基于多層中轉(zhuǎn)的飛行訓(xùn)練模擬器遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)設(shè)計

劉燦燦，韓彥東，趙保明，2，李志勇，張 曼

（1.空軍軍訓(xùn)器材研究所，北京 100195；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083；3.95380部隊，廣東湛江 524329）

基于多層中轉(zhuǎn)的飛行訓(xùn)練模擬器遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)設(shè)計

劉燦燦1，韓彥東1，趙保明1，2，李志勇3，張 曼1

（1.空軍軍訓(xùn)器材研究所，北京 100195；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083；3.95380部隊，廣東湛江 524329）

隨著飛行模擬訓(xùn)練在我國的常態(tài)化、普及化發(fā)展，模擬裝備的保障壓力也日益增長，為了有效緩解保障壓力增長與保障力量薄弱之間的突出矛盾，提出一種基于多層中轉(zhuǎn)跨網(wǎng)絡(luò)的飛行訓(xùn)練模擬器遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托現(xiàn)有的專用網(wǎng)資源建立從技術(shù)保障中心到遠(yuǎn)程模擬器的數(shù)據(jù)通道，通過在不同網(wǎng)段間架設(shè)中轉(zhuǎn)服務(wù)器的方法為技術(shù)保障人員提供從專用網(wǎng)到模擬器局域網(wǎng)計算機的通信鏈路，從而輔助技術(shù)保障人員對遠(yuǎn)程模擬器進行遠(yuǎn)程保障。目前，該系統(tǒng)已在空軍多個部隊進行了部署和應(yīng)用，使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣能大大拉直模擬裝備的保障路徑，縮短排故時間，節(jié)省維護經(jīng)費。

飛行訓(xùn)練；模擬器；遠(yuǎn)程控制；保障；中轉(zhuǎn)服務(wù)器

隨著飛行模擬器的長足發(fā)展，模擬訓(xùn)練作為一種常態(tài)化、普及化的訓(xùn)練手段也日益發(fā)展［1?3］。目前，空軍模擬訓(xùn)練裝備已經(jīng)覆蓋了所有現(xiàn)役機型和大部分部隊，在完成正常訓(xùn)練大綱任務(wù)的同時，為適應(yīng)多變的作戰(zhàn)輪訓(xùn)任務(wù)，以設(shè)定地區(qū)、假想環(huán)境和可配置作戰(zhàn)編成為特點的組訓(xùn)需求也日益凸顯［4?5］。隨著日常訓(xùn)練的裝備規(guī)模、復(fù)雜程度和組訓(xùn)量的逐漸增加，模擬訓(xùn)練裝備的保障壓力也日益增長［6?7］。然而，目前技術(shù)保障部門對模擬訓(xùn)練裝備的保障手段仍停留在項目驗收-裝備交付-項目終結(jié)的傳統(tǒng)模式，部隊可分配在模擬裝備保障的人員數(shù)量較少，由此造成的保障力量薄弱與保障壓力增長之間的矛盾已經(jīng)成為制約空軍模擬訓(xùn)練普及化、常態(tài)化發(fā)展的一個重要原因。

1 典型的模擬器局域網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)

一種典型的模擬器局域網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 一種典型的模擬器局域網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)

模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的計算機由五個網(wǎng)段（A、B、C、D和E）組成，網(wǎng)段A、B、C之間通過網(wǎng)絡(luò)計算機進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。A網(wǎng)段的計算機A2同時與D網(wǎng)段的計算機D1和D2進行通信，計算機D1、D2只能與計算機A2進行通信，與其他計算機不能通信；同時，C網(wǎng)段的計算機C1與E網(wǎng)段的計算機E1和E2進行通信，E1和E2只能與計算機C1進行通信，與其他計算機也不能通信。

為達(dá)到位于技術(shù)保障中心的技術(shù)保障人員對遠(yuǎn)程模擬器局域網(wǎng)內(nèi)任意計算機進行連接和控制的需求，依托現(xiàn)有的專用網(wǎng)資源進行遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)的架設(shè)。系統(tǒng)為模擬器引入一個專用網(wǎng)端口，通過該端口實現(xiàn)遠(yuǎn)程模擬器與技術(shù)保障中心的數(shù)據(jù)通信；同時，為滿足技術(shù)保障中心對局域網(wǎng)內(nèi)任意計算機進行遠(yuǎn)程控制的需求，需建立專用網(wǎng)到局域網(wǎng)內(nèi)各網(wǎng)段計算機的通信鏈路，如何建立專用網(wǎng)到模擬器局域網(wǎng)內(nèi)任意計算機之間的通信鏈路、圖像文件的編碼及傳輸是本文需重點解決的問題，也是難點所在。在遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)的架設(shè)過程中，為保證模擬器的原有功能和性能不受影響，需遵循以下兩條原則：

1）不改變模擬器的原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

2）盡量保持模擬器的原有軟硬件狀態(tài)。

2 主要技術(shù)難點

2.1 基于消息轉(zhuǎn)發(fā)的中轉(zhuǎn)服務(wù)器

為解決技術(shù)保障中心到遠(yuǎn)程模擬器端的消息通信問題，在模擬器端引入一個專用網(wǎng)端口，依托專用網(wǎng)進行消息通信。然而，由于模擬器局域網(wǎng)內(nèi)計算機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，位于技術(shù)保障中心的計算機無法直接與模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的計算機建立連接，為了解決這一難題，在模擬器端搭建一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器負(fù)責(zé)專用網(wǎng)與模擬器局域網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)發(fā)。中轉(zhuǎn)服務(wù)器的工作原理如圖2。

圖2 中轉(zhuǎn)服務(wù)器的工作原理

如圖所示，在模擬器端搭建一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器，在中轉(zhuǎn)服務(wù)器上配置多塊網(wǎng)卡，同時與專用網(wǎng)、A網(wǎng)段、B網(wǎng)段和C網(wǎng)段的計算機進行通信。在中轉(zhuǎn)服務(wù)器上運行一個代理進程，由代理進程負(fù)責(zé)不同網(wǎng)段計算機之間的消息轉(zhuǎn)發(fā)，為防止數(shù)據(jù)丟失或擁塞，在中轉(zhuǎn)服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)緩存區(qū)，由代理進程將轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行緩存或部分緩存，代理進程從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并依次將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)計算機。代理進程的工作對終端用戶是透明的，用戶無法感知代理進程的工作與存在。

2.2 基于差異的圖像編碼技術(shù)

技術(shù)保障人員對遠(yuǎn)程模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的計算機進行遠(yuǎn)程控制時，被控計算機的屏幕將被傳輸至主控本文計算機進行顯示。以目前較為普遍的屏幕分辨率1960?1680來計算，一次截屏需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將在2M左右，這將對網(wǎng)絡(luò)造成極大的擁堵，因此我們采用基于差異的圖像編碼技術(shù)對屏幕圖象進行編碼。在被控方將系統(tǒng)屏幕進行4?4的分區(qū)，每次循環(huán)遍歷各分區(qū)的圖象數(shù)據(jù)，如果圖象不發(fā)生變化，該分區(qū)的圖像不需進行傳輸，如果發(fā)生變化則將該分區(qū)繼續(xù)進行4?4的劃分，并在該分區(qū)內(nèi)查找發(fā)生變化的分區(qū)，此過程一直循環(huán)直至屏幕顯示分辨率達(dá)到要求為止。同時采用Zlib算法對傳輸數(shù)據(jù)進行壓縮，最大程度保證遠(yuǎn)程操作的流暢性。

2.3 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

在進行數(shù)據(jù)傳輸時為每個數(shù)據(jù)包建立包頭，包頭格式為：主控方ID+當(dāng)前數(shù)據(jù)包序號+發(fā)送數(shù)據(jù)包序號列表+數(shù)據(jù)校驗位+數(shù)據(jù)包內(nèi)容，各部分的功能解釋如下：

主控方ID：標(biāo)識該數(shù)據(jù)包需發(fā)往的目的地；

數(shù)據(jù)包序號：該數(shù)據(jù)包在屏幕中的編碼位置，主控方和被控方采用一致的編碼方式，主控方通過該序號計算該數(shù)據(jù)塊的位置；

發(fā)送數(shù)據(jù)包序號列表：在進行屏幕圖像編碼時均只對發(fā)生改變的區(qū)域進行傳輸，主控方收到數(shù)據(jù)后，檢查該列表，如果某區(qū)域塊的數(shù)據(jù)包丟失，則可依據(jù)次序號要求重傳；

數(shù)據(jù)檢驗位：主控方收到數(shù)據(jù)包后依據(jù)校驗位對數(shù)據(jù)包進行正確性和完整性等的校驗；

數(shù)據(jù)包內(nèi)容：實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容。

3 遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)采用C／S結(jié)構(gòu)進行搭建，為每臺入網(wǎng)模擬器搭建一個遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器一端與專用網(wǎng)連接，另一端與模擬器局域網(wǎng)進行連接，遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)的架構(gòu)及服務(wù)如圖3所示。

在技術(shù)保障中心和模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的計算機上分別部署一個客戶端，由客戶端提供文件傳輸、遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)控等服務(wù)。位于技術(shù)保障中心的技術(shù)保障人員通過客戶端對局域網(wǎng)內(nèi)的任意機器進行文件傳輸、遠(yuǎn)程控制和視頻監(jiān)控等操作，文件傳輸提供給用戶向遠(yuǎn)程客戶端傳輸文件或文件夾的功能；遠(yuǎn)程控制提供給用戶獲取對方系統(tǒng)界面及控制權(quán)限的功能，并對對方計算機進行操控；視頻監(jiān)控能與遠(yuǎn)程模擬器進行語音及視頻通信。在遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)服務(wù)器上部署用戶及登錄管理服務(wù)、分組及權(quán)限管理服務(wù)、文件傳輸中轉(zhuǎn)服務(wù)、消息中轉(zhuǎn)服務(wù)和視頻中轉(zhuǎn)服務(wù)。其中，用戶和登錄管理服務(wù)負(fù)責(zé)保障系統(tǒng)中用戶的創(chuàng)建、修改和在線管理，為每個客戶端創(chuàng)建并分配一個賬號，客戶端利用該賬號進行登錄，服務(wù)器實時監(jiān)控各客戶端的在線狀態(tài)，并對客戶端的在線狀態(tài)進行管理；分組及權(quán)限管理服務(wù)為保障系統(tǒng)中的用戶提供分組功能，分別對每組用戶的訪問權(quán)限進行控制和管理；文件傳輸中轉(zhuǎn)服務(wù)、消息中轉(zhuǎn)服務(wù)以及視頻中轉(zhuǎn)服務(wù)分別對各客戶端的文件傳輸、遠(yuǎn)程控制以及視頻通信服務(wù)等進行緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，極大限度保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖3 遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 基于多層中轉(zhuǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證技術(shù)保障中心的客戶端能對模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的所有計算機進行遠(yuǎn)程控制和訪問，需建立保障系統(tǒng)服務(wù)器到模擬器局域網(wǎng)內(nèi)任意計算機的通信鏈路，即保障系統(tǒng)服務(wù)器能訪問模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的所有計算機。為達(dá)到這一目標(biāo)，對圖1所示的典型模擬器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，一種方法是在保障系統(tǒng)服務(wù)器上配置6塊網(wǎng)卡，其中5塊用于與A、B、C、D和E五個網(wǎng)段的計算機進行通信，另外一塊用于與專用網(wǎng)客戶端之間的通信，這種配置能簡單地解決技術(shù)保障中心的客戶端對局域網(wǎng)內(nèi)任意計算機進行訪問控制的需求，但該方法過于依賴保障系統(tǒng)服務(wù)器的網(wǎng)卡配置，網(wǎng)卡數(shù)量過多時，系統(tǒng)故障率增加，同時這種方法擴展性受限，當(dāng)模擬器局域網(wǎng)網(wǎng)段增加時，服務(wù)器上的網(wǎng)卡數(shù)量也需相應(yīng)增加。

為解決以上問題，對圖1所示的模擬器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出一種基于多層中轉(zhuǎn)的解決方案，如圖4。

圖4 基于多層消息中轉(zhuǎn)的解決方案

如圖所示，在模擬器端增加一臺保障系統(tǒng)服務(wù)器，在該服務(wù)器上部署一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由中轉(zhuǎn)服務(wù)器負(fù)責(zé)技術(shù)保障客戶端與A、B、C網(wǎng)段中計算機的消息轉(zhuǎn)發(fā)，同時在A2計算機上部署一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由該中轉(zhuǎn)服務(wù)器負(fù)責(zé)保障系統(tǒng)服務(wù)器與D網(wǎng)段中計算機D1、D2之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)，來自技術(shù)保障中心的消息通過保障系統(tǒng)服務(wù)器與A2計算機的轉(zhuǎn)發(fā)后，能到達(dá)D網(wǎng)段的計算機D1、D2上，同理，E網(wǎng)段中的計算機E1、E2通過C1和保障系統(tǒng)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)后，也能與技術(shù)保障中心的客戶端進行通信。

基于多層中轉(zhuǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)能將保障系統(tǒng)服務(wù)器上的網(wǎng)卡減至四塊，其中一塊用于與遠(yuǎn)程保障中心的客戶端進行通信，另外三塊分別用于與網(wǎng)段A、B、C中的計算機進行通信。此外，在計算機A2和C1上分別部署了一個中轉(zhuǎn)服務(wù)器，由于這兩個中轉(zhuǎn)服務(wù)器位于模擬器局域網(wǎng)中，而局域網(wǎng)的網(wǎng)速和帶寬均比較大，因此由消息轉(zhuǎn)發(fā)所產(chǎn)生的時間延時和性能損失均比較小。這種基于多層中轉(zhuǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)比較適用于類似圖1中這種模擬器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的情況。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與結(jié)果

目前，遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)已在空軍多個戰(zhàn)術(shù)模擬器和大型模擬器上進行了部署，其界面和操作如圖5，其中圖5（a）為客戶端界面，圖5（b）為文件傳輸界面，圖5（c）為遠(yuǎn)程桌面控制界面，圖5（d）為視頻監(jiān)控界面。

實測通過專用網(wǎng)的文件傳輸速度基本保持在200kB／s左右，當(dāng)有10G以上的場景庫數(shù)據(jù)傳輸需求時，數(shù)據(jù)傳輸時間為14小時左右，客戶端的文件傳輸支持?jǐn)帱c續(xù)傳，當(dāng)傳輸過程中發(fā)生異常時，可從異常處開始續(xù)傳。另外，在技術(shù)保障中心對遠(yuǎn)程模擬器局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端進行遠(yuǎn)程操作時，操作反應(yīng)延時約為0.5s，能較好地解決遠(yuǎn)程控制的需求。此外，由試驗結(jié)果可知，從技術(shù)保障中心的客戶端與遠(yuǎn)程模擬器進行語音和視頻通信時，畫面流暢，語音連續(xù)，能較好地支持遠(yuǎn)程故障診斷和遠(yuǎn)程排故指導(dǎo)。

圖5 保障系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語

隨著模擬訓(xùn)練的日益普及化、常態(tài)化發(fā)展，模擬裝備保障壓力的日益增長與保障力量相對薄弱之間的矛盾越來越明顯，并成為制約模擬訓(xùn)練發(fā)展和普及的一個重要因素。為了有效緩解這一矛盾，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于多層轉(zhuǎn)發(fā)的遠(yuǎn)程保障系統(tǒng)，該系統(tǒng)依托現(xiàn)有的專用網(wǎng)資源，為技術(shù)保障人員提供一種遠(yuǎn)程文件傳輸、遠(yuǎn)程桌面控制和視頻監(jiān)控功能。技術(shù)保障人員可將本地文件直接傳輸至遠(yuǎn)程模擬器的任意計算機上，并通過桌面連接的方式對遠(yuǎn)程計算機進行現(xiàn)場操縱，支持技術(shù)保障人員進行遠(yuǎn)程軟件版本升級和場景更新；同時提供視頻監(jiān)控功能支持技術(shù)保障人員遠(yuǎn)程進行現(xiàn)場故障診斷，并指導(dǎo)部隊保障人員進行現(xiàn)場排故。從試用效果來看，該系統(tǒng)能有效滿足控制中心的技術(shù)保障人員對遠(yuǎn)程模擬器進行系統(tǒng)升級、場景更新、技術(shù)指導(dǎo)和維修保障等需求，達(dá)到裝備保障全壽命周期內(nèi)持續(xù)滿足實戰(zhàn)化組訓(xùn)需要的目標(biāo)，從頂層設(shè)計上實現(xiàn)由生產(chǎn)固化的裝備交付模式到裝備全壽命保障服務(wù)模式的轉(zhuǎn)變，進一步提高了模擬訓(xùn)練的軍事經(jīng)濟效益。

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Design of Remote Guarantee System for Flight Training Simulator Basedon Multi?layer Transfer

LIU Can?can1，HAN Yan?dong1，ZHAO Bao?ming1，2，LI Zhi?yong3，ZHANG Man1
（1.Air Force Training Equipment Institute，Beijing 100195；2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083；3.95380 Forces，Zhanjiang 524329，China）

Along with the normalizing and universal development of simulation training in our country，the guarantee pres?sure of simulation equipment is also growing.In order to alleviate the contradiction between the growing guarantee pressure and weak guarantee ability，we propose a remote guanrantee system for flight training simulator based on multi?layer transfer in different network.This system relies on existing private network resources，opens up the passage from the technical support center to the remote simulator，which provides some transit servers to forward data between any computer in private network and remote simulator LAN.The system can assists the technical support personnel to guarantee the simulator remotely.The system has been deployed on some simulators in the Air Force regiment.The results show that the system can greatly straight?en the simulation equipment protection path，shorten the troubleshooting time，save maintenance expenses.

flight training；simulator；remote control；support guarantee；transit server

TJ391；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.016

1673?3819（2016）06?0082?04

2016?08?23

2016?10?08

劉燦燦（1980?），女，湖南漣源人，博士，工程師，研究方向為飛行控制仿真、飛行模擬器設(shè)計等。

韓彥東（1971?），男，碩士，高級工程師。

趙保明（1977?），男，博士研究生，工程師。

李志勇（1977?），男，碩士，工程師。

張 曼（1985?），女，助理工程師。