水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真體系架構(gòu)分析

潘 悅，皇甫立，韓 澎

(水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司 船舶系統(tǒng)工程部，北京100036)

0 引 言

隨著反潛戰(zhàn)技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展，水下作戰(zhàn)平臺(tái)在戰(zhàn)場(chǎng)上將面對(duì)多種反潛平臺(tái)，如反潛飛機(jī)、水面艦艇、潛艇、水下監(jiān)視系統(tǒng)共同組成的立體反潛網(wǎng)的警戒探測(cè)和魚(yú)水雷武器的攻擊。反潛機(jī)具有非常高的速度和靈活的機(jī)動(dòng)性，并配備吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)等多種探潛手段，可攜帶空投魚(yú)雷對(duì)潛實(shí)施攻擊，水面艦艇和潛艇配備越來(lái)越多的艦殼聲吶和拖曳聲吶，以提高對(duì)水下平臺(tái)的探測(cè)能力，新型魚(yú)雷不斷出現(xiàn)且反對(duì)抗能力不斷增強(qiáng)。在海戰(zhàn)中水下平臺(tái)如何綜合利用各種傳感器獲得威脅目標(biāo)的信息，并充分考慮水下聲信道傳播的復(fù)雜性，評(píng)估本平臺(tái)受到的威脅程度，根據(jù)本艇的防御武器情況，采取何種對(duì)抗措施以達(dá)到最佳的反探測(cè)和防御效果，在對(duì)抗與反對(duì)抗的過(guò)程中不斷發(fā)展和提高系統(tǒng)的能力，這些問(wèn)題均是水聲對(duì)抗系統(tǒng)技術(shù)需要解決的主要問(wèn)題。

水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真應(yīng)能為開(kāi)展水聲對(duì)抗系統(tǒng)、水聲對(duì)抗器材關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的論證、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、仿真測(cè)試和驗(yàn)證、性能評(píng)估提供高效的研究環(huán)境。由于水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真具有對(duì)抗平臺(tái)、對(duì)抗目標(biāo)和需仿真研究的關(guān)鍵技術(shù)多種多樣的特點(diǎn)，因此水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能支持在每種不同仿真任務(wù)下靈活地構(gòu)建仿真系統(tǒng)，同時(shí)由于系統(tǒng)仿真是一項(xiàng)長(zhǎng)期的有繼承性的工作，需能較好地集成和利用已有的模型或模擬器，并具有良好的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)管理功能。

1 水聲對(duì)抗仿真體系架構(gòu)分析

1.1 仿真研究環(huán)境組成

水聲對(duì)抗系統(tǒng)技術(shù)仿真研究環(huán)境主要由本平臺(tái)水聲對(duì)抗仿真平臺(tái)、對(duì)抗目標(biāo)仿真平臺(tái)、水聲對(duì)抗仿真支撐平臺(tái)構(gòu)成。本平臺(tái)水聲對(duì)抗仿真平臺(tái)主要由本平臺(tái)傳感器、信息處理、指揮控制、水聲對(duì)抗器材和武器發(fā)控的各模擬組件等組成;對(duì)抗目標(biāo)仿真平臺(tái)主要由潛艇、水面艦或反潛飛機(jī)及其傳感器、信息處理、指揮控制、武器發(fā)控、魚(yú)雷，水下警戒系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的模擬組件等組成;水聲對(duì)抗仿真支撐平臺(tái)主要構(gòu)成包括導(dǎo)演臺(tái)、時(shí)統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和模型庫(kù)、仿真系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)行管理設(shè)備、記錄評(píng)估設(shè)備、仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及三維視景演示設(shè)備等。

1.2 體系架構(gòu)需求

水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真根據(jù)仿真的目的可分為2 種，一種是為系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)的實(shí)時(shí)精細(xì)仿真，參加仿真的可能是實(shí)際系統(tǒng)和設(shè)備的實(shí)物或半實(shí)物;另一種主要是基于數(shù)學(xué)和邏輯模型的效能仿真和過(guò)程仿真，主要目的是對(duì)系統(tǒng)效能和過(guò)程的合理性進(jìn)行仿真，對(duì)仿真的裝備的實(shí)際處理程序并不關(guān)心，而主要關(guān)心的是參加仿真的成員的性能和信息交互。上述2 種類(lèi)型的仿真在體系架構(gòu)上都有各類(lèi)仿真數(shù)據(jù)、模型、模擬器、平臺(tái)的互操作性、重用性等的共性需求，但第一類(lèi)實(shí)時(shí)精細(xì)仿真具有更高的需求，這類(lèi)仿真實(shí)時(shí)性要求高，在仿真體系架構(gòu)上需能支持裝備中常用的Vxworks 等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持跨操作系統(tǒng)、跨平臺(tái)的分布式信息交互，同時(shí)在部分仿真任務(wù)中存在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建和重構(gòu)的需求。在水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真這一需長(zhǎng)期建設(shè)和研究的項(xiàng)目中應(yīng)盡可能地選擇成熟的、主流的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軟件工具。本文提出了建立基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)仿真環(huán)境和基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)環(huán)境，使用相應(yīng)的工具軟件，以滿足水聲對(duì)抗系統(tǒng)技術(shù)研究的不同仿真需求。

1.3 基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)的體系架構(gòu)分析

信息管理中間件簡(jiǎn)化和優(yōu)化了平臺(tái)和上層應(yīng)用之間的接口，在建立一系列規(guī)范的基礎(chǔ)上，能有效保證在目前分布式系統(tǒng)的研制模式下，不同研發(fā)單位的研制產(chǎn)品能方便地集成到新的系統(tǒng)中來(lái)。

基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)具有組件管理、封裝、調(diào)試和部署等功能，可以實(shí)現(xiàn)跨軟硬件環(huán)境的互操作，建立信息的訂閱/發(fā)布方式，進(jìn)行特殊通信協(xié)議的包裝，滿足實(shí)時(shí)性任務(wù)的需求，提供了不同操作系統(tǒng)之間的優(yōu)先級(jí)映射機(jī)制，提供了連接和線程處理的優(yōu)化處理策略，能滿足組件級(jí)別的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，并可根據(jù)負(fù)載狀況，進(jìn)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)資源的合理應(yīng)用和系統(tǒng)負(fù)載平衡。應(yīng)用基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)的系統(tǒng)體系架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)的系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig．1 System structure of integrated wanagement platform based on CORBA

采用該體系架構(gòu)的益處有:

1)使用面向組件、面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方式，使軟件復(fù)用得以最大限度的實(shí)現(xiàn)。

2)使應(yīng)用邏輯與功能實(shí)現(xiàn)擺脫緊耦合的關(guān)系，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可以將重心放在對(duì)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)上，而不需要關(guān)心功能模塊的運(yùn)行位置。

3)可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)重構(gòu)和負(fù)載平衡，以及實(shí)現(xiàn)任務(wù)的運(yùn)行位置遷移，從而根據(jù)負(fù)載狀況，進(jìn)行任務(wù)的重新分配，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。

4)避免冗余信息的發(fā)布，而且使通信雙方做到了透明通信。

5)實(shí)現(xiàn)即插即用功能，任何一個(gè)新加入的組件，只需在組件信息管理器中注冊(cè)即可加入到系統(tǒng)中，不會(huì)影響到已有組件。

1.4 基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)的體系架構(gòu)分析［1］

協(xié)同仿真平臺(tái)是一個(gè)支持并管理分布、異地的團(tuán)隊(duì)，采用協(xié)同仿真技術(shù)完成艦艇武器電子系統(tǒng)分析、可視化建模、調(diào)試、運(yùn)行、評(píng)估活動(dòng)集成的應(yīng)用軟件套件，是基于并行工程理念，將管理、技術(shù)、人三者之間進(jìn)行有機(jī)集成，用來(lái)管理復(fù)雜產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)過(guò)程的整個(gè)生命周期，支持采用多學(xué)科虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以縮短研制周期，降低研制成本與研制風(fēng)險(xiǎn)，提高研制質(zhì)量。

基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)具有7 項(xiàng)主要功能:仿真項(xiàng)目管理、高層建模功能、仿真運(yùn)行管理、仿真可視化功能、仿真評(píng)估功能、仿真模型管理功能、與其他商用工具集成的功能。

采用該體系架構(gòu)的益處有:

1)建立了1 套較為完整的協(xié)同仿真開(kāi)發(fā)模式。

2)提供了1 套覆蓋仿真全生命周期的協(xié)同仿真建模、測(cè)試、運(yùn)行和評(píng)估的可視化的工具集。

3)系統(tǒng)分析人員和編程人員可有效分離。

4)可最大限度地支持?jǐn)?shù)學(xué)模型、仿真模型、模擬器、仿真系統(tǒng)及仿真支撐系統(tǒng)的重用。

5)基于仿真引擎，封裝了HLA 接口和對(duì)象類(lèi)/交互類(lèi)實(shí)現(xiàn)代碼，用戶不需HLA 編程，只需要編寫(xiě)具體的功能實(shí)體，減少了編程工作。

基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)進(jìn)行水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真的系統(tǒng)基本構(gòu)成示意如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)基本構(gòu)成Fig．2 Component of simulation system

1.5 應(yīng)用分析比較

通過(guò)上述分析，基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)和基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)都是很好的應(yīng)用仿真工具，均解決了系統(tǒng)仿真所關(guān)心的模型重用、仿真系統(tǒng)集成和管理等問(wèn)題，為系統(tǒng)仿真提供了良好的體系架構(gòu)，由于二者基于的標(biāo)準(zhǔn)不同，因此不可能在1 套仿真系統(tǒng)中共存?；贑ORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)由于具有支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)重構(gòu)和負(fù)載平衡等功能，適用于為系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)的實(shí)時(shí)精細(xì)仿真，當(dāng)然也可以用于效能和過(guò)程仿真;基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)雖然不具備基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)上述功能優(yōu)勢(shì)，但在支持系統(tǒng)仿真的全生命周期的高層建模、測(cè)試、運(yùn)行和評(píng)估方面建立了比較完整的工具集，為用戶進(jìn)行基于數(shù)學(xué)和邏輯模型的效能仿真和過(guò)程仿真提供了多種有效、便利的仿真條件。

2 結(jié) 語(yǔ)

選擇合適的系統(tǒng)仿真體系架構(gòu)及其工具軟件，對(duì)水聲對(duì)抗系統(tǒng)技術(shù)的仿真研究具有事半功倍的作用。在仿真環(huán)境建設(shè)和開(kāi)展系統(tǒng)仿真研究中，基于CORBA 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成管理平臺(tái)和基于HLA 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同仿真平臺(tái)均適用于水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真，可在不同的仿真任務(wù)中發(fā)揮重要作用。同時(shí)二者都在向商業(yè)化軟件方向發(fā)展，其工程化程度在不斷提高，將為系統(tǒng)仿真提供更完善的服務(wù)，發(fā)揮更大作用。

［1］倪正，劉武平．基于HLA 潛艇武器系統(tǒng)仿真建模研究［A］．慶祝建部三十五周年科技論文集［C］．船舶系統(tǒng)工程部，2005．