试验训练一体化仿真支撑技术研究

2021-11-17董志明郭齐胜

计算机仿真 2021年2期

关键词：实时性靶场中间件

董志明，郭齐胜

(陆军装甲兵学院演训中心，北京 100072)

1 引言

武器装备信息化、体系化特征日益突出，多军兵种联合作战已成为主要作战形态。针对当前实装对抗难以达到“体系对抗”要求，将信息化训练场、实际武器装备体系、半实物模拟训练器、虚拟战场空间融为一体是实现“实装体系对抗”的有效手段[1-2]。

2 关键技术

针对以上问题，本文详细阐述了试验训练一体化支撑平台5项关键仿真支撑技术。

2.1 仿真环境柔性集成技术

人在环是试验训练仿真系统的特征之一，每个人的作业环境构成一个席位。由于仿真规模和投入有限，要进行全席位仿真不现实。因此，提出了“成系统、全要素”的解决方法，成系统指的是指挥结构完整，全要素指的是作战要素齐全。传统的仿真环境集成架构有两种：一种是固定功能方案，每个席位都做一套；另一种是组合功能方案，“终端个人电脑+服务器+功能固定的通信装备+半实物模拟器或装备”。针对以上两种方案难以适应快速多变的应用需求，分别从构件集成、席位集成、作业环境集成三个层次展开，提出柔性作业环境构建方案。构建集成层要完成虚拟设备(如虚拟电台)和作业界面生成，并将它们集成为席位；席位集成层将不同席位集成为方舱；作业环境集成层负责将不同方舱集成为作业环境。

在构件集成层，有两个问题。一是指挥信息系统快速开设与配置，比如有师规模仿真变成团规模仿真；采用虚拟桌面技术，通过本地虚拟桌面、虚拟托管桌面和三种模式的虚拟磁盘流式桌面来解决。二是信息终端快速替换，比如不同型号雷达替换，采用虚拟仪器与构件化软件技术，构建信息设备的通用虚拟作业终端集成平台，统一的技术体制，集成定制的相关设备的物理外观模型、数据接口模型、操作响应模型，形成相应设备的虚拟操作环境。在席位集成层，要解决的问题是半实物仿真通信设备通用化、可替换，如：超短波电台。采用硬件与软件分离技术，按照模件化、模块化思想，对硬件环境进行统一建设或改造，通过少量模件替换及软件更新，实现设备类型的更替。在作业环境集成层，要解决综合集成问题，研究了电磁环境仿真、链路通信层仿真等技术。

2.2 装备体系虚实交互技术

在试验训练仿真系统中有三种仿真实体，即半实物模拟器、实装指挥软件(实装)和数学仿真软件。实兵操作的是半实物模拟器和指挥信息系统实装软件，而数学仿真软件采用的是数字仿真模型。二者数据定义的类型、表现形式、传递形式、存储形式等有较大差异，需要通过桥接转换来实现异构系统的操作和数据的交互理解。采用基于服务架构的虚实交互技术。仿真中心服务器通过高速网络与半实物系统、实装系统、综合显示系统、管理控制系统和考核评估系统等实现互联互通，提供仿真数据服务；半实物系统、实装系统通过数据桥接器与数学仿真软件进行信息交互。

要实现上述虚实交互，需要两个问题。第一个问题是指挥控制信息系统数据采集问题，主要采集各作业人员在应用过程中收发的战术报文、文书和信息系统的操作记录。其难点是指挥控制信息系统数据采集节点多，包括多种操作系统，现有指挥控制信息系统软件采用非标准控件，且各军兵种和各专业具有不同的报文格式和传输协议，导致采集对象数量大、情况复杂，难以采用常规方法进行采集。采用API截获、动态库劫持和数据库触发器等技术，截获指挥信息系统交互的战术数据短报文、实时报文、文电信息，具有效率高和无丢包率等特点，且能较好地解析报文内容。同时，采用虚拟对象标注技术，较好地获取了非Windows标准控件上的操作信息。第二个问题是异构数据的实时转换问题，其难点是指挥信息格式复杂。运用虚拟超级用户代理技术、交互信息格式自动转换技术，实现了实装与虚拟兵力之间的信息交换。采用交互信息格式转换技术，通过命令模板匹配、自然语言理解、解析转化等方法分别对(可变长度)VMF报文、文电和实时报文等信息，在数据支持分系统与指挥信息分系统间进行转换，实现两个分系统的互连互通。

应用上述虚实交互技术建立了虚实交互转换桥接器，实兵可以通过实装指控软件产生的指挥信息，与虚拟兵力进行实时交互，控制作战仿真过程中的各种作战行动。对指挥员来讲，可以将指挥员决策过程与实装软件系统、作战仿真系统有机结合起来，实现了指挥员在逼真的战场环境中，依托实装指挥控制系统，进行实时指挥，取得接近实战的训练或试验效果。

2.3 联合试验训练支撑环境体系架构技术

LVC试验训练的核心技术问题是解决异构资源的互操作问题，需要基于一个统一的体系架构，将实装、模拟器、数学模型等试验训练资源进行标准化封装，在这些资源之间建立统一的语言和通信机制，从而构建一个具有统一时间、空间和战场环境的逻辑靶场。因此，提出基于中间件的互联互通互操作、基于对象模型的LVC资源互操作以及基于“网管+适配器”的异构系统集成技术。

TISA中间件用于实现互联互通互操作，并在逻辑靶场中维护统一的时间概念。TISA中间件以对象模型的元模型为通讯语义基础，将分布式共享内存的编码提取、匿名发布订阅和分布式模型驱动面向对象的编程整合到一个中间件系统中。它是一组支撑LVC试验运行的中间件软件集合，基于一系列标准化的API，为LVC试验提供集中管理，数据传输、调度服务和时间服务，用于在不对现有试验模型进行改动的条件下，实现各类LVC模型、试验对象和试验资源的互联互通互操作。中间件在特定逻辑靶场中维护统一的逻辑时间，应用资源可以选择是否受逻辑时间控制，所有中间件处理的信息包都带有逻辑时间戳。

TISA实现LVC异构互操作的核心技术是对象模型。在试验训练活动中，各类异构的LVC资源需要被集成到一个统一的逻辑靶场中，这就要求每一个实体之间可以相互理解对方的属性，并且可以对这些属性进行操作。TISA采用对象模型的方式来描述这些属性，这样的好处有以下几个方面：面向对象的方式使对象模型具备了软件工程意义上的可重用性；在应用程序的编译过程中可以发现大多数接口匹配问题；通过标准化过程可以使标准对象模型保持长期稳定、正确、有效、易于重用。

TISA通过异构网关和适配器将不同类型的系统与TISA集成在一起。TISA网关/适配器利用代理模型的机制将不符合TISA规范的系统映射为TISA对象模型。TISA网关/适配器包括战术互联网网关、实装无线基站网关、DDS网关和HLA网关等。

2.4 约束条件下LVC仿真实时互操作技术

试验训练一体化仿真支撑平台的核心需求是实装、模拟器和数学仿真三类资源的实时互操作能力，这是构建LVC逻辑靶场所必须的基本条件。LVC系统中互操作实时性要求的本质是：两个实体之间发生的互操作，其逻辑时间一致性满足对该互操作过程进行仿真的精度要求。例如导弹拦截末制导过程，拦截弹与被拦截弹之间的逻辑时间一致性需要达到毫秒级，才能保证空间仿真精度达到所需的米级。因此，提出基于“分类分域+逻辑时间锁”的实时互操作，以及基于容错置换的LVC实时仿真。

TISA中间件提供三种基本的互操作实现方式，分别为对象交互、消息传递和远程方法调用，三者具有不同的软件实现流程，因此在实时性和权限方面有一定差异，如表1所示。

表1 三种基本的互操作实现方式

2.4.1 实现方式

1)对象交互。对象交互主要提供虚拟状态信息的发布和订阅功能，负责对象的发布/订阅、更新和维护。实体可以将自身的物理状态发布，供其它实体匿名订阅。发布过程在每一个实体的仿真计算周期(TICK循环)中更新一次，任何实体在读取相关信息时，只能获取最后一次更新的虚拟状态信息。因此该过程的实时性受TICK周期的影响，用于实现逻辑靶场中的观测过程，主要用于模拟器和数学模型。

2)消息传递。消息传递模块提供消息发现与消息传递功能。发出消息的实体发布消息，中间件连接事件通道，将对象消息封装成Structured Event(结构事件)后推送到事件通道中，进而完成整个消息更新的全过程。消息接收实体向事件通道表达订阅消息兴趣，获取相关消息。消息过程会在TICK周期中触发消息处理回调过程，主要用于完成逻辑靶场中的合法授权信息交互过程。

3)远程方法调用。远程方法调用是TISA中间件提供的最强大的交互方式，区别于对象交互、消息传递的处理，提供及时、可控的远程通信，可以修改实体的各种状态，以类似中断的方式实现。其实现方式示例：某客户端应用程序需要调用某服务应用程序的远程方法，客户端应用程序向其代理对象提出远程方法调用请求，代理对象在接到请求后向服务端的服务者对象提出需求，服务者对象真正实现远程方法，并将结果传递给客户端的代理对象，客户端代理对象将结果反馈给客户端应用程序。远程方法调用用于实现针对实装的观测过程、逻辑靶场中各种物理相互作用过程、非法授权信息交换过程。

2.4.2 实现原则

在技术水平和物理限制的约束之下，LVC系统为了满足其互操作的实时性要求，必须在构建逻辑靶场时进行相应的设计。为了最大限度的保障逻辑靶场互操作的实时性，需要参照以下三条逻辑靶场设计原则：

1)对互操作的实时性要求差异进行分类处理。LVC系统中互操作的实时性要求是不同的。例如，对于指挥控制信息的下达与传递，满足秒级实时性即可；对于拦截高超声速飞行器的防空导弹的探测过程，必须保障毫秒级实时性。逻辑靶场的实时性必须满足所有互操作对实时性的要求，否则逻辑靶场就是不自洽的，是错误的。因此，在构建LVC逻辑靶场的实践过程中，必须重点考虑与试验训练目的相关的重要强实时性双向互操作，尽可能避免建立与试验训练目的无关并且实时性要求较高的互操作。

2)对互操作的物理分布进行分域处理，集中部署强耦合实时互操作实体。LVC系统中的互操作发生在逻辑靶场中的两个实体之间，在很多情况下，一个实体仅与特定少数的实体之间存在同一类型的互操作过程。例如，拦截高超声速飞行器的防空导弹，其探测过程仅与被拦截的高超声速飞行器相关，与逻辑靶场中的其它实体并不存在类似的强实时双向互操作。在这种情况下，尽可能使存在强实时互操作耦合的实体在真实世界中处在一个相对小的空间范围内，可以有效地保障强实时互操作所需的通信延迟。

3)针对强实时双向互操作，尽可能采用逻辑时间锁定的方式对齐TICK周期。TISA提供逻辑时间管理功能，这似的模拟器和数学模型类实体在大多数情况下可以将TICK周期的逻辑时间对齐，这样其仿真精度就不再受通讯延迟波动的影响。需要注意的是，实装类实体需要谨慎运用此技术，避免造成实装逻辑时间锁死。

2.5 复杂试验训练资源管理及服务化技术

LVC试验训练活动涉及两类靶场资源：第一类资源是满足TISA规范的各类资源应用，这些资源应用参与逻辑靶场的运行，称为在线资源，提供基于hadoop在线资源管理技术，第二类是基础软件、标准规范、操作手册等基础性资源，称为离线资源，提供了基于“门户+云”的离线资源管理技术。

2.5.1 基于hadoop的在线资源管理

TISA提供在线资源管理系统对逻辑靶场的在线资源进行描述和服务化。主要包括硬件资源管理、应用资源管理。

1)硬件资源管理。硬件资源管理系统可对仿真试验中可用的计算资源进行监控管理，保证计算资源负载均衡，计算能力最优化。硬件资源管理采用hadoop组件统一管理应用计算机，在各应用计算机安装守护进程实现对各应用计算机节点的管理和控制，并为用户提供多种接口方便用户提交计算任务。硬件资源管理使用yarn框架获得计算资源状态，结合仿真任务对硬件资源进行资源控制和调度管理；使用hdfs管理与硬件资源有关的文本信息。硬件资源管理模块充分利用现有的计算资源，对异构高性能集群计算环境中的计算资源状态进行状态收集和负载平衡，以充分利用其高速计算能力。

2)应用资源管理。应用资源管理可对试验中应用模型进行分发部署，控制启停。试验训练应用资源以“.rar”或“.zip”压缩文件的形式存储于应用仓库中。这些应用资源通过试验分发和调度服务器分发到所有的运行节点中，试验训练运行节点在完成试验应用的接受工作后，将试验应用解压并部署到指定的目录下。在所有运行节点完成分发、部署工作后，试验分发与调度服务器就可以开始对试验进行运行控制，支持试验的多次运行。在试验运行完毕后，用户可以选择是否对已分发的试验应用进行清除操作。

2.5.2 基于“门户+云”的离线资源管理

TISA资源库是一个TISA的知识库、软件库和模型库，用于存储一切和TISA相关的可重用的资源和知识，包括：标准对象模型、可重用的模型应用、应用工具、通用工具、历史经验库、中间件部署包、标准规范文档、用户手册等。同时TISA资源库提供不同用户之间交流技术和交易应用资源的平台。TISA资源库系统包括底层平台公共模块和系统业务模块，完成系统管理、流程管理、用户工作台面建设、资源上传、资源管理、资源交易、资源地图、统计分析等资源全流程管理。资源库系统提供三员管理、人员管理、个人空间管理等安全体系建设，满足安全保密管理规定。