中国指挥与控制学会会刊 
随着仿真技术的飞速发展,模拟器已经成为各类院校及培训机构广泛使用的教学实践器材和设备。在应对单一专业技能培训过程中,其具有专业性、针对性、经济性等诸多优点,然而在面临综合能力提升这一高阶要求时往往略显不足:一是模拟实践场景的构造往往较为单一,仅有有限的几个场景;二是由于针对性和专业性,模型的抽象上往往仅突出了本专业的特征模拟;三是流程性实操居多,场景的复杂程度不足,缺乏激烈的交互,与真实场景差距较大。
实践教学非常强调岗位专业技能的培养,要求实践操作环境依托现实背景、贴近真实场景。然而由于现代战争的复杂性及不确定性,这是一个费时费力费钱的难题,难以营造多样的、全面的、复杂的真实场景来支撑大规模实操人员的交互实践。因而,将各型模拟系统进行互联互操作,相互协同、相互补充、相互对抗,在一个共同的场景中开展同步练习,则成为提升综合实践教学水平的方法之一。
1 多系统互联面临的问题及主要解决方案
各系统的建设内容主要依据的是自身专业领域面临的实践教学问题,以及实验室的技术积累和技术优势,并没有统一的设计方案。系统间多采用不同的技术手段和方法,遵从不同的标准和协议;实操活动流程上取自不同阶段,难以协同一致;模型抽象上各有侧重,难以相互匹配;数据定义上自成体系,难以相互识别。这些问题都构成了多系统互联的障碍,使其天然不具备互联的条件。
美军在不同时期对训练仿真需求不同,产生了多种系统互联的协议。DIS支持同类功能仿真应用互联互操作;HLA适用于所有应用领域中M&S的开发和集成,主要集中在虚拟领域;TENA和CTIA是面向真实训练场上,迅速、高效、低成本地实现靶场试验与训练领域的互操作。JLVC则是立足于在真实、虚拟、构造的多个层面解决独立开发的功能组件、应用程序等系统实现协同工作的问题[1-2]。文献[3]将网格技术与HLA/RTI相结合,实现广域网内多个仿真系统之间的互联与互操作,完成联邦级或系统级的功能共享和重用。文献[4-5]采用基于主动感知的数据转换方法、基于模板的信息智能交互方法和异构系统集成方法等构建中间件系统,并从数据转换桥接、时间管理桥接、导调监控桥接、指挥命令桥接和互联规范桥接等方面实现指挥信息系统实装与仿真系统互联互通。文献[6]使用桥接方式进行DIS、HLA异构系统集成,优化时间推进逻辑配合计时硬件卡保证桥接器的近实时性,以HLA时间管理保障仿真逻辑的正确,实现空空导弹制导系统半实物仿真(DIS系统)与空战战场仿真(HLA系统)异构系统的有效集成。文献[7]设计了包括接口服务、通用数据交换模型、模型映射模型和状态池的通用网关来解决HLA-TENA互联问题,通过原型系统的试验,找到了影响网关性能的主要因素。文献[8]通过使用DDS替换HLA中的数据分发功能,利用HLA进行仿真系统中的联邦管理,并使DDS负责仿真节点间的数据分发功能,在半实物仿真中达到了实时仿真的目的。文献[9]以OPNET网络仿真平台为核心,采用DDS构建分布式系统总线,提出一种分布式通信网络仿真系统(DOP系统),实现与三维显示联邦成员的分布式通讯。
目前多系统互联的体系结构主要分为以下几种类型[10]:
(1)基于DIS或HLA的单联邦体系结构。这种体系结构的设计思路是对互联的各个模拟系统进行改造,使其符合DIS或HLA标准,统一设计全局唯一的UDP或FOM表,然后通过DIS或HLA提供的管理机制将模拟系统进行互联形成一个联邦进行运行,以支撑演习活动。
(2)基于DIS或HLA的多联邦互联体系结构。这种体系结构也是要求所有的联邦符合DIS或HLA标准,但与单联邦不同的是,其包含多个联邦,联邦之内的时钟同步、数据交换通过PDU或RTI提供的管理机制就能解决,但联邦之间的数据交换和时钟同步需要通过较为复杂的网关或桥来进行解决。
(3)基于TENA的体系结构。这种体系结构尽量保持原有系统的协议和标准,通过公共数据对象和TENA中间件实现不同系统之间的数据交换、时间同步和资源管理,保证数据的一致和运行逻辑的合理。
(4)多种技术体系的混合体系结构。这种体系结构也是尽量保持和利用原有系统的技术体系,例如DIS、HLA、TENA或者CTIA,通过公共数据对象、网关、桥等实现不同模拟系统之间的数据交换和时间同步,保证数据的一致和运行逻辑的合理。
本文针对多型异构仿真系统互联互通的实际需求,借鉴基于TENA体系结构开展互联的思路,探索和实现基于DDS技术的桥接方法,依据互联互操作要求将仿真系统分为总体态势获取、实体状态发布、实体控制权切换三种类型,以实现不同类型模拟器实体状态的同步。
2 基于DDS桥接器的系统结构
2.1 DDS特点
DDS全称是数据分发服务(data distribution service),旨在为分布式系统提供高效、可靠、实时的数据通信。DDS规范定义了以数据为中心的发布/订阅机制,使用UML来定义服务,提供一个与平台无关的模型,从而满足跨平台和编程语言的需求。DDS通过QoS策略来配置和利用系统资源,协调可预测性和执行效率之间的平衡,应对复杂多变的数据交互场景。
DDS规范分为DCPS(data-centric publish/subscribe以数据为中心的发布订阅层)和DLRL(data local reconstruction layer数据本地重构层)。DCPS负责在虚拟全局数据空间通过UDP或共享内存等方式发送接收数据。DLRL用于数据的本地表示,使得那些分布式数据可以为本地对象和远程对象所共享,让用户能直接访问变更的数据,达到与本地语言结构无缝连接的目的。基于DDS的中间件具有实时性、松耦合、动态性、灵活性的特点,能为复杂数据流、高传输速率、容错系统等场景提供合适的解决方案[11]。
2.2 桥接器设计
需互联的系统大致可描述为一个主仿真系统和若干模拟器的1+N结构,其结构如图1虚线外所示。主仿真系统包含了仿真实体域中所需业务的所有模型,实体的数量、类型、规模较为全面,但是模型精细度较低;模拟器系统主要代表了某些专业领域的模型仿真,实体的数量、类型、规模较少,但是模型精细度较高。
无论主仿真系统还是模拟器系统都自成体系,部署在一个单独的局域网环境中,具备单独的仿真引擎、模型体系、运行规则、内部通信等,均可独立运行,在各自构造的场景中支撑本专业的日常实践教学。但是在开展联合培训的时候,则需要各系统展现同一个场景,遵循统一的时空管理,各实体属性状态保持一致。
为实现互联,各系统构造通用的DDS消息中间件,主要包含数据转换、消息管理、网络质量管理3个模块,通过中间件完成各异构系统交互,形成DDS桥接器结构。功能上一是负责各系统数据结构定义的转换,二是遵循DDS通信协议完成消息传输功能,实现对象消息和事件消息的发布/订阅,三是制定消息传递策略,确保消息传递的质量和效率。具体结构如图1虚线内所示。
(1)数据转换模块:包含数据的含义转换、结构转换、度量转换等。
(2)消息管理器:完成分布式仿真环境下对象与事件的管理,包括对象的创建、删除、对象调用、事件发送及响应回调、实体属性更新及响应回调等功能,实现数据的订阅与发布功能。
①对象消息管理:是对分布式仿真环境下周期性数据的管理,包含仿真实体及其附属设备的状态属性等。
②事件消息管理:是对分布式仿真环境下突发性数据的管理,包含武器发射、指挥命令等突发性事件的抽象。
(3)网络质量管理:通过QoS的设置,实现网络通信质量的实时监控和管理,能够依据各类网络数据的重要性,调整网络服务质量,确保关键性信息数据的可靠交互。
3 基于DDS桥接器的数据交互
3.1 数据结构设计
主仿真系统与模拟器的交互消息包括想定消息、态势消息、控制消息、指令消息、状态消息等,这些消息依据数据传递频率分属于对象消息和事件消息,如表1所示。
表1 主仿真系统与模拟器的交互消息表Tab.1 Interaction message table between the main simulation system and the simulator |
| 序号 | 消息类型 | 发送方 | 接收方 | 交互信息 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 想定消息 | 主仿真系统 | 模拟器 | 想定数据 |
| 2 | 态势消息 | 主仿真系统 | 模拟器 | 所有实体状态 |
| 3 | 事件消息 | 主仿真系统 | 模拟器 | 实体交互的一次性事件 |
| 4 | 控制消息 | 主仿真系统 | 模拟器 | 仿真进程控制;时统 |
| 5 | 指令消息 | 主仿真系统 | 模拟器 | 对模拟器的干预指令 |
| 6 | 状态消息 | 模拟器 | 主仿真系统 | 模拟器及由其产生 的实体的实时状态 |
(1)想定消息。该消息产生于实操活动的起始阶段,由主仿真系统产生实操活动的整体虚体场景,包含地理区域、所有实体初始位置及状态、起始时间等,运行前由主仿真系统一次性下发给各参与模拟器系统。想定消息数据结构定义如表2所示。
表2 想定消息结构体Tab.2 The structure of the scenario message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| EntityIdentifier | originatingEntityID | 发起者ID |
| EntityIdentifier | receivingEntityID | 接收者ID |
| int | planid | 子任务ID |
| std::string | planName | 方案名称 |
| std::string | scenarioName | 想定名 |
| std::vector<std::string> | qtlaData | 企图立案word 文档的二进制数据 |
表3 实体状态消息结构体Tab.3 The structure of the entity status message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| EntityIdentifier | entityId | 仿真实体标识 |
| EntityType | entityType | 实体类型 |
| char | marking[n] | 标号,实体名称, 全域唯一标识 |
| UINT8 | forceId | 敌我属性 |
| UINT8 | damage | 毁伤程度 |
| UINT8 | vpCount | 扩展参数数目 |
| std::vector<StandardVariable> | variableParas | 扩展参数集 |
表4 实体机动消息结构体Tab.4 The structure of the entity motion message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| EntityIdentifier | entityId | 仿真实体标识 |
| stVector3D | tPos | 位置 |
| stVector3F | tHPR | 姿态 |
| stVector3F | tV | 三轴速度,x为东 y为北 z为地 |
(3)事件消息。主仿真系统在仿真计算过程中产生的非周期性事件,如发现目标、设备投放、实体消亡等。表5示例为探测事件消息结构定义。
表5 探测事件消息结构体Tab.5 The structure of the detection message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| char | sensorname[n] | 传感器名称 |
| double | time | 发送探测信息时间 |
| XDIS::EntityIdentifier | platID | 传感器所在平台ID |
| XDIS::EntityIdentifier | targetID | 目标ID |
| int | classification | 敌我属性 |
| double | dfLon | 目标经度 |
| double | dfLat | 目标纬度 |
| float | fAlt | 目标海拔高度 |
| float | fCm | 目标航向 |
| float | fVm | 目标航速 |
| float | fElveAngle | 目标高度角 |
| float | fBearing | 目标方位 |
| float | fDm | 目标距离 |
表6 开始/继续消息结构体Tab.6 The structure of the start/continue message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| EntityIdentifier | originatingEntityID | 发起者ID |
| EntityIdentifier | receivingEntityID | 发起者ID |
| PClockTime | simtime | 仿真时间 |
表7 暂停/终止消息结构体Tab.7 The structure of the pause/stop message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| EntityIdentifier | originatingEntityID | 发起者ID |
| EntityIdentifier | receivingEntityID | 发起者ID |
| enum | reason | 原因 |
(5)指令消息。主仿真系统用于特殊指令的发布,如突然干预实体位置及状态等。表8示例为改变实体位置指令的结构定义。
表8 改变位置指令结构体定义表Tab.8 The structure of the location changing message |
| 消息类型 | 名称 | 含义 |
|---|---|---|
| int | PlatID | 平台ID |
| double | dfLon | 期望经度 |
| double | dfLat | 期望纬度 |
| double | dfAlt | 期望高度 |
| double | dfSpeed | 期望速度 |
| double | dfCource | 期望航向 |
(6)状态消息。指模拟器端仿真计算或人为操作触发的实体状态的变化,发送给主仿真系统用于状态同步。数据结构与实体状态消息、实体机动消息一致。
3.2 数据交互方法
按照标准的DCPS模型,数据的交互主要由DataWriter、DataReader、Publisher、Subscriber、Domain、DataObject等实体实现。参与系统互联的所有系统单元都需加入相同的Domain,以区分其他系统群。每种消息形成数据结构后,定义为不同的主题(Topic),以区分为不同的数据包。数据发送端通过数据写入者(DataWriter)和发布者(Publisher)依据QoS的要求发送特定主题的数据包,数据接收端通过订阅者(Subscriber)和数据读取者(DataReader)异步接收订阅主题的数据,完成数据的交互,数据交互模型如图2所示。
数据发布者和数据订阅者加入同一个数据域Domain后,可互相进行数据收发。发布者Publisher集合可表示为P= ,每个发布者包含若干个数据写入者DataWriter,则Pi所包含的写入者可表示为Wi= ,订阅者Subscriber集合可表示为S= ,每个订阅者包含若干个数据读取者DataReader,则Si所包含的写入者可表示为Ri= 。主题的集合可表示为T= ,W与R之间通过主题相关联,相同主题的数据读取者可接收同主题的数据写入者发布的数据,实现数据发布者和数据订阅者的数据传输[12]。
3.3 组网性能测试
(1)测试方法
组网性能测试主要考虑基于DDS桥接器的数据交互能力,主要包括网络节点数量、数据传输量、网络传输延迟、数据更新周期、数据可靠性等性能指标。其中,设计测试节点数量为150个,内部局域网络带宽1 000 Mbps,DDS配置文件正常,QoS策略配置一致;网络传输延迟综合考虑数据节点处理时延、排队时延、传输时延、数据加解包4个方面,要求网络传输延迟不大于100 ms,数据更新周期不大于16 ms,通过QoS的设置,分别按照可靠传输和最大速传输两种情况进行测试。
(2)测试结果
①通过调整QoS策略,设置为可靠传输。测得网络数据吞吐量397 Mbps,数据延迟1 ms。设置数据更新周期为10 ms,仿真实体状态显示正常。
②通过调整QoS策略,设置为最大速率传输。测得网络数据最大速率525 Mbps,丢包率1.1%,数据延迟1 ms。设置数据更新周期为10 ms,仿真实体状态显示正常。
通过网络性能测试可以看出,基于DDS桥接器的网络架构,数据传输量大,网络时延小,丢包率小,能够满足系统互联数据传输的基本要求。
4 实体控制权管理机制
4.1 实体状态同步需求
主仿真系统产生了虚拟场景中的所有实体,模拟器系统当中需要产生同样的实体,且实体状态属性需要保持同步。但是在不同的阶段,同步方法有所区分(如图3所示),主要有以下三种典型场景:
(1)模拟器与主仿真进行实体关联。在系统运行初始阶段,各系统实体独立产生,需要人为进行实体关联,如图3阶段(a)。
(2)实体的数据模拟以模拟器为主产生。如某飞机模拟器系统仅关注在起飞和降落阶段仿真,而不关注飞机执行任务的能力。该阶段场景下,需要主仿真系统跟随模拟器自身所代表的实体,同步更新该实体的状态属性,如图3阶段(b)(d)。
(3)实体的数据模拟以主仿真系统为主产生。如在飞机飞到任务区域后,重点需要模拟飞机任务执行能力。该阶段场景下,模拟器跟随主仿真系统中的对应实体,同步更新模拟器自身的状态属性,如图3阶段(c)。
4.2 实体控制权切换
根据这三种不同的场景,需要设计一种实体控制权管理机制,用来避免多系统仿真产生的实体状态多源冲突问题。基本思路就是在不同阶段仅由某一系统获取实体控制权,并负责发布实体状态数据,其他系统通过DDS接收后进行数据同步,切换流程如图4所示。
在实际实施过程中,设计临机切换与自动切换两种方式。临机切换主要依托主仿真系统的控制终端人为判断切换时机和实施切换。自动切换由主仿真系统或模拟器根据预设规则自动触发,如时间规则、距离规则等。
4.3 功能实现与测试
本文采用基于DDS桥接器的设计方法完成主仿真系统与飞机实体模拟器、机场航空管制模拟器等异构仿真系统的互操作改造,实际实现8型模拟器的互联,各型模拟器主要类型和特点情况如表9所示,实测可满足同时运行各互联系统达40个。
表9 模拟器类型及主要特点表Tab.9 The table of simulator’s types and main characteristics |
| 序号 | 模拟器 类型 | 主要特点 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 1 | 飞机实体 模拟器 | 运行场景构建依托主仿真系统态势数据,本单元实体状态由模拟器自身产生,传给主仿真进行同步。 | 包含3型无人机、1型舰载机、1型特种机模拟器。 |
| 2 | 飞机管制 模拟器 | 全运行周期内需在出航、任务、返航三个阶段进行CGF实体控制权切换。 | 包含1型塔台飞行管理模拟器、1型航空管制模拟器。 |
| 3 | 搜救直升 机模拟器 | 仅接收主仿真系统态势数据及本单元实体。 |
图5所示为多型模拟器互联情况下的主仿真系统态势画面,采用临机方式完成实体控制权切换。左侧实体列表中,黄色加星号*实体表示当前实体控制权在模拟器,当前已完成任务并进入返航着陆阶段,由塔台飞行管理人员进行管控降落;白色无星号实体表示当前实体控制权在主仿真,已经完成出航并交由主仿真系统使用实体控制软件执行其他任务。当前机场上空红色飞行轨迹即为飞机返航降落阶段由模拟器产生的实际飞行轨迹,已数据同步并态势融合到主仿真系统。
5 结束语
本文结合多型异构仿真系统互联互通的实际需求,设计了基于DDS桥接器的系统互联结构,实现了多种不同类型模拟器实体状态的同步,通过性能测试及实际系统互联运行,检验了设计方案的可行性,初步满足了多型模拟器同一场景下同步开展互操作培训活动
的基本要求;同时设计实体控制权交接管理机制,解决了同一实体在不同运行阶段的控制管理权切换问题,经过实际运行,实现了飞机实体从起飞出航、执行任务、返航降落过程的分布控制和数据同步。该系统实现方法是在已完成了各仿真模拟器建设基础上开展的互联操作,最大程度保留了各仿真系统的内部数据标准协议及运行逻辑,通过中间件设计尽可能地对各仿真系统进行最低程度的改造,方法具有一定的通用性和扩展性,为进一步提升仿真系统之间的互操作能力开展了有益的实践和探索。