基于HLA的分布式飛行指揮仿真系統設計

張軍良

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

飛行指揮專業性強，裝備功能強大、操作復雜、技術含量高，在實驗室內建立飛行指揮仿真系統，對整個飛行指揮進程進行模擬，不僅可很好地再現實際飛行指揮過程，節約人力、物力和財力，而且為作戰訓練、戰法研究、武器裝備發展規劃及論證提供一個演練論證平臺，對信息系統優化研究和提高技術指揮水平具有重要意義。

構建飛行指揮仿真環境，傳統集中式、分布式的仿真由于在交互性、擴展性和重用性能力不足，已不適應大型、復雜系統的仿真構建需求;HLA可將分布在不同位置的子系統連接起來，構成時空一致的仿真環境，具有良好互操作性、可重用性、可擴充性，在復雜系統仿真領域得到廣泛應用［1－6］。

1 高級體系結構

1995年，美國國防部在建模與仿真主計劃(MSMP)中提出高層體系結構(HLA)，作為未來建模/仿真的共同技術框架，其核心是互操作和重用，并通過運行支撐環境(Run-time Infrastructure，RTI)，提供通用、相對獨立的支撐服務程序，將仿真應用和底層支撐環境分離，使分布在不同位置的子系統連接起來，構成時空一致的仿真環境。HLA體系結構體現系統自治，各仿真應用均為獨立對象，保證仿真運行階段中各仿真應用能夠方便相互協調運行。

HLA為復雜系統建模和仿真提供了公共技術支撐框架，其中聯邦(Federation)是一個重要概念，將用于達到某一特定仿真目的的分布式仿真系統稱為聯邦，由若干相互作用的聯邦成員組成。HLA主要由HLA規則、HLA接口規范和HLA對象模板(Object Model Template，OMT)3部分組成。其中，HLA規則定義了在聯邦設計階段必須遵循的基本準則;HLA接口規范定義了在仿真系統運行過程中支持聯邦成員間互操作的標準服務;HLA對象模板定義了一套描述HLA對象模型的部件，該3部分有機結合共同構成HLA仿真體系結構。通過RTI提供的通用、相互獨立的支撐服務，支持不同仿真應用間的互操作和仿真部件的重用，成員之間的數據交換通過RTI實現。HLA標準組成結構如圖1所示［7］。

圖1 HLA標準組成結構

2 飛行指揮仿真系統需求設想

依托以太局域網，采用面向服務網絡架構［8］和軟件集成中間件技術［9］在通用支撐平臺基礎上，構建飛行指揮信息系統仿真環境，包括飛行平臺模擬器、地面指揮所、空中指揮所、友鄰指揮所、模擬藍方、仿真導調、仿真態勢綜顯和仿真評估等仿真要素，涵蓋指揮、領航、空管、情報、通信和導航等主要業務功能，展現受領作戰任務、戰場情況綜合、作戰方案擬制、作戰行動推演、對空引導、指控交接、作戰協同和火力突擊等指揮流程，提供仿真導調、網絡研討、仿真推演和效果評估等手段，通過虛擬戰場、狀態監控、信息可視化顯示等手段展現各類信息。飛行指揮仿真系統組成結構如圖2所示。

圖2 飛行指揮仿真系統組成結構

3 基于HLA飛行指揮仿真系統設計

3．1 聯邦及仿真引擎體系結構設計

飛行指揮仿真系統為武器平臺與指揮平臺相結合的仿真系統，涉及對象多，仿真實體模型復雜，仿真實時性強，需要解決仿真時間同步、模型組合協調、人機接口良好、仿真策略靈活、仿真實時統計分析和仿真過程動態可視等問題，需要有統一的管理結構協調各仿真系統的交互運行，同時各子系統內部有統一的體系結構，而HLA互操作性和可重用性優點，可很好滿足該系統結構設計，并能適應系統擴展互聯要求。

根據HLA體系結構思想，飛行指揮信息系統仿真作為一個聯邦，主要包括飛行平臺模擬器、地面指揮所、空中指揮所、友鄰指揮所、模擬藍方、仿真導調、仿真態勢綜顯和仿真評估等聯邦成員。聯邦成員通過局域網互聯，采用RTI作為其運行支撐環境，RTI中Lib RTI庫封裝到每個聯邦成員中，使每個聯邦成員與其他成員信息交互通過HLA接口函數實現。聯邦成員的功能如下:

①仿真導調聯邦成員。任務想定、仿真腳本和模擬數據等制作，通過指令、話音更改戰場態勢，控制仿真推演進程。

②仿真態勢綜顯聯邦成員。具有二維、三維戰場態勢顯示能力，能夠模擬編隊飛行，接收響應地面指揮所、空中指揮所等仿真系統發送的引導指令，實時生成平臺參數、系統狀態和監視目標等消息，并向模擬指控單元下發。

③仿真訓練評估聯邦成員。實時采集仿真業務操作數據，可現場隨機點評及事后總結、分析。

④飛行平臺模擬聯邦成員。完成飛行平臺航電任務設備模擬數據采集、顯示和處理，接收響應地面指揮所、空中指揮所等仿真系統發送的引導指令，生成平臺參數、系統狀態和監視目標等消息，并向模擬指控單元下發。

⑤地面指揮所仿真聯邦成員。包括指揮、領航、協調、情報和通信等指揮保障業務，完成受領任務、戰場情況分析、作戰計劃擬制、網絡研討和作戰行動推演等功能，可對飛行平臺模擬系統進行指揮引導，與空中指揮所、友鄰指揮所仿真系統進行信息共享與指揮協同。

⑥空中指揮所仿真聯邦成員。包括雷達監視、指揮、情報和引導等業務功能，能夠完成受領作戰指令、戰場態勢監視、飛行指揮和指揮協同等模擬功能。

⑦友鄰指揮所仿真聯邦成員。模擬生成協同計劃、共享態勢和協同指令等信息。

⑧模擬藍方聯邦成員。模擬藍方部隊、陣地部署及目標機動等己方態勢，并根據態勢演進，實時對戰場態勢進行更新。

⑨仿真引擎聯邦成員。基于HLA的分布式交互仿真控制與管理部分是仿真引擎，由仿真調度器、仿真控制器組成，是一個特殊的公共仿真聯邦成員，其主要任務是讀取想定數據、解釋行動方案、在RTI服務支持下驅動其他聯邦成員的實體仿真運行。

飛行指揮仿真引擎體系結構如圖3所示。

圖3 飛行指揮仿真引擎體系結構

3．2 FOM/SOM 表設計

在確定聯邦成員后，接著要考慮對象類和交互類設計，并確定發布/訂購關系。聯邦對象模型FOM表描述聯邦執行中各聯邦成員間進行交互的全部共享信息，是各聯邦成員發布的對象類和交互類信息的集合，直接體現HLA仿真對象的互操作性和可重用性。成員對象模型SOM是單一聯邦成員的對象模型，其描述單個聯邦成員對聯邦其他聯邦成員的需求及向其他聯邦成員提供信息的能力。面向對象的分析與設計方法為各聯邦成員建立對象模型提供理想的技術方法［10－12］。FOM/SOM 是聯邦進行交互的基礎。各聯邦成員可通過發布和訂購所確定好的FOM/SOM，以獲得聯邦所需的信息。

在HLA中，對象類是指參與聯邦交互的對象實例所屬的類，交互類是指對象實例交互時交互實例所屬的類，各聯邦成員可通過發布和訂購所確定好的對象類和交互類，獲得該聯邦所需的數據信息，同時將其他聯邦感興趣的信息發送出去。通過對各對象類屬性值的公布/訂購、更新/反射，實現各聯邦成員更新狀態，控制執行完成相應操作，并反映在操作界面上。采用建模工具OMDT生成SOM各類表格，進而形成聯邦執行所需的FED文件，主要包括對象類和交互類設計。系統仿真設計主要的對象類、交互類、對象類的公布和訂購關系分別如表1、表2和表3所示。

表1 對象類表

表2 交互類表

表3 對象類的公布訂購關系

3．3 時間管理方式

在基于HLA仿真系統開發中，時間管理主要包括時間推進機制和消息傳遞機制，均與聯邦成員的時間管理策略相關。在飛行指揮仿真推演過程中，各聯邦成員的時間管理策略設為既“時間控制”、又“時間受限”，聯邦成員既影響其他聯邦成員的時間推進，而本身時間推進又受其他聯邦成員的影響，推進驅動方式采用時間/事件推動。

3．4 聯邦運行流程

聯邦由仿真導調系統創建，各聯邦成員加入后，由仿真導調系統啟動。在仿真想定基礎上，創建加入聯邦，通過初始化對象數據及確定對象間的聲明訂購關系，設定時間推進策略，在達到仿真同步時，仿真推進，更新數據，存儲仿真結果，反復推進，直至仿真結束，退出聯邦。聯邦運行流程如圖 4所示［4］。

圖4 聯邦運行流程

聯邦成員通過調用 RTI的標準服務 RTIAmbassador完成加入聯邦執行、設置時間管理方式、發布/訂購對象類/交互類等工作;同時RTI通過回調函數Federate-Ambassador將訂購的對象類屬性及交互類參數傳給指控仿真單元。

聯邦成員通過調用 RTI的標準服務 RTIAmbassador完成加入聯邦執行、設置時間管理方式、發布/訂購對象類/交互類等工作;同時RTI通過回調函數Federate-Ambassador將訂購的對象類屬性及交互類參數傳給指控仿真單元。

4 結束語

針對飛行指揮系統仿真問題，給出了基于HLA仿真體系結構，合理設計了聯邦，規范了聯邦成員框架結構，根據其功能進行模塊化設計，使其具有HLA賦予的組件重用和擴展能力，縮短開發周期，提高系統的可重用性和可擴展性。該仿真系統為裝備培訓、戰法研究、武器裝備發展規劃及論證提供一個演練論證平臺，為大型仿真系統開發、擴展、重組提供了有效解決途徑［13－14］。

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