開放式航電仿真模型管理技術(shù)在訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

丁全心，聶志強(qiáng)，蘇文強(qiáng)

（中航洛陽光電設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

0 引言

建模仿真是理論創(chuàng)新的證實(shí)方法和手段[1]，訓(xùn)練仿真系統(tǒng)通過建模仿真獲得功能升級(jí)和性能改善。隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中的航電仿真建模與產(chǎn)品一樣由分立式、集中式、聯(lián)合式走向了綜合式，其特點(diǎn)就是獨(dú)立的軟硬件一體的模擬器減少，采用通用軟硬件平臺(tái)，基于構(gòu)件的軟件框架成為主流，系統(tǒng)采用了分布式架構(gòu)，大的分布式仿真廣泛使用了HLA體系。

隨著多層軟件架構(gòu)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)應(yīng)用層（application layer，AL）的功能如雷達(dá)應(yīng)用、任務(wù)管理、飛行器管理系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航和識(shí)別等[2]與下層軟件的關(guān)系相對明晰，而且擴(kuò)展能力極大增強(qiáng)。開放式航電模型正是在此基礎(chǔ)上提出的，它是滿足一定開發(fā)約束規(guī)范，支持航電系統(tǒng)功能擴(kuò)展的模型開發(fā)趨勢，然而，隨著應(yīng)用仿真及算法軟件模型的爆發(fā)式增長，對應(yīng)用層大量的航電建模仿真如何有效管理和使用卻需要認(rèn)真研究。

多層軟件架構(gòu)和模型構(gòu)件模塊化使通用平臺(tái)下的應(yīng)用管理（application management，AM）成為可能，通過建立該管理系統(tǒng)，即可以有效管理航電仿真模型，又可以更方便更直觀的展開航電功能與性能分析，直至搭建快速原型軟件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本功能

以三層堆棧式結(jié)構(gòu)參考，實(shí)現(xiàn)對航電模型的管理，需要具備以下功能：

1)模擬應(yīng)用層管理的功能。即處理有關(guān)非標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)管理，如模型接口對接處理、模型調(diào)度管理、在線運(yùn)行、在線顯示、控制與操作信號(hào)轉(zhuǎn)換處理等；

圖1 開放式軟件結(jié)構(gòu)模式及接口

2）模擬或過濾操作系統(tǒng)層（operating system layer，OSL）與模塊支持層（module support layer，MSL）功能。由于模型用戶僅關(guān)心模型本身的功能和性能正確性，不需要了解OSL與MSL，而對于構(gòu)建航電系統(tǒng)的用戶來說，除需要包含模型本身內(nèi)容外，還需要了解模型在系統(tǒng)中的運(yùn)行情況、負(fù)載、信號(hào)冗余等，因此，管理系統(tǒng)還需要將用戶關(guān)心的基本內(nèi)容提供調(diào)度接口給用戶；

3）在滿足管理系統(tǒng)支持構(gòu)建航電仿真的基礎(chǔ)上，還需要提供相應(yīng)的輔助功能來幫助用戶完成更安全、更快捷、方便的使用。這些功能包括：用戶登錄管理、模型出入庫管理、模型的圖形化顯示、操作的可視化效果、運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存與圖表化分析，甚至對模型組合的支持及運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)改變、與三維視景系統(tǒng)的無縫連接、多航電系統(tǒng)的交互等。

2 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)物理架構(gòu)采用B/S（Browser/Server）模式，客戶端（Client）以IE瀏覽器形式展開，服務(wù)器分分布式模型計(jì)算服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫及Web服務(wù)器，另考慮模型安全性，備份一臺(tái)服務(wù)器。

為確保該架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)快速通訊，采用完成端口（IOCP）機(jī)制設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通訊，確保：

1）接收客戶端的遠(yuǎn)程調(diào)用請求；

2）調(diào)用模型執(zhí)行層的計(jì)算接口完成模型計(jì)算；

3）周期性的將計(jì)算結(jié)果及相關(guān)狀態(tài)信息返回給客戶端。網(wǎng)絡(luò)IO通訊模型主要包含以下幾種方式，select （ 選 擇 ）、WSAAsyncSelect （ 異 步 選 擇 ）、WSAEventSelect（事件選擇）、Overlapped I/O（重疊式I/O）以及Completion prot（完成端口）。

圖2 系統(tǒng)物理架構(gòu)

圖3 IOCP原理圖

應(yīng)用程序創(chuàng)建一定數(shù)量的工作者線程處理不同客戶端的I/O任務(wù)，任何線程都不應(yīng)該執(zhí)行諸如同步讀寫、等待事件通知等堵塞型操作，以免線程堵塞。每個(gè)線程都分到一定數(shù)量的CPU時(shí)間確保線程的運(yùn)行。

在總體結(jié)構(gòu)中還需要設(shè)計(jì)的重要一環(huán)就是時(shí)間管理，由于模型的調(diào)度使用存在于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，時(shí)間管理必不可少，管理系統(tǒng)參考使用IEEE1588 PTP（PTP：Precision Time Protocol）使用同步協(xié)議，同時(shí)參考IMA（IMA：Integrated Modular Avionics，綜合模塊化航電系統(tǒng)）時(shí)間管理技術(shù)[3]。

圖4 完成端口通訊方式

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)立足客戶端最低支持，分布式模型在服務(wù)器運(yùn)行調(diào)度，對服務(wù)器提出相對較高要求，包括多核計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力等，實(shí)際運(yùn)用中采用4到8核高性能處理器，1T以上硬盤存儲(chǔ)，基于安全考慮，多存儲(chǔ)盤可互備份。

由于航電模型進(jìn)入管理系統(tǒng)前的認(rèn)證工作缺失，需要防止不滿足基本管理?xiàng)l件的航電仿真模型進(jìn)入管理系統(tǒng)的高級(jí)功能（在線運(yùn)行、在線顯示等），客戶端需要配置專門硬件平臺(tái)測試，測試平臺(tái)的硬件配置與一般客戶端相同。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括UI層軟件、中間件和底層軟件，其中系統(tǒng)最底層軟件借助Windows平臺(tái)提供的功能，管理系統(tǒng)自主開發(fā)設(shè)計(jì)部分主要完成AL層應(yīng)用管理及部分模塊支持層設(shè)計(jì)工作，主要包括系統(tǒng)界面功能設(shè)計(jì)、在線運(yùn)行功能設(shè)計(jì)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

圖5 IMA同步時(shí)鐘（ALT）請求-回答機(jī)制

4.1 系統(tǒng)界面功能設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)的軟件界面應(yīng)包含用戶登錄、仿真模型目錄瀏覽、模型的上傳/下載管理、用戶管理、模型在線運(yùn)行與分析等內(nèi)容。

圖6 系統(tǒng)軟件界面功能示意圖

目錄瀏覽界面為登錄后的主顯示界面，采用分欄設(shè)計(jì)，主要包括主要的功能瀏覽、模型分類瀏覽、模型基本信息瀏覽、基本管理信息瀏覽等。

圖7 界面主要功能瀏覽效果圖

模型的上傳/下載等管理是管理系統(tǒng)的一項(xiàng)主要功能，完成包括人員權(quán)限管理、模型權(quán)限管理、模型分類管理等，其中模型分類包括模型本身的使用開發(fā)語言分類和模型在航電系統(tǒng)中的所屬類別，具體類別可根據(jù)實(shí)際使用情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，不管哪個(gè)模型類別，均包含兩類模型，一類是屬于用戶自己用來驗(yàn)證或測試的臨時(shí)模型，稱用戶自定義模型，還有一類是滿足標(biāo)準(zhǔn)庫要求的模型，是經(jīng)過測試的開放式航電模型，能夠被模塊化調(diào)用的。

圖8 模型參數(shù)編輯界面

用戶管理完成用戶的注冊、銷毀、權(quán)限管理、部門等管理，支持用戶對模型按權(quán)限管理，提供用戶的相關(guān)審批權(quán)限。

模型在線運(yùn)行與分析支持模型的在線運(yùn)行，其界面設(shè)計(jì)為分欄界面，包括模型目錄樹、模型接口對接表、模型運(yùn)行顯示界面欄、模型參數(shù)及參數(shù)顯示圖表欄、模型狀態(tài)設(shè)置欄、模型控制欄等。

4.2 在線運(yùn)行功能設(shè)計(jì)

本管理系統(tǒng)在線運(yùn)行并非提供全互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的在線運(yùn)行，只針對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部環(huán)境，主要設(shè)計(jì)以下方面內(nèi)容：

1）模型可視化。需要將模型在界面上以可視形式表現(xiàn)出來，特別的需要顯示模型的接口對接及接口對接過程的正確性，并能夠直觀區(qū)分簡易對接錯(cuò)誤（如以紅色表示接口對接錯(cuò)誤）。模型在界面上是可以移動(dòng)的，可以重新更換接口數(shù)據(jù)，或者重新完成對接；

2）模型組合。對于航電模型，通常是多個(gè)模型組合運(yùn)行，完成組合后的模型體將以新的模型方式被管理系統(tǒng)記錄，并可以直接以可視化方式拖入在線運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行；為確保模型組合，系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)布線技術(shù)，根據(jù)模型位置自動(dòng)完成接口布線組合。

圖9 模型運(yùn)行設(shè)置界面

圖10 模型自動(dòng)布線

圖11 模型接口對接可視化

3）模型在線調(diào)度管理。模型需要?jiǎng)討B(tài)周期性調(diào)度，需要滿足一定約束條件，該約束條件通常包括：

（1）模型采用動(dòng)態(tài)庫封裝模式；

（2）模型內(nèi)部不包含影響模型多次調(diào)用結(jié)果的全局、靜態(tài)變量，如果出現(xiàn)，必須確保該變量不影響模型重復(fù)運(yùn)行與調(diào)度結(jié)果；

（3）模型必須提供以下獨(dú)立調(diào)度方法，分別為初始化方法 （Init）、啟動(dòng)方法 (Start)、輸入信息方法(Input)、周期調(diào)度方法(Step)、輸出信息方法(Output)、停止方法(Stop)，因?yàn)槟Ｐ驮谕獠拷M合與調(diào)度都必須通過以上方法實(shí)現(xiàn)；

（4）模型單幀運(yùn)行周期是可調(diào)的，由于外部調(diào)度周期一般控制在50 ms左右，模型單幀周期一般控制在5ms以內(nèi)，并是可設(shè)置的，便于當(dāng)總周期過長時(shí)采用多線程處理；

(5)原則上杜絕模型運(yùn)行過程中的讀寫文件，因?yàn)樽x寫文件帶來的時(shí)間影響過大，不適合在線運(yùn)行模型使用，對確實(shí)需要讀寫的文件模型應(yīng)提供數(shù)據(jù)接口，由管理系統(tǒng)輔助完成；

(6)為方便模型接口的自動(dòng)化對接，模型加載生成前需要滿足對接口數(shù)據(jù)的參數(shù)定義，管理系統(tǒng)專門為其定義一套規(guī)則，本文不做細(xì)述。滿足參數(shù)規(guī)則的模型能夠被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別輸入輸出接口參數(shù)信息，并完成可視化顯示。

圖12 算法模型在線運(yùn)行配置

圖13 算法模型與視景模型連接

4.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

由于大量的模型和模型數(shù)據(jù)需要管理，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用專用數(shù)據(jù)庫SQL Server或Orcale，需要設(shè)計(jì)表單的子系統(tǒng)主要包括用戶管理子系統(tǒng)、模型運(yùn)行管理子系統(tǒng)、文件管理子系統(tǒng)、權(quán)限管理子系統(tǒng)、模型入庫管理子系統(tǒng)、模型出庫管理子系統(tǒng)等。

圖14 模型管理子系統(tǒng)E-R關(guān)系圖

5 系統(tǒng)運(yùn)行使用

系統(tǒng)的運(yùn)行使用效果如圖15。

圖15 模型運(yùn)行效果示意圖

管理系統(tǒng)的運(yùn)行使用突出顯示了其以下優(yōu)點(diǎn)：

1）對各種獨(dú)立分散的航電模型及數(shù)據(jù)、圖像資料起到了很好的管理作用，由于航電模型分布在不同模擬器和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，導(dǎo)致其重復(fù)利用非常困難，往往需要大量輔助環(huán)境支持，并花費(fèi)大量人力、物力才能得到再利用，通過該系統(tǒng)一次性入庫后，可以有效完成模型管理和分布式使用；

2）模型的使用更直觀、更快捷，當(dāng)前國內(nèi)專門用于模型管理與驗(yàn)證分析的成熟系統(tǒng)還沒有，通過該系統(tǒng)，可以有效解決實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的模型可視化編輯、運(yùn)行，開發(fā)人員如果需要驗(yàn)證模型功能、性能，不再需要完全通過代碼分析或自己開發(fā)測試代碼分析，可以直接借助分析圖表和視景效果來進(jìn)行分析；

3）系統(tǒng)與航電模型進(jìn)行了很好的深度結(jié)合，由于本身針對性開發(fā)，其能夠從使用需求、調(diào)度規(guī)則、接口規(guī)范、分析方法等多層次支持航電模型的開發(fā)與運(yùn)用；

4）使得模型存儲(chǔ)更安全、代碼繼承性更強(qiáng)、功能擴(kuò)展更便捷。顯然通過集中管理，模型流失的可能性遠(yuǎn)低于分散在各模擬器中的模型，并且模型因?yàn)榈玫絽R集，其繼承與再利用的效率得到提高。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)的開發(fā)是一次有益的探索，它對解決與特殊硬件無關(guān)的開放式航電模型在線運(yùn)行及對所有航電模型的管理都起到很好的支持作用，而如何有效模擬硬件相關(guān)甚至連接專用硬件，構(gòu)建航電系統(tǒng)的快速原型系統(tǒng)將是下一個(gè)探索方向。

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