)據(jù)記錄分析成員本身參與仿真運(yùn)行的推進(jìn)步長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)主要用于數(shù)據(jù)的分析處理與仿真結(jié)果可視化，統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)不參與RTI的時(shí)間推進(jìn)。統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)一般是記錄步長(zhǎng)的一倍或數(shù)倍，具體的數(shù)值，可以根據(jù)用戶的需求隨時(shí)修改。

（2）離散的事件步進(jìn)管理機(jī)制。該管理機(jī)制由若干事先定義的關(guān)鍵事件觸發(fā)，這些關(guān)鍵事件可以是發(fā)生被攻擊、被干擾、被毀傷等事件。

數(shù)據(jù)記錄分析成員有合理的協(xié)調(diào)控制機(jī)制，兩種時(shí)間管理機(jī)制并不沖突。在記錄步長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)記錄組件通過RTI訂購(gòu)的方式采集屬性狀態(tài)和交互參數(shù)數(shù)據(jù)。在仿真運(yùn)行的過程中，如果發(fā)生關(guān)鍵事件，則通過數(shù)據(jù)庫(kù)接口向中間數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄數(shù)據(jù)。在統(tǒng)計(jì)步長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，由統(tǒng)計(jì)分析組件訪問由數(shù)據(jù)記錄組件采集的中間數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理分析，形成結(jié)果數(shù)據(jù)，供仿真結(jié)果可視化組件調(diào)用顯示。

3 HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員實(shí)現(xiàn)

3.1 成員的執(zhí)行流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)記錄分析成員的執(zhí)行流程分為預(yù)處理、聯(lián)邦執(zhí)行處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)三個(gè)階段[5，6]。

預(yù)處理階段主要執(zhí)行以下步驟：①讀取聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)文件中的信息，獲取對(duì)象類和交互類等結(jié)構(gòu)的信息，包括類名稱、類層次及其繼承關(guān)系、屬性、屬性名、參數(shù)和參數(shù)名等；②為聯(lián)邦執(zhí)行過程中要訂購(gòu)的對(duì)象類和交互類創(chuàng)建列表結(jié)構(gòu)；③將對(duì)象類和交互類放入列表結(jié)構(gòu)。

聯(lián)邦執(zhí)行處理階段主要執(zhí)行以下步驟：①作為聯(lián)邦成員加入聯(lián)邦執(zhí)行，獲取所有類的句柄，訂購(gòu)所有對(duì)象類和交互類；②進(jìn)入仿真主循環(huán)，由不同事件（關(guān)鍵屬性變化、關(guān)鍵交互發(fā)送等）觸發(fā)不同的數(shù)據(jù)記錄行為。在此階段需要處理的仿真事件主要包括：發(fā)現(xiàn)對(duì)象實(shí)例、接受屬性更新、刪除對(duì)象實(shí)例、以及接收交互類信息等；③實(shí)時(shí)顯示和記錄仿真成員的評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段主要完成以下步驟：①數(shù)據(jù)記錄分析成員將仿真成員在仿真運(yùn)行結(jié)束后各個(gè)仿真對(duì)象的狀態(tài)屬性、評(píng)估指標(biāo)等數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；②統(tǒng)計(jì)分析處理仿真運(yùn)行過程中記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的中間數(shù)據(jù)，并且可視化顯示統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

3.2 成員實(shí)現(xiàn)解決的關(guān)鍵技術(shù)

該成員在實(shí)現(xiàn)的過程中解決了很多關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，比如仿真線程和界面顯示線程之間的CPU時(shí)間分配問題、時(shí)間一致性問題等，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

該成員運(yùn)用觀察者設(shè)計(jì)模式解決了仿真線程和界面顯示線程之間的CPU時(shí)間分配問題。仿真線程和界面顯示線程同步運(yùn)行，仿真線程運(yùn)行過程中每一次關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化都需要界面視圖重新繪圖，按照觀察者設(shè)計(jì)模式把界面視圖對(duì)象看成是觀察者對(duì)象，把仿真線程對(duì)象看成是被觀察者對(duì)象，這樣涉及數(shù)據(jù)變化時(shí)仿真線程就會(huì)通知界面顯示線程重繪界面圖形，這樣就能使仿真線程不停止運(yùn)行又能使界面視圖對(duì)數(shù)據(jù)的變化做出響應(yīng)。

該成員通過控制權(quán)轉(zhuǎn)移解決了時(shí)間一致性問題。當(dāng)仿真實(shí)體中含有隨機(jī)性因素的評(píng)估指標(biāo)時(shí)，經(jīng)常采用蒙特卡洛模型算法模擬評(píng)估[7]，這就需要整個(gè)HLA仿真聯(lián)邦一次啟動(dòng)，多次重復(fù)運(yùn)行，多次記錄數(shù)據(jù)才能分析出合理的結(jié)果，這樣就可能導(dǎo)致各成員之間的時(shí)間不同步。為了保證數(shù)據(jù)記錄分析成員和仿真成員的仿真時(shí)間保持一致，所以每一次仿真運(yùn)行結(jié)束后，數(shù)據(jù)記錄分析成員必須及時(shí)清空臨時(shí)列表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用聯(lián)邦管理的回調(diào)函數(shù)臨時(shí)將控制權(quán)交給RTI，以使RTI能及時(shí)處理仿真成員積累的事件隊(duì)列。由于數(shù)據(jù)記錄組件記錄的數(shù)據(jù)記錄設(shè)計(jì)有RTI時(shí)戳標(biāo)識(shí)和仿真運(yùn)行次數(shù)標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)分析組件在統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)時(shí)并不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。

4 HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員應(yīng)用與測(cè)試

為了測(cè)試該HLA數(shù)據(jù)記錄分析成員的有效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)導(dǎo)彈和飛機(jī)的攻防對(duì)抗仿真實(shí)驗(yàn)，采用分布式數(shù)據(jù)記錄方式記錄仿真數(shù)據(jù)，并將仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。

4.1 仿真過程

整個(gè)仿真聯(lián)邦主要由三個(gè)聯(lián)邦成員構(gòu)成，分別是導(dǎo)彈成員、飛機(jī)成員、數(shù)據(jù)記錄分析成員。仿真的過程為：藍(lán)方飛機(jī)攜帶炸彈進(jìn)攻紅方導(dǎo)彈陣地，而紅方導(dǎo)彈陣地發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行攔截，在仿真運(yùn)行過程中，飛機(jī)和導(dǎo)彈陣地不斷更新位置、飛機(jī)數(shù)量、導(dǎo)彈數(shù)量等數(shù)據(jù)，直到飛機(jī)被擊中墜毀或飛機(jī)飛遠(yuǎn)無法被擊中為止。導(dǎo)彈成員和飛機(jī)成員的公布/訂購(gòu)關(guān)系見表1，數(shù)據(jù)記錄分析成員需要記錄的數(shù)據(jù)主要包括對(duì)象類更新的屬性數(shù)據(jù)和對(duì)象發(fā)送的交互參數(shù)等數(shù)據(jù)。

表1 成員之間的公布/訂購(gòu)關(guān)系表

4.2 仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)和分析

采用本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員記錄的數(shù)據(jù)表格式，見表2。

表2 仿真聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄表

通過表2可以看出，本文設(shè)計(jì)的HLA數(shù)據(jù)記錄分析成員并沒有像一般的數(shù)據(jù)采集工具那樣記錄任意時(shí)刻的所有數(shù)據(jù)，而是記錄下了軍事分析人員關(guān)心的數(shù)據(jù)，也是對(duì)仿真結(jié)果有重要影響的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，方便軍事分析成員進(jìn)行在線或離線分析，具有一定的實(shí)用性。

仿真數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖3。

由于飛機(jī)的起飛方向具有一定的隨機(jī)性，因此在評(píng)估飛機(jī)的墜毀率和導(dǎo)彈的毀傷率時(shí)要多次運(yùn)行仿真聯(lián)邦。通過圖3可以看出，數(shù)據(jù)記錄分析成員滿足仿真要求，能夠多次重復(fù)運(yùn)行，并且記錄的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果非常直觀，利用圖表容易發(fā)現(xiàn)符合事實(shí)的規(guī)律。

該HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員在其他仿真聯(lián)邦中也進(jìn)行過應(yīng)用驗(yàn)證，最大的仿真聯(lián)邦包括50多個(gè)成員。通過大量的性能監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，各仿真聯(lián)邦成員在仿真運(yùn)行過程中發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄分析成員在記錄數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)包丟失很少，且對(duì)主機(jī)資源的占用也不高，能夠顯著提高系統(tǒng)調(diào)試工作的效率，大大縮短系統(tǒng)集成的周期，適合在其他分布式應(yīng)用仿真系統(tǒng)中推廣。

5 結(jié) 論

本文所設(shè)計(jì)的HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)記錄分析成員是為HLA仿真聯(lián)邦設(shè)計(jì)開發(fā)的具有數(shù)據(jù)記錄和統(tǒng)計(jì)分析功能的聯(lián)邦成員。該成員具有與用戶需求結(jié)合緊密、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。下一步研究的重點(diǎn)，是整合數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，以及進(jìn)一步提高效率，使該數(shù)據(jù)記錄分析成員具有更好的通用性，實(shí)現(xiàn)功能定制以適應(yīng)各類分布式仿真系統(tǒng)。

1 郝建國(guó)，黃健，黃柯棣.HLA聯(lián)邦數(shù)據(jù)收集的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19（1）：38—42.

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