試驗訓練一體化仿真建模研究*

程路堯

(31001部隊 北京 100000)

試驗訓練一體化仿真建模研究*

程路堯

(31001部隊 北京 100000)

以往各類試驗環(huán)境、訓練系統(tǒng)的建設,主要是“各自為戰(zhàn)”,難以發(fā)揮整體效益,不能滿足體系化作戰(zhàn)下的試驗訓練需求,試驗訓練一體化已成為海軍新軍事技術變革的重要趨勢。論文分析了試驗訓練一體化的設計與建設需求,研究了基于本體的試驗訓練資源服務化描述方法,研究了試驗訓練資源的服務化封裝方法,研究了異類異構試驗訓練資源的仿真系統(tǒng)集成技術。最后,分析了試驗訓練一體化仿真建模技術的應用方向。

試驗訓練一體化; LVC; 資源描述; 服務化封裝; 系統(tǒng)集成

Class Number E81

1 引言

建模仿真技術是以控制論、相似原理和計算機技術為基礎,以計算機和專用物理設備為工具,利用系統(tǒng)模擬對實際(或設想)系統(tǒng)進行試驗研究、模擬訓練的一門綜合技術。目前,建模仿真技術已成為綜合電子信息系統(tǒng)和新型武器系統(tǒng)研制、操作訓練、軍事試驗等方面不可缺少的研究工具。美國國防部認為,仿真模擬技術將成為科學發(fā)展的關鍵推動力,列為新科技戰(zhàn)略所確定的七大軍事能力之一。

隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術、軟件開發(fā)技術、傳感器技術、人與系統(tǒng)界面技術的飛速發(fā)展,聯(lián)網(wǎng)共用的趨勢越來越明顯,發(fā)展成了分布交互式仿真模擬和高程體系結構[1](High Level Architecture,HLA)的仿真模擬技術和環(huán)境,支持為復雜軍事系統(tǒng)構建綜合仿真環(huán)境。這類綜合仿真環(huán)境廣泛應用于軍事綜合電子信息系統(tǒng)的先期技術演示驗證、關鍵技術驗證分析、集成聯(lián)調(diào)試驗、作戰(zhàn)訓練、作戰(zhàn)實驗等全生命周期各個階段,發(fā)揮了巨大的積極作用,產(chǎn)生了日益明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

伴隨建模仿真技術在全軍各類綜合電子信息系統(tǒng)全生命周期尤其是試驗、訓練等領域應用的不斷深入,信息化條件下軍事裝備發(fā)展和聯(lián)合作戰(zhàn)的新戰(zhàn)斗形式,對試驗與訓練系統(tǒng)及其仿真支撐平臺提出了進一步要求。

2 試驗訓練一體化的設計與建設需求

以往各類試驗環(huán)境、訓練系統(tǒng)的建設過程中,主要是“各自為戰(zhàn)”,形成了大量煙囪式孤島,利用效率低,難以發(fā)揮整體效益,不能滿足體系化作戰(zhàn)下的試驗訓練需求[2]。需要統(tǒng)籌考慮裝備體系試驗訓練需求,加強試驗環(huán)境與訓練系統(tǒng)的一體化頂層設計,通過統(tǒng)一的架構、支撐平臺,逐步實現(xiàn)試驗環(huán)境、訓練系統(tǒng)的綜合集成與一體化建設,建立信息化條件下“試訓一體化”系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)試驗功能和訓練功能的統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)與共同發(fā)展,增強裝備性能,提高訓練質(zhì)量,實現(xiàn)部隊戰(zhàn)斗力的有效提升。聯(lián)合作戰(zhàn)試驗與跨地域分布式訓練一體化仿真支撐平臺已成為研制裝備研究機構和軍事仿真界共同關注的重要問題。開展聯(lián)合作戰(zhàn)試驗與跨地域分布式訓練一體化仿真研究,逐步建立統(tǒng)一的、通用的、集成平臺,實現(xiàn)作戰(zhàn)試驗系統(tǒng)和作戰(zhàn)訓練系統(tǒng)的綜合集成,開展以創(chuàng)新性為核心的試訓結合,體系尋優(yōu),使新的部隊作戰(zhàn)理論、武器裝備和體制編制快速轉(zhuǎn)化為部隊實際作戰(zhàn)能力的整體提高,具有極其重要的現(xiàn)實意義。

3 基于本體的試驗訓練資源服務化描述

本體是共享的概念模型的形式化規(guī)范說明[3],是領域內(nèi)部不同主體(人、計算機平臺、軟件系統(tǒng)等)之間進行交流(對話、互操作、共享等)的一種語義基礎,本體通過對于概念、術語及其相互關系的規(guī)范化描述,形成某一領域的基本知識體系[4]。用于仿真資源描述的服務本體如圖1所示。

圖1 仿真資源描述的服務本體

本體描述語言(Ontology Web Language,OWL)是由W3C組織推薦的用來表示W(wǎng)eb上本體的通用標準語言[5～6]。它的基本思想是在表達力和推理復雜度之間取得平衡:既滿足表達Web上的信息需求,又控制推理復雜度,方便應用的開發(fā)。

采用本體描述語言構建仿真服務本體化描述如圖2所示。

圖2 本體范例的構建過程

1) 規(guī)約制定,以文檔的形式說明開發(fā)仿真服務描述本體的目的和領域,明確開發(fā)用途,形成詳細的規(guī)約要求。

2) 知識凈化,對仿真資源及其相關領域知識進行預處理,消除噪聲,消除重復、錯誤記錄,完成各種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等。

3) 概念化建模,統(tǒng)一本體描述人員對仿真資源及其相關領域知識的認識,將對仿真模型概念化分析過程和概念化的結果以一種明確的方式記錄下來,形成仿真服務的概念化模型。

4) 本體實現(xiàn),利用本體描述語言OWL對概念化建模階段產(chǎn)生的仿真服務模型進行描述,使計算機能夠?qū)Ω拍罨Ｐ瓦M行理解和處理。

依據(jù)上述方法,建立本體參考模型。結合仿真資源的描述需求,提出了用于仿真資源描述的服務描述方法。

仿真資源描述的服務描述具體包含基本信息描述、仿真特性描述、服務接口描述、服務實現(xiàn)描述等步驟[7],如圖3所示。其中,基本信息描述包含：服務名稱、服務標識、服務說明、應用領域、服務類型、關鍵詞、服務提供者、服務地址、服務端口、通信協(xié)議、服務調(diào)用方式、服務質(zhì)量特征等信息;仿真特性描述部分包含:仿真交互協(xié)議、時間步長、時間推進特性、仿真對象公布、仿真對象訂購、仿真事件公布、仿真事件訂購、仿真行為、仿真狀態(tài)等信息;服務接口描述由參數(shù)定義和若干個接口信息構成,參數(shù)由參數(shù)名稱、參數(shù)類型、取值約束等構成,接口信息由接口名稱、接口標識、接口說明、接口參數(shù)、接口調(diào)用方式、接口通信協(xié)議、接口異常等構成;服務實現(xiàn)描述包含實現(xiàn)基本描述、支撐服務描述、內(nèi)部構成描述、內(nèi)部行為描述、內(nèi)部狀態(tài)描述、屬性配置描述。

圖3 仿真資源服務化描述的構成

采用上述方法,建立了仿真模型資源的服務描述規(guī)范如下所示。

4 試驗訓練資源封裝方法

針對仿真資源的特點,結合HLA_envolved標準和Web_RTI,提出基于服務組件的仿真資源服務化封裝方法,具體如圖4所示。

仿真資源的服務組件封裝方法主要包含五個步驟:

1) 定義仿真模型的輸入輸出接口:對現(xiàn)有仿真資源進行功能和特性分析,明確仿真資源的輸入輸出接口,確定仿真資源能提供的功能和可配置的屬性;

2) 定義仿真服務接口WSDL文件:具體包含服務數(shù)據(jù)類型定義、服務消息定義、服務操作函數(shù)定義、服務端口定義、服務請求與端口、函數(shù)的匹配定義等;

3) 仿真服務接口代碼實現(xiàn):具體包含服務請求消息接收處理、服務請求消息SOAP協(xié)議解包處理、服務請求分發(fā)匹配處理、服務響應消息SOAP協(xié)議打包處理、服務響應消息分發(fā)處理等;

4) 仿真業(yè)務邏輯實現(xiàn):根據(jù)仿真功能特性、原理等,進行仿真業(yè)務邏輯實現(xiàn);

5) 編譯打包成仿真服務組件:利用編譯器對上述代碼進行編譯生成組件文件,例如動態(tài)鏈接庫dll文件格式或Java包的jar文件格式。

為了簡化仿真資源的服務化封裝方法步驟,研制開發(fā)了仿真服務接口及其代碼生成工具。該工具以IDL、h、Java等接口文件為輸入,自動仿真服務接口WSDL文件,自動生成對應仿真服務接口的SOAP消息打包、解包、分發(fā)匹配、發(fā)送接收等代碼,實現(xiàn)仿真服務接口及其代碼的自動化生成。該工具的研制,簡化了仿真資源的服務化封裝,把建模人員從服務接口定義、消息收發(fā)等繁瑣的代碼編寫中解放出來,使得建模人員可以專注于仿真業(yè)務邏輯的建模和實現(xiàn)。

本仿真資源封裝方法具有以下特點:

· 重用性及互操作性好:具有語言無關、跨平臺等特點。

· 開發(fā)效率高:提供了代碼自動生成工具支撐,建模人員專注于仿真業(yè)務實現(xiàn)。

5 異類異構試驗訓練資源的仿真系統(tǒng)集成

異類異構資源相互孤立,難以互聯(lián)互通發(fā)揮各自優(yōu)勢。如何實現(xiàn)這些分布在各地的異類異構仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通與綜合集成,是試驗訓練一體化必須面臨的重要技術難題之一。

5.1 異類異構仿真系統(tǒng)技術體制

本文主要分析以LVC系統(tǒng)為代表的異類異構仿真系統(tǒng)。LVC仿真是指在仿真系統(tǒng)中同時具有實況仿真、虛擬仿真、構造仿真等三種類型的仿真。實況仿真是指真實的人使用實際裝備在實際戰(zhàn)場的假象行動,主要使用于試驗與訓練領域;構造仿真是一種戰(zhàn)爭演練和分析工具,通常由模擬的人操縱模擬的系統(tǒng);虛擬仿真是指系統(tǒng)和軍隊在合成戰(zhàn)場上模擬作戰(zhàn),往往表現(xiàn)為真人操縱模擬系統(tǒng)。二十世紀八十年代以來,仿真系統(tǒng)技術體制經(jīng)歷了SIMNET-DIS-ALSP-HLA-XMSF-TENA等發(fā)展歷程。

DIS是通過有計劃、有目的地連接分布于多個不同地理位置的仿真系統(tǒng)的各個不同構件從而創(chuàng)造一個合成的虛擬的仿真環(huán)境[8]。

ALSP為聚合級仿真協(xié)議,主要用來聯(lián)接聚合仿真系統(tǒng)。

HLA接口規(guī)范中包含六類接口(聯(lián)邦管理類、聲明管理類、對象管理類、時間管理類、所有權管理類、數(shù)據(jù)分發(fā)類等)[9]。它為仿真應用系統(tǒng)提供了聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、時間管理、所有權管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理等運行時支撐功能。

XMSF的基本設想是充分利用基于Web的技術,提供一個可擴展的建模與仿真架構,支持新一代互操作建模與仿真應用的開發(fā)、為作戰(zhàn)層次的戰(zhàn)斗行動提供仿真支持、并且使用基于XML的體系架構在新涌現(xiàn)的預演/真實/回放仿真需求與開放的、商用的Web標準之間提供連接的橋梁[10]。

TENA依照擴展的C4ISR體系結構框架(ECAF)的邏輯結構,從運作、技術、軟件、應用等方面,建立了虛擬靶場資源開發(fā)、集成和互操作的總體技術框架,將美軍各種地理上分布的、功能上分離的試驗訓練資源(包括裝備及平臺、靶場儀器儀表、模擬器、激勵器、仿真系統(tǒng)、各種指揮控制系統(tǒng)等)組合起來,形成一個綜合環(huán)境。

5.2 LVC仿真系統(tǒng)的集成機制

LVC仿真系統(tǒng)的集成機制將從數(shù)據(jù)交換、時間管理、對象管理和數(shù)據(jù)流管理等幾個方面開展研究。

跨地域LVC仿真系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)交換機制,將參考Internet/Web技術,使用各種開放標準Web-Services,可擴展標記語言XML和簡單對象訪問協(xié)議SOAP等,進行數(shù)據(jù)交換。

圖5 數(shù)據(jù)交換機制

由于實況仿真必須使用墻上時鐘時間,即仿真應用所在的操作系統(tǒng)時間進行仿真,分布式LVC仿真系統(tǒng)不能采用邏輯時間推進,而只能是實時時間推進。采用實時時間推進,則所有仿真應用必須具有一致的操作系統(tǒng)時間。跨地域LVC仿真系統(tǒng)各部分的操作系統(tǒng)時間,可采用GPS/北斗等系統(tǒng)進行授時和周期性校時,利用高精度時鐘源進行守時,確保墻上時鐘的高精度一致與同步。

LVC仿真系統(tǒng)集成的對象管理將采用狀態(tài)分布對象機制進行管理[11]。狀態(tài)分布對象SDO是在某個靶場事件期間其生存時間非零、其狀態(tài)分布維護而且不斷演變的對象。

數(shù)據(jù)流表示連續(xù)的、周期性的信息流,比如音頻、視頻或遙測信息。數(shù)據(jù)流用于一個應用到多個應用或一個應用到一個應用的通信。以時間序列模型描述相鄰數(shù)據(jù)流元組之間的關聯(lián)性;引入滑動窗口機制,研究多路數(shù)據(jù)流連接操作獲取所需信息。

圖6 滑動窗口機制

LVC仿真系統(tǒng)集成將通過仿真資源集成,實況仿真、虛擬仿真和構造仿真系統(tǒng)集成,試驗與訓練監(jiān)控管理以及資源聚合信息共享等相關技術的研究,構建虛實結合的、體系對抗性的、網(wǎng)絡化的、開放式的異類異構仿真系統(tǒng),將分布在海上、岸上、空中多平臺中的仿真資源集成起來形成“邏輯靶場”,實現(xiàn)仿真資源之間的互操作、可重用與可組合．并支持平臺內(nèi)部、多平臺之間試驗與訓練系統(tǒng)的互聯(lián)互通互操作,為仿真平臺提供運行環(huán)境支撐。

6 結語

實現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)試驗與分布式訓練系統(tǒng)的一體化構建、集成與全生命周期管理,為信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)試驗訓練系統(tǒng)的研制與建設提供技術支撐。試驗訓練一體化仿真技術可應用于裝備試驗、作戰(zhàn)訓練等領域,支撐各軍兵種各類裝備試驗體系與系統(tǒng)的工程建設,為裝備集成聯(lián)調(diào)試驗、性能鑒定試驗、聯(lián)合作戰(zhàn)能力試驗以及部隊裝備操作、戰(zhàn)術運用、體系對抗等作戰(zhàn)能力生成提供技術支撐。

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Integrated Simulation Modeling of Test and Training

CHENG Luyao

(No. 31001 Troops of PLA, Beijing 100000)

All kinds of experimental environment and training system formerly are mainly "fighting each other", which are difficult to play the whole benefit, and could not meet the needs of the system training. The integration of experiment and training had become the important trend of the Navy’s new military technology change. The design and construction requirements of the integration of experimental training is analyzed, the service description method of test training resources based on ontology is studied, and the service encapsulation of the test and training resources is researched, and the heterogeneous test training resource simulation, system integration technology is studied. Finally, the experimental training integration simulation modeling technology application direction is analyzed.

test and training integration, LVC, resource description, service encapsulation, simulation system integration

2016年9月1日,

2016年10月23日

程路堯,男,碩士研究生,工程師,研究方向:電子對抗。

E81

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.015