DDS在模擬訓練系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

任棕詵　任雄偉

(海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)

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DDS在模擬訓練系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

任棕詵任雄偉

(海軍工程大學電子工程學院武漢430033)

摘要對于大型復(fù)雜模擬訓練系統(tǒng),數(shù)據(jù)分發(fā)是關(guān)鍵,既要滿足實時性,又要保證可靠性。針對這一問題,對象管理組織(OMG)專門發(fā)布了實時的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)標準。論文首先分析了DDS的通信模型與數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)勢;然后測試了實際性能,提出了運用服務(wù)質(zhì)量(QoS)策略優(yōu)化性能的方法;最后將DDS應(yīng)用于模擬訓練系統(tǒng)中,實例表明DDS適用于模擬訓練系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù); 模擬訓練系統(tǒng); 服務(wù)質(zhì)量

Research on Application of DDS in Simulation Training System

REN ZongshenREN Xiongwei

(College of Electronics Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractDate distribution is key for large and complicated simulation training system not only in real-time but also in reliability. To resolve this problem, Object Management Group publishes real-time date distribution service standard specially. Firstly, the advantages of the communication model and data transmission method of date distribution service are analyzed; Then the performances are tested and a method of optimizing performances through the application of quality of service is introduced. Finally, date distribution service is applied in simulation training system, the example demonstrates that applying date distribution service in simulation training system is appropriate.

Key Wordsdate distribution service, simulation training system, quality of service

Class NumberTP391.9

1引言

模擬訓練系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散在各地的人在回路中的仿真器、計算機生成兵力以及其他設(shè)備聯(lián)結(jié)為一個整體,形成一個可以在時間和空間上互相耦合的虛擬戰(zhàn)場合成環(huán)境,參與者可以自由地交互作用[1]。這樣,使過去主要依靠野戰(zhàn)演習完成的任務(wù)可以利用計算機、仿真器和人工合成的虛擬環(huán)境來進行,同樣能夠達到作戰(zhàn)及技術(shù)雙重模擬訓練的目的。對于大型復(fù)雜的模擬訓練系統(tǒng)來說,數(shù)據(jù)的有效傳輸是重中之重,需要一個可以滿足復(fù)雜數(shù)據(jù)流的高效傳輸?shù)闹虚g件。目前,HLA已成為國際通用的標準,但是HLA不支持QoS,導致了應(yīng)用的局限性。

對象管理組織于2004年發(fā)布了DDS規(guī)范,并在2007年1月推出了V1.2版[2]。DDS靈活的數(shù)據(jù)通信機制允許分布式的大量節(jié)點進行異步的和實時的通信,可以實現(xiàn)在正確的時間、正確的地點獲得正確的數(shù)據(jù),并且提供QoS保證[3],極大地提高了通信效率,可以滿足模擬訓練的需求。

2DDS的優(yōu)勢

2.1DDS通信模型

大多數(shù)企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的是以對象為中心的客戶端/服務(wù)器通信模型(如圖1),在這種模型中,通信由客戶端主動發(fā)起,它必須先綁定到服務(wù)器上,并通過調(diào)用特定的操作來更改或獲取信息[4]。這種方法無法保證實時性,另外由于耦合度高,降低了系統(tǒng)的靈活性、擴展性和健壯性[5]。

圖1　客戶端/服務(wù)器模型

DDS采用了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱(DCPS)通信模型。DCPS屬于DDS規(guī)范的核心層,提供發(fā)布與訂閱數(shù)據(jù)的功能,它虛擬了一個全局數(shù)據(jù)空間,各種類型的數(shù)據(jù)對象存在于全局數(shù)據(jù)空間中,分布式節(jié)點通過簡單的讀、寫操作便可以訪問這些數(shù)據(jù)對象(如圖2),每個數(shù)據(jù)對象都以特定的主題作為標識符,發(fā)布和訂閱通過主題來關(guān)聯(lián)通信雙方[4]。DCPS層將用戶對資源的需求和資源的可用信息都轉(zhuǎn)化為QoS參數(shù)。在DDS中,QoS參數(shù)貫穿整個DDS通信過程,在注冊、匹配、數(shù)據(jù)分發(fā)階段都離不開QoS的參與。DCPS層的發(fā)布/訂閱功能接口只需指明需要的QoS,由DCPS依照QoS實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布和訂閱[6]。

DCPS支持一對一、一對多、多對多的通信,不存在服務(wù)器瓶頸問題,時延也能得到有效的控制,很適合分布式實時通信系統(tǒng)。

圖2　DDS通信模型

2.2DDS數(shù)據(jù)傳輸方式

模擬訓練系統(tǒng)涉及各種異構(gòu)平臺,在不同平臺上數(shù)據(jù)的儲存與分布的方式是有區(qū)別的,中間件必須能夠獲取一個特定平臺上的數(shù)據(jù)并將其準確無誤地傳遞給另一個平臺。

常見的解決方法有兩種:一種是中間件不作處理,需要用戶處理數(shù)據(jù)的編碼、對齊等事項,效率不高;一種是由中間件來屏蔽平臺間差異,每個數(shù)據(jù)包都要攜帶大量的冗余信息,降低了網(wǎng)絡(luò)性能。RTI-DDS(第一個支持DDS規(guī)范的商業(yè)產(chǎn)品)采用了一種折中的方法,用“主題”來聲明一類數(shù)據(jù),主題相同的數(shù)據(jù)示例有著相同的數(shù)據(jù)類型,中間件將描述性的元數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)示例分開進行傳輸(如圖3),在高效傳輸數(shù)據(jù)的同時又能妥善解決字節(jié)的排序、對齊等問題[7]。

圖3　RTI-DDS數(shù)據(jù)傳輸方式

3性能測試及優(yōu)化策略

3.1時延與吞吐量測試

RTI-DDS的性能是需要重點關(guān)注的對象,為此我們進行了時延與吞吐量測試。在盡力傳輸模式下,逐次采用24~213Bytes大小的數(shù)據(jù)包在100M網(wǎng)絡(luò)上進行測試,結(jié)果如圖4。

通過圖4,我們可以知道時延隨著數(shù)據(jù)包的增大逐漸上升,不過整體上都處在較低的水平,適用于模擬訓練系統(tǒng)。一對二時,時延有所增加,RTI-DDS提供了組播通信方式來解決這一問題。

圖4　時延測試結(jié)果

同樣條件下進行吞吐量測試,結(jié)果如圖5。

通過圖5,我們可以知道吞吐量隨著數(shù)據(jù)包大小的增加呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,這是因為數(shù)據(jù)包的系統(tǒng)開銷減小了且對CPU資源的占用也少了。最后達到較高的值,趨于穩(wěn)定,這是受到帶寬的限制。一對二傳輸?shù)臅r候吞吐量低于一對一。RTI-DDS提供了批量發(fā)送方式,可以將小數(shù)據(jù)積累到一定程度再發(fā)送,減輕CPU的壓力,增加吞吐量。

3.2組播通信與批量發(fā)送

DDS提供了豐富的QoS策略,RTI-DDS又在此基礎(chǔ)上擴展了多個QoS。這些策略的合理配置可以極大地優(yōu)化通信性能。

RTI-DDS通過TRANSPORT_MULTICAST(擴展的QoS)策略聲明一個組播地址,然后數(shù)據(jù)讀取者通過這個地址接收數(shù)據(jù),同時還能聲明一個用來接收數(shù)據(jù)的端口號[7]。數(shù)據(jù)寫入者默認采用單播模式發(fā)送數(shù)據(jù),即向每個訂閱其主題的數(shù)據(jù)讀取者單獨地發(fā)送數(shù)據(jù)包,這樣一來許多復(fù)制的數(shù)據(jù)會被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,一個數(shù)據(jù)寫入者使用的網(wǎng)絡(luò)帶寬會隨著數(shù)據(jù)讀取者的個數(shù)線性地增長。

而采用組播的方式只需發(fā)送一次就能讓多個節(jié)點收到,對于有多個數(shù)據(jù)讀取者訂閱同一主題的系統(tǒng)可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用,顯著提高一對多傳輸?shù)男阅堋?/p>

批量發(fā)送(BATCH)也屬于RTI-DDS擴展的QoS策略,當系統(tǒng)需要快速發(fā)送大量小數(shù)據(jù)示例時,如果把這些數(shù)據(jù)示例組合在一起批量發(fā)送的話效率會大幅提高[7]。因為小數(shù)據(jù)集中傳輸時系統(tǒng)開銷不容忽視,CPU占用率很高,而BATCH策略可以減小數(shù)據(jù)發(fā)送和應(yīng)答(可靠傳輸模式下)的系統(tǒng)開銷,同時增加有效吞吐量。對于小數(shù)據(jù)(<2048Bytes)來說,吞吐量主要受到CPU而非網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制,將小數(shù)據(jù)組合成大數(shù)據(jù)包能增加網(wǎng)絡(luò)利用率從而增加吞吐量。

采用BATCH策略意味著調(diào)用write()函數(shù)以后數(shù)據(jù)不會立刻出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上,而是收集到一個BATCH里面,無形中增加了時延。但是,如果應(yīng)用發(fā)送數(shù)據(jù)的速率超過了網(wǎng)絡(luò)的承受能力,將有很多的帶寬浪費在應(yīng)答與丟失數(shù)據(jù)的重傳上,這時,通過運用BATCH策略來減少元數(shù)據(jù)開銷就能降低時延,甚至還能增加吞吐量。具體什么時候采用BATCH策略要看系統(tǒng)的需求與實際性能。

在三種情況下,BATCH會被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上:數(shù)據(jù)量達到BATCH的上限(max_data_bytes)、示例數(shù)達到上限(max_samples)或者達到時間限制(max_flush_delay)。

另外,也可以直接調(diào)用DateWriter的flush()函數(shù)發(fā)送BATCH。當啟動BATCH模式的時候,發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖6。

圖6　批量發(fā)送流程

4實例應(yīng)用

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

一個完整的模擬訓練系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能[8]: 1) 想定元素的編輯,劇情和真值數(shù)據(jù)生成,仿真系統(tǒng)控制等; 2) 各種作戰(zhàn)元素的仿真,包括傳感器仿真、平臺仿真等; 3) 戰(zhàn)場信息的采集和回放; 4) 戰(zhàn)場態(tài)勢顯示,仿真系統(tǒng)狀態(tài)等信息的可視化; 5) 仿真效能的評估。一個典型的模擬訓練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7　模擬訓練系統(tǒng)組成圖

其中,計算機生成兵力是指在虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境中利用計算機生成和控制武器裝備和人員等單個或多個作戰(zhàn)仿真實體,并通過一定的人的行為的建模,使這些實體能不需要人的外部干預(yù)而自動地對作戰(zhàn)仿真環(huán)境中的事件和狀態(tài)做出反應(yīng)[9],是整個訓練系統(tǒng)的核心。綜合導控系統(tǒng)是確保訓練正常有序運行、實現(xiàn)人與系統(tǒng)交互的關(guān)鍵。

4.2集成DDS

在戰(zhàn)術(shù)級仿真這一層面,我們采用STAGE軟件進行仿真。STAGE是一個完全獨立的戰(zhàn)術(shù)環(huán)境生成軟件,具有開放的體系結(jié)構(gòu),可被重構(gòu)并擴充以適應(yīng)多個環(huán)境的框架,成為廣泛用于戰(zhàn)術(shù)仿真、武器系統(tǒng)驗證和作戰(zhàn)訓練的完整開發(fā)工具[10]。我們以STAGE作為數(shù)據(jù)源,將其與各仿真平臺相連接(如圖8),系統(tǒng)的通信需求主要存在于STAGE仿真引擎與各平臺之間,平臺與平臺之間也可以間接通信。

圖8　仿真集成圖

在仿真實例中,我們設(shè)計了一個IDL文件用來定義與平臺無關(guān)的數(shù)據(jù)類型,里面包含了各種狀態(tài)信息,包括仿真時間、平臺名稱、平臺速度、平臺航向、平臺海拔高度以及平臺經(jīng)緯度:

struct ptfstatus{

double ptftime;

string ptfname;

float ptfspeed;

float ptfheading;

double ptfalt;

double ptflat;

double ptflon;

};

利用代碼生成器rtiddsgen將IDL文件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)類型支持文件status.h、status.cxx、statusPlugin.h、statusPlugin.cxx、statusSupport.h以及statusSupport.cxx。

STAGE仿真引擎允許注冊用戶輸出函數(shù),可以編寫一個外部主控程序?qū)⒎抡鏀?shù)據(jù)引出來。首先在主控程序中定義DDS實體指針并初始化為NULL,注冊StoreExpPtfActionData函數(shù)用來儲存仿真數(shù)據(jù),然后在main函數(shù)中依次創(chuàng)建各個DDS實體并配置QoS,在StoreExpPtfActionData函數(shù)中添加代碼:

static void StoreExpPtfActionData( void *data, int data_size )

{

Exported_Obj_Action exp_obj_action_msg;

memcpy(&exp_obj_action_msg, data, data_size);

instance->ptftime = sim_time;

strcpy(instance->ptfname,exp_obj_action_msg.name);

instance->ptfspeed = exp_obj_action_msg.status.speed;

instance->ptfheading = exp_obj_action_msg.status.heading;

instance->ptfalt = exp_obj_action_msg.status.pos.sphe.alt;

instance->ptflat = exp_obj_action_msg.status.pos.sphe.lat;

instance->ptflon = exp_obj_action_msg.status.pos.sphe.lon;

retcode = ptfstatus_writer->write(*instance, instance_handle);

}

代碼先將“ptfstatus”類型的數(shù)據(jù)實例指針指向了STAGE仿真數(shù)據(jù)變量,然后將數(shù)據(jù)存儲在DDS內(nèi)部緩存中,等待有匹配的數(shù)據(jù)讀取者時發(fā)送數(shù)據(jù)。

在其它仿真節(jié)點上,同樣先將上文提到的IDL文件轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)類型支持文件,然后添加訂閱程序,主要包括DDS各實體的創(chuàng)建、QoS的配置、監(jiān)聽器的設(shè)置、接收函數(shù)的調(diào)用以及數(shù)據(jù)示例的處理等。這里我們在原主題的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了過濾內(nèi)容主題(ContentFilteredTopic),利用此主題創(chuàng)建數(shù)據(jù)讀取者,按照平臺名稱對數(shù)據(jù)進行過濾,這樣一來各節(jié)點只需接收與處理與己相關(guān)的數(shù)據(jù)。

4.3仿真結(jié)果

在設(shè)計的想定中,我們搭建了多個平臺,平臺類型涵蓋了海、陸、空各領(lǐng)域。整個仿真過程以一個友好的界面完整地展現(xiàn)在我們面前(如圖9)。

首先運行仿真主控程序,打開STAGE想定管理器,加載想定數(shù)據(jù),啟動仿真引擎,然后發(fā)布方開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)布方啟動仿真引擎以后,啟動訂閱方程序,開始接收數(shù)據(jù)。圖10是其中一個平臺節(jié)點收到的數(shù)據(jù),一個空中平臺的狀態(tài)及位置信息清晰地展現(xiàn)在我們面前。

圖9　仿真想定界面

圖10　接收端界面

從以上實例可知,RTI-DDS完全可以應(yīng)用于模擬訓練系統(tǒng)。各平臺通過DDS可以實時地獲得仿真數(shù)據(jù)。用戶不必關(guān)心底層通信細節(jié),只需專注于仿真程序的設(shè)計。

5結(jié)語

DDS是專門為實時系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)分發(fā)標準,以數(shù)據(jù)為中心的通信模式使得其在同類中間件中顯示出獨特的優(yōu)勢。通過DDS的運用,我們可以靈活地定義數(shù)據(jù)類型,多方面配置QoS,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸。

目前,RTI-DDS在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,國內(nèi)使用RTI-DDS進行實際項目開發(fā)的較少。不僅僅是模擬訓練,包括分布式控制、工業(yè)自動化以及社交通信等都可以應(yīng)用RTI-DDS,下一步還需加大性能測試范圍,勇于探索DDS的實際應(yīng)用。

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中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.019

作者簡介:任棕詵,男,碩士研究生,研究方向:裝備效能評估,分布式仿真。任雄偉,男,博士,教授,研究方向:武器裝備體系效能分析,復(fù)雜系統(tǒng)建模,作戰(zhàn)模擬仿真等。

*收稿日期:2015年8月12日,修回日期:2015年9月22日