空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中異類RTI連接技術(shù)研究

張玉珠，孟 新，潘忠石

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 空間信息與仿真技術(shù)研究室，北京100190；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100190）

0 引 言

空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)支持不同學(xué)科的專家在該設(shè)施上應(yīng)用并行的方法來設(shè)計空間任務(wù)［1］，對新的空間任務(wù)技術(shù)和成本進行可行性論證、立項論證的分析和評估。對于不同空間任務(wù)，此系統(tǒng)所需的聯(lián)邦成員由不同項目小組完成，開發(fā)平臺存在差異，那么經(jīng)過多個空間任務(wù)的論證后，在已建立起來的聯(lián)邦成員中，部分聯(lián)邦成員是基于不同RTI開發(fā)的。此外，空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)，每次論證都要重新構(gòu)建聯(lián)邦成員是費時費力的。因此需要提高此論證系統(tǒng)的可重用性和擴展性，從而縮短空間任務(wù)的論證周期。針對上述問題，本文基于橋接盟員和異類RTI的概念，提出在此論證系統(tǒng)中進行異類RTI的橋接，即將基于不同RTI的聯(lián)邦成員之間互聯(lián)互通起來，使已開發(fā)完成的聯(lián)邦成員能夠在新的空間任務(wù)論證中有機會得以重復(fù)利用。目前，瑞典的Pitch公司已經(jīng)開發(fā)出1516 Adapter，使遵循 HLA 1.3標準的聯(lián)幫成員能夠在pRTI 1516上運行。北京航空航天大學(xué)開發(fā)的RTIBridge軟件能在一定程度上實現(xiàn)遵循HLA1.3和IEEE 1516應(yīng)用系統(tǒng)的互操作。上述軟件關(guān)注的均是遵循不同標準 （HLA 1.3和IEEE 1516）的RTI互聯(lián)問題，但沒有解決如空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)所面臨的接口服務(wù)不一樣的RTI的互聯(lián)問題。因此本文設(shè)計實現(xiàn)了MAK－pRTI橋接軟件，并進行了相關(guān)的仿真實驗，驗證其可行性。

1 基于HLA的空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)

1.1 HLA簡介

HLA最初是由美國國防部提出的一個開放的、支持面向?qū)ο蟮姆植际浇换シ抡孳浖w系結(jié)構(gòu)，開發(fā)者可以據(jù)此進行分布式的建模和仿真。它最顯著的特點就是通過提供通用的、相對獨立的支撐服務(wù)環(huán)境，將應(yīng)用層同底層支撐環(huán)境分開，即將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運行管理和底層通信三者分離，隱蔽各自的實現(xiàn)細節(jié)［2］，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，RTI就是遵循HLA1.3或者IEEE 1516標準開發(fā)的分布式仿真的支撐軟件。由于基于HLA開發(fā)的仿真系統(tǒng)具有可擴展性、重用性、支持交互等特性，使其廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)指揮、航空航天和航天等大型任務(wù)的仿真驗證中。

圖1 HLA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及聯(lián)邦成員基本構(gòu)成

空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)使用HLA以實現(xiàn)靈活管理和運行控制，主要功能包括：支持新的空間任務(wù)的任務(wù)分析和系統(tǒng)分析；對有效載荷的確定和主要參數(shù)的選擇；支持空間系統(tǒng)方案的權(quán)衡和選擇評估；支持系統(tǒng)級或任務(wù)級的新技術(shù)確認等［3］。它的建成滿足空間任務(wù)的需要，而且大大提升了論證的質(zhì)量。其體系結(jié)構(gòu)和聯(lián)邦成員劃分分別如圖2和圖3所示。此仿真系統(tǒng)基于HLA/RTI平臺實現(xiàn)，聯(lián)邦成員主要包括任務(wù)分析成員、仿真管理成員、飛行器成員組、通信成員、空間環(huán)境成員、地面系統(tǒng)成員組、數(shù)據(jù)采集成員、可視化成員和評估成員等。其中，任務(wù)分析成員是根據(jù)仿真想定分析目標為仿真系統(tǒng)中的各個單元制定運行方案的；可視化成員是根據(jù)仿真輸出結(jié)果進行可視化顯示；飛行器成員可以有衛(wèi)星、運載等各類飛行器；還有地面系統(tǒng)成員組，可以是遙測、遙控、測控和通信等各類地面站和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)成員。

1.3 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中存在異類RTI互聯(lián)問題

由上述內(nèi)容可知，基于HLA/RTI的聯(lián)邦成員大都隨具體任務(wù)而變化。在完成幾個空間任務(wù)論證后，會建立起多種聯(lián)邦成員，那么在進行新空間任務(wù)論證時，為了提高系統(tǒng)的可復(fù)用性和可擴展性，應(yīng)盡量使用已建立的聯(lián)邦成員組成空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)。但是，已有的各類聯(lián)邦成員可能是基于不同的RTI建立的，那么就需要將這些聯(lián)邦成員連接起來進行仿真。在空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中，地面系統(tǒng)成員組是基于MAK RTI建立的，其他成員是基于pRTI建立的，如圖3所示。但是這兩個RTI提供的服務(wù)接口不同，需要通過某種途徑將二者連接起來才能進行數(shù)據(jù)交換和互操作。下面將介紹橋接和異類RTI的概念，它們是連接基于不同RTI的各類聯(lián)邦成員的基礎(chǔ)。

圖2 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖3 空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)聯(lián)邦成員劃分

2 橋接盟員及異類RTI互聯(lián)

2.1 橋接盟員技術(shù)

最初，橋接盟員的概念是為了解決多聯(lián)邦多級性問題而提出的。隨著仿真系統(tǒng)需求的變化發(fā)展，此概念目前用于實現(xiàn)多聯(lián)邦的互聯(lián)。橋接盟員由兩部分組成［4］：代理部件 （Surrogate）和轉(zhuǎn)換部件 （Transformation Manager），其中，代理作為成員加入到某一聯(lián)邦中，獲取該聯(lián)邦中的控制信息，其行為與其他成員一樣。代理通過轉(zhuǎn)換部件交換兩個聯(lián)邦的信息，從而實現(xiàn)兩個聯(lián)邦間的信息和數(shù)據(jù)的交互。這里轉(zhuǎn)換部件起著連接兩個代理部件的作用且包含不同聯(lián)邦中實例屬性或參數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 異類RTI互聯(lián)技術(shù)

能直接共享相同的私有代碼和狀態(tài)信息的RTI稱為同類 RTI （homogeneous RTI）［5］。遵循的標準 （HLA 1.3或IEEE 1516）、支持的操作系統(tǒng)及提供的接口等的不同，導(dǎo)致不同的RTI不能夠直接進行數(shù)據(jù)交換和互操作，這些RTI稱為異 類 RTI （heterogeneous RTI）［5］。當 前，主 流RTI系統(tǒng)針對不同的聯(lián)邦成員開發(fā)環(huán)境大多采用獨立的版本，但是版本眾多不僅增加了仿真應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜度，而且基于不同版本RTI的聯(lián)邦成員之間往往不能直接互聯(lián)而需要轉(zhuǎn)換，因此異類RTI多聯(lián)邦的互操作是目前HLA分布式仿真技術(shù)中急需解決的問題之一［6－7］?？臻g任務(wù)論證仿真系統(tǒng)使用的MAK RTI和pRTI分別是由美國M K公司和瑞典的Pitch公司開發(fā)的RTI軟件。這兩個RTI軟件較新的版本都遵循IEEE 1516標準，不同之處在于二者提供的接口服務(wù)不一樣，因此它們之間的連接屬于異類RTI互聯(lián)。下節(jié)將研究二者之間的互聯(lián)問題。

3 MAK RTI與pRTI互聯(lián)互通技術(shù)研究

3.1 MAK RTI與pRTI互聯(lián)模型構(gòu)建

由于只是將兩個RTI互聯(lián)，并且它們運行于同一局域網(wǎng)上，所以MAK RTI－pRTI互聯(lián)模型是集中式的，即轉(zhuǎn)換部件和兩個代理是一個整體。構(gòu)建的MAK RTI－pRTI的互聯(lián)模型如圖4所示，它由協(xié)調(diào)模塊，MAK RTI代理、pRTI代理及連接于兩個RTI的聯(lián)邦成員組成。從圖中可以看到，兩個聯(lián)邦的互聯(lián)方式是線性的［8］，而且它們的地位是對等的，也就是說在邏輯上沒有隸屬關(guān)系。協(xié)調(diào)模塊負責(zé)協(xié)調(diào)兩個聯(lián)邦的聯(lián)邦對象模型 （federation object model，F(xiàn)OM）表映射、聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理和時間管理，不涉及所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理。MAK RTI代理、pRTI代理則通過協(xié)調(diào)模塊交換兩個聯(lián)邦的信息，從而實現(xiàn)兩個聯(lián)邦間的信息和數(shù)據(jù)的交互。

圖4 MAK RTI－pRTI互聯(lián)模型

3.2 時間管理技術(shù)

為使橋接成員能夠在它所加入的聯(lián)邦中接收和發(fā)送時戳順序 （time stamp order，TSO）消息，所有的橋接成員必須同時為時間控制和時間受限的，這是橋接多聯(lián)邦仿真系統(tǒng)實現(xiàn)時間管理的首要條件［9］。時間推進有兩種方式［10－11］，一種是根據(jù)需要設(shè)定推進時間的主動方；另一種是由轉(zhuǎn)換部件發(fā)起的，使兩個聯(lián)邦同時進行時間的推進。由于兩個聯(lián)邦需要保持時間上的絕對同步，無論以哪種方式推進時間，這兩個的時間前瞻量與時間推進步長必須是一樣的。這里采用第一種時間推進方式。協(xié)調(diào)模塊的時間管理偽代碼如下：

異類RTI聯(lián)邦中的成員已完成上次時間推進后的信息交互

｛

pRTI聯(lián)邦可以向前推進時間；

MAK RTI聯(lián)邦不可以向前推進時間；

pRTI聯(lián)邦當前邏輯時間增加一個時間步長；

pRTI聯(lián)邦可以向前推進時間 ＆＆pRTI聯(lián)邦當前時間不等于推進目標時間）

｛

pRTI代理成員推進邏輯時間；

……

｝

pRTI聯(lián)邦當前時間等于推進目標時間

｛

pRTI聯(lián)邦不可以向前推進時間；

MAK RTI聯(lián)邦可以向前推進時間；

MAK RTI聯(lián)邦當前邏輯時間增加一個時間步長；

｝

當MAK RTI聯(lián)邦可以向前推進時間 ＆＆MAK RTI聯(lián)邦當前時間不等于推進目標時間）

｛

MAK RTI代理成員推進邏輯時間；

……

｝

…//異類RTI聯(lián)邦中的成員進行信息交互

// （1）

異類RTI聯(lián)邦中的成員已完成此時間推進后的信息交互；

｝

設(shè)時間推進由pRTI代理帶動，且當前時間為t0。若pRTI代理已申請將時間推進到t1（t0＜t1），那么pRTI代理可以繼續(xù)推進其邏輯時間至t2（t1＜t2）有兩個條件：MAK RTI代理已獲得將時間推進至t1的許可和連接于pRTI的聯(lián)邦中的每個成員的邏輯時間都推進到t1。類似的，在MAK RTI代理獲得時間推進許可將時間推進到t1后，只有當pRTI代理已將其邏輯時間推進至t2并且MAK RTI聯(lián)邦中的每個成員的邏輯時間都推進到t1時，MAK RTI代理才可以將時間推進至t2。這樣就保證了互聯(lián)的這兩個聯(lián)邦邏輯時間的一致。這種一致性是空間任務(wù)仿真必須達到的要求。

3.3 對象管理

異類RTI聯(lián)邦成員對象類屬性更新/反射過程示意圖如圖5所示。

圖5 異類RTI聯(lián)邦成員某對象實例更新/反射過程

圖5 描述的是聯(lián)邦M訂購的聯(lián)邦P對象類的對象實例的更新過程，聯(lián)邦P訂購的聯(lián)邦M對象類的對象實例的更新過程亦如此。在聯(lián)邦P內(nèi)，聯(lián)邦成員n成員更新一個對象實例，pRTI代理反射該對象實例并將這些屬性暫存于協(xié)調(diào)模塊的全局變量中。協(xié)調(diào)模塊在時間管理過程中，邏輯時間每推進一個步長，MAK RTI代理的更新屬性值函數(shù)便會被調(diào)用，其調(diào)用代碼位于協(xié)調(diào)模塊中時間管理偽代碼中標號為 （1）處。此后，在聯(lián)邦 M中，該對象實例的對象類的有效訂購者將收到反射屬性值回調(diào)函數(shù)。聯(lián)邦M訂購的聯(lián)邦P對象類的對象實例得到更新。交互類實例發(fā)送/接收過程與對象實例的更新過程類似。

3.4 FOM映射技術(shù)

此部分為協(xié)調(diào)模塊維護著多聯(lián)邦間FOM信息的以及對象實例ID和回退句柄的對應(yīng)關(guān)系［12］，在需要的時候進行轉(zhuǎn)換。由于不同仿真系統(tǒng)的仿真內(nèi)容不同，因此FOM表是不一樣的，為了將一聯(lián)邦中的實例屬性或參數(shù)的值映射為另一聯(lián)邦的實例屬性或參數(shù)的值有兩種方法。一是使用FOM映射文件FMF（FOM mapping File），含于協(xié)調(diào)模塊中，F(xiàn)MF中含有互聯(lián)起來的每一個聯(lián)邦的對象、屬性、交互和參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系；另一種方法就是直接在協(xié)調(diào)模塊中編寫轉(zhuǎn)換關(guān)系。空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中的異類RTI接口采用后者。由3.3節(jié)可知，將需要進行交互的對象類和交互類的結(jié)構(gòu)體作為變量存在協(xié)調(diào)模塊中。基于異類RTI的聯(lián)邦成員通過這些變量進行交互。由此可見，協(xié)調(diào)模塊實際上是一個具有時間管理功能的存儲轉(zhuǎn)發(fā)器，在每一次時間推進時，暫時存儲來自主動推進聯(lián)邦的信息，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)給被動推進聯(lián)邦。

4 MAK RTI與pRTI互聯(lián)模型性能測試分析

時間推進請求的響應(yīng)速度是判斷多RTI能否滿足實時仿真要求的一個重要參考依據(jù)，其定義為在聯(lián)邦成員數(shù)量一定的前提下，單位時間內(nèi)整個聯(lián)邦時間推進次數(shù)［13－15］，單位為：次/s。那么通過查詢計算機的CPU頻率和當前計數(shù)狀態(tài)，獲取精確的機器時間，則可以計算時間推進請求的響應(yīng)速度。性能測試主機配置見表1。

表1 互聯(lián)模型性能測試主機配置

本次測試在一臺計算機上進行，通過改變聯(lián)邦中成員的數(shù)目得出時間推進請求的響應(yīng)速度變化趨勢，測試統(tǒng)計次數(shù)為10 000，并取3次測量的平均值。參數(shù)設(shè)置：evoke－MultipleCallBacks（0.001，0.1），此函數(shù)允許 RTI在獲得時間推進允許前處理其他事情，時間推進步長為1s。

測試結(jié)果如圖6所示，圖中實線是基于pRTI的聯(lián)邦中無MAK成員，即沒有啟用橋接程序時，時間推進請求的響應(yīng)速度隨成員總數(shù)的變化情況。另外兩條虛線分別是有一個MAK成員和有兩個MAK成員時，時間推進請求的響應(yīng)速度的變化情況?？梢钥闯?，在上述3種情況下，隨著成員總數(shù)目的增長，時間推進請求的響應(yīng)速度都會逐漸減小，而且走勢幾乎相同?？梢?，MAK RTI與pRTI連接后，橋接部件并沒有拖慢聯(lián)邦時間推進的速度，可以說，本文研究的異類RTI橋接實現(xiàn)技術(shù)是高效可行的。

圖6 時間推進請求的響應(yīng)速度測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文分析了HLA在空間任務(wù)論證仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；基于橋接盟員和異類RTI的概念，設(shè)計出MAK RTI與pRTI的互聯(lián)模型并實現(xiàn)了這兩個異類RTI的連接。經(jīng)仿真測試，此橋接軟件高效可行，沒有降低時間推進的響應(yīng)速度。本文研究成果使基于不同RTI開發(fā)的成員復(fù)用成為可能，從而縮短空間任務(wù)論證周期。下一步將研究多個異類RTI線性和非線性 （如樹型）的互聯(lián)模型，并對其進行屬性延遲、交互延遲等全面的性能測試。

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