训练模拟系统体系结构与综合集成技术研究*

王　媛　赵科莉

(中国船舶工业系统工程研究院　北京　100094)



训练模拟系统体系结构与综合集成技术研究*

王媛赵科莉

(中国船舶工业系统工程研究院北京100094)

摘要论文对训练模拟系统体系结构的需求进行分析，提出了异构式的训练模拟系统体系架构模式。对训练模拟系统的异构体系集成技术做了深入探索，建立了基于多协议的异构训练模拟系统体系结构，提出了基于网关桥接的异构训练模拟系统综合集成技术，解决了训练模拟系统的综合集成问题，并将其应用于某型作战指挥训练模拟系统中，初步验证了该项训练模拟系统体系结构与综合集成技术的可行性。

关键词训练模拟; 体系结构; 异构体系; 综合集成

Class NumberTN219

1引言

模拟训练目前受到世界各国军队的高度重视，不仅因为其能够降低成本，提供更为便捷的训练，更是因为其可以将难以实现的场景通过虚拟仿真技术呈现，提高训练效果。由此可知，训练模拟系统可能包括真实系统或其中一部分以提供受训环境，同时也可能包括仿真模拟系统以提供虚拟场景，如何将这样的两类分系统更好地实现综合集成以形成统一的训练模拟系统体系结构，成为训练模拟系统研制的一大关键问题。

2训练模拟系统体系结构概述

2.1训练模拟系统体系结构特点

由于大型训练模拟系统涉及实装系统、模拟系统、战场环境系统等多种应用的集成，而不同的应用采用的体系结构往往是不同的，因此，训练模拟系统体系结构和异构系统集成是系统研制的关键问题。

训练模拟系统体系结构是系统研制过程中的核心设计决策，它不但严重影响系统的技术体制和开发效率，也严重影响到系统的运行性能、维护性和可扩展性，同时体系结构方案通常与系统集成方式紧密相关。而异构体系下系统综合集成的核心问题，是不同操作系统、不同体系结构、不同运行平台下应用系统间的互操作问题，而互操作则是以互连互通为基础的。所谓互连，指通信双方存在相同的通信机理和物理连接，但不保证通信协议的兼容；互通是在互连的基础上，通过通信协议实现双方数据流的交换；互操作指两个系统透明地访问对方资源的能力。

基于目前模拟训练系统中实装设备与模拟设备共存，实物设备与虚拟战场环境共存，模拟系统与其他更大的训练环境共存的特点决定了系统的体系结构需具有灵活的伸缩性和适应能力，同时要求仿真应用系统具有交互性强、时效性高、模块耦合紧密等特点。

因此，为确保异构的训练模拟系统结构合理、互联互通、性能优化、扩展性好，本文在对训练模拟系统体系结构和综合集成方法进行深入的研究和探索，并以应用实例验证其合理性。

2.2仿真系统体系结构的发展

网络化仿真是仿真领域的里程碑事件，它改变仿真系统的单机集中式的结构，大大地扩展了仿真系统的规模和容量，为异地异构异类仿真系统的集成乃至仿真系统与实装系统的集成提供了可能。

网络化仿真起源于美军SIMNET计划(1983年)，然后发展成DIS2.x &IEEE1278协议(1989年)和ALSP协议(90年代初)。但是这些协议并没有消除仿真领域存在的主要问题：绝大多数仿真应用实现较为独立交互性和重用性差。再到后来的建模与仿真主计划(MSMP，1995年)，提出了高层体系结构(High Level Architecture, HLA)、任务空间的概念模型(CMMS)和数据标准(Data Standard,DS)，促进仿真系统之间及其与C4ISR系统之间的互操作。其中HLA经过多个版本发展为IEEE1516系列标准，成为目前广泛应用的仿真系统高层体系结构和系统互连的标准。

HLA的关键是引入了运行支撑环境(RTI)，明确地将仿真应用模型和仿真支撑服务分离，提高了仿真系统的可重用性与互操作性，方便新的仿真系统与原有系统进行集成。HLA规范定义的另外两个内容是HLA Rule(HLA规则)和HLA OMT(对象模型模板)。HLA Rule定义了HLA框架的基本原则。根据HLA框架和规则，一个基于HLA仿真系统称为一个联邦，它由一系列联邦成员(成员内含有一系列仿真对象)和一个公共的基础设施(RTI)组成，因此它在体系结构上具有事件系统的风格。基于HLA开发的仿真支撑环境目前已成为成熟的商用产品，如美国国防部的DMSO RTI、瑞典pitch ats公司的pRTI、美国mak公司的makRTI等，这些产品均通过了美国DMSO测试和认证，可直接购买使用。

HLA联邦开发的实质和关键是构造各个联邦成员并使它们能协同运行，使各成员协同表现出的行为能满足系统任务的需求，是应用开发的核心。针对这个问题，如何为仿真应用系统提供一个高效的开发环境和科学合理的开发流程，是人们关注的焦点。美国国防部DMSO总结了前期HLA开发的经验，结合软件工程的要求，提出FEDEP规范，以指导仿真的发起方、开发方与应用方共同协作，按照一定的工程步骤开发基于HLA的仿真系统。基于FEDEP，国内外专家同时也结合开发实践，明确了各个开发阶段的各种自动化、半自动化工具。这其中包括软件开发中的各种通用工具，如需求分析工具、对象系统建模工具、编译调试工具、配置管理等工具，也包括与仿真相关的专用工具，如情景相定与仿真推演工具、概念模型分析工具、SOM/FOM模型开发工具、联邦部署工具、联邦运行与集成工具、各种通用的联邦成员(如数据记录器、联邦分析成员、联邦管理成员)等。同时，人们将模型集成、系统通信、时间管理、任务调度等功能集成到仿真框架中，形成功能更高级，接口更简单的软件，即仿真中间件。以该仿真中间件为核心，配套一系列工具，以完成分布式仿真系统建模、开发、集成、测试、运行管理等工作，从而形成了面向分布交互仿真的开发平台。仿真平台在国内外有大量成熟的产品。国外类似的仿真平台如Aegis公司的labworks、mak公司的VR-Link等，国内产品如航天二院的COSIM。

3基于网关桥接的异构训练模拟系统综合集成技术

3.1基于多协议的异构训练模拟系统体系结构

为了解决上述已有仿真系统工具和仿真中间件在便捷性、高效性和多协议支持等方面的不足，这里，采用一种支持多协议的高效封装服务形成基于HLA的仿真架构，再通过网关和桥接形成异构的训练模拟系统体系结构。

根据训练模拟系统的特点，采用一个专门的子系统(即集成子系统)实现仿真分系统、实装分系统、其他训练系统等部分之间的互连互通互操作。这里仿真分系统一般包括虚拟的兵力系统和导演部系统，实装分系统一般包括实物受训系统，其他训练系统一般为更高层或同层级或更低层的仿真系统以便实现可灵活配置的协同训练功能，因此这里的互连互通互操作包括仿真分系统与其他协议系统、多个仿真联邦之间的互连互通互操作。我们以支持多协议的高效封装服务中间件作为集成的软总线，支持在同一进程中同时使用包括实装协议和多种仿真协议在内的不同协议，这为其可以用于开发网关和桥接器提供了可能。

导演部系统直接应用该中间件开发，自动实现与软总线的集成；兵力系统自带的仿真引擎整体向该中间件移植后，其上面的兵力模型也自动集成到该中间件中来；由于其他训练系统是不同的联邦，其对象模型和订阅发布关系是两套不同体系，因此需要联邦桥接器实现与软总线的集成；而实装系统通过网关与与其他系统集成，网关将接收到的各仿真节点产生的实体运行信息、交互信息转换打包成实装协议的格式发送给实装系统，同时也将基于实装的报文数据通过解包、分类、整理，转换打包成HLA/RTI格式发送给仿真系统。

根据前述技术原理，系统综合集成的核心组件元素及相互关系如图1所示，技术关键在于基于支持多协议的高效封装服务中间件的仿真分系统，以及网关和联邦桥接器的设计。

图1　训练模拟系统体系结构

3.2基于支持多协议高效封装服务体系结构

上述基于多协议的异构训练模拟系统体系结构中，支持多协议的高效封装服务是系统集成的关键。这种支持多协议的高效封装服务通过将分布环境下组件组装、对象通信、时间同步、任务调度等核心服务进行高效的封装，使用户开发的模型代码集中反映其业务逻辑，大幅提高开发效率并减小维护难度；通过协议桥接器实现核心仿真服务与底层协议(或中间件)分离，通过简单的配置即可实现RTI1516、DDS、TCP等多协议灵活切换；其构建方式采用基于SRML的仿真描述语言支持系统及模型的参数化，并支持以组件的方式进行灵活的模型开发和集成；通过采用报文合并、多级调度、多核计算、对象快速查找等技术，优化了对象间的通信和调度模式，极大地提高了系统的运行速度；支持C/C++/C#语言，支持反射式面向对象接口和MVC模式的接口，支持一个进程内创建多个引擎实例(这个特性对于实现异构系统的桥接和互连非常有用)等多语言多接口多实例功能；支持监控系统运行时对象系统结构(包括类间继承关系、对象间聚合关系、类与对象的实例化关系)和状态参数等高级调试功能。

这种支持多协议的高效封装服务采用集成组件化、通信透明化、编程对象化、模型参数化，为大规模异构复杂系统的协同开发提供了强有力的支持，在产品的多协议适应性、模型协同开发、异构系统集成、模型复用、高性能计算等方面均具有技术优势和特长。

因此这里的仿真分系统体系结构设计方案如下：

将仿真封装服务中间件的接口、核心功能服务及底层通信协议三者进行独立设计和开发。如图2所示，顶层是门户层，为应用系统提供访问接口；中间层是功能服务层，提供仿真核心的服务；底层是协议层，该层通过桥接器实现各种异类协议与仿真服务互连。

图2　支持多协议的高效封装服务体系结构

将仿真封装服务中间件在门户层支持多接口，多接口的技术实现方案是首先以面向对象的形式严格定义将仿真封装服务中间件的原子接口(基本接口)，然后运行适配器模式对原子接口进行封装和转换，形成基于MVC的接口和面向方面的接口。

将仿真封装服务中间件的核心服务层构建在反射式对象语义模型基础之上，主要提供组件管理、对象管理、事件管理和调度管理等核心服务。组件管理包括组件的加载、组装、查找、更换等，对象管理提供分布环境下对象的创建、查找、删除与状态一致性维护等功能，事件管理为分布环境下的所有对象提供统一的交互机制和接口，调度管理则为仿真对象分配计算资源、调度实体对事件做出响应，同时，确保时间推进和任务调度过程中因果关系正确。

运用正交化软件体系结构的原理，将仿真封装服务中间件核心服务层进一步分解为结构系统、事件系统和调度系统；结构系统描述仿真对象间静态的组织结构和聚合关系，事件系统为仿真对象间的交互提供透明的服务，调度系统对仿真对象的行为提供调度机制。

将仿真封装服务中间件的协议层主要是实现底层的通信协议与核心服务的桥接，使核心服务与底层设施隔离开来，方便了其各自独立开发和演化。该层采用桥接器模式确定其基本框架，并按将仿真封装服务中间件的组件规范进行实现，因此，它可以和普通组件一样被动态加载和更换。桥接器模式的采用使得将仿真封装服务中间件非常方便地支持多种底层通信中间件或协议，同时运行于将仿真封装服务中间件之上的模型则无需要作任何修改。

3.3异构训练模拟系统的网关桥接方案

3.3.1异构训练模拟系统网关设计方法

网关体系结构图如图3所示。它由一个代理部件和一个转换部件组成，采用组件技术将不同协议封装在不同组件中，通过在同一网关进程加载并运行多个协议组件，解决了网关进程同时与多个协议互连问题，同时实现了协议组件的复用。

代理部件是联邦中的一个成员，它用于接收本联邦中需要往外联邦发布的数据，以及将转换部件接收外联邦的数据发送到本联邦。代理部件维护着本联邦与实装系统之间的公布/订购关系、对象类/交互类的对应关系以及实例和属性的映射关系，以及系统实体间时空统一性。转换部件作为网关一部份，其主要作用就是实现数据的解包、分类、整理，转换，可以方便且容易地得到代理部件中的对象信息以及事件，这样转换部件可以将代理部件中对象信息与事件打包发送到其它基于实装协议开发的台位上。反之当转换部件接收到来自其它实装协议开发的台位数据时，将这些数据解包赋值到代理部件中的对象上，代理部件中的对象通过属性映射更新使得本联邦中的该数据对象代理属性得以更新。

图3　网关组成结构图

如图4所示，代理软件根据仿真封装服务中间件的反射式对象原理能够获取到联邦中其它成员的对象信息，在通过实装协议发送给实装系统，既可实现仿真系统数据到实装系统的对象发现以及属性映射更新，也同时可以根据这一原理将转换部件接收到的来自实装的数据映射为本联邦实体数据。对于实装协议下的周期性数据，在仿真协议下都有一个对象去维护。

图4　网关软件对象与数据映射示意图

代理软件在处理突发性事件时根据仿真封装服务中间件的事件分发服务，如：代理成员注册了事件C的响应函数，则当联邦中某一成员发送了事件C，则代理成员中事件C的响应函数自动会被调用，这样代理成员就可以通过回调函数获取到事件C的内容，然后将事件C打包通过实装协议发送到指定的IP和端口。反之，当代理软件接收到事件C的数据包，将事件C的数据包进行解包，然后创建一个仿真协议下的事件，并发送，这样其它成员订阅且具有事件C响应函数，则这些响应函数会被自动调用，这样就完成了实装协议与仿真协议之间的突发事件的通信。

3.3.2异构训练模拟系统桥接器设计方法

联邦桥接器软件的体系结构如图5所示，转换部件RTIBrigde用于实现RTI数据与仿真封装服务中间件对象的转换，维护本地成员与远程其它成员之间的公布/订购关系、对象类/交互类的对应关系以及实例和属性的映射关系。由于连接两个仿真实例，因此有两个基于仿真封装服务中间件的RTIBrigde组件。

模型映射器用于实现不同两套体系下仿真封装服务中间件对象之间的映射，是互操作的关键，其主要功能包括：发现并截取联邦1的对象，在联邦2内创建一个相对应的对象，反之亦然，建立并维护对象实例在不同联邦间的ID的对应关系；截取联邦1对象的属性数据更新，根据ID映射关系将属性值复制到联邦2的对象，同时通知联邦2其基于上述实现结构，两个不同联邦的对象映射关系如图6所示。

他成员该对象数据更新；协调联邦1和联邦2的时间推进；完成联邦1和联邦2之间事件的映射和转发。

图5　联邦桥接组成结构图

图6　联邦桥接器对象映射示意图

4某型作战指挥训练模拟系统的应用情况

以上述研究结果为基础，已成功运用到某型作战指挥系统训练模拟系统研制过程中，运用支持多协议的高效封装服务实现层次明确的仿真分系统，运用网关设计实现仿真分系统与实装分系统间的互联互通互操作，运用桥接器设计实现该训练模拟系统与上级训练模拟系统间的互联互通互操作，最终实现了可灵活配置的作战指挥系统训练模拟系统，并可在上级导控系统的协调控制下实现与其他训练模拟系统的协同训练，该系统并已投入实际作战指挥训练中，获得了初步成效，初步验证了该项训练模拟系统体系结构与综合集成技术的可行性。

5结语

本文对训练模拟系统的特点和体系结构进行分析，提出了异构式的训练模拟系统体系架构模式，并据此研究基于支持多协议高效封装服务的系统体系结构和基于网关和桥接技术的异构训练模拟系统综合集成方案。研究了基于多种通信协议网关实现互操作的支持多协议高效封装服务方法提出了将仿真系统分解接口层、服务层和协议层的的体系结构方案，大大减少了三者之间的耦合，为仿真封装服务支持多接口和多协议提供了技术支持；研究了网关和桥接器的设计模式和软件设计方法，确保不同协议同时有效工作，提出了基于网关和联邦桥接器的异构系统综合集成方案；最终解决了训练模拟系统的综合集成问题，并将其应用于某型作战指挥训练模拟系统中，初步验证了该项训练模拟系统体系结构与综合集成技术的可行性。

参 考 文 献

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收稿日期：2016年1月8日,修回日期：2016年2月25日

作者简介：王媛,女,硕士,高级工程师,研究方向：系统仿真。赵科莉,女,硕士,工程师,研究方向：系统仿真。

中图分类号TN219

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.001

System Structure and Integrated Technology of Training Simulation System

WANG YuanZHAO Keli

(China Shipbuilding Industry System Engineering Reseach Institute, Beijing100094)

AbstractIn this paper, the training simulation system architecture requirements is analyzed, heterogeneous training simulation system architecture model is proposed. Then it deeply explores the integration technology of heterogeneous training simulation system integration technology, establishes the architecture of heterogeneous training simulation system based on the multi-protocol，proposes the integrated technology of heterogeneous training simulation system based on gateway bridge. It solves the integrated problem of the training simulation system, and it is applied in a certain type of battle command training simulation system, the feasibility of this simulation training system structure and integrated technology is verified preliminarily.

Key Wordstraining simulation, system structure, heterogeneous system, integration