一種仿真系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)設計的方法研究

【信息科學與控制工程】

一種仿真系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)設計的方法研究

畢學軍，高飛，王小振,劉娟

(裝甲兵工程學院 信息工程系，北京100072)

摘要：在仿真訓練愈來愈受到各國重視的今天，如何貼近實戰(zhàn)，結(jié)合實際裝備，打贏信息化條件下的局部戰(zhàn)爭，成為部隊仿真訓練的新的課題；提出了一種新的網(wǎng)關(guān)連接方法，即以高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)構(gòu)建仿真系統(tǒng)，以可變消息格式(VMF)作為實裝軟件報文標準，設計數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，從而改善目前仿真系統(tǒng)和實裝系統(tǒng)互連、互通、互操作性較差的問題。

關(guān)鍵詞：VMF-HLA；交換網(wǎng)關(guān)；虛實系統(tǒng)

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：畢學軍(1975—)，男，碩士，副教授，主要從事軍事信息系統(tǒng)、軟件測試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.026

中圖分類號：TP391

文章編號：1006-0707(2015)06-0105-04

本文引用格式：畢學軍，高飛，王小振,等.一種仿真系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)設計的方法研究[J].四川兵工學報，2015(6):105-108.

Citation format:BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, et al.Research on Design Methods of Data Exchange Gateway Between Simulation System and Mounting System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):105-108.

Research on Design Methods of Data Exchange Gateway

Between Simulation System and Mounting System

BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, LIU Juan

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:Nowadays, there is increasing number of countries concerning the simulation training. It has already drawn army’s attention to the closing combat, combining practical equipment and winning local information wars for a new training subject. The paper presented a new gateway connection method designed by High Level Architecture (HLA) as building simulation systems and Variable Message Format (VMF) as real installing software message standards. According to that method, the poor situation of interconnection, intercommunication and interoperation could be improved.

Key words: VMF-HLA; complex network; false and true system

隨著部隊信息化改造的不斷深入，尤其是陸軍機械化部隊信息化建設取得了突出的成果，信息化裝備已廣泛的成建制列裝部隊，形成了較為完備的裝備體系；指揮信息系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力的生產(chǎn)，需要以培訓及訓練作為保證。模擬化訓練作為指揮信息系統(tǒng)訓練中的重要形式，以仿真系統(tǒng)作為支撐，依托實裝系統(tǒng)使受訓人員在與實裝相同或相似的環(huán)境下完成訓練，是模擬化訓練建設的一種重要途徑，也是發(fā)揮模擬化訓練天然優(yōu)勢的一種重要方法。但是這種構(gòu)建方式，需要支撐模擬訓練系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)能夠與實際的指揮信息化系統(tǒng)能夠緊密銜接，這樣二者才可以實現(xiàn)良好的互連、互通、互操作，完成模擬化訓練的目的。

在虛實系統(tǒng)結(jié)合上，大量仿真系統(tǒng)無法與實際裝備互連互通互操作，究其原因主要有：大量仿真系統(tǒng)在設計理念上存在缺陷，未構(gòu)造良好的接口已支撐模擬訓練系統(tǒng)，無法良好的與實際裝備相連接；通過改造以往的仿真系統(tǒng)，增加與原系統(tǒng)緊密耦合的專用接口模塊來實現(xiàn)與實裝系統(tǒng)的連接； 上述原因造成了大量的資源浪費，為模擬訓練系統(tǒng)的研制開發(fā)帶來了巨大的工作量，且不利于現(xiàn)有軟件資源的重復利用。

為更高效地提高模擬化訓練能力，充分融合和利用現(xiàn)有靶場資源，美軍在基于2010FI工程(Foundation Initiative 2010)的基礎(chǔ)上，定義了試驗訓練使能體系結(jié)構(gòu)(TENA)。TENA構(gòu)想的支撐來自于美軍C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架(ECAF)。通過提供公共體系結(jié)構(gòu)，從而融合地緣分散，功能分離的訓練資源(包含仿真系統(tǒng))，達到高效、便捷、可靠的模擬化訓練要求。我軍在構(gòu)建自己的模擬化訓練公共體系結(jié)構(gòu)時，應切實結(jié)合已有的“一體化指揮信息系統(tǒng)”平臺、“一網(wǎng)四系統(tǒng)”等，才能有良好的應用型和可擴充性。

1基于HLA的仿真系統(tǒng)構(gòu)建

HLA由美國國防建模與仿真辦公室(DMSO)提出的一種分布式仿真新標準。由于功能完備，可靠性高，逐漸成為當前軍事仿真領(lǐng)域的的研究熱點。作為一個通用的技術(shù)框架，它規(guī)定了整個仿真過程中的一些原則和接口標準。其主要構(gòu)成：各個獨立的仿真應用—邦元，現(xiàn)實世界的基本元素在邦元內(nèi)部的映射—對象，在特定的任務指導下，可以交互的邦員，支撐軟件和相關(guān)部件組織到一起—聯(lián)邦；HLA運行在各個節(jié)點機器上，提供邦元間的系統(tǒng)管理的平臺軟件—RTI，如圖1所示。

圖1　HLA運行框架

作為HLA系統(tǒng)互操作和可復用的基礎(chǔ)，對象模型模板OMT也是HLA規(guī)范的一個重要的組成部分，OMT使用七類表格以層次類的方法描述和定義仿真系統(tǒng)中的對象類和交互類，包括對象模型標識表、對象類結(jié)構(gòu)表、交互類結(jié)構(gòu)表、屬性表、參數(shù)表、屬性表和參數(shù)表的數(shù)據(jù)類型輔助表、路由空間表。

2指揮信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸手段VMF

現(xiàn)有裝備的戰(zhàn)術(shù)級指揮信息系統(tǒng)中，各系統(tǒng)間的信息交互主要是通過應用層無連接可靠傳輸協(xié)議交換戰(zhàn)術(shù)消息來實現(xiàn)的。這是由數(shù)字化條件下復雜的戰(zhàn)場實際環(huán)境所決定的。在無固定基礎(chǔ)設施，主要依靠Ad Hoc網(wǎng)絡的情況下，VMF是一種理想的可靠的數(shù)據(jù)傳輸手段。

應用層無連接可靠傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)單元的結(jié)構(gòu)由TDRTP(戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)報文可靠傳輸協(xié)議)頭部、TDTP頭部(戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)報文傳輸協(xié)議頭部，又稱為應用層頭部)和用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成。VMF組成的通用描述如表1所示。

表1　VMF通用描述請加表題

VMF報文標準中每條報文以Kn.m形式進行標識，其中K為報文所屬系列，n為報文所屬功能域號，m為報文號，每種格式的報文描述中強制性字段與可選字段的不同組合便組成了滿足需求的各種報文?？蛇x字段根據(jù)指示器字段的值來確定是否需要,VMF包含字段出現(xiàn)指示器(FPI)、字段重復指示器(FRI)、分組出現(xiàn)指示器(GPI)和分組重復指示器(GRI)4個指示器。DFI/DUI( 數(shù)據(jù)域標識符/ 數(shù)據(jù)使用標識符)是一組用于標識數(shù)據(jù)元素的數(shù)字，可作為對數(shù)據(jù)元素字典的參考。

3VMF-HLA數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)的構(gòu)想

本質(zhì)上，VMF-HLA網(wǎng)關(guān)是一個HLA聯(lián)邦成員，因此，VMF-HLA網(wǎng)關(guān)的建立過程與普通的HLA聯(lián)邦成員開發(fā)過程是非常類似的。在實際應用中，VMF消息結(jié)構(gòu)具有較大的穩(wěn)定性，其消息結(jié)構(gòu)、處理規(guī)則和語義等，一般不會發(fā)生較大的變化，但仿真系統(tǒng)卻具有較大的隨意性，由于這個原因，并不存在一個萬能的VMF-HLA網(wǎng)關(guān)，可以實現(xiàn)任意的仿真系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)的互連，從而必須針對特定的仿真系統(tǒng)，建立與之相適應的網(wǎng)關(guān)，以處理對應的數(shù)據(jù)交換任務。因此，僅針對某個特定的仿真系統(tǒng)開發(fā)專門的VMF-HLA網(wǎng)關(guān)，并不具備多大的意義，必須發(fā)展一系列技術(shù)及軟件工具，用于輔助實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的快速建立，并降低其建立過程的難度和復雜度，才更有價值。

實裝環(huán)境中的指揮信息系統(tǒng)間VMF形式的戰(zhàn)術(shù)消息交換是借助統(tǒng)一的報文傳輸服務實現(xiàn)的，為解決與實裝環(huán)境的互連、互通，VMF-HLA網(wǎng)關(guān)需采用與實裝環(huán)境完全一致的傳輸接口，同時VMF-HLA網(wǎng)關(guān)又作為HLA聯(lián)邦成員通過RTI總線與仿真系統(tǒng)實現(xiàn)接入，因此，以VMF-HLA網(wǎng)關(guān)支持的實裝指揮信息系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)互連的半實物模擬訓練系統(tǒng)具有的基本架構(gòu)，如圖2所示，其中VMF-HLA網(wǎng)關(guān)作為加入HLA聯(lián)邦的聯(lián)邦成員，負責在實裝環(huán)境及仿真系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)交換。VMF-HLA網(wǎng)關(guān)內(nèi)部由各個功能部件構(gòu)成(圖3)。

圖2　VMF-HLA網(wǎng)關(guān)支持下的訓練系統(tǒng)基本框架

圖3　VMF-HLA網(wǎng)關(guān)支持下的訓練系統(tǒng)基本架構(gòu)

其中，實裝接入功能單元通過現(xiàn)行通用支撐層構(gòu)件與指揮信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，RTI接口功能單元通過RTI總線與仿真系統(tǒng)進行交互，VMF報文編解碼功能單元由VMF消息標準描述軟件工具產(chǎn)生，用于處理戰(zhàn)術(shù)消息的編解碼，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能單元負責將收到的戰(zhàn)術(shù)消息在VMF形式與仿真系統(tǒng)聯(lián)邦對象模型形式間進行轉(zhuǎn)換，時間管理單元通過HLA時間管理機制和一體化時統(tǒng)構(gòu)件，協(xié)調(diào)RTI總線和實裝環(huán)境中的作戰(zhàn)時間推進。

VMF-HLA網(wǎng)關(guān)在特定的軟件工具輔助下，通過下述過程建立，如圖4所示。

圖4　實裝接入模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及處理過程

4VMF-HLA數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)設計方案

VMF-HLA網(wǎng)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)：VMF-HLA網(wǎng)關(guān)內(nèi)部由實裝接入模塊、VMF報文編解碼模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、RTI接口模塊和時間管理模塊構(gòu)成，如圖3所示。實裝接入模塊借助一體化支撐層構(gòu)件，與指揮信息系統(tǒng)進行通信，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及處理過程，如圖5所示。VMF報文編解碼模塊程序代碼由輔助軟件工具根據(jù)戰(zhàn)術(shù)消息標準自動建立，包括用于描述消息結(jié)構(gòu)的 C++ 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時為提高執(zhí)行效率，采取硬編碼方式，針對每一類消息根據(jù)其消息結(jié)構(gòu)及處理規(guī)則產(chǎn)生其對應的 C++ 編解碼程序代碼。

圖5　實裝接入模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及處理過程

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊在軟件工具的輔助下產(chǎn)生，通過解析聯(lián)邦對象模型文件，針對每種對象類和交互類及其訂購、公布過程產(chǎn)生對應的 C++ 程序代碼，并實現(xiàn)對象類、交互類數(shù)據(jù)與戰(zhàn)術(shù)消息間的形式轉(zhuǎn)換。RTI接口模塊是聯(lián)邦成員框架的組成部分，RTI接口模塊負責處理加入、退出聯(lián)邦執(zhí)行過程中的必要工作，并負責訂購及公布所需要的對象類、交互類，其處理過程，如圖6所示。

圖6　RTI接口模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及處理過程

時間管理模塊負責從RTI總線獲得當前仿真時間，根據(jù)訓練任務中作戰(zhàn)時間設置參數(shù)轉(zhuǎn)換為當前作戰(zhàn)時間，并將此時間通過實裝環(huán)境中的時統(tǒng)服務構(gòu)件發(fā)布到訓練系統(tǒng)中，如圖7所示。VMF-HLA網(wǎng)關(guān)作為聯(lián)邦成員部署于實裝系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間，可實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)消息與HLA對象類、交互類間的相互轉(zhuǎn)換，處理過程，如圖8所示。

當收到來自RTI總線的數(shù)據(jù)時，VMF-HLA網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為VMF形式戰(zhàn)術(shù)消息，發(fā)送到實裝環(huán)境中，當收到來自實裝環(huán)境的戰(zhàn)術(shù)消息時，VMF-HLA網(wǎng)關(guān)將戰(zhàn)術(shù)消息轉(zhuǎn)換為HLA對象類或交互類，公布到RTI總線上。

圖7　實裝接入模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及處理過程

圖8　VMF-RTI網(wǎng)關(guān)處理過程

5結(jié)束語

本文提出針對現(xiàn)行仿真訓練的現(xiàn)狀，提出了兩個創(chuàng)新點：采用網(wǎng)關(guān)技術(shù)構(gòu)建模擬訓練系統(tǒng)，在不對原有仿真系統(tǒng)進行大規(guī)模修改的前提下實現(xiàn)與實裝環(huán)境的互連、互通、互操作；通過代碼生成技術(shù)，自動生成網(wǎng)關(guān)程序中的大部分程序代碼，降低模擬訓練系統(tǒng)建設過程中的網(wǎng)關(guān)開發(fā)的工作量和難度。對于部隊模擬訓練系統(tǒng)的建設有著較好的推動作用，對未來該領(lǐng)域的建設提供參考。

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(責任編輯楊繼森)