航母航空保障模擬訓練系統通用架構設計

歐海英，畢玉泉，周秀芝

(海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041)

航母航空保障模擬訓練系統通用架構設計

歐海英，畢玉泉，周秀芝

(海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041)

好的系統架構設計是航母航空保障模擬器材建設的頂層和關鍵問題之一。針對航母航空保障工作具有參與的戰位多、信息種類多、人員協同關系強，任務時限性強等特點，將協同、可靠、實時作為系統架構設計首要考慮因素，在此基礎上考慮系統的多種擴展性需求。提出基于浮動多C/S的柔性網絡結構，基于組件的架構設計方法，以及基于戰位封裝和結構體模式的一體化協調機制，實現協同、可靠、實時的設計需求和該系統的橫向擴展性。應用負責硬件數據讀寫的獨立上位機程序，實現該系統架構的縱向擴展性。通過RTI組件，實現與其他模擬訓練系統組網合同訓練。該系統架構可實現航母航空保障模擬訓練器材的系列化和組件化生產，具有良好的統一性和擴展性。

航母;航空保障;模擬訓練;系統架構

0 引言

航空保障系統是航空母艦上保障艦載機正常運轉和執行各項任務作業的系統，是確保航母戰斗力生成的核心系統之一。模擬訓練以安全、經濟、可控、可多次重復、無風險、不受氣候條件和場地空間限制，既能常規操作訓練，又能培訓處理各種事故 (包括災難性事故)的應變能力以及訓練的高效率、高效益等獨特優勢，一直受到各國軍方高度重視。我軍也陸續開發了多型裝備的模擬訓練系統。隨著我軍“遼寧”號航母的服役，針對航母航空保障人員訓練的模擬系統需配套籌劃和建設，而好的系統架構設計［1］是模擬訓練系統建設的頂層和關鍵問題之一。

1 設計思想

從模擬訓練器材的發展趨勢來看，模擬訓練不僅注重其應用的特指性和仿真性，同時要走系列化、標準化和組件化的道路。因此，航母航空保障模擬訓練系統的架構設計不僅要關注航母航空保障工作具有參與的戰位多、信息種類多、人員協同關系強，任務時限性強等特點，將協同、可靠、實時作為架構設計的首要考慮要素，同時在系統架構設計中，還需考慮以下3個問題：

1)航母是我軍正在發展的新型裝備，某些航保設備尚未完全定型，這就涉及到型號設備的加裝或者改裝;同時通用系統架構設計不僅要考慮應用于當前航母的航空保障模擬訓練系統中，還要可擴展到后續建設航母的應用中，即可橫向開發出系列化的多型航母的艦面航空保障模擬訓練系統。

2)航母航空保障系統涉及多個操作臺位，這些操作臺位的模擬可采用桌面式虛擬系統模擬，也可制作成硬件模擬，而系統架構設計要做到桌面級虛擬訓練系統與硬件模擬訓練系統在軟件上的統一，即軟件無須任何代碼改動能夠互相通用，即可縱向開發出系列化的模擬訓練器器材多層級配置。

3)最后所開發的模擬系統將來應可根據需要與其他單位生產的模擬訓練器材互連互通，實現未來的合同訓練。因此需要考慮好系統架構的統一性和擴展性。

2 設計方法

2.1 基于浮動多C/S的柔性網絡結構

航母航空保障工作具有參與的戰位多、人員協同關系強的特點，要求系統設計首先考慮協同需求。航母航空保障虛擬仿真系統具有多種使用方式。教員講課可單機使用，學員模擬練習或部隊艦員訓練需按戰位進行組網訓練，組網訓練時可進行某保障中隊內部組網訓練或全艦航空保障人員共同組網訓練。系統采用基于浮動多C/S的柔性網絡結構，即視景仿真顯示放在Client端 (客戶端)，邏輯仿真解算放在Server端 (服務器端)，系統部署時，Client和Server端可以部署在1臺主機上，或者將Server端部署在1臺主機，而多個Client端按戰位部署在多臺主機上，Server與Client交互通過TCP和UDP進行。這種方式可充分利用各客戶端計算機資源，又通過服務器端統一解算保證各客戶端顯示的同步性，任一臺主機的交互操作可以映射到其他主機，從而在多個主機上實現互操作，實現多個戰位的協同，保證了操作邏輯的一致性、完整性和可靠性。這種浮動多C/S的柔性網絡結構，在整體構架不變的情況下，實現靈活的系統配置，使得系統更加接近真實的訓練過程，對滿足部隊戰斗力的形成和提高，具有重要的現實意義。

2.2 基于組件的架構設計

在浮動多C/S網絡結構下，系統具體的功能實現采用基于組件的架構設計方法。基于組件的系統架構設計是一種面向對象的設計思想，將各個獨立執行的功能從邏輯上分為一個仿真的執行單元，如視景仿真功能、聲音仿真功能、設備邏輯仿真功能、人物對象仿真功能、飛機對象仿真功能等，將與執行單元相關的屬性和行為封裝到一個組件中。這些功能單元之間采用“軟總線”聯接后，相互之間是并行的、地位對等的關系。各個邏輯對象以組件形式運行在網絡上，而不管它們具體的部署位置，從而形成一種靈活配置的分布式運行結構，使得用戶在運行時可以方便管理這些仿真單元組件。這樣一種系統結構是一種開放式結構，整個系統功能可根據需要進行擴展，系統主程序的編寫過程，類似于組件組裝，可提高系統研制效率。組件也可保障最大程度的重用，保留系統設計的成果，可以非常方便地進行系統擴展。基于組件的系統架構如圖1所示。

圖1 基于組件的系統架構Fig.1 System frame based on components

組件應用不受限于具體編程語言，可進行混合語言編程，從而發揮各語言的優勢，將更多注意力集中到系統功能和接口設計上來。系統基于COM(包括ActiveX和ATL組件，文件名后綴分別為.ocx和.dll，可在各種系統平臺下使用)和NET組件 (一般包含托管代碼，文件后綴為.dll，只能在NET平臺下使用)的協議進行設計。組件的封裝和使用，使得系統組織清晰、維護簡單、可擴展性好。

2.3 基于戰位封裝和結構體模式的一體化協調機制

航母艦面航空保障工作涉及航母上多艙室內的多設備操作與配合、多戰位人員通過口令及手勢的指揮引導及多階段與艦載機在機庫甲板和飛行甲板的動作配合等內容。因此，用于航母艦面航空保障人員教學訓練的模擬系統開發需要表現航母模型、艦載機模型、設備模型、人物模型等多種模型，需要傳遞設備通信信息、人物口令信息、人物動作信息、立體音效和三維視景等多類信息。針對航母艦面航空保障信息種類多，模型、設備多樣復雜等特點，提出了基于戰位封裝和結構體模式的一體化協調機制，即多艙室內的多設備操作邏輯按戰位封裝成設備組件，設備之間數據通信、與飛機對象的通信、與人物對象的通信采用結構體進行交互。由于每艘航母航空保障系統包含的基本戰位一致，數量也在數十個的量級，按戰位進行設備組件封裝，不僅設備組件的可重用性強，封裝粒度也適中，組件之間數據交互量級可控。各類對象的輸入輸出狀態及解算數據定義為結構體，對象之間采用結構體通過UDP數據交互，并通過服務器統一發送到各客戶端保證各客戶端信息的同步性和一致性;設備發出的主控信號 (如開關量)及人物命令等交互信號則采用TCP進行交互，保證系統的可靠性。

2.3.1 子系統和設備的科學劃分

航母航空保障系統包括各科研院所和工業部門研制的各種子系統和設備，這些子系統和設備部分將在后續航母中繼續使用，或改裝后使用。因此，在航母航空保障模擬系統架構設計中，要科學地劃分子系統和設備，通過對所劃分的子系統和設備的操作邏輯進行封裝，并合理設計數據接口，將其做成設備邏輯組件，以實現子系統和設備的可重用性，而不是每做一個航母的航空保障模擬系統，所有子系統和設備都需要重做，或者接口做大量改動，從而實現模擬設備的組件化生產。

子系統和設備封裝有2種方案。第1種是按操作面板和設備進行封裝，第2種是按戰位進行封裝。按操作面板進行封裝，看似可重用性很強，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統有上百塊操作面板，這樣的劃分將使分系統間數據交互顯得特別復雜，系統很零碎，也不好維護管理。第2種按戰位進行封裝。每艘航母航空保障系統包含的基本戰位一致，如止動裝置、噴氣偏流板、阻攔裝置等的控制戰位。一艘航母的航空保障系統包含戰位數十個，這樣按戰位封裝成組件，子系統的可重用性強，子系統之間交互也可控。另外，要特別聲明的是，復雜電子設備由于其復雜性和相對獨立性，應單獨封裝，而不要封裝在相應的戰位子系統中。甲板引導員等甲板上通過口令、手勢交互的戰位同樣按戰位封裝成組件。2.3.2 數據接口的合理設計

航母上的各個設備只要型號不變，設備研制方是不會改動總線通信接口的，因此理清設備總線通信方式、總線通信接口非常關鍵。實裝總線通信是采用結構體進行交互，原因是便于通信接口的擴展。因此在開發相應模擬系統時，對于各個型號設備的總線通信方式中輸入輸出狀態及解算數據、模擬量，仿真系統中采用UDP交互數據，通信數據接口采用結構體形式，而且結構體中成員變量盡可能和實裝一樣;各個型號設備中發出的主控信號 (如開關量)等采用可靠的TCP進行交互，解算類中將開關狀態進行保存，以備交互或者轉發使用。采用這種數據接口方式設計的虛擬設備無需任何改動就可以應用到后續的航母航空保障模擬系統中。而按照戰位劃分的子系統采用這種數據接口方式，只要戰位中的操作面板不變或改動很小，虛擬子系統也就無需任何改動或改動很小即可應用到后續航母航空保障模擬訓練系統中。人物對象的結構體信息主要是手勢口令的交互命令(用ComID和ComValue表示)，而飛機對象的結構體信息是飛機位置姿態信息和飛機狀態信息。結構體形式交互的總線數據傳輸方式如圖2所示。

圖2 結構體形式交互的總線數據傳輸方式Fig.2 Structures mode for data transfer

結構體交互的數據結構保證了數據傳輸形式的一致性，使得系統組織清晰。但要注意輸出的狀態結構數據定義盡可能優化，建議使用short型數據(int，double盡可能不用)，避免網絡數據量過大。同時，要檢查設備對象、人物對象和飛機對象的結構體數據是否發生變化，只有變化的結構體數據才用于系統狀態更新，否則不更新，這種方法也大大降低了網絡傳輸負荷，保證了系統的實時性。

2.4 虛擬系統與硬件模擬系統在軟件上的統一

根據以往模擬訓練系統的開發經驗，桌面級虛擬仿真系統與仿實裝的硬件模擬系統都有其現實應用價值，因此虛擬仿真系統架構設計時要考慮可柔性擴展為硬件模擬系統，做到虛擬仿真系統與硬件模擬系統在軟件上的統一。

1)仿照實裝總線通信采用結構體進行交互的數據接口方式，保障虛擬仿真系統與硬件模擬系統在軟件上統一的可能性。

2)軟件系統通過上位機程序與硬件交互，而不是直接與硬件交互，通過上位機程序，負責硬件數據的讀寫。讀：把硬件的指令和數據轉化成軟件系統要求的數據和格式，寫：把軟件系統的數據和格式轉化為硬件的指令和數據。這樣就實現了虛擬仿真系統與硬件模擬系統在軟件上的統一。

2.5 通過RTI組件實現未來與其他的模擬訓練系統組網合同訓練

高層體系結構HLA是繼分布交互仿真技術DIS和聚合級仿真協議ALSP之后提出的新一代分布交互仿真體系結構，其目的是將單個仿真應用連接起來組成一個大的虛擬世界，促進仿真應用的互操作性和仿真資源的可重用性。因此，在開發艦面航空保障虛擬仿真系統時，需考慮到在未來需要的時候，還可以通過HLA實現與其他模擬訓練系統的互聯互通，與其他的模擬訓練系統組網合同訓練，形成更大規模的訓練樣式，發揮更大的效益。目前，有很多武器裝備仿真訓練系統基于HLA進行系統框架設計［2－5］，將每個訓練崗位作為一個聯邦成員。但航母航空保障系統訓練戰位就有數十個，若將每個戰位都作為一個聯邦成員，同時又與飛機模擬器等其他模擬訓練系統相連，聯邦復雜性將大大增加。因此，本文的做法是，艦面航空保障系統內部訓練戰位之間通信通過結構體和主控元件狀態進行交互，而航保系統與其他訓練模擬器組網，通過HLA/RTI進行。采用組件技術，開發RTI組件［6］，封裝聯邦成員間通過RTI進行數據和信息交互的各種功能。RTI組件作為一個標準的接口元素，可快速把原仿真系統與RTI接口模塊組裝起來，使不同語言環境開發的系統都能基于HLA進行擴展，同時屏蔽了HLA/RTI程序開發的復雜性，甚至支持Web開發。

通過上述分析，可實現艦面航空保障虛擬仿真模擬訓練器材系列化、組件化生產的系統架構如圖3所示。標準化問題還有待將來統一規劃，由一家單位牽頭，多家單位聯合制定該類模擬訓練器材研制標準。

圖3 艦面航空保障模擬訓練器材系統架構Fig.3 Carrier aviation guarantee simulation training system frame

3 結語

以某型艦為背景，考慮后續航母的發展需求，設計航母航空保障模擬訓練系統的通用系統架構。該系統架構即考慮了航母航空保障訓練的特殊性需求，滿足了協同、實時、可靠的設計需要，同時具有良好的可擴展性。基于該架構既可快速橫向開發出系列化的多型航母的航空保障模擬訓練系統，又可縱向開發出模擬訓練器材多層級配置，并可與其他模擬訓練系統組網實現合同訓練，具有良好的統一性和可擴展性。

［1］謝曉鋼，安建祝，岳玉芳，等．分布式仿真訓練系統通用開發框架研究［J］．計算機工程與設計，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)．

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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］陳家照，何全明，關正西．基于HLA的某導彈發射訓練仿真系統開發［J］．系統仿真學報，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與Socket的分布式仿真系統互連的實現［D］．長春：吉林大學，2010．

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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)．

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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

海軍裝備部軍內科研資助項目

歐海英(1978－)，女，博士，主要從事航空裝備保障及模擬訓練研究。