HLA 仿真重用研究及應(yīng)用

張欣海，卜樹峰

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041;2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

0 引 言

國內(nèi)仿真領(lǐng)域，隨著研究與應(yīng)用的不斷擴(kuò)展和深入，HLA 已經(jīng)成為分布式仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的一個事實標(biāo)準(zhǔn)。越來越多的情況下，聯(lián)邦用戶開始具有長遠(yuǎn)的聯(lián)邦開發(fā)、應(yīng)用計劃，他們希望分期分批開發(fā)聯(lián)邦，而且邊開發(fā)邊應(yīng)用，逐步擴(kuò)展、累積自己的聯(lián)邦開發(fā)成果，而不希望每次都從零開始開發(fā)新的仿真應(yīng)用。開發(fā)人員也越來越注重考慮仿真成果和資源的重用問題:他們研究實用的技術(shù)和方法，研制有力的支持工具，借以將以往積累的成熟產(chǎn)品(仿真聯(lián)邦的一部分乃至全部)快速重組、方便接入新的仿真系統(tǒng);另一方面，當(dāng)需要開發(fā)新的聯(lián)邦時，他們從設(shè)計階段就開始著手解決聯(lián)邦開發(fā)各階段產(chǎn)品的可重用問題。

國外仿真方面，美國國防部為適應(yīng)不斷增長的開發(fā)和執(zhí)行DIS、HLA、TENA 多體系結(jié)構(gòu)仿真環(huán)境需求，也發(fā)布了實體—虛擬—構(gòu)造仿真體系結(jié)構(gòu)路線圖(LVCAR)研究報告［1］，啟動了LVC 體系結(jié)構(gòu)路線圖實現(xiàn)項目，研究解決分布式仿真應(yīng)用實現(xiàn)外部接口、與多種體系結(jié)構(gòu)仿真實現(xiàn)互操作的問題。

實際應(yīng)用中，許多情況下都需要將多個特定的仿真系統(tǒng)集成到一起使用，構(gòu)成一個更大規(guī)模的仿真系統(tǒng)，以更真實、更全面地表達(dá)某種特定類型的問題。在軍事分析領(lǐng)域，通常需要由特定的高逼真度的系統(tǒng)仿真群所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)作為更高層的、聚合級的任務(wù)仿真的輸入，這些產(chǎn)生底層數(shù)據(jù)的各種仿真需要具備可重定制的能力，可以作為基本單元被反復(fù)使用。在軍用裝備采辦領(lǐng)域，無論是方案論證、原型評估、系統(tǒng)測試/集成、功能/性能驗證的各個階段，仿真支持系統(tǒng)都需要為新裝備模擬盡量逼真的應(yīng)用背景環(huán)境，這種仿真系統(tǒng)的構(gòu)建往往需要將跨領(lǐng)域、跨平臺和基于不同標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的仿真資源進(jìn)行柔性重組和整合。可以列舉一個典型案例，為了新應(yīng)用需求開發(fā)一套綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)，可以根據(jù)聯(lián)邦目標(biāo)適當(dāng)選取雷達(dá)對抗、通信對抗和光電對抗三個功能領(lǐng)域現(xiàn)有的仿真產(chǎn)品，進(jìn)行重新配置、綜合集成，在這個過程中，最高級別的重用就是將一個已有的雷達(dá)對抗聯(lián)邦整體拿來進(jìn)行重用。

1 HLA 仿真重用

過去，系統(tǒng)仿真界用于連接仿真運(yùn)行的方法和協(xié)議各不相同，HLA 標(biāo)準(zhǔn)的制訂使得分布式仿真的開發(fā)有了可以遵循的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對基于DIS、ALSP協(xié)議建立的持久仿真應(yīng)用也可經(jīng)過HLA 適宜性改造后接入仿真聯(lián)邦加以重用。但HLA 重用問題本身是很復(fù)雜的，理論上，在通用仿真技術(shù)框架下，遵循聯(lián)邦開發(fā)與運(yùn)行過程模型(FEDEP)［2］，各個階段開發(fā)的仿真產(chǎn)品(模型、文檔、數(shù)據(jù)和程序)都是可以重用的，只是根據(jù)新的需求，重用程度有所不同。在多次重用中，最穩(wěn)定的元素或稱可重用的基石應(yīng)該是基于權(quán)威的使命空間概念模型(CMMS)建立的聯(lián)邦概念模型(FCM)，因為它是聯(lián)邦成員的核心模型和聯(lián)邦對象模型(FOM)開發(fā)的基準(zhǔn);而最易于使用的元素應(yīng)該是持久的邦員或者聯(lián)邦。

HLA 本身支持聯(lián)邦成員級別的互操作，這種互操作被定義為聯(lián)邦中的邦員間可以互相提供服務(wù);一個理論上完備的服務(wù)函數(shù)的集合——HLA 接口規(guī)范保證了各邦員在聯(lián)邦對象模型(FOM)協(xié)議下，可以通過RTI 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。所謂HLA 支持應(yīng)用系統(tǒng)的仿真“即插即用”是以這些“插件”滿足一致的FOM 協(xié)議為必要條件的。在開發(fā)新的HLA 仿真系統(tǒng)時，如果根據(jù)聯(lián)邦目標(biāo)沒有為待重用的FCM 擴(kuò)展新的功能和行為，對相應(yīng)聯(lián)邦成員的修改也將僅限于針對新FOM 和異構(gòu)RTI 實現(xiàn)所做的RTI 接口適應(yīng)性改造工作，實現(xiàn)聯(lián)邦成員級別的重用相對來說就簡單一些。BOM(基本對象模型)的出現(xiàn)，為邦員級模型重用提供了一個解決方案［3］。

同樣的，如果新的聯(lián)邦發(fā)起人需求、聯(lián)邦目標(biāo)，有時是新的聯(lián)邦劇情中對應(yīng)部分沒有大的調(diào)整，新的聯(lián)邦概念模型集合完全是舊有集合的超集，一個原有仿真聯(lián)邦也就基本具備了作為整體加入新的仿真系統(tǒng)，構(gòu)成聯(lián)邦群(Federation Community)的條件。要實現(xiàn)聯(lián)邦重用，接下來需要解決的主要問題將是異構(gòu)聯(lián)邦間的互操作和FOM 數(shù)據(jù)的映射轉(zhuǎn)換。

2 HLA 多聯(lián)邦互聯(lián)

從HLA 標(biāo)準(zhǔn)本身來看，基于單一的聯(lián)邦執(zhí)行上下文是邦員隱含的互操作模式，額外的聯(lián)邦間的互操作方法和接口服務(wù)沒有涉及。由于一個聯(lián)邦是由三個部分組成的:一組特定的邦員、FOM 和RTI 軟件，因此，實現(xiàn)多聯(lián)邦有機(jī)連接的基本途徑主要基于兩條:一是在應(yīng)用層通過特殊的邦員實現(xiàn)聯(lián)邦間(狀態(tài)與業(yè)務(wù))信息的轉(zhuǎn)換、傳遞和協(xié)同;二是由RTI軟件實現(xiàn)并屏蔽聯(lián)邦間互操作的細(xì)節(jié)，而所有邦員只需按各自SOM/FOM 協(xié)議接入仿真系統(tǒng)提供的“RTI 軟總線插口”。

國外對于多聯(lián)邦互聯(lián)問題的研究起步較早，SISO(Simulation Interoperability Standards Organization)RTI 互操作性研究小組于1999 年發(fā)表了一份《RTI Interoperability Study Group Final Report》研究報告［4］，提出了HLA 互操作層次模型，如圖1 所示，包括:應(yīng)用層互操作、模型層互操作、服務(wù)層互操作和通信層互操作。國內(nèi)也就多聯(lián)邦互連技術(shù)進(jìn)行了跟蹤研究［5，6］。

圖1 HLA 互操作層次模型

相應(yīng)于HLA 互操作層次模型，實現(xiàn)聯(lián)邦間互操作的四種解決方案包括:邦員網(wǎng)關(guān)(Federate Geteway)、邦員代表(Federate Proxy)、RTI 代理(RTI Broker)和RTI 互操作協(xié)議(RTI Interoperability Protocol)，這里的第一、第二兩種方法其實就是基于前述的在聯(lián)邦成員一級解決問題的思路，后面兩種方法則是考慮在RTI 上做文章。

邦員網(wǎng)關(guān)本身并不直接與RTI 打交道，這使得分屬不同聯(lián)邦的兩個邦員間FOM 數(shù)據(jù)的交互方式?jīng)]有完全遵循HLA 規(guī)則［7］。RTI 互操作協(xié)議僅在理論上能夠滿足，甚至能夠滿足基于不同軟件運(yùn)行平臺的RTI 的互聯(lián)要求。綜合考慮(1)HLA 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的內(nèi)容對聯(lián)邦互操作的支持能力(僅規(guī)范到服務(wù)層的互操作);(2)聯(lián)邦互聯(lián)支撐軟件的功能完備性和易實現(xiàn)性等因素，邦員代表方法在目前看來是解決聯(lián)邦互聯(lián)的優(yōu)選方案。

由于HLA 聯(lián)邦成員接口規(guī)范允許一個仿真應(yīng)用同時加入多個并發(fā)的聯(lián)邦執(zhí)行，這樣可以構(gòu)造一個橋接邦員(BF，bridge federate)［8］同時加入多個聯(lián)邦，使得對于其中的任意一個聯(lián)邦F 來說，BF 都是作為一個特殊的邦員，代表它所連接的其他所有聯(lián)邦與F 進(jìn)行FOM 數(shù)據(jù)的合成、轉(zhuǎn)換、分發(fā)和狀態(tài)信息的傳遞和時間、事件的同步協(xié)調(diào)等操作。

通過橋接邦員互連的兩個仿真聯(lián)邦，如圖2 所示。BF 本身由兩個代表和一個轉(zhuǎn)換部件組成，連接到RTIF的“代表g”本身就是一個聯(lián)邦成員，只不過從聯(lián)邦F 的角度出發(fā)，“g”是作為G 聯(lián)邦的全權(quán)代表加入F 聯(lián)邦的，由于它使用聯(lián)邦F 的FOM 聲明公布/訂購關(guān)系，所以被F 中的其他邦員所認(rèn)同;g 向F 發(fā)布數(shù)據(jù)的格式是屬于F 的，但數(shù)據(jù)的內(nèi)容卻是來源于G 的，G 把要向F 表達(dá)的信息按自己的FOM 格式通過f 傳遞給g，由轉(zhuǎn)換部件負(fù)責(zé)不同F(xiàn)OM 之間的映射轉(zhuǎn)換，在這個過程中FMF(FOM Mapping File)起輔助作用，異構(gòu)FOM 間數(shù)據(jù)項的對應(yīng)關(guān)系都保存在這個文件里，這里很容易理解的一點(diǎn)是，g 向RTIF聲明的訂購需求在內(nèi)涵上等同于f 向RTIG聲明的公布能力，反之亦然;此外，轉(zhuǎn)換部件還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)g 與f 之間的行為。

圖2 應(yīng)用橋接邦員實現(xiàn)多聯(lián)邦互連

3 HLA 仿真重用技術(shù)在綜合電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 重用需求與背景

綜合電子戰(zhàn)是在電子戰(zhàn)指揮控制單元的統(tǒng)一管理和控制下，綜合運(yùn)用陸、海、空、天多平臺進(jìn)行的雷達(dá)對抗、通信對抗、光電對抗、反輻射攻擊和導(dǎo)航/敵我識別對抗等戰(zhàn)斗活動。在建立一個真正意義上的基于HLA 的紅藍(lán)對抗綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)時，對不同領(lǐng)域(雷達(dá)對抗、通信對抗和光電對抗)的仿真產(chǎn)品(如:一個可以仿真雷達(dá)電子戰(zhàn)的聯(lián)邦)，提出更高的需求:

a)結(jié)合新的系統(tǒng)需求，最大限度地重用這些仿真聯(lián)邦(以下稱子聯(lián)邦)和模型，快速構(gòu)建綜合電子戰(zhàn)仿真聯(lián)邦;

b)保證各子聯(lián)邦在新系統(tǒng)中的相對獨(dú)立性，這樣，如果未來再開發(fā)新的領(lǐng)域模型，也能夠很快將其接入到系統(tǒng)中來，同時，保證新系統(tǒng)(在對物理規(guī)模做適當(dāng)裁減后)具備只仿真單一類型電子戰(zhàn)(如雷達(dá)對抗)的能力;

c)開發(fā)一套工具軟件，對(包括各子聯(lián)邦在內(nèi)的整個)系統(tǒng)的運(yùn)行和評估提供支持，使用戶面向統(tǒng)一的操作界面，能夠方便地重配置系統(tǒng)，實現(xiàn)不同虛擬場景環(huán)境中、多種作戰(zhàn)模式下的綜合電子對抗模擬。

3.2 重用實現(xiàn)

以FEDEP 規(guī)范為指導(dǎo)，分析綜合電子戰(zhàn)仿真聯(lián)邦需求，定義系統(tǒng)邊界，選擇聯(lián)邦成員并為其分配功能，在對子聯(lián)邦進(jìn)行適當(dāng)裁減和改造后加以重用。裁減邦員的原則如下。

a)部分的實體模型類邦員，如果它仿真的實體不在新系統(tǒng)的FCM 集合之內(nèi)，例如:某型雷達(dá)邦員;

b)全部的應(yīng)用支撐工具類邦員，例如:想定劇情產(chǎn)生邦員。

對于子聯(lián)邦的改造主要體現(xiàn)在:如果載有多種電子設(shè)備的平臺實體是在各子聯(lián)邦中分別模擬的模型，如某類戰(zhàn)斗機(jī)(因為其載有的雷達(dá)、電臺和激光制導(dǎo)炸彈)在三個子聯(lián)邦中都有出現(xiàn)，那么需要對這類實體進(jìn)行解聚，只把對電子設(shè)備的模擬保留在子聯(lián)邦中，而把對飛機(jī)平臺的模擬在子聯(lián)邦外統(tǒng)一實現(xiàn)，這樣有利于在仿真中保證各子聯(lián)邦中隸屬于同一平臺的不同設(shè)備在仿真運(yùn)行過程中的時空一致性。

把系統(tǒng)應(yīng)用支撐工具類邦員和平臺類邦員都放在一個新的聯(lián)邦中，雷達(dá)對抗、通信對抗、光電對抗子聯(lián)邦都分別與它進(jìn)行互聯(lián)，其他的與一個以上重用子聯(lián)邦有互操作關(guān)系的邦員也都加入這個聯(lián)邦。

聯(lián)邦間使用BF 進(jìn)行互聯(lián)，由BF 負(fù)責(zé)異構(gòu)聯(lián)邦間FOM 數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，根據(jù)互聯(lián)聯(lián)邦的時間分辨率需求配置BF 代表部件的時間推進(jìn)步長，可以有效提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.3 HLA 多聯(lián)邦綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)

綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，是經(jīng)3 個BF 連接而成的、由4 個仿真聯(lián)邦組成的層次結(jié)構(gòu)聯(lián)邦群系統(tǒng)。

圖3 綜合電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

底層的雷達(dá)對抗、通信對抗、光電對抗聯(lián)邦按功能領(lǐng)域分別集成了一類電抗裝備實體模型及對應(yīng)的電抗作戰(zhàn)對象實體模型(粒度為設(shè)備級)，例如在雷達(dá)對抗聯(lián)邦中，aR代表一組雷達(dá)模型邦員(它們仿真的雷達(dá)實體有的基于固定平臺、有的基于移動平臺)，aRC則代表一組雷達(dá)偵察和干擾設(shè)備模型邦員，這個聯(lián)邦獨(dú)立實現(xiàn)了對雷達(dá)電子戰(zhàn)的模擬。

頂層的指揮控制與綜合服務(wù)聯(lián)邦由兩類邦員組成:一類是功能仿真邦員，包括綜合電子戰(zhàn)情報/指控邦員fCC和與三個子聯(lián)邦有關(guān)聯(lián)、依賴關(guān)系的其他實體模型邦員fP(如電子設(shè)備的搭載平臺)，另一類邦員fW負(fù)責(zé)為系統(tǒng)應(yīng)用提供輔助支撐，包括仿真協(xié)同運(yùn)行控制、想定劇情生成與導(dǎo)調(diào)、2D/3D 場景顯示、記錄與重演、評估與分析等，用戶可以利用這些邦員提供的界面使用系統(tǒng)，它們與BF 一樣，是區(qū)別于其他所有實體模型的白方邦員，在圖中用虛線外框加以區(qū)分。

3.4 綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)的可重用性特點(diǎn)

系統(tǒng)中三個底層子聯(lián)邦的邦員是按照不同的電子對抗功能領(lǐng)域分別集成的，即一類電子對抗設(shè)備的仿真模型與對應(yīng)的作戰(zhàn)對象模型位于同一個聯(lián)邦，而聯(lián)邦間是彼此相對獨(dú)立的，它們都可以單獨(dú)與頂層聯(lián)邦一起組成一個新的仿真系統(tǒng)而不需做任何修改;按照這種思路，還可以將其他類型的電子戰(zhàn)仿真聯(lián)邦設(shè)法接入到系統(tǒng)中來;而各個子聯(lián)邦在做了如3.2 節(jié)所述的改造以后，它們自身的可重用性也得到了加強(qiáng)。

系統(tǒng)頂層聯(lián)邦中的fW類邦員統(tǒng)一負(fù)責(zé)向用戶提供仿真應(yīng)用界面，利用這些工具:可以離線/在線地設(shè)置和改變電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的外部環(huán)境，可以客觀地觀察、記錄系統(tǒng)運(yùn)行過程中的變化、結(jié)果，加以分析和評估。這樣做，相當(dāng)于在頂層聯(lián)邦中提供了擴(kuò)展接口，可以把本系統(tǒng)接入到更大規(guī)模的仿真系統(tǒng)中，或與其它仿真系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)。外部仿真系統(tǒng)可以利用fW類邦員改變電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)外部環(huán)境的接口來激勵系統(tǒng)，可以通過fW類邦員觀察系統(tǒng)的接口感知電子對抗作戰(zhàn)的結(jié)果。

系統(tǒng)中，模擬進(jìn)行電子戰(zhàn)的紅、藍(lán)對抗雙方的實體模型是位于同一個子聯(lián)邦中的。有時出于信息屏蔽的考慮，希望將某些電抗作戰(zhàn)對象仿真模型移入到頂層聯(lián)邦中;有時因為本系統(tǒng)與其他仿真系統(tǒng)互聯(lián)時產(chǎn)生的模型重復(fù)希望把某些邦員裁減掉，這時，只要對FOMEW做適當(dāng)?shù)男薷模瑢⒆勇?lián)邦FOM 中涉及這些邦員SOM 的數(shù)據(jù)定義加入到FOMEW中，再重新配置BF 兩端代表部件的公布訂購關(guān)系就可以了。

4 結(jié) 語

HLA 越來越為仿真界所接受和采用，很重要的一點(diǎn)因為它是一種支持可重用的分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)，隨著領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，可以單獨(dú)對仿真系統(tǒng)的一部分進(jìn)行更新，也可以不斷擴(kuò)充系統(tǒng)的規(guī)模、或與實裝系統(tǒng)互連。

本文從理論上闡述了邦員級別重用、聯(lián)邦級別重用兩類不同層次的HLA 仿真重用方法;接著，對比討論了多種聯(lián)邦互聯(lián)解決方案;最后結(jié)合實際，介紹了利用BF 在綜合電子戰(zhàn)功能仿真系統(tǒng)中實現(xiàn)多聯(lián)邦互聯(lián)和仿真重用的成功案例。

目前，國內(nèi)外仿真界一致認(rèn)為聯(lián)邦互聯(lián)是實現(xiàn)高層次HLA 仿真重用，以及分布式異構(gòu)系統(tǒng)集成的重要手段。BF 作為代理技術(shù)的典型案例，雖然在功能上能夠基本滿足要求，但如果跨聯(lián)邦的TSO 消息交互太多、層次太深，系統(tǒng)的運(yùn)行效率將被迫降低，實際中采取了一些有效措施來盡力避免BF 引入帶來的不利影響，但它本質(zhì)上是個聯(lián)邦成員，先天的局限性限制了它在較大規(guī)模聯(lián)邦群系統(tǒng)中的應(yīng)用。為此LVCAR 最終報告［1］的三個關(guān)鍵建議是確定現(xiàn)有仿真代理應(yīng)用的能力能否有效滿足用戶的需求，其能力的提高對于解決已確定的差距是否是必要的，如何最佳的實現(xiàn)這些能力提高以最大化投資收益。

制定異構(gòu)RTI 間標(biāo)準(zhǔn)的API、借助中間件技術(shù)集成RTI、基于Web 服務(wù)技術(shù)在服務(wù)層實現(xiàn)互操作是目前令人關(guān)注的其他研究方向，特別是后者，已經(jīng)跳脫了仿真體系結(jié)構(gòu)本身，其優(yōu)缺點(diǎn)還有待進(jìn)一步評估。

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