坦克通信仿真訓(xùn)練系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建研究

張念發(fā)，滕建民，李璐璐，林 煒

（裝甲兵學(xué)院，安徽 蚌埠 233050）

0 引言

從硬件角度考慮，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)直接決定著系統(tǒng)的許多重要技術(shù)指標(biāo)，如系統(tǒng)是否穩(wěn)定、運(yùn)行效率如何、是否支持?jǐn)U展等。裝備仿真的硬件體系結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了中央控制體系結(jié)構(gòu)、客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)和分布式控制體系結(jié)構(gòu)三個(gè)發(fā)展階段，從技術(shù)角度來(lái)看，前二者均屬于集中式控制體系結(jié)構(gòu)。因此，從實(shí)質(zhì)上來(lái)講，本文對(duì)坦克通信訓(xùn)練系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)研究主要是對(duì)集中式控制體系結(jié)構(gòu)與分布式控制體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用的對(duì)比研究。

1 集中式控制體系結(jié)構(gòu)分析

目前，集中式控制是一種技術(shù)非常成熟、應(yīng)用非常廣泛的體系結(jié)構(gòu)，在變電站、鍛壓機(jī)床、油庫(kù)精確發(fā)油自動(dòng)控制系統(tǒng)，乃至轎車座椅和后視鏡等控制系統(tǒng)中均占有非常重要的地位。但是從近年來(lái)的整體發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，其地位和作用正在逐漸被分布式體系結(jié)構(gòu)所代替[1]。國(guó)內(nèi)早期的虛擬電臺(tái)系統(tǒng)（現(xiàn)該系統(tǒng)已退出了歷史舞臺(tái)）采用的即是集中式控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用主要受限于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)水平，與當(dāng)時(shí)的主流技術(shù)手段接軌，只能采用集中式控制系統(tǒng)而不可能開(kāi)發(fā)出功能復(fù)雜的分布式虛擬電臺(tái)系統(tǒng)，早期計(jì)算機(jī)性能和可靠性較低，兼之其價(jià)格昂貴，采用多部計(jì)算機(jī)作獨(dú)立終端，增加了研發(fā)推廣成本和用戶經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1.1 中央控制體系結(jié)構(gòu)

集中式控制體系的發(fā)展經(jīng)歷了中央控制體系結(jié)構(gòu)和客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)階段，繼而演化為現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)漸趨合理，資源配置越來(lái)越優(yōu)化，技術(shù)水平也越來(lái)越高[2]。國(guó)內(nèi)的虛擬電臺(tái)系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)選擇上也經(jīng)歷了類似的發(fā)展過(guò)程，其最初的中央控制體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 中央控制體系結(jié)構(gòu)示意圖

在中央控制體系結(jié)構(gòu)中，終端用戶利用硬件開(kāi)關(guān)、控制器、電纜線等設(shè)備模擬電臺(tái)開(kāi)關(guān)旋鈕、控制盒和車內(nèi)通話器等，通過(guò)并行數(shù)據(jù)線將各個(gè)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)經(jīng)系統(tǒng)總線傳送至中央通信總控，由通信總控對(duì)該傳送終端動(dòng)作和終端狀態(tài)進(jìn)行匹配后，運(yùn)算出各個(gè)終端用戶當(dāng)前應(yīng)有的動(dòng)作行為，并經(jīng)系統(tǒng)總線將各模擬電臺(tái)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至各個(gè)終端，由終端做出響應(yīng)。

具有中央控制的系統(tǒng)通常為半實(shí)物仿真，其操作方法與實(shí)裝電臺(tái)極為相似，觸感逼真，訓(xùn)練教學(xué)效果好，采用硬件設(shè)備仿真，傳輸延時(shí)極其微小，實(shí)時(shí)性能非常好。如通信總控中負(fù)責(zé)控制電臺(tái)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的多為硬件開(kāi)關(guān)陣列，產(chǎn)生的模擬信號(hào)多路分配傳送，對(duì)終端用戶的開(kāi)關(guān)操作響應(yīng)極為迅速，在技術(shù)水平受限時(shí)，確實(shí)不失為一種優(yōu)秀的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)除了具有上述優(yōu)點(diǎn)外，其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的。

（1）使用硬件設(shè)備多，容易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。該系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、中心控制箱、音箱、耳機(jī)、麥克風(fēng)、系統(tǒng)總線、通信控制器、通信電纜等硬件設(shè)備組成，且硬件設(shè)備數(shù)量隨著終端用戶數(shù)量的增多而增多，龐大數(shù)量的用戶終端加重了對(duì)中央控制計(jì)算機(jī)的壓力，由于中央通信總控故障極易導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

（2）使用實(shí)體線連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜。硬件設(shè)備之間、硬件設(shè)備與中央總控之間多使用并行數(shù)據(jù)線、串行數(shù)據(jù)線以及通信電纜等連接，連線數(shù)量龐大、可靠性低，長(zhǎng)時(shí)間操作使用容易形成單點(diǎn)甚至多點(diǎn)故障。非專業(yè)人員對(duì)該連線下的體系結(jié)構(gòu)難以辨識(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，只能由專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行修理、維護(hù)，并且檢測(cè)維修工作量大，任務(wù)繁重。

（3）信號(hào)傳輸可靠性低，易受作業(yè)環(huán)境干擾。該通信線路中傳輸?shù)男盘?hào)主要為模擬信號(hào)，其主要特點(diǎn)是信號(hào)穩(wěn)定性差，容易被作業(yè)環(huán)境中電器設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等）的電磁、傳輸并行線路間的信號(hào)及環(huán)境中的白噪聲干擾，并且在經(jīng)過(guò)放大器多級(jí)放大轉(zhuǎn)接后，產(chǎn)生的信號(hào)噪聲較大。

（4）受技術(shù)工藝限制，系統(tǒng)可擴(kuò)展性差。具有中央控制器設(shè)備的集中式控制體系結(jié)構(gòu)決定了其可負(fù)載的終端設(shè)備數(shù)量有限，不可能組織大規(guī)模集中通信指揮專業(yè)訓(xùn)練，而且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)一旦定型，將不可能多次重復(fù)增添終端設(shè)備，并且生產(chǎn)出來(lái)的設(shè)備很難進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)重復(fù)利用或擴(kuò)大規(guī)模利用的可能性很低。

（5）受軟硬件體系制約，系統(tǒng)升級(jí)較為困難。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了硬件設(shè)備多（如開(kāi)關(guān)電路、輔助通信設(shè)備、電子元器件等），設(shè)備連接線路復(fù)雜，通信總控固化軟件功能升級(jí)較難，系統(tǒng)升級(jí)換代難度大。

（6）集中式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)所受限。集中式結(jié)構(gòu)的虛擬電臺(tái)系統(tǒng)，通常需要配備一空間較大、干擾較?。ㄗ詈脽o(wú)干擾）的中心控制室，其終端可位于該控制室內(nèi)，也可位于其他場(chǎng)所，但受布線規(guī)模限制，其距離不可過(guò)遠(yuǎn)。在當(dāng)前部隊(duì)營(yíng)房建設(shè)緊張的狀況下，這種布局結(jié)構(gòu)大規(guī)模推廣應(yīng)用受到了限制，為基層部隊(duì)的訓(xùn)練帶來(lái)了難題。

1.2 客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)

針對(duì)中央控制體系結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）的體系結(jié)構(gòu)。與中央控制體系結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)勢(shì)在于：

（1）硬件設(shè)備得到優(yōu)化。其終端用戶不再使用模型化（如硬件開(kāi)關(guān)、通信控制器）的硬件設(shè)備，取而代之的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即用安裝有虛擬電臺(tái)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬實(shí)裝電臺(tái)，用麥克風(fēng)模擬手機(jī)或喉頭送話器，用耳機(jī)模擬工作帽等。該終端硬件系統(tǒng)較好地降低了終端的故障率，裝備使用壽命大幅延長(zhǎng)。

（2）系統(tǒng)布線相對(duì)簡(jiǎn)單。以計(jì)算機(jī)作為終端后，類型各異的通信電纜被接口標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)線所代替，不僅布線規(guī)模、工序得到了簡(jiǎn)化，而且還可以借助于單位局域網(wǎng)進(jìn)行布線或應(yīng)用其原有網(wǎng)絡(luò)布局，其體系結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)潔明了，系統(tǒng)維護(hù)也比較容易，一般經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的網(wǎng)絡(luò)管理人員即可勝任。

（3）終端場(chǎng)所按需配置。由于終端用戶為計(jì)算機(jī)，其應(yīng)用場(chǎng)所不再受場(chǎng)地和距離限制，可以按照訓(xùn)練需求靈活配置，如模擬排車乘員間的訓(xùn)練，一般需要在同一室內(nèi)，而營(yíng)連以上組網(wǎng)訓(xùn)練即可根據(jù)營(yíng)房建設(shè)實(shí)際按需配置，使訓(xùn)練組織與管理更加便捷。

（4）系統(tǒng)可擴(kuò)展性增強(qiáng)。由于采用了網(wǎng)絡(luò)布線方式，接口實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并且其場(chǎng)所也不再局限于單一的控制室內(nèi)，因此系統(tǒng)具備了一定的擴(kuò)展性，但是其可擴(kuò)展數(shù)量仍受限于中央通信總控的性能。

盡管客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)與集中式控制體系結(jié)構(gòu)相比有了明顯改善，但仍然存在著較為明顯的不足，主要表現(xiàn)為：

（1）跨交換機(jī)組網(wǎng)訓(xùn)練受限。受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，通信的終端用戶必須位于同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，跨交換機(jī)通信組網(wǎng)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，跨樓宇、跨營(yíng)區(qū)的聯(lián)網(wǎng)通信訓(xùn)練無(wú)法進(jìn)行，這導(dǎo)致基層部隊(duì)通信組網(wǎng)訓(xùn)練的規(guī)模受到限制。

（2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)性明顯變差。C/S體系結(jié)構(gòu)中仍保留有中央通信總控，各個(gè)終端產(chǎn)生的信號(hào)，特別是產(chǎn)生的大量實(shí)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)必須經(jīng)中央通信總控處理后再分別傳送至各個(gè)通信終端，網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)較長(zhǎng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)性主要由網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和系統(tǒng)處理性能等因素決定，因此其與中央控制體系結(jié)構(gòu)相比，實(shí)時(shí)性明顯變差。

（3）系統(tǒng)通信總控負(fù)荷過(guò)重。由于系統(tǒng)具備了一定的可擴(kuò)展性，終端用戶數(shù)量增長(zhǎng)明顯，需要通信總控處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，導(dǎo)致其負(fù)荷過(guò)重，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)通信總控的使用壽命，而且一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。在實(shí)際操作中，通常配有備用機(jī)，以避免類似事故的發(fā)生，這無(wú)形中增加了經(jīng)濟(jì)投入。

圖2 客戶機(jī)/服務(wù)器控制體系結(jié)構(gòu)示意圖

圖2即為以客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建的虛擬電臺(tái)仿真系統(tǒng)示意圖。盡管該控制體系解決了中央控制體系結(jié)構(gòu)存在的諸多問(wèn)題，但是需要改進(jìn)的技術(shù)難點(diǎn)仍有不少，尤其是中央通信總控故障風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題仍未得到有效解決，同時(shí)為了更好地滿足部隊(duì)通信專業(yè)訓(xùn)練需要，一種新的更為先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)——分布式控制體系結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

2 分布式控制體系結(jié)構(gòu)分析

客觀來(lái)講，集中式控制與分布式控制兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢(shì)，不能絕對(duì)地說(shuō)哪種技術(shù)更好。如在分布式數(shù)控系統(tǒng)中，以分布式結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互性卻沒(méi)有使其系統(tǒng)可靠性提高，反而增加了一定的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)橄到y(tǒng)中只要一個(gè)子系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓[3]。又如采用全硬件的半實(shí)物系統(tǒng)仿真構(gòu)建的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，明顯優(yōu)于分布式控制體系結(jié)構(gòu)和客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）體系結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)結(jié)合需求對(duì)比分析以進(jìn)一步做出選擇。

以虛擬電臺(tái)系統(tǒng)仿真為例，如果采用分布式控制體系結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，與集中式控制體系結(jié)構(gòu)最大的不同點(diǎn)在于去掉了中央通信總控，優(yōu)化了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與C/S體系結(jié)構(gòu)相比也在一定程度上提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

因此，采用分布式控制體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建坦克通信訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)其功能，提高其性能，對(duì)系統(tǒng)硬件、配置場(chǎng)所、管理人員要求也不高，是一種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。

3 分布式控制仿真體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的迅速提升和計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備價(jià)格大幅下降，使得采用分布式控制技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬電臺(tái)仿真系統(tǒng)成為可能。分布式控制技術(shù)與C/S控制技術(shù)相類似，是指每個(gè)用戶終端設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并分別安裝虛擬電臺(tái)仿真系統(tǒng)，獨(dú)立完成相應(yīng)的任務(wù)。在整個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，任何一臺(tái)主機(jī)均是服務(wù)器，也是客戶機(jī)，各個(gè)計(jì)算機(jī)之間是對(duì)等關(guān)系。

據(jù)此，構(gòu)建坦克通信訓(xùn)練系統(tǒng)分布式控制體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分布式通信控制體系結(jié)構(gòu)示意圖

4 分布式控制仿真體系結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)分析

分布式控制結(jié)構(gòu)正被越來(lái)越多的系統(tǒng)分析、架構(gòu)人員所青睞和應(yīng)用，在軟件、硬件系統(tǒng)仿真體系構(gòu)建中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，這主要得益于其顯著的優(yōu)點(diǎn)。從坦克通信裝備仿真體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建角度來(lái)看，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）優(yōu)化了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以分布式控制方式對(duì)系統(tǒng)控制平臺(tái)負(fù)荷處理的分擔(dān)，對(duì)中心控制臺(tái)的性能需求變?yōu)閷?duì)各用戶終端的性能需求，系統(tǒng)不再需要中央總控，任何一臺(tái)主機(jī)均是服務(wù)器，也是客戶機(jī)，相互之間的對(duì)等性也無(wú)形中降低了對(duì)硬件性能的剛性需求。

（2）提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用分布式控制，各終端自成體系，相互獨(dú)立運(yùn)行，消除了由于中心控制臺(tái)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；由于采用的是獨(dú)立控制原則，任一臺(tái)終端出現(xiàn)問(wèn)題，均不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，這與坦克電臺(tái)實(shí)際通信狀況相吻合。在分布式控制方式中，由于每臺(tái)計(jì)算機(jī)任務(wù)獨(dú)立，使得其功能分散、危險(xiǎn)分散，具有較高的可靠性。

（3）簡(jiǎn)化了運(yùn)維管理工序。國(guó)內(nèi)已有的虛擬電臺(tái)系統(tǒng)其顯著特征之一是電纜數(shù)量多、連接復(fù)雜，其布線難度大，系統(tǒng)維護(hù)人員需要專門培訓(xùn)。采用分布式控制結(jié)構(gòu)，以訓(xùn)練單位有線以太網(wǎng)通信，替代由通信電纜連通的虛擬電臺(tái)來(lái)模擬實(shí)裝電臺(tái)的無(wú)線通信，簡(jiǎn)化了安裝工序，減少了對(duì)各型電纜的需求，平時(shí)只需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，工作量小，簡(jiǎn)單易行，效果較好。

（4）消除了系統(tǒng)擴(kuò)展難題。已有虛擬電臺(tái)系統(tǒng)一旦定型生產(chǎn)，如果因?yàn)橛?xùn)練教學(xué)等需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，則需重新設(shè)計(jì)修改該系統(tǒng)，浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力。而分布式結(jié)構(gòu)的仿真系統(tǒng)由于借助以太網(wǎng)，相互間不存在依賴性，使系統(tǒng)具有很好的模塊化結(jié)構(gòu)，更易于擴(kuò)展。并且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬已經(jīng)不能成為系統(tǒng)擴(kuò)展的瓶頸，如當(dāng)前基層部隊(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬一般為100M，許多單位甚至已經(jīng)升級(jí)到了千兆乃至萬(wàn)兆，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行和擴(kuò)展升級(jí)提供了有力支持。

（5）降低了系統(tǒng)升級(jí)的難度。在傳統(tǒng)的集中式控制體系結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)升級(jí)一般需要進(jìn)行更換硬件設(shè)備以進(jìn)行硬件環(huán)境升級(jí)，改進(jìn)控制系統(tǒng)軟件和終端用戶軟件以進(jìn)行軟件環(huán)境升級(jí)，同時(shí)還需要進(jìn)行硬件換件測(cè)試和軟件編程調(diào)試，其流程和工序非常復(fù)雜，并且固件升級(jí)要求其兼容性和穩(wěn)定性必須進(jìn)行周期測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)換代時(shí)間周期較長(zhǎng)，效率低下。采用分布式控制體系結(jié)構(gòu)，去除了中央通信總控和終端硬件設(shè)備，系統(tǒng)升級(jí)只需進(jìn)行客戶端軟件環(huán)境升級(jí)，無(wú)論是工作量還是升級(jí)內(nèi)容，都得到了很好的解決。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可以看出，使用分布式控制體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建坦克通信訓(xùn)練系統(tǒng)將是必然趨勢(shì)，并且在未來(lái)的一段時(shí)期內(nèi)，軍用裝備仿真將會(huì)是集中式控制體系結(jié)構(gòu)與分布式控制體系結(jié)構(gòu)并存的時(shí)代，二者相輔相成，互為補(bǔ)充，共同構(gòu)建逼真、穩(wěn)定、高效的仿真系統(tǒng)。

［1］嚴(yán)偉雄．電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)分布式控制方式應(yīng)用研討［J］．電子技術(shù)，2011，38（1）：13-14．

［2］季誠(chéng)．基于分布式控制的背景音樂(lè)系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)［D］．南京理工大學(xué)，2006．

［3］陳寶萍，鐘慶，陳柏金．鍛壓設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展過(guò)程［J］．鍛壓技術(shù)，1997，22（5）：38-42．