欧海英，毕玉泉，周秀芝

(海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041)

航母航空保障模拟训练系统通用架构设计

欧海英，毕玉泉，周秀芝

(海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041)

好的系统架构设计是航母航空保障模拟器材建设的顶层和关键问题之一。针对航母航空保障工作具有参与的战位多、信息种类多、人员协同关系强，任务时限性强等特点，将协同、可靠、实时作为系统架构设计首要考虑因素，在此基础上考虑系统的多种扩展性需求。提出基于浮动多C/S的柔性网络结构，基于组件的架构设计方法，以及基于战位封装和结构体模式的一体化协调机制，实现协同、可靠、实时的设计需求和该系统的横向扩展性。应用负责硬件数据读写的独立上位机程序，实现该系统架构的纵向扩展性。通过RTI组件，实现与其他模拟训练系统组网合同训练。该系统架构可实现航母航空保障模拟训练器材的系列化和组件化生产，具有良好的统一性和扩展性。

航母;航空保障;模拟训练;系统架构

0 引言

航空保障系统是航空母舰上保障舰载机正常运转和执行各项任务作业的系统，是确保航母战斗力生成的核心系统之一。模拟训练以安全、经济、可控、可多次重复、无风险、不受气候条件和场地空间限制，既能常规操作训练，又能培训处理各种事故 (包括灾难性事故)的应变能力以及训练的高效率、高效益等独特优势，一直受到各国军方高度重视。我军也陆续开发了多型装备的模拟训练系统。随着我军“辽宁”号航母的服役，针对航母航空保障人员训练的模拟系统需配套筹划和建设，而好的系统架构设计［1］是模拟训练系统建设的顶层和关键问题之一。

1 设计思想

从模拟训练器材的发展趋势来看，模拟训练不仅注重其应用的特指性和仿真性，同时要走系列化、标准化和组件化的道路。因此，航母航空保障模拟训练系统的架构设计不仅要关注航母航空保障工作具有参与的战位多、信息种类多、人员协同关系强，任务时限性强等特点，将协同、可靠、实时作为架构设计的首要考虑要素，同时在系统架构设计中，还需考虑以下3个问题：

1)航母是我军正在发展的新型装备，某些航保设备尚未完全定型，这就涉及到型号设备的加装或者改装;同时通用系统架构设计不仅要考虑应用于当前航母的航空保障模拟训练系统中，还要可扩展到后续建设航母的应用中，即可横向开发出系列化的多型航母的舰面航空保障模拟训练系统。

2)航母航空保障系统涉及多个操作台位，这些操作台位的模拟可采用桌面式虚拟系统模拟，也可制作成硬件模拟，而系统架构设计要做到桌面级虚拟训练系统与硬件模拟训练系统在软件上的统一，即软件无须任何代码改动能够互相通用，即可纵向开发出系列化的模拟训练器器材多层级配置。

3)最后所开发的模拟系统将来应可根据需要与其他单位生产的模拟训练器材互连互通，实现未来的合同训练。因此需要考虑好系统架构的统一性和扩展性。

2 设计方法

2.1 基于浮动多C/S的柔性网络结构

航母航空保障工作具有参与的战位多、人员协同关系强的特点，要求系统设计首先考虑协同需求。航母航空保障虚拟仿真系统具有多种使用方式。教员讲课可单机使用，学员模拟练习或部队舰员训练需按战位进行组网训练，组网训练时可进行某保障中队内部组网训练或全舰航空保障人员共同组网训练。系统采用基于浮动多C/S的柔性网络结构，即视景仿真显示放在Client端 (客户端)，逻辑仿真解算放在Server端 (服务器端)，系统部署时，Client和Server端可以部署在1台主机上，或者将Server端部署在1台主机，而多个Client端按战位部署在多台主机上，Server与Client交互通过TCP和UDP进行。这种方式可充分利用各客户端计算机资源，又通过服务器端统一解算保证各客户端显示的同步性，任一台主机的交互操作可以映射到其他主机，从而在多个主机上实现互操作，实现多个战位的协同，保证了操作逻辑的一致性、完整性和可靠性。这种浮动多C/S的柔性网络结构，在整体构架不变的情况下，实现灵活的系统配置，使得系统更加接近真实的训练过程，对满足部队战斗力的形成和提高，具有重要的现实意义。

2.2 基于组件的架构设计

在浮动多C/S网络结构下，系统具体的功能实现采用基于组件的架构设计方法。基于组件的系统架构设计是一种面向对象的设计思想，将各个独立执行的功能从逻辑上分为一个仿真的执行单元，如视景仿真功能、声音仿真功能、设备逻辑仿真功能、人物对象仿真功能、飞机对象仿真功能等，将与执行单元相关的属性和行为封装到一个组件中。这些功能单元之间采用“软总线”联接后，相互之间是并行的、地位对等的关系。各个逻辑对象以组件形式运行在网络上，而不管它们具体的部署位置，从而形成一种灵活配置的分布式运行结构，使得用户在运行时可以方便管理这些仿真单元组件。这样一种系统结构是一种开放式结构，整个系统功能可根据需要进行扩展，系统主程序的编写过程，类似于组件组装，可提高系统研制效率。组件也可保障最大程度的重用，保留系统设计的成果，可以非常方便地进行系统扩展。基于组件的系统架构如图1所示。

图1 基于组件的系统架构Fig.1 System frame based on components

组件应用不受限于具体编程语言，可进行混合语言编程，从而发挥各语言的优势，将更多注意力集中到系统功能和接口设计上来。系统基于COM(包括ActiveX和ATL组件，文件名后缀分别为.ocx和.dll，可在各种系统平台下使用)和NET组件 (一般包含托管代码，文件后缀为.dll，只能在NET平台下使用)的协议进行设计。组件的封装和使用，使得系统组织清晰、维护简单、可扩展性好。

2.3 基于战位封装和结构体模式的一体化协调机制

航母舰面航空保障工作涉及航母上多舱室内的多设备操作与配合、多战位人员通过口令及手势的指挥引导及多阶段与舰载机在机库甲板和飞行甲板的动作配合等内容。因此，用于航母舰面航空保障人员教学训练的模拟系统开发需要表现航母模型、舰载机模型、设备模型、人物模型等多种模型，需要传递设备通信信息、人物口令信息、人物动作信息、立体音效和三维视景等多类信息。针对航母舰面航空保障信息种类多，模型、设备多样复杂等特点，提出了基于战位封装和结构体模式的一体化协调机制，即多舱室内的多设备操作逻辑按战位封装成设备组件，设备之间数据通信、与飞机对象的通信、与人物对象的通信采用结构体进行交互。由于每艘航母航空保障系统包含的基本战位一致，数量也在数十个的量级，按战位进行设备组件封装，不仅设备组件的可重用性强，封装粒度也适中，组件之间数据交互量级可控。各类对象的输入输出状态及解算数据定义为结构体，对象之间采用结构体通过UDP数据交互，并通过服务器统一发送到各客户端保证各客户端信息的同步性和一致性;设备发出的主控信号 (如开关量)及人物命令等交互信号则采用TCP进行交互，保证系统的可靠性。

2.3.1 子系统和设备的科学划分

航母航空保障系统包括各科研院所和工业部门研制的各种子系统和设备，这些子系统和设备部分将在后续航母中继续使用，或改装后使用。因此，在航母航空保障模拟系统架构设计中，要科学地划分子系统和设备，通过对所划分的子系统和设备的操作逻辑进行封装，并合理设计数据接口，将其做成设备逻辑组件，以实现子系统和设备的可重用性，而不是每做一个航母的航空保障模拟系统，所有子系统和设备都需要重做，或者接口做大量改动，从而实现模拟设备的组件化生产。

子系统和设备封装有2种方案。第1种是按操作面板和设备进行封装，第2种是按战位进行封装。按操作面板进行封装，看似可重用性很强，只要面板不改或小改，即可重用。然而一艘航母的航空保障系统有上百块操作面板，这样的划分将使分系统间数据交互显得特别复杂，系统很零碎，也不好维护管理。第2种按战位进行封装。每艘航母航空保障系统包含的基本战位一致，如止动装置、喷气偏流板、阻拦装置等的控制战位。一艘航母的航空保障系统包含战位数十个，这样按战位封装成组件，子系统的可重用性强，子系统之间交互也可控。另外，要特别声明的是，复杂电子设备由于其复杂性和相对独立性，应单独封装，而不要封装在相应的战位子系统中。甲板引导员等甲板上通过口令、手势交互的战位同样按战位封装成组件。2.3.2 数据接口的合理设计

航母上的各个设备只要型号不变，设备研制方是不会改动总线通信接口的，因此理清设备总线通信方式、总线通信接口非常关键。实装总线通信是采用结构体进行交互，原因是便于通信接口的扩展。因此在开发相应模拟系统时，对于各个型号设备的总线通信方式中输入输出状态及解算数据、模拟量，仿真系统中采用UDP交互数据，通信数据接口采用结构体形式，而且结构体中成员变量尽可能和实装一样;各个型号设备中发出的主控信号 (如开关量)等采用可靠的TCP进行交互，解算类中将开关状态进行保存，以备交互或者转发使用。采用这种数据接口方式设计的虚拟设备无需任何改动就可以应用到后续的航母航空保障模拟系统中。而按照战位划分的子系统采用这种数据接口方式，只要战位中的操作面板不变或改动很小，虚拟子系统也就无需任何改动或改动很小即可应用到后续航母航空保障模拟训练系统中。人物对象的结构体信息主要是手势口令的交互命令(用ComID和ComValue表示)，而飞机对象的结构体信息是飞机位置姿态信息和飞机状态信息。结构体形式交互的总线数据传输方式如图2所示。

图2 结构体形式交互的总线数据传输方式Fig.2 Structures mode for data transfer

结构体交互的数据结构保证了数据传输形式的一致性，使得系统组织清晰。但要注意输出的状态结构数据定义尽可能优化，建议使用short型数据(int，double尽可能不用)，避免网络数据量过大。同时，要检查设备对象、人物对象和飞机对象的结构体数据是否发生变化，只有变化的结构体数据才用于系统状态更新，否则不更新，这种方法也大大降低了网络传输负荷，保证了系统的实时性。

2.4 虚拟系统与硬件模拟系统在软件上的统一

根据以往模拟训练系统的开发经验，桌面级虚拟仿真系统与仿实装的硬件模拟系统都有其现实应用价值，因此虚拟仿真系统架构设计时要考虑可柔性扩展为硬件模拟系统，做到虚拟仿真系统与硬件模拟系统在软件上的统一。

1)仿照实装总线通信采用结构体进行交互的数据接口方式，保障虚拟仿真系统与硬件模拟系统在软件上统一的可能性。

2)软件系统通过上位机程序与硬件交互，而不是直接与硬件交互，通过上位机程序，负责硬件数据的读写。读：把硬件的指令和数据转化成软件系统要求的数据和格式，写：把软件系统的数据和格式转化为硬件的指令和数据。这样就实现了虚拟仿真系统与硬件模拟系统在软件上的统一。

2.5 通过RTI组件实现未来与其他的模拟训练系统组网合同训练

高层体系结构HLA是继分布交互仿真技术DIS和聚合级仿真协议ALSP之后提出的新一代分布交互仿真体系结构，其目的是将单个仿真应用连接起来组成一个大的虚拟世界，促进仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性。因此，在开发舰面航空保障虚拟仿真系统时，需考虑到在未来需要的时候，还可以通过HLA实现与其他模拟训练系统的互联互通，与其他的模拟训练系统组网合同训练，形成更大规模的训练样式，发挥更大的效益。目前，有很多武器装备仿真训练系统基于HLA进行系统框架设计［2－5］，将每个训练岗位作为一个联邦成员。但航母航空保障系统训练战位就有数十个，若将每个战位都作为一个联邦成员，同时又与飞机模拟器等其他模拟训练系统相连，联邦复杂性将大大增加。因此，本文的做法是，舰面航空保障系统内部训练战位之间通信通过结构体和主控元件状态进行交互，而航保系统与其他训练模拟器组网，通过HLA/RTI进行。采用组件技术，开发RTI组件［6］，封装联邦成员间通过RTI进行数据和信息交互的各种功能。RTI组件作为一个标准的接口元素，可快速把原仿真系统与RTI接口模块组装起来，使不同语言环境开发的系统都能基于HLA进行扩展，同时屏蔽了HLA/RTI程序开发的复杂性，甚至支持Web开发。

通过上述分析，可实现舰面航空保障虚拟仿真模拟训练器材系列化、组件化生产的系统架构如图3所示。标准化问题还有待将来统一规划，由一家单位牵头，多家单位联合制定该类模拟训练器材研制标准。

图3 舰面航空保障模拟训练器材系统架构Fig.3 Carrier aviation guarantee simulation training system frame

3 结语

以某型舰为背景，考虑后续航母的发展需求，设计航母航空保障模拟训练系统的通用系统架构。该系统架构即考虑了航母航空保障训练的特殊性需求，满足了协同、实时、可靠的设计需要，同时具有良好的可扩展性。基于该架构既可快速横向开发出系列化的多型航母的航空保障模拟训练系统，又可纵向开发出模拟训练器材多层级配置，并可与其他模拟训练系统组网实现合同训练，具有良好的统一性和可扩展性。

［1］谢晓钢，安建祝，岳玉芳，等．分布式仿真训练系统通用开发框架研究［J］．计算机工程与设计，2012，33(11)．

XIE Xiao-gang，AN Jian-zhu，YUE Yu-fang，et al．Research of general development architecture for distributed training simulators［J］．Computer Engineering and Design，2012，33(11)．

［2］吴金平，陆铭华，李践飞．潜艇综合训练仿真系统HLA联邦设计与开发研究［J］．系统仿真学报，2011，23(3)．

WU Jin-ping，LU Ming-hua，LI Jian-fei．HLA federation design and development research of submarine synthetic training simulation system ［J］．Journal of System Simulation，2011，23(3)．

［3］陈家照，何全明，关正西．基于HLA的某导弹发射训练仿真系统开发［J］．系统仿真学报，2006，18(12)．

CHEN Jia-zhao， HE Quan-ming， GUAN Zheng-xi．Development of missile launching training simulation system based on HLA［J］．Journal of System Simulation，2006，18(12)．

［4］林昊森．基于HLA/RTI与Socket的分布式仿真系统互连的实现［D］．长春：吉林大学，2010．

LIN Hao-sen．The implementation of interaction between distributive simulation systems based on HLA/RTI and socket communication［D］．CHangchun：Jilin University，2010．

［5］张建荣，于永利，张柳，等．基于HLA的维修保障仿真系统设计研究［J］．军械工程学院学报，2010(4)．

ZHANG Jian-rong，YU Yong-li，ZHANG Liu，et al．A research on the design of maintenance support simulation system based on HLA［J］．Journal of Ordnance Engineering College，2010(4)．

［6］欧海英，于辉．基于HLA和组件技术的仿真训练系统扩展［J］．系统仿真学报，2009(11)．

OU Hai-ying，YU Hui．Simulation training system extended based on HLA and component technology［J］．Journal of System Simulation，2009(11)．

General frame design for carrier aviation guarantee simulation training system

OU Hai-ying，BI Yu-quan，ZHOU Xiu-zhi
(Qingdao Branch，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041，China)

A good system frame design is one top and key problem for carrier aviation guarantee simulators'building．Cooperativity，credibility，and real-time needs are taken into account firstly，aiming at the characteristics of many battle stations，many information kinds，high-cooperativety between people，and short intervals between tasks in carrier aviation guarantee work．Variaties of expansibilities are considered at the same time．Cooperativity，credibility，and real-time needs are meeted and the diatropic expansibility is realized，using a muli-C/S flexible net structure，a design method based on components，and an integrative harmony mechanism based on encapsulations of battle stations and structures mode for data transfer．The portrait expansibility is realized，using an independent upper procedure block to read and write hardware data．Cooperated training with other simulators is realized，using an RTI component．This system frame can be used to produce series of carrier aviation guarantee simulators in components．It has good oneness and expansibility．

carrier;aviation guarantee;simulation training;system frame

TP391．9

B

1672－7649(2014)06－0125－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.025

2013－05－28;

2013－07－17

海军装备部军内科研资助项目

欧海英(1978－)，女，博士，主要从事航空装备保障及模拟训练研究。