數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通用建模與仿真框架*

王文政,曹　琦

(后勤工程學院訓練部,重慶　400047)

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數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通用建模與仿真框架*

王文政,曹琦

(后勤工程學院訓練部,重慶400047)

為開展數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)性能分析、效能評估及模擬訓練等多樣化研究,在建模和仿真需求分析的基礎(chǔ)上,提出了通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真框架,旨在提高模型重用性,滿足不同層次數(shù)據(jù)鏈仿真需求以及增強仿真系統(tǒng)可擴展性。首先給出了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組件化建?？蚣?分析了其模型邏輯結(jié)構(gòu),并對建模流程進行了闡述。然后,基于建?？蚣茉O(shè)計了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真框架,并對其構(gòu)成和運用流程進行了詳細描述。

數(shù)據(jù)鏈;組件化;建?？蚣?仿真框架

作為現(xiàn)代軍事電子信息系統(tǒng)中重要的組成部分,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的研制和發(fā)展衡量著信息化裝備的水平和能力,在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著極其重要的作用[1]。建模和仿真作為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)生命周期中不可或缺的技術(shù)手段,在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[2]。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模和仿真的目的不但要檢驗其通信質(zhì)量是否能滿足部隊的通信需求,研究各數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)之間的互連、互通、互操作性能,為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供技術(shù)支持,而且還涉及在一定作戰(zhàn)背景下,對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行評估以及開展相關(guān)模擬訓練等問題。對于不同的應(yīng)用,數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的相關(guān)模型可以在很大程度上重用,仿真系統(tǒng)也可以通過一定的靈活性和可擴展性進行重用。

同時,隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)和作戰(zhàn)應(yīng)用技術(shù)等高新技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)鏈從開發(fā)到應(yīng)用的周期也在不斷縮短,從時間和效益上都要求在數(shù)據(jù)鏈的生命周期中,加強模型的重用性,提高仿真系統(tǒng)的可擴展性。

因此,設(shè)計和開發(fā)通用的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真框架,對于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能分析、效能評估及模擬訓練等都具有十分重要的意義。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模和仿真主要用于性能分析和效能評估。其中,性能分析仿真又可以分為鏈路仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真。鏈路仿真一般基于Matlab/Simulink/Systemview/SPW等進行,研究波形的傳輸特性和抗干擾性能等[3-5]。網(wǎng)絡(luò)仿真一般采用諸如OPNET、QUALNET、NS2等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件來完成,對系統(tǒng)的通信性能進行分析[6-8]。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)效能評估仿真主要是通過建模仿真,評估傳統(tǒng)武器裝備在加裝數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)后,其戰(zhàn)斗力指標的變化情況[9-10]。裝備數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)之后開展的模擬訓練工作,主要是基于具有人機交互的仿真軟件,對數(shù)據(jù)鏈的操作進行訓練[11],目前這類建模仿真研究還較少。同時,不同用途的仿真一般是分別建立仿真系統(tǒng),獨立進行仿真應(yīng)用,缺乏通用的建模與仿真框架以支持多種仿真應(yīng)用,不利于模型的重用、縮短數(shù)據(jù)鏈研發(fā)應(yīng)用周期,為此,本文將根據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真需求,重點闡述數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真框架。

1　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真需求分析

從數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的生命周期看,采用建模和仿真作為主要技術(shù)手段解決的問題大致可以分為鏈路仿真、網(wǎng)絡(luò)仿真、效能評估和模擬訓練。因此,下面將從此四個方面論述其建模和仿真需求。

1.1鏈路仿真

在對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)信號的傳輸特性進行分析與改進、干擾方法設(shè)計以及抗干擾性能和方法設(shè)計等進行研究時,需要進行鏈路仿真,它主要應(yīng)用于協(xié)議棧模型[12]中的鏈路層仿真。在進行傳輸特性分析與改進研究時,需要重點關(guān)注的是信源模型和信道模型,這兩個模型的好壞將直接決定所提出的傳輸技術(shù)與方法在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中的真實應(yīng)用效果。在進行干擾和抗干擾研究時,還要關(guān)注干擾模型的設(shè)計是否真實合理。

1.2網(wǎng)絡(luò)仿真

在對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)媒體接入控制協(xié)議、路由協(xié)議等進行設(shè)計與分析時,需要進行網(wǎng)絡(luò)仿真,它主要應(yīng)用于對協(xié)議棧模型中鏈路層以上的協(xié)議進行仿真。當然,網(wǎng)絡(luò)仿真中也離不開鏈路層模型的支持。網(wǎng)絡(luò)仿真重點關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型。然而,由于網(wǎng)絡(luò)仿真中關(guān)注的重點不是鏈路層協(xié)議,因此,一般不需要精細的鏈路層模型,但當鏈路層性能對網(wǎng)絡(luò)層性能具有較大影響時[13],需要考慮精細的鏈路層模型。

1.3效能評估

由于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)本身不具有殺傷力,只是通過“信息優(yōu)勢”實現(xiàn)裝備數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的武器或平臺的作戰(zhàn)效能實現(xiàn)“倍增”,因此,在進行數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)效能仿真評估時,需要考慮到裝備的火力模型,重點研究如何借助數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信息增強作用,實現(xiàn)武器裝備作戰(zhàn)效能的提高以及提高多少。也就是說,在評估數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能時,需要在傳統(tǒng)裝備模型的基礎(chǔ)上,重點考慮數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型,才能進行有效評估。

1.4模擬訓練

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模擬訓練主要為裝備操作員提供仿真環(huán)境下的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)操作界面,訓練其在近似實戰(zhàn)環(huán)境下數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、信息查閱以及在遭遇干擾等情況下的操作等能力。因此,其重點需要關(guān)注的是考慮數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的節(jié)點模型,在仿真中需要提供較為逼真的人機交互界面。

2　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建?？蚣?/h2>

在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模中,影響模型重用性的重要因素之一是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的復雜性和多樣性,為此,本文提出了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組件化建模框架。

圖1　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型分層邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真中,整個系統(tǒng)大致可以分為節(jié)點層、網(wǎng)絡(luò)層和作戰(zhàn)層三個層次。每個層次包含不同類型的模型:節(jié)點層對應(yīng)著各種數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)節(jié)點模型,節(jié)點模型中包含了相應(yīng)的鏈路模型;網(wǎng)絡(luò)層對應(yīng)著各種數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型,其中包括了單網(wǎng)模型和由單網(wǎng)模型集成而成的多網(wǎng)模型;作戰(zhàn)層對應(yīng)著各種作戰(zhàn)模型。通過各種節(jié)點模型集成而成的網(wǎng)絡(luò)模型,需要接受作戰(zhàn)模型的控制,才能對作戰(zhàn)應(yīng)用加以描述。

圖2給出了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型組件體系,主要包含四類模型組件:鏈路模型組件、節(jié)點模型組件、網(wǎng)絡(luò)模型組件和作戰(zhàn)模型組件。

鏈路模型組件主要包括信源組件類、信道組件類、信息發(fā)送組件類、信息接收組件類以及干擾和抗干擾組件類。節(jié)點模型組件主要包括動力組件類、運動組件類、火力組件類、傳感器組件類和可靠性組件類。網(wǎng)絡(luò)模型組件主要包括組網(wǎng)規(guī)劃組件類、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件類、網(wǎng)絡(luò)管理組件類、拓撲結(jié)構(gòu)組件類和戰(zhàn)場環(huán)境組件類。作戰(zhàn)模型組件主要包括公共基礎(chǔ)組件類、想定生成組件類、指揮控制組件類、作戰(zhàn)行動組件類和態(tài)勢顯示組件類。其中,作戰(zhàn)模型組件中的公共基礎(chǔ)組件類主要包括各種坐標轉(zhuǎn)換組件、目標毀傷計算組件等作戰(zhàn)基礎(chǔ)功能組件。

圖2　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)模型組件體系

四類模型除了具有圖1所示的邏輯關(guān)系外,在具體組件構(gòu)成上還具有包含關(guān)系,即節(jié)點模型組件包含了鏈路模型組件,網(wǎng)絡(luò)模型組件包含了節(jié)點模型組件,作戰(zhàn)模型組件包含了網(wǎng)絡(luò)模型組件。需要說明的是,戰(zhàn)場環(huán)境組件類包含了地理環(huán)境的高程等數(shù)據(jù),除了在網(wǎng)絡(luò)仿真中需要用到該組件類外,在鏈路仿真和作戰(zhàn)仿真中同樣需要其中的高程數(shù)據(jù),以判斷信號的直視與否以及對作戰(zhàn)行動產(chǎn)生影響。

各類組件以組件庫的形勢存放,并進行編目,針對不同用戶的不同需求,可以組合成各種模型。如圖3所示,在進行建模時,首先,用戶需要對具體需求進行定義,然后,與組件庫對組件的定義進行匹配,如果匹配不成功,需要用戶基于組件開發(fā)環(huán)境,自己構(gòu)建新的組件,并按照入庫規(guī)則進行組件入庫。如果匹配成功,就進行模型裝配,裝配完畢,針對不同的應(yīng)用需要進行適當?shù)木庉?之后,對于滿足需求的模型就可以進行調(diào)用。

圖3　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模流程

3　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真架構(gòu)

為提高數(shù)據(jù)鏈仿真系統(tǒng)的可組合性、可擴展性和開發(fā)效率,滿足多樣化應(yīng)用需求,提出了如圖4所示的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真架構(gòu)。

圖4　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真架構(gòu)

該架構(gòu)通過綜合信息交互總線將仿真引擎、仿真管理以及支撐環(huán)境有機融合在一起,體現(xiàn)了功能實現(xiàn)與應(yīng)用軟件分離、仿真應(yīng)用與支撐平臺分離的可靈活重組的技術(shù)要求。整個架構(gòu)采用模塊化設(shè)計方法,分解為若干獨立的功能模塊,每個功能模塊具有標準接口,可面向各類應(yīng)用需求靈活組構(gòu),既能提供公共統(tǒng)一的地形、氣象、水紋等環(huán)境服務(wù),坐標轉(zhuǎn)換、空間計算等基礎(chǔ)服務(wù),以及日志、調(diào)試等輔助開發(fā)服務(wù),又能提供面向具體應(yīng)用的個性化服務(wù),單個模塊的升級改造不影響平臺其它部分的功能結(jié)構(gòu)。

其中,仿真引擎采用離散事件驅(qū)動仿真策略對應(yīng)不同層次的仿真應(yīng)用進行仿真;仿真管理主要實現(xiàn)仿真想定的編輯、配置,仿真系統(tǒng)內(nèi)部通信機制的管理和實現(xiàn)以及仿真系統(tǒng)的運行控制和維護等;各部分之間通過綜合信息交互總線進行數(shù)據(jù)交換和程序控制。值得注意的是,該架構(gòu)具有可擴展性,可以根據(jù)需要,在原有功能的基礎(chǔ)上進行靈活擴展。它不僅僅是一個仿真平臺,還是一個開發(fā)平臺,具有二次開發(fā)功能。

3.1仿真策略

仿真系統(tǒng)采用離散事件驅(qū)動仿真模式,仿真運行流程如圖5所示。

圖5　基于事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)鏈仿真運行流程

根據(jù)仿真應(yīng)用需求,仿真引擎設(shè)置鏈路仿真事件組、網(wǎng)絡(luò)仿真事件組、作戰(zhàn)仿真事件組和其它事件仿真組。開始仿真時,首先初始化仿真事件,并按照事先設(shè)定的優(yōu)先級規(guī)則生成事件隊列。然后,取出仿真隊列中的第一個事件,進行判斷,按照鏈路仿真事件、網(wǎng)絡(luò)仿真事件和作戰(zhàn)仿真事件的分類,分別調(diào)用相應(yīng)的模型及配置參數(shù)進行仿真;對于其它事件,則執(zhí)行相應(yīng)的動作。每一次仿真之后都將觸發(fā)新事件,并插入到相應(yīng)的事件隊列中,直至整個仿真結(jié)束。

3.2架構(gòu)組成

這里主要對仿真架構(gòu)中的仿真管理和支撐環(huán)境進行介紹。

仿真管理主要包括想定編輯、系統(tǒng)內(nèi)部的通信管理和系統(tǒng)運行維護。想定編輯主要用于定義仿真中參戰(zhàn)方的數(shù)據(jù)鏈裝備部署、基礎(chǔ)參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、組網(wǎng)模式、交戰(zhàn)規(guī)則等。例如一個想定中數(shù)據(jù)鏈裝備的類型、數(shù)量以及各自采用的鏈路模型、協(xié)議模型、報文生成模型和移動模型;數(shù)據(jù)鏈裝備之間的聯(lián)通關(guān)系;數(shù)據(jù)鏈裝備的流量配置;數(shù)據(jù)鏈裝備的失效和修復時間等。同時,想定編輯還要完成數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真模型的實現(xiàn)與配置。例如仿真時間、隨機種子、原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集等配置。系統(tǒng)內(nèi)部的通信管理主要實現(xiàn)系統(tǒng)各個部分通過交互總線進行實時信息交互的功能。系統(tǒng)運行維護包括系統(tǒng)運行控制和系統(tǒng)維護,主要提供仿真系統(tǒng)正常運行所需要的服務(wù)和控制,如時間管理服務(wù)、進程調(diào)度、運行數(shù)據(jù)的存儲與讀取等。

支撐環(huán)境主要由數(shù)據(jù)支撐環(huán)境、模型支撐環(huán)境和工具支撐環(huán)境組成。數(shù)據(jù)支撐環(huán)境主要包括實體資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、編制體制數(shù)據(jù)庫、交互規(guī)則數(shù)據(jù)庫、評價指標數(shù)據(jù)庫以及仿真案例數(shù)據(jù)庫。通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,仿真平臺可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真相關(guān)數(shù)據(jù)的管理和使用。模型支撐環(huán)境主要由仿真所需的各種模型組件及組件管理系統(tǒng)構(gòu)成,主要實現(xiàn)對模型組件的開發(fā)、注冊、裝配及其它管理功能。工具支撐環(huán)境實現(xiàn)對各種工具軟件的管理與控制。基于Visual C++,仿真架構(gòu)綜合利用了OPNET的網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的建模能力、Simulink的物理層建模能力以及UML概念建模能力。這里,Oracle主要完成數(shù)據(jù)管理和維護功能。因此,工具支撐環(huán)境主要用于為系統(tǒng)的有效運行和管理提供外部支撐工具。在各支撐工具的集成問題上,采用顯式加載動態(tài)連接庫,并適時調(diào)用其引出函數(shù)實現(xiàn)功能調(diào)用的方法。采用這樣的方法,一方面可以充分利用已有的積累現(xiàn)有成果,另一方面可以實現(xiàn)具體應(yīng)用與支撐工具的深度整合。

3.3運用流程

基于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真架構(gòu)及其提供的基礎(chǔ)支撐功能,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真平臺的構(gòu)建。如圖6所示,總體上分為三步:設(shè)計系統(tǒng)模型、確定仿真模型和構(gòu)建仿真系統(tǒng)。

在設(shè)計系統(tǒng)模型過程中,主要是通過對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的仿真功能需求分析,采用UML工具對其通信過程進行描述,建立相應(yīng)概念模型和數(shù)學模型。并將其組件化之后,進行模型組件入庫。

圖6　數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)仿真框架使用流程

在確定仿真模型過程中,根據(jù)前面的分析結(jié)果,對于已有的仿真模型,可以直接調(diào)用;而對于需要補充的模型,需要另行設(shè)計實現(xiàn),并按照相應(yīng)規(guī)則進行組件化后,注冊入庫。

在構(gòu)建仿真系統(tǒng)過程中,首先提取相關(guān)的組件模型,然后進行仿真系統(tǒng)的裝配,之后,基于數(shù)據(jù)支撐環(huán)境,獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后,對仿真系統(tǒng)進行測試。

整個過程是一個循環(huán)往復的過程,直至獲得滿意的仿真系統(tǒng)。

4　結(jié)束語

建模和仿真在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)全生命周期中具有重要作用。為了便于對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)進行多樣化仿真研究,本文提出了面向性能分析、效能評估和模擬訓練等多種建模和仿真需求的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)建模與仿真框架。在下一步的研究中,將重點考慮本文提出的建模與仿真框架同其它高層建模和仿真體系的對接融合問題。

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General Modeling and Simulation Framework of Data Link System

WANG Wen-zheng, CAO Qi

(Training Department, Logistical Engineering University, Chongqing 410073, China)

In order to provide a general tool for research on the analysis, evaluation and training of data link system, the modeling and simulation framework is proposed based on the analysis of the needs of modeling and si-mulation of data link system, which is aimed at improving the reuse of data link system model, meeting the needs of different levels of data link system simulation at the same time, and enhancing the data link si-mulation system scalability. Firstly, the framework of component modeling of data link system is presented, the logic structure of the models in which is analyzed, and the modeling process is described. Then, the framework of data link system simulation is designed based on the modeling framework, and its structure and application process are described in detail.

data link; component; modeling framework; simulation framework

1673-3819(2016)04-0102-05

2016-03-03

2016-03-28

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2014 jcyjA40008);重慶市高等教育學會高等教育科學研究課題(CQGJ13B532)

王文政(1980-),男,河南駐馬店人,博士,講師,研究方向為數(shù)據(jù)鏈建模與仿真。

曹琦(1976-),男,博士,副教授。

TN919.2；E96

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.021