航母航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通用架構(gòu)設(shè)計

歐海英，畢玉泉，周秀芝

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041)

航母航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通用架構(gòu)設(shè)計

歐海英，畢玉泉，周秀芝

(海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041)

好的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計是航母航空保障模擬器材建設(shè)的頂層和關(guān)鍵問題之一。針對航母航空保障工作具有參與的戰(zhàn)位多、信息種類多、人員協(xié)同關(guān)系強，任務(wù)時限性強等特點，將協(xié)同、可靠、實時作為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計首要考慮因素，在此基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)的多種擴(kuò)展性需求。提出基于浮動多C/S的柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于組件的架構(gòu)設(shè)計方法，以及基于戰(zhàn)位封裝和結(jié)構(gòu)體模式的一體化協(xié)調(diào)機制，實現(xiàn)協(xié)同、可靠、實時的設(shè)計需求和該系統(tǒng)的橫向擴(kuò)展性。應(yīng)用負(fù)責(zé)硬件數(shù)據(jù)讀寫的獨立上位機程序，實現(xiàn)該系統(tǒng)架構(gòu)的縱向擴(kuò)展性。通過RTI組件，實現(xiàn)與其他模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)合同訓(xùn)練。該系統(tǒng)架構(gòu)可實現(xiàn)航母航空保障模擬訓(xùn)練器材的系列化和組件化生產(chǎn)，具有良好的統(tǒng)一性和擴(kuò)展性。

航母;航空保障;模擬訓(xùn)練;系統(tǒng)架構(gòu)

0 引言

航空保障系統(tǒng)是航空母艦上保障艦載機正常運轉(zhuǎn)和執(zhí)行各項任務(wù)作業(yè)的系統(tǒng)，是確保航母戰(zhàn)斗力生成的核心系統(tǒng)之一。模擬訓(xùn)練以安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可多次重復(fù)、無風(fēng)險、不受氣候條件和場地空間限制，既能常規(guī)操作訓(xùn)練，又能培訓(xùn)處理各種事故 (包括災(zāi)難性事故)的應(yīng)變能力以及訓(xùn)練的高效率、高效益等獨特優(yōu)勢，一直受到各國軍方高度重視。我軍也陸續(xù)開發(fā)了多型裝備的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。隨著我軍“遼寧”號航母的服役，針對航母航空保障人員訓(xùn)練的模擬系統(tǒng)需配套籌劃和建設(shè)，而好的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計［1］是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)的頂層和關(guān)鍵問題之一。

1 設(shè)計思想

從模擬訓(xùn)練器材的發(fā)展趨勢來看，模擬訓(xùn)練不僅注重其應(yīng)用的特指性和仿真性，同時要走系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和組件化的道路。因此，航母航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計不僅要關(guān)注航母航空保障工作具有參與的戰(zhàn)位多、信息種類多、人員協(xié)同關(guān)系強，任務(wù)時限性強等特點，將協(xié)同、可靠、實時作為架構(gòu)設(shè)計的首要考慮要素，同時在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，還需考慮以下3個問題：

1)航母是我軍正在發(fā)展的新型裝備，某些航保設(shè)備尚未完全定型，這就涉及到型號設(shè)備的加裝或者改裝;同時通用系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計不僅要考慮應(yīng)用于當(dāng)前航母的航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，還要可擴(kuò)展到后續(xù)建設(shè)航母的應(yīng)用中，即可橫向開發(fā)出系列化的多型航母的艦面航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

2)航母航空保障系統(tǒng)涉及多個操作臺位，這些操作臺位的模擬可采用桌面式虛擬系統(tǒng)模擬，也可制作成硬件模擬，而系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要做到桌面級虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)與硬件模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在軟件上的統(tǒng)一，即軟件無須任何代碼改動能夠互相通用，即可縱向開發(fā)出系列化的模擬訓(xùn)練器器材多層級配置。

3)最后所開發(fā)的模擬系統(tǒng)將來應(yīng)可根據(jù)需要與其他單位生產(chǎn)的模擬訓(xùn)練器材互連互通，實現(xiàn)未來的合同訓(xùn)練。因此需要考慮好系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)一性和擴(kuò)展性。

2 設(shè)計方法

2.1 基于浮動多C/S的柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

航母航空保障工作具有參與的戰(zhàn)位多、人員協(xié)同關(guān)系強的特點，要求系統(tǒng)設(shè)計首先考慮協(xié)同需求。航母航空保障虛擬仿真系統(tǒng)具有多種使用方式。教員講課可單機使用，學(xué)員模擬練習(xí)或部隊艦員訓(xùn)練需按戰(zhàn)位進(jìn)行組網(wǎng)訓(xùn)練，組網(wǎng)訓(xùn)練時可進(jìn)行某保障中隊內(nèi)部組網(wǎng)訓(xùn)練或全艦航空保障人員共同組網(wǎng)訓(xùn)練。系統(tǒng)采用基于浮動多C/S的柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即視景仿真顯示放在Client端 (客戶端)，邏輯仿真解算放在Server端 (服務(wù)器端)，系統(tǒng)部署時，Client和Server端可以部署在1臺主機上，或者將Server端部署在1臺主機，而多個Client端按戰(zhàn)位部署在多臺主機上，Server與Client交互通過TCP和UDP進(jìn)行。這種方式可充分利用各客戶端計算機資源，又通過服務(wù)器端統(tǒng)一解算保證各客戶端顯示的同步性，任一臺主機的交互操作可以映射到其他主機，從而在多個主機上實現(xiàn)互操作，實現(xiàn)多個戰(zhàn)位的協(xié)同，保證了操作邏輯的一致性、完整性和可靠性。這種浮動多C/S的柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在整體構(gòu)架不變的情況下，實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)配置，使得系統(tǒng)更加接近真實的訓(xùn)練過程，對滿足部隊?wèi)?zhàn)斗力的形成和提高，具有重要的現(xiàn)實意義。

2.2 基于組件的架構(gòu)設(shè)計

在浮動多C/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)具體的功能實現(xiàn)采用基于組件的架構(gòu)設(shè)計方法?；诮M件的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計是一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將各個獨立執(zhí)行的功能從邏輯上分為一個仿真的執(zhí)行單元，如視景仿真功能、聲音仿真功能、設(shè)備邏輯仿真功能、人物對象仿真功能、飛機對象仿真功能等，將與執(zhí)行單元相關(guān)的屬性和行為封裝到一個組件中。這些功能單元之間采用“軟總線”聯(lián)接后，相互之間是并行的、地位對等的關(guān)系。各個邏輯對象以組件形式運行在網(wǎng)絡(luò)上，而不管它們具體的部署位置，從而形成一種靈活配置的分布式運行結(jié)構(gòu)，使得用戶在運行時可以方便管理這些仿真單元組件。這樣一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種開放式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)功能可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)主程序的編寫過程，類似于組件組裝，可提高系統(tǒng)研制效率。組件也可保障最大程度的重用，保留系統(tǒng)設(shè)計的成果，可以非常方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。基于組件的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于組件的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System frame based on components

組件應(yīng)用不受限于具體編程語言，可進(jìn)行混合語言編程，從而發(fā)揮各語言的優(yōu)勢，將更多注意力集中到系統(tǒng)功能和接口設(shè)計上來。系統(tǒng)基于COM(包括ActiveX和ATL組件，文件名后綴分別為.ocx和.dll，可在各種系統(tǒng)平臺下使用)和NET組件 (一般包含托管代碼，文件后綴為.dll，只能在NET平臺下使用)的協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。組件的封裝和使用，使得系統(tǒng)組織清晰、維護(hù)簡單、可擴(kuò)展性好。

2.3 基于戰(zhàn)位封裝和結(jié)構(gòu)體模式的一體化協(xié)調(diào)機制

航母艦面航空保障工作涉及航母上多艙室內(nèi)的多設(shè)備操作與配合、多戰(zhàn)位人員通過口令及手勢的指揮引導(dǎo)及多階段與艦載機在機庫甲板和飛行甲板的動作配合等內(nèi)容。因此，用于航母艦面航空保障人員教學(xué)訓(xùn)練的模擬系統(tǒng)開發(fā)需要表現(xiàn)航母模型、艦載機模型、設(shè)備模型、人物模型等多種模型，需要傳遞設(shè)備通信信息、人物口令信息、人物動作信息、立體音效和三維視景等多類信息。針對航母艦面航空保障信息種類多，模型、設(shè)備多樣復(fù)雜等特點，提出了基于戰(zhàn)位封裝和結(jié)構(gòu)體模式的一體化協(xié)調(diào)機制，即多艙室內(nèi)的多設(shè)備操作邏輯按戰(zhàn)位封裝成設(shè)備組件，設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信、與飛機對象的通信、與人物對象的通信采用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行交互。由于每艘航母航空保障系統(tǒng)包含的基本戰(zhàn)位一致，數(shù)量也在數(shù)十個的量級，按戰(zhàn)位進(jìn)行設(shè)備組件封裝，不僅設(shè)備組件的可重用性強，封裝粒度也適中，組件之間數(shù)據(jù)交互量級可控。各類對象的輸入輸出狀態(tài)及解算數(shù)據(jù)定義為結(jié)構(gòu)體，對象之間采用結(jié)構(gòu)體通過UDP數(shù)據(jù)交互，并通過服務(wù)器統(tǒng)一發(fā)送到各客戶端保證各客戶端信息的同步性和一致性;設(shè)備發(fā)出的主控信號 (如開關(guān)量)及人物命令等交互信號則采用TCP進(jìn)行交互，保證系統(tǒng)的可靠性。

2.3.1 子系統(tǒng)和設(shè)備的科學(xué)劃分

航母航空保障系統(tǒng)包括各科研院所和工業(yè)部門研制的各種子系統(tǒng)和設(shè)備，這些子系統(tǒng)和設(shè)備部分將在后續(xù)航母中繼續(xù)使用，或改裝后使用。因此，在航母航空保障模擬系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，要科學(xué)地劃分子系統(tǒng)和設(shè)備，通過對所劃分的子系統(tǒng)和設(shè)備的操作邏輯進(jìn)行封裝，并合理設(shè)計數(shù)據(jù)接口，將其做成設(shè)備邏輯組件，以實現(xiàn)子系統(tǒng)和設(shè)備的可重用性，而不是每做一個航母的航空保障模擬系統(tǒng)，所有子系統(tǒng)和設(shè)備都需要重做，或者接口做大量改動，從而實現(xiàn)模擬設(shè)備的組件化生產(chǎn)。

子系統(tǒng)和設(shè)備封裝有2種方案。第1種是按操作面板和設(shè)備進(jìn)行封裝，第2種是按戰(zhàn)位進(jìn)行封裝。按操作面板進(jìn)行封裝，看似可重用性很強，只要面板不改或小改，即可重用。然而一艘航母的航空保障系統(tǒng)有上百塊操作面板，這樣的劃分將使分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互顯得特別復(fù)雜，系統(tǒng)很零碎，也不好維護(hù)管理。第2種按戰(zhàn)位進(jìn)行封裝。每艘航母航空保障系統(tǒng)包含的基本戰(zhàn)位一致，如止動裝置、噴氣偏流板、阻攔裝置等的控制戰(zhàn)位。一艘航母的航空保障系統(tǒng)包含戰(zhàn)位數(shù)十個，這樣按戰(zhàn)位封裝成組件，子系統(tǒng)的可重用性強，子系統(tǒng)之間交互也可控。另外，要特別聲明的是，復(fù)雜電子設(shè)備由于其復(fù)雜性和相對獨立性，應(yīng)單獨封裝，而不要封裝在相應(yīng)的戰(zhàn)位子系統(tǒng)中。甲板引導(dǎo)員等甲板上通過口令、手勢交互的戰(zhàn)位同樣按戰(zhàn)位封裝成組件。2.3.2 數(shù)據(jù)接口的合理設(shè)計

航母上的各個設(shè)備只要型號不變，設(shè)備研制方是不會改動總線通信接口的，因此理清設(shè)備總線通信方式、總線通信接口非常關(guān)鍵。實裝總線通信是采用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行交互，原因是便于通信接口的擴(kuò)展。因此在開發(fā)相應(yīng)模擬系統(tǒng)時，對于各個型號設(shè)備的總線通信方式中輸入輸出狀態(tài)及解算數(shù)據(jù)、模擬量，仿真系統(tǒng)中采用UDP交互數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)接口采用結(jié)構(gòu)體形式，而且結(jié)構(gòu)體中成員變量盡可能和實裝一樣;各個型號設(shè)備中發(fā)出的主控信號 (如開關(guān)量)等采用可靠的TCP進(jìn)行交互，解算類中將開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行保存，以備交互或者轉(zhuǎn)發(fā)使用。采用這種數(shù)據(jù)接口方式設(shè)計的虛擬設(shè)備無需任何改動就可以應(yīng)用到后續(xù)的航母航空保障模擬系統(tǒng)中。而按照戰(zhàn)位劃分的子系統(tǒng)采用這種數(shù)據(jù)接口方式，只要戰(zhàn)位中的操作面板不變或改動很小，虛擬子系統(tǒng)也就無需任何改動或改動很小即可應(yīng)用到后續(xù)航母航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中。人物對象的結(jié)構(gòu)體信息主要是手勢口令的交互命令(用ComID和ComValue表示)，而飛機對象的結(jié)構(gòu)體信息是飛機位置姿態(tài)信息和飛機狀態(tài)信息。結(jié)構(gòu)體形式交互的總線數(shù)據(jù)傳輸方式如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)體形式交互的總線數(shù)據(jù)傳輸方式Fig.2 Structures mode for data transfer

結(jié)構(gòu)體交互的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)傳輸形式的一致性，使得系統(tǒng)組織清晰。但要注意輸出的狀態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)定義盡可能優(yōu)化，建議使用short型數(shù)據(jù)(int，double盡可能不用)，避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量過大。同時，要檢查設(shè)備對象、人物對象和飛機對象的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，只有變化的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)才用于系統(tǒng)狀態(tài)更新，否則不更新，這種方法也大大降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷，保證了系統(tǒng)的實時性。

2.4 虛擬系統(tǒng)與硬件模擬系統(tǒng)在軟件上的統(tǒng)一

根據(jù)以往模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，桌面級虛擬仿真系統(tǒng)與仿實裝的硬件模擬系統(tǒng)都有其現(xiàn)實應(yīng)用價值，因此虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計時要考慮可柔性擴(kuò)展為硬件模擬系統(tǒng)，做到虛擬仿真系統(tǒng)與硬件模擬系統(tǒng)在軟件上的統(tǒng)一。

1)仿照實裝總線通信采用結(jié)構(gòu)體進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)接口方式，保障虛擬仿真系統(tǒng)與硬件模擬系統(tǒng)在軟件上統(tǒng)一的可能性。

2)軟件系統(tǒng)通過上位機程序與硬件交互，而不是直接與硬件交互，通過上位機程序，負(fù)責(zé)硬件數(shù)據(jù)的讀寫。讀：把硬件的指令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成軟件系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)和格式，寫：把軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和格式轉(zhuǎn)化為硬件的指令和數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了虛擬仿真系統(tǒng)與硬件模擬系統(tǒng)在軟件上的統(tǒng)一。

2.5 通過RTI組件實現(xiàn)未來與其他的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)合同訓(xùn)練

高層體系結(jié)構(gòu)HLA是繼分布交互仿真技術(shù)DIS和聚合級仿真協(xié)議ALSP之后提出的新一代分布交互仿真體系結(jié)構(gòu)，其目的是將單個仿真應(yīng)用連接起來組成一個大的虛擬世界，促進(jìn)仿真應(yīng)用的互操作性和仿真資源的可重用性。因此，在開發(fā)艦面航空保障虛擬仿真系統(tǒng)時，需考慮到在未來需要的時候，還可以通過HLA實現(xiàn)與其他模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的互聯(lián)互通，與其他的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)合同訓(xùn)練，形成更大規(guī)模的訓(xùn)練樣式，發(fā)揮更大的效益。目前，有很多武器裝備仿真訓(xùn)練系統(tǒng)基于HLA進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計［2－5］，將每個訓(xùn)練崗位作為一個聯(lián)邦成員。但航母航空保障系統(tǒng)訓(xùn)練戰(zhàn)位就有數(shù)十個，若將每個戰(zhàn)位都作為一個聯(lián)邦成員，同時又與飛機模擬器等其他模擬訓(xùn)練系統(tǒng)相連，聯(lián)邦復(fù)雜性將大大增加。因此，本文的做法是，艦面航空保障系統(tǒng)內(nèi)部訓(xùn)練戰(zhàn)位之間通信通過結(jié)構(gòu)體和主控元件狀態(tài)進(jìn)行交互，而航保系統(tǒng)與其他訓(xùn)練模擬器組網(wǎng)，通過HLA/RTI進(jìn)行。采用組件技術(shù)，開發(fā)RTI組件［6］，封裝聯(lián)邦成員間通過RTI進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互的各種功能。RTI組件作為一個標(biāo)準(zhǔn)的接口元素，可快速把原仿真系統(tǒng)與RTI接口模塊組裝起來，使不同語言環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)都能基于HLA進(jìn)行擴(kuò)展，同時屏蔽了HLA/RTI程序開發(fā)的復(fù)雜性，甚至支持Web開發(fā)。

通過上述分析，可實現(xiàn)艦面航空保障虛擬仿真模擬訓(xùn)練器材系列化、組件化生產(chǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)化問題還有待將來統(tǒng)一規(guī)劃，由一家單位牽頭，多家單位聯(lián)合制定該類模擬訓(xùn)練器材研制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 艦面航空保障模擬訓(xùn)練器材系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Carrier aviation guarantee simulation training system frame

3 結(jié)語

以某型艦為背景，考慮后續(xù)航母的發(fā)展需求，設(shè)計航母航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的通用系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)架構(gòu)即考慮了航母航空保障訓(xùn)練的特殊性需求，滿足了協(xié)同、實時、可靠的設(shè)計需要，同時具有良好的可擴(kuò)展性?；谠摷軜?gòu)既可快速橫向開發(fā)出系列化的多型航母的航空保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，又可縱向開發(fā)出模擬訓(xùn)練器材多層級配置，并可與其他模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組網(wǎng)實現(xiàn)合同訓(xùn)練，具有良好的統(tǒng)一性和可擴(kuò)展性。

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General frame design for carrier aviation guarantee simulation training system

OU Hai-ying，BI Yu-quan，ZHOU Xiu-zhi
(Qingdao Branch，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China)

A good system frame design is one top and key problem for carrier aviation guarantee simulators'building．Cooperativity，credibility，and real-time needs are taken into account firstly，aiming at the characteristics of many battle stations，many information kinds，high-cooperativety between people，and short intervals between tasks in carrier aviation guarantee work．Variaties of expansibilities are considered at the same time．Cooperativity，credibility，and real-time needs are meeted and the diatropic expansibility is realized，using a muli-C/S flexible net structure，a design method based on components，and an integrative harmony mechanism based on encapsulations of battle stations and structures mode for data transfer．The portrait expansibility is realized，using an independent upper procedure block to read and write hardware data．Cooperated training with other simulators is realized，using an RTI component．This system frame can be used to produce series of carrier aviation guarantee simulators in components．It has good oneness and expansibility．

carrier;aviation guarantee;simulation training;system frame

TP391．9

B

1672－7649(2014)06－0125－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.025

2013－05－28;

2013－07－17

海軍裝備部軍內(nèi)科研資助項目

歐海英(1978－)，女，博士，主要從事航空裝備保障及模擬訓(xùn)練研究。