中国指挥与控制学会会刊 
1 联合试验训练的支撑需求
1) 互操作支持方面。为了能让独立开发的系统有意义的一起工作,支撑平台需要具备如下特征:
二是可支持系统间进行有意义的通信。一方面,需要具备一种公共的语言,通常是使用一种公共对象模型实现[8]。另一方面,需要具备一个公共的通信机制,通常一种通用的遵循公共框架的软件基础设施是实现信息交换的合适方法。
三是能够为各系统提供一种公共的上下文。使得各系统对环境和时间有一致的理解,并为各系统提供一个公共的技术过程,如:协调一致的初始化方式、信息收发方式、同步方式、仿真控制方式等。
3) 可组合支持方面。可以在多种粒度层次进行组合,如组件之间可以组合,系统之间可以组合,组件和系统之间也可以组合,逻辑靶场更关注系统之间的组合。单个系统良好的互操作性和可重用性是可组合的基础,并且要求支撑平台提供用于支持组合过程的相关工具和资源库[10],以提高组合过程的自动化程度。
2 LVC仿真技术现状
联合试验训练一般要求逻辑靶场同时具有真实仿真、虚拟仿真、构造仿真三种类型的仿真[11],即需支持LVC仿真。高层体系结构HLA(High Level Architecture)、基本对象模型BOM(Base Object Model)、试验与训练使能体系结构TENA(Test and Training Enabling Architecture)、模型驱动架构MDA(Model Driven Architecture)、面向服务的体系结构SOA(Service Oriented Architecture)等主流仿真技术虽然具有不同的技术特点和应用领域,但是都可以促进靶场LVC仿真资源之间的互操作性,提高各类靶场资源的可重用性和可组合性。其中,HLA是建模与仿真领域的主要仿真技术,TENA是试验与训练领域的主要仿真技术。
2.1 LVC仿真存在的问题
逻辑靶场要求在可组合、共享不同靶场的真实试训资源能力基础上,还可组合共享来自仿真世界的各种仿真资源,从而将真实世界融入仿真世界中,这样就要求建模与仿真、试验与训练资源之间能够进行无缝互操作。但由于HLA与TENA各自固有的一些特性,两者之间的互操作能力和可组合性受到了限制,主要体现在对象模型不兼容、中间件不兼容和系统工程过程不同三个方面[12]。
对象模型不兼容主要体现在HLA仅规定了对象模型的格式,内容则由开发者自己定义,而TENA在规定对象模型格式的基础上,还定义了一系列常用的标准对象模型,且两者在对象模型实现方式上不统一;中间件不兼容主要体现在HLA的RTI和TENA中间件的底层实现方式不同和关注点不同,如RTI面向建模与仿真领域的独特需求,提供了复杂的时间管理等服务,TENA中间件则提供了远程方法调用等满足试验训练特定需求的服务;系统工程过程不同主要体现在系统开发规范与流程的不一致上,影响了HLA与TENA之间的互操作能力。
2.2 LVC仿真问题解决方法
研究建立一个LVC仿真通用体系结构是解决HLA、TENA以及其他体系结构间互操作能力和可组合性问题的有效方法,该体系结构的主要策略包括:
1) 统一对象建模方法。通过建立BOM集合的方式实现不同体系结构之间对象建模方法的统一,建立一个在建模与仿真领域、试验与训练领域通用的基本对象模型集。并采用UML建立BOM,在对象建模完成后,采用MDA方法将BOM概念模型转换为平台相关模型。
2) 提供通用中间件。合并RTI、TENA中间件等中间件软件的功能,开发一个可在建模与仿真领域、试验与训练领域共用的通用中间件,并提供特定仓库和实用程序以形成运行基础设施,满足信息交互、时间管理、远程调用、位置外推等不同应用需求。
3) 构建综合集成环境。规定一种统一规范的系统工程过程,并为逻辑靶场的构建提供开发与集成系列工具,涵盖对象模型设计与转换、资源存储与管理、异构系统封装、仿真导调与控制、分析评估等功能。
上述三项工作内容构成相互关联的有机整体,图1 描述了各部分之间的相互支撑关系。图中白底方框描述了所需开展的工作,灰底图形体现了各工作阶段的成果,其中综合集成环境在基本对象模型库的支持下,能够快速生成逻辑靶场应用资源,这些应用资源通过LVC仿真运行基础设施进行互操作。
3 联合仿真支撑平台
近年来,国防科技大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、部队试验训练靶场等多家单位在逻辑靶场体系结构、中间件、集成开发环境等方面均开展了研究,也形成了自主研发的软件产品,但尚不能够完整解决当前LVC仿真存在的诸多问题[8]。本文充分借鉴各单位研究成果,针对联合试验训练的实际支撑需求,在前文论述的LVC仿真问题解决方法指导下,以高层体系结构HLA和试验与训练使能体系结构TENA为技术基础,综合利用各类先进仿真技术(SOA、BOM、MDA等),研究构建了可支持一体化联合试验训练的联合仿真支撑平台(Joint Simulation Supporting Platform,JoSim)。
3.1 体系结构
JoSim确立了逻辑靶场仿真支撑环境的技术架构,明确了靶场LVC仿真资源的接入方式,研制了通用性较强的中间件和资源库,确定了支撑工具集的组成与功能,提出了逻辑靶场综合集成与联合仿真的系列化标准、规范、协议体系,给出了一个单一的系统工程方法,统一了HLA联邦开发与执行过程与TENA系统工程过程。JoSim总体上采用SOA的技术方法,实现逻辑靶场的信息集成、过程集成与功能集成,为用户提供统一的应用门户,支持逻辑靶场从建立、运行到分析评估的全过程。JoSim体系结构如图2 所示。
JoSim体系结构的主要组成部分如下:
1) JoSim应用。包括资源应用、逻辑靶场工具集和异构系统。资源应用是按照JoSim规范构建的标准化的逻辑靶场资源,均采用统一的BOM对象模型,其中时空对象模型用于封装硬件设备,将TSPI(Time Space Position Information,时间、空间、位置、信息)集成到靶场硬件设备中;逻辑靶场工具集用于完成对逻辑靶场事件全生命周期的管理,是重用性最高的JoSim应用,包括支撑逻辑靶场运行前、运行时和运行后的各类实用工具;异构系统是通过网关接入的非JoSim架构的靶场资源。
2) JoSim中间件。其是JoSim应用之间互操作的基础,它通过统一服务调用,屏蔽LVC仿真资源信息交互机制的差异,使得逻辑靶场应用能够透明地使用各类LVC仿真资源。
3) JoSim实用程序。它是为逻辑靶场开发与集成而特别设计的应用程序。主要包括对象模型编辑器、对象模型转换器(采用MDA方法)、资源封装器(采用SOA方法)、仓库管理器、网关、实装适配器等。
4) 逻辑靶场应用资源库。包括JoSim仓库、逻辑靶场数据档案和知识库。JoSim仓库用于存储JoSim应用和对象模型,仓库存储的信息不仅仅是针对某个具体的逻辑靶场的,它有助于将现有系统更有效地组合成一个新的逻辑靶场;逻辑靶场数据档案用于存储针对某个具体逻辑靶场的剧情数据、试验训练过程数据和评估数据等;知识库用于存储历史经验数据、作战规则、试验训练范例、标准规范文档等。
3.2 关键技术
3.2.1 JoSim对象模型技术
JoSim采用基础对象模型(BOM)实现了统一的、内聚性的对象建模框架,实现了不同体系结构下对象建模方法的统一,并提供领域所需的具体基础对象模型,形成覆盖试验与训练领域、建模与仿真领域的基础功能模型库。
JoSim采用MDA方法实现将BOM中的概念模型自动转换为可在特定平台运行的模型。首先采用元建模方法将对象模型实现为与特定支撑环境分离的平台无关模型PIM(Platform Independent Mode);通过定义针对特定平台和实现语言的模型转换规则,采用自动代码生成技术,将PIM自动转换为平台相关模型PSM(Platform Specific Model),PSM中包含具体平台要求的技术特点,是可以直接运行的。通过采用MDA技术,实现了对象模型的自动化平台适应性转换,在工程实践中真正实现了对象模型的可重用,提高了JoSim应用的开发效率。这一技术体现在对象模型转换器中。
开发完成的对象模型采用SOA方法进行服务化封装,在构建特定目标的试验训练逻辑靶场时,可高效地发现、组合和重用这些对象模型资源。
3.2.2 JoSim中间件技术
JoSim中间件是JoSim体系结构的核心组件,它总体上遵循TENA中间件的技术框架,同时又具备HLA中RTI的部分功能。JoSim中间件采用SOA的技术方法和高效、基于兴趣管理的数据分发管理技术,向各类JoSim应用提供统一的服务调用,除预定义了用户接口和一系列标准服务外,还针对试验训练和建模仿真的独特需求提供了相应的服务功能,如:时间管理、位置外推、远程方法调用等,既可用于试验训练领域,又可用于建模仿真领域。JoSim中间件具备多通信介质、多协议资源接入扩展能力,支持有线网络和无线链路,可运行于多种硬件平台;支持基于广域网的分布式联合仿真。JoSim中间件体系结构如图3 所示。
3.2.3 JoSim网关技术
在试验训练靶场中,基于HLA、DDS、战术互联网等体系结构的分布式仿真系统大量存在,网关技术是实现多体系结构互操作的主要方法,能有效解决数据转换和运行调度的问题[13]。网关分别解析不同体系结构的对象模型和时空管理模型,确定映射关系,进而实现多体系结构互操作信息的适配。其中,实装适配器是一类特殊的网关,专门用于实装系统的软硬件适配。下面主要介绍HLA网关和实装适配器的设计。
1) HLA网关
HLA网关用于将HLA分布式仿真系统接入JoSim应用系统,它运行在JoSim中间件与RTI之间,既作为JoSim应用系统中的一个应用节点,同时又是HLA仿真系统中的一个联邦成员。通过应用节点和联邦成员间的信息映射,实现异构系统间的数据交互。HLA网关逻辑结构如图4 所示。
HLA网关主要由控制模块、JoSim代理模块和HLA代理模块构成。控制模块主要负责创建并初始化JoSim代理模块和HLA代理模块,并响应用户控制命令;JoSim代理模块运行在JoSim中间件上,HLA代理模块运行在RTI上,两个代理模块共同完成数据转换任务。
2) 实装适配器
实装适配器解决JoSim应用系统与实际装备之间的物理接口形式、信号电气关系转换问题,以及信息、数据传输和转换问题,具备接入数据链的无线通信接口。实装适配器逻辑结构如图5 所示。
实装适配器主要由协议转换器和JoSim代理模块构成。协议转换器包含物理层、驱动层和协议层,根据不同实物设备的指令格式说明书,生成通信协议转换集,完成JoSim应用节点代理与实装之间的数据转换与交互;JoSim代理模块具备协议转换器能力查询、JoSim应用节点接口调用和实装适配器运行监控等能力,并提供协议转换器驱动。
4 基于JoSim的一体化联合试验训练逻辑靶场实例
本文基于联合仿真支撑平台JoSim构建了水面舰艇对空自防御能力试验训练逻辑靶场。采用对象模型封装、网关联接等方式,将分布于不同地域,具有不同功能、架构和接口形式的LVC仿真资源综合集成为一个具有特定能力的逻辑靶场。该逻辑靶场分为导演部、红方和蓝方,导演部主要是逻辑靶场运行支撑工具和资源库;红方主要对某型水面舰艇进行了模拟,包括舰艇平台和软硬武器系统;蓝方主要对反舰导弹及其发射平台进行了模拟。基于该逻辑靶场,可开展新型水面舰艇对空自防御能力试验和复杂电磁环境下防空反导适应能力训练,支持本舰指挥控制能力试验、硬武器防御能力试验、电子对抗能力试验和联合对空自防御能力试验等试验项目,以及单舰防空反导作战指挥训练、单平台警戒探测训练、软硬武器操作职手操作技能训练等训练科目。该逻辑靶场综合集成方式及逻辑互联情况如图6 所示。
所有LVC仿真资源之间,以及仿真资源与导演部之间均通过JoSim中间件进行交互。导演部工具软件和构造类仿真资源均采用对象模型封装方式接入逻辑靶场,实际装备和虚拟类仿真资源均在现有靶场资源基础上通过网关接入逻辑靶场。红方主要对水面舰艇进行了模拟,包括舰载雷达、指控系统、防空导弹、近程武器、电子对抗等装备,以及舰艇平台,包括了L、V、C三类仿真资源,其中警戒雷达、防空导弹、近程武器仿真资源为远程异地节点;蓝方主要对攻击飞机和反舰导弹进行了模拟,包括了V、C两类仿真资源;微波暗室是红蓝双方共用的电磁环境模拟设备。
基于JoSim构建的水面舰艇对空自防御能力试验训练逻辑靶场满足了联合试验训练、体系试验、实战化训练等新型试验训练模式对靶场LVC试验训练资源的综合运用需求,资源封装标准规范、资源接入方便快捷、资源运用全周期支持,大大提高了试验训练资源的互操作性、可重用性和可组合性,且能够有效解决靶场试训应用与仿真平台紧耦合、支撑平台种类多、信息集成难等瓶颈问题,提高了靶场贴近实战、试训一体、虚实融合、随遇接入、资源共享、灵活重组等能力。
5 结束语
联合仿真支撑平台JoSim提供了逻辑靶场资源开发、集成和互操作的综合支撑环境,有效促进了建模与仿真领域、试验与训练领域各类LVC仿真资源的高效集成和灵活重组,显著提高了靶场仿真资源的互操作性、可重用性和可组合性。靶场基于JoSim已开展了一些典型的验证性试验,但在联合试验训练应用的广度和深度上均有较大差距,后续应持续完善标准对象模型库建设、不断提升中间件运行性能、着力提高集成开发环境的通用性和自动化水平,为靶场设施一体化运用、信息数据一体化流转、试训环境一体化模拟、支援服务一体化保障的联合试验训练逻辑靶场的建设和深化应用提供有力支撑。