基于HLA的分布式仿真訓練系統設計

國 棟，張 晶，錢 良

(1.中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431;2.中國人民解放軍71115部隊，山東青島266011)

0 引言

目前測控通信裝備的系統復雜度高，裝備操作規程嚴格，對操作人員的能力素質提出了較高要求。大部分操作需要由多個崗位的操作員協同配合，各個操作員均負責一個功能上相對獨立的功能模塊，但相互間存在著嚴格的邏輯關系，每一步操作的內容和實施時機都是確定的，在統一的操作規則和程序約束下協同完成任務。

通過建立訓練模擬仿真系統，開展人員培訓，可以降低訓練成本，減少裝備損耗，記錄訓練數據后可以進行講評回放，再現裝備狀態和操作細節，并且訓練的實施不受時間、空間及氣候條件的限制，從而可以確保設備操作訓練的頻度和強度，使得崗位操作人員盡快熟悉并掌握設備操作技能。

高層體系結構(High LevelArchitecture，HLA)［1，2］是目前實現分布式仿真的主要技術手段，用于構建通用仿真框架，在HLA中，用于實現某一特定功能的分布式仿真系統稱為聯邦(Federation)，它由若干個交互作用的聯邦成員組成。基于HLA，可以把一個龐大的仿真系統劃分為若干個子系統，每個子系統作為一個聯邦成員參與到仿真中來，在保持各自獨立性的同時實現信息的有效交互。HLA架構支持不同仿真應用之間的互操作和仿真組件的可重用，使系統具有良好的開放性和可擴展性，既有效利用了現有資源，又使仿真系統具有良好的擴展性，便于后續的擴展和開發。

1 系統設計

1.1 系統功能

仿真訓練系統的主要培訓對象為崗位操作人員，具體功能包括:

①基本操作訓練:各崗位單獨訓練，不需要其他分系統協助，各分系統開機后就能獨立訓練，目的是掌握各崗位工作模式、基本操作流程、技術參數設置和情況處置等，對各崗位專項操作進行強化訓練;

②協同操作訓練:各崗位按實裝設備工作流程進行相應聯合訓練操作，目的是訓練各崗位操作人員之間的協同能力，可根據需要設置多個崗位協同或全武器操作崗位協同;

③故障排查訓練:目的是訓練崗位操作人員的故障排查能力，由管理員設定指定的故障后，崗位人員做出排查動作，直至排除故障;

④考核評估:對崗位訓練效果進行考核與評估。

1.2 系統基本框架設計

基于HLA構建分布式模擬訓練仿真系統，其基本框架如圖1所示。

圖1 仿真訓練系統框架

各分系統主要功能如下:

①仿真導演:選擇與設置訓練科目、發送訓練科目相關數據、協調控制訓練過程、對操作人員的操作數據進行記錄，采用相關的評估方法給出訓練成績;

②仿真管理:提供HLA RTI運行環境，監控RTI服務器和RTI運行狀態等;

③仿真機:實施各個崗位的操作訓練，通過仿真軟件界面模擬參數設置、技術狀態調試和故障排除等操作過程;

④外部成員:當仿真訓練系統演練項目中需要外部系統時，由外部成員生成必要的外部數據;

⑤數據庫:存儲模擬訓練過程中涉及的各類數據，如訓練科目表、訓練參數表、故障參數表、訓練操作記錄表、訓練狀態表和訓練結果表等。

2 系統實現

基于HLA/RTI的分布式仿真系統由聯邦和聯邦成員組成，聯邦(Federation)是指用于達到某一特定仿真目的的分布仿真系統，對應的模型稱為聯邦對象模型FOM，它由若干個相互作用的聯邦成員(或簡稱成員)構成，稱為仿真對象模型(SOM)。

FOM定義了仿真運行過程中將參與聯邦成員信息交換的對象類、對象屬性、交互類和交互參數。SOM定義了聯邦成員可以對外公布或需要定購的對象類和對象類屬性。FOM需要基于SOM開發，而各個成員SOM的開發則是建立在正確設計聯邦為每個成員分配責任的基礎上。最后利用RTI軟件工具實現仿真系統中各聯邦成員的信息交互。

對于基于HLA架構的仿真系統［3-6］內的數據交互，包含2種數據:①連續存在的屬性數據，標識實體的狀態，如名稱、句柄以及位置信息等，用對象類(object class)及其屬性(attributes)來描述;② 實體瞬間事件的數據，如指令和測量結果等，用交互類(interaction class)及其參數(parameter)來描述。

仿真訓練系統中各分系統的狀態響應、接口關系復雜，需要仔細分析各分系統的結構組成和特性，建立基于HLA/RTI的仿真系統及聯邦成員，設計和開發聯邦和仿真對象模型。這里主要給出訓練仿真系統中較為典型的仿真導演和崗位聯盟成員的實現方法。

2.1 仿真導演設計與實現

仿真導演主要供訓練指揮人員使用。主要有以下4個功能:

①導演訓練功能:選定訓練科目，從訓練數據庫中讀取該科目對應的訓練參數，然后將其分發到本次訓練涉及的各崗位聯盟成員，進行訓練的初始化準備;在收到所有崗位發來的就緒信號后，仿真導演控制啟動訓練。在訓練過程中，仿真導演接收各崗位發來的狀態信息，將其顯示給訓練指揮員并存入訓練數據庫中。

②對訓練效果進行評估:采用比對、統計等方法，參照操作時序的正確性、操作熟練性、故障處理的及時和準確性等作為評估指標，在訓練過程或結束后對操作人員的訓練進行評分。

④控制仿真回放:通過回放先前存儲在數據庫中各崗位的操作數據，實現演練科目的回放。

2.2 崗位操作聯盟成員設計與實現

崗位操作聯盟成員主要提供給崗位操作人員實施操作訓練，崗位操作聯盟成員的結構設計示意圖如圖2所示。崗位操作人員通過操作界面與該仿真成員進行交互。

實現內容包括:

①操作界面主要為鼠標和鍵盤的輸入，以及各種開關、按鈕等開關量的輸入;

圖2 崗位操作聯盟成員結構

②狀態顯示主要為面板上各種指示燈、儀表和顯示器等，以及模擬的技術狀態的二維、三維顯示;

③數據處理重點是算法模型，常見的模型分5類:時序邏輯模型，代數模型，隨機模型、動態模型和三維實體模型;

④RTI接口主要明確需要獲得的其他成員的狀態信息，以及自己的狀態信息哪些需要發布給其他的仿真成員;

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⑤HLA/RTI網絡:負責時間同步和數據分發。

2.3 軟件實現原理

軟件的實現分為用戶界面、數據處理模塊和HLA/RTI三個層次。底層HLA/RTI采用MarkRTI軟件實現，該軟件提供了基于TCP/IP協議的RTI實現接口，用戶只需完成相應交互類的設計，無需關注具體實現過程。HLA上層應用通過RTI接口庫來調用HLA所提供的功能，以C++類庫的形式提供;中間層數據處理模塊采用C語言編寫，實現系統仿真的相關計算和系統功能調度等;頂層用戶界面層采用LabWindows/CVI軟件實現，該軟件提供了豐富的控件，便于軟件圖形界面的實現。軟件的主程序使用Visual C++編寫。

2.4 舉例說明

下面以VHF通信系統為例對仿真系統建立進行說明。

①確定聯邦并劃分聯邦成員，仿真系統中聯邦即為VHF通信系統，系統中設定3個聯邦成員:伺服分系統、信道分系統和故障管理。

②確定各個對象類及其屬性，如表1所示。

伺服分系統的主要屬性包括方位角、俯仰角、電源電壓和環流等;

信道分系統的主要屬性包括發射頻率、功率、本振頻率和中放電壓等;

故障管理屬性包括各設備的故障狀態。

③確定對象類之間的交互關系，也就是確定各個對象需要什么、能夠為其他對象提供什么。SOM公布訂購表如表2所示。

表1 對象類及屬性

表2 SOM公布訂購表

系統結構如圖3所示，VHF通信系統即為聯邦，伺服分系統、信道分系統、故障管理為聯邦成員，聯邦成員具有各自不同的屬性，相互之間通過交互類來溝通信息。

圖3 仿真系統結構

3 系統運行流程

整個系統的運行管理由仿真管理中心實現，工作流程可分為4個步驟:

①仿真參數配置:為了實現仿真訓練，需要設定設備參數及初始狀態，然后啟動仿真;

②聯邦成員初始化:包括創建并加入聯邦、對象類和交互類的公布和訂購、設置時間機制、注冊對象實例等工作;

③仿真循環:聯邦成員獨立進行各自的仿真任務，完成屬性更新和數據交互;

④退出聯邦:仿真結束。

仿真系統的運行流程如圖4所示。

圖4 仿真系統流程

4 結束語

基于仿真運行支撐軟件RTI，設計了兼具開放性、可擴展性、交互性和可視化的分布式訓練模擬仿真系統。通過RTI提供的底層通信傳輸服務，將上層應用與底層支撐環境分離，保證了應用開發的獨立性。主要研究了針對多崗位操作類裝備的分布式仿真訓練系統設計，分析了仿真系統組成的基本要素和一般功能要求，對訓練模擬仿真系統進行功能模塊劃分，設計了系統的總體框架，并探討了仿真訓練系統中仿真導演和崗位操作聯盟成員的實現方法，可以為此類訓練仿真系統的構建提供借鑒。

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