基于HLA的分布式飛行指揮仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張軍良

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

飛行指揮專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，裝備功能強(qiáng)大、操作復(fù)雜、技術(shù)含量高，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立飛行指揮仿真系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)飛行指揮進(jìn)程進(jìn)行模擬，不僅可很好地再現(xiàn)實(shí)際飛行指揮過(guò)程，節(jié)約人力、物力和財(cái)力，而且為作戰(zhàn)訓(xùn)練、戰(zhàn)法研究、武器裝備發(fā)展規(guī)劃及論證提供一個(gè)演練論證平臺(tái)，對(duì)信息系統(tǒng)優(yōu)化研究和提高技術(shù)指揮水平具有重要意義。

構(gòu)建飛行指揮仿真環(huán)境，傳統(tǒng)集中式、分布式的仿真由于在交互性、擴(kuò)展性和重用性能力不足，已不適應(yīng)大型、復(fù)雜系統(tǒng)的仿真構(gòu)建需求;HLA可將分布在不同位置的子系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成時(shí)空一致的仿真環(huán)境，具有良好互操作性、可重用性、可擴(kuò)充性，在復(fù)雜系統(tǒng)仿真領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－6］。

1 高級(jí)體系結(jié)構(gòu)

1995年，美國(guó)國(guó)防部在建模與仿真主計(jì)劃(MSMP)中提出高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)，作為未來(lái)建模/仿真的共同技術(shù)框架，其核心是互操作和重用，并通過(guò)運(yùn)行支撐環(huán)境(Run-time Infrastructure，RTI)，提供通用、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將仿真應(yīng)用和底層支撐環(huán)境分離，使分布在不同位置的子系統(tǒng)連接起來(lái)，構(gòu)成時(shí)空一致的仿真環(huán)境。HLA體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)系統(tǒng)自治，各仿真應(yīng)用均為獨(dú)立對(duì)象，保證仿真運(yùn)行階段中各仿真應(yīng)用能夠方便相互協(xié)調(diào)運(yùn)行。

HLA為復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真提供了公共技術(shù)支撐框架，其中聯(lián)邦(Federation)是一個(gè)重要概念，將用于達(dá)到某一特定仿真目的的分布式仿真系統(tǒng)稱(chēng)為聯(lián)邦，由若干相互作用的聯(lián)邦成員組成。HLA主要由HLA規(guī)則、HLA接口規(guī)范和HLA對(duì)象模板(Object Model Template，OMT)3部分組成。其中，HLA規(guī)則定義了在聯(lián)邦設(shè)計(jì)階段必須遵循的基本準(zhǔn)則;HLA接口規(guī)范定義了在仿真系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中支持聯(lián)邦成員間互操作的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù);HLA對(duì)象模板定義了一套描述HLA對(duì)象模型的部件，該3部分有機(jī)結(jié)合共同構(gòu)成HLA仿真體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)RTI提供的通用、相互獨(dú)立的支撐服務(wù)，支持不同仿真應(yīng)用間的互操作和仿真部件的重用，成員之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)RTI實(shí)現(xiàn)。HLA標(biāo)準(zhǔn)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示［7］。

圖1 HLA標(biāo)準(zhǔn)組成結(jié)構(gòu)

2 飛行指揮仿真系統(tǒng)需求設(shè)想

依托以太局域網(wǎng)，采用面向服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［8］和軟件集成中間件技術(shù)［9］在通用支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上，構(gòu)建飛行指揮信息系統(tǒng)仿真環(huán)境，包括飛行平臺(tái)模擬器、地面指揮所、空中指揮所、友鄰指揮所、模擬藍(lán)方、仿真導(dǎo)調(diào)、仿真態(tài)勢(shì)綜顯和仿真評(píng)估等仿真要素，涵蓋指揮、領(lǐng)航、空管、情報(bào)、通信和導(dǎo)航等主要業(yè)務(wù)功能，展現(xiàn)受領(lǐng)作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)情況綜合、作戰(zhàn)方案擬制、作戰(zhàn)行動(dòng)推演、對(duì)空引導(dǎo)、指控交接、作戰(zhàn)協(xié)同和火力突擊等指揮流程，提供仿真導(dǎo)調(diào)、網(wǎng)絡(luò)研討、仿真推演和效果評(píng)估等手段，通過(guò)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、狀態(tài)監(jiān)控、信息可視化顯示等手段展現(xiàn)各類(lèi)信息。飛行指揮仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛行指揮仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

3 基于HLA飛行指揮仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 聯(lián)邦及仿真引擎體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飛行指揮仿真系統(tǒng)為武器平臺(tái)與指揮平臺(tái)相結(jié)合的仿真系統(tǒng)，涉及對(duì)象多，仿真實(shí)體模型復(fù)雜，仿真實(shí)時(shí)性強(qiáng)，需要解決仿真時(shí)間同步、模型組合協(xié)調(diào)、人機(jī)接口良好、仿真策略靈活、仿真實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析和仿真過(guò)程動(dòng)態(tài)可視等問(wèn)題，需要有統(tǒng)一的管理結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)各仿真系統(tǒng)的交互運(yùn)行，同時(shí)各子系統(tǒng)內(nèi)部有統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)，而HLA互操作性和可重用性?xún)?yōu)點(diǎn)，可很好滿(mǎn)足該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并能適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)展互聯(lián)要求。

根據(jù)HLA體系結(jié)構(gòu)思想，飛行指揮信息系統(tǒng)仿真作為一個(gè)聯(lián)邦，主要包括飛行平臺(tái)模擬器、地面指揮所、空中指揮所、友鄰指揮所、模擬藍(lán)方、仿真導(dǎo)調(diào)、仿真態(tài)勢(shì)綜顯和仿真評(píng)估等聯(lián)邦成員。聯(lián)邦成員通過(guò)局域網(wǎng)互聯(lián)，采用RTI作為其運(yùn)行支撐環(huán)境，RTI中Lib RTI庫(kù)封裝到每個(gè)聯(lián)邦成員中，使每個(gè)聯(lián)邦成員與其他成員信息交互通過(guò)HLA接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)邦成員的功能如下:

①仿真導(dǎo)調(diào)聯(lián)邦成員。任務(wù)想定、仿真腳本和模擬數(shù)據(jù)等制作，通過(guò)指令、話(huà)音更改戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，控制仿真推演進(jìn)程。

②仿真態(tài)勢(shì)綜顯聯(lián)邦成員。具有二維、三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示能力，能夠模擬編隊(duì)飛行，接收響應(yīng)地面指揮所、空中指揮所等仿真系統(tǒng)發(fā)送的引導(dǎo)指令，實(shí)時(shí)生成平臺(tái)參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視目標(biāo)等消息，并向模擬指控單元下發(fā)。

③仿真訓(xùn)練評(píng)估聯(lián)邦成員。實(shí)時(shí)采集仿真業(yè)務(wù)操作數(shù)據(jù)，可現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)點(diǎn)評(píng)及事后總結(jié)、分析。

④飛行平臺(tái)模擬聯(lián)邦成員。完成飛行平臺(tái)航電任務(wù)設(shè)備模擬數(shù)據(jù)采集、顯示和處理，接收響應(yīng)地面指揮所、空中指揮所等仿真系統(tǒng)發(fā)送的引導(dǎo)指令，生成平臺(tái)參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)視目標(biāo)等消息，并向模擬指控單元下發(fā)。

⑤地面指揮所仿真聯(lián)邦成員。包括指揮、領(lǐng)航、協(xié)調(diào)、情報(bào)和通信等指揮保障業(yè)務(wù)，完成受領(lǐng)任務(wù)、戰(zhàn)場(chǎng)情況分析、作戰(zhàn)計(jì)劃擬制、網(wǎng)絡(luò)研討和作戰(zhàn)行動(dòng)推演等功能，可對(duì)飛行平臺(tái)模擬系統(tǒng)進(jìn)行指揮引導(dǎo)，與空中指揮所、友鄰指揮所仿真系統(tǒng)進(jìn)行信息共享與指揮協(xié)同。

⑥空中指揮所仿真聯(lián)邦成員。包括雷達(dá)監(jiān)視、指揮、情報(bào)和引導(dǎo)等業(yè)務(wù)功能，能夠完成受領(lǐng)作戰(zhàn)指令、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)視、飛行指揮和指揮協(xié)同等模擬功能。

⑦友鄰指揮所仿真聯(lián)邦成員。模擬生成協(xié)同計(jì)劃、共享態(tài)勢(shì)和協(xié)同指令等信息。

⑧模擬藍(lán)方聯(lián)邦成員。模擬藍(lán)方部隊(duì)、陣地部署及目標(biāo)機(jī)動(dòng)等己方態(tài)勢(shì)，并根據(jù)態(tài)勢(shì)演進(jìn)，實(shí)時(shí)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行更新。

⑨仿真引擎聯(lián)邦成員?；贖LA的分布式交互仿真控制與管理部分是仿真引擎，由仿真調(diào)度器、仿真控制器組成，是一個(gè)特殊的公共仿真聯(lián)邦成員，其主要任務(wù)是讀取想定數(shù)據(jù)、解釋行動(dòng)方案、在RTI服務(wù)支持下驅(qū)動(dòng)其他聯(lián)邦成員的實(shí)體仿真運(yùn)行。

飛行指揮仿真引擎體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飛行指揮仿真引擎體系結(jié)構(gòu)

3．2 FOM/SOM 表設(shè)計(jì)

在確定聯(lián)邦成員后，接著要考慮對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)設(shè)計(jì)，并確定發(fā)布/訂購(gòu)關(guān)系。聯(lián)邦對(duì)象模型FOM表描述聯(lián)邦執(zhí)行中各聯(lián)邦成員間進(jìn)行交互的全部共享信息，是各聯(lián)邦成員發(fā)布的對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)信息的集合，直接體現(xiàn)HLA仿真對(duì)象的互操作性和可重用性。成員對(duì)象模型SOM是單一聯(lián)邦成員的對(duì)象模型，其描述單個(gè)聯(lián)邦成員對(duì)聯(lián)邦其他聯(lián)邦成員的需求及向其他聯(lián)邦成員提供信息的能力。面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)方法為各聯(lián)邦成員建立對(duì)象模型提供理想的技術(shù)方法［10－12］。FOM/SOM 是聯(lián)邦進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。各聯(lián)邦成員可通過(guò)發(fā)布和訂購(gòu)所確定好的FOM/SOM，以獲得聯(lián)邦所需的信息。

在HLA中，對(duì)象類(lèi)是指參與聯(lián)邦交互的對(duì)象實(shí)例所屬的類(lèi)，交互類(lèi)是指對(duì)象實(shí)例交互時(shí)交互實(shí)例所屬的類(lèi)，各聯(lián)邦成員可通過(guò)發(fā)布和訂購(gòu)所確定好的對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)，獲得該聯(lián)邦所需的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將其他聯(lián)邦感興趣的信息發(fā)送出去。通過(guò)對(duì)各對(duì)象類(lèi)屬性值的公布/訂購(gòu)、更新/反射，實(shí)現(xiàn)各聯(lián)邦成員更新?tīng)顟B(tài)，控制執(zhí)行完成相應(yīng)操作，并反映在操作界面上。采用建模工具OMDT生成SOM各類(lèi)表格，進(jìn)而形成聯(lián)邦執(zhí)行所需的FED文件，主要包括對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)主要的對(duì)象類(lèi)、交互類(lèi)、對(duì)象類(lèi)的公布和訂購(gòu)關(guān)系分別如表1、表2和表3所示。

表1 對(duì)象類(lèi)表

表2 交互類(lèi)表

表3 對(duì)象類(lèi)的公布訂購(gòu)關(guān)系

3．3 時(shí)間管理方式

在基于HLA仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，時(shí)間管理主要包括時(shí)間推進(jìn)機(jī)制和消息傳遞機(jī)制，均與聯(lián)邦成員的時(shí)間管理策略相關(guān)。在飛行指揮仿真推演過(guò)程中，各聯(lián)邦成員的時(shí)間管理策略設(shè)為既“時(shí)間控制”、又“時(shí)間受限”，聯(lián)邦成員既影響其他聯(lián)邦成員的時(shí)間推進(jìn)，而本身時(shí)間推進(jìn)又受其他聯(lián)邦成員的影響，推進(jìn)驅(qū)動(dòng)方式采用時(shí)間/事件推動(dòng)。

3．4 聯(lián)邦運(yùn)行流程

聯(lián)邦由仿真導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)創(chuàng)建，各聯(lián)邦成員加入后，由仿真導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)。在仿真想定基礎(chǔ)上，創(chuàng)建加入聯(lián)邦，通過(guò)初始化對(duì)象數(shù)據(jù)及確定對(duì)象間的聲明訂購(gòu)關(guān)系，設(shè)定時(shí)間推進(jìn)策略，在達(dá)到仿真同步時(shí)，仿真推進(jìn)，更新數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)仿真結(jié)果，反復(fù)推進(jìn)，直至仿真結(jié)束，退出聯(lián)邦。聯(lián)邦運(yùn)行流程如圖 4所示［4］。

圖4 聯(lián)邦運(yùn)行流程

聯(lián)邦成員通過(guò)調(diào)用 RTI的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù) RTIAmbassador完成加入聯(lián)邦執(zhí)行、設(shè)置時(shí)間管理方式、發(fā)布/訂購(gòu)對(duì)象類(lèi)/交互類(lèi)等工作;同時(shí)RTI通過(guò)回調(diào)函數(shù)Federate-Ambassador將訂購(gòu)的對(duì)象類(lèi)屬性及交互類(lèi)參數(shù)傳給指控仿真單元。

聯(lián)邦成員通過(guò)調(diào)用 RTI的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù) RTIAmbassador完成加入聯(lián)邦執(zhí)行、設(shè)置時(shí)間管理方式、發(fā)布/訂購(gòu)對(duì)象類(lèi)/交互類(lèi)等工作;同時(shí)RTI通過(guò)回調(diào)函數(shù)Federate-Ambassador將訂購(gòu)的對(duì)象類(lèi)屬性及交互類(lèi)參數(shù)傳給指控仿真單元。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)飛行指揮系統(tǒng)仿真問(wèn)題，給出了基于HLA仿真體系結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)了聯(lián)邦，規(guī)范了聯(lián)邦成員框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)其功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，使其具有HLA賦予的組件重用和擴(kuò)展能力，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可重用性和可擴(kuò)展性。該仿真系統(tǒng)為裝備培訓(xùn)、戰(zhàn)法研究、武器裝備發(fā)展規(guī)劃及論證提供一個(gè)演練論證平臺(tái)，為大型仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、擴(kuò)展、重組提供了有效解決途徑［13－14］。

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