ICE中間件的LVC集成模型研究*

侯婧，柴旭東，周軍華,3

(1.中國航天科工集團 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技發展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

ICE中間件的LVC集成模型研究*

侯婧1，柴旭東2，周軍華1,3

(1.中國航天科工集團 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技發展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

提出一種組合式建模方法，基于RLFP 4種模型，包括需求模型、邏輯模型、功能模型、物理模型對LVC仿真系統進行構建，并實現4種模型之間的轉換，得到可實現仿真驗證的LVC集成模型；其次介紹了一種分布式中間件ICE及其通信模式，用于實現LVC仿真模型的集成，并針對當前LVC系統中存在的弱實時性問題提出了一種時間管理方法，最后借助一個仿真訓練實例驗證LVC仿真系統的通信和集成方法。

LVC；RLFP；模型轉換；ICE中間件；時間管理；集成模型

0 引言

LVC仿真是將真實仿真(live)、虛擬仿真(virtual)、構造仿真(constructive)3類仿真資源互連到一起構成的一個豐富的分布式仿真系統[1]，但3類仿真在模型規范、通訊協議、時間特性上存在異構性，很難實現仿真模型的集成[2]。在解決集成問題方面，相繼提出了DIS，ALSP，HLA，TENA等架構，在真實仿真中采用TENA架構，在虛擬、構造仿真中采用HLA架構[3]，但2類架構由于模型描述和通信協議不統一，導致2類仿真系統難以兼容。本文提出一種組合式建模方法，形成覆蓋仿真、試驗、訓練等方面的元數據、概念模型、基本接口，為LVC仿真提供可重用和可組合的基礎資源庫，解決HLA，TENA等體系結構之間對象模型不兼容、組合性差等問題。核心思想是構建需求模型(R)、邏輯功能(LF)模型、物理模型(P)，實現對各類仿真資源操作接口的統一描述。集成模型是具有仿真功能的物理模型，借助網絡中間件ICE作為各類仿真資源的底層通信工具進行數據通信，統一通訊協議，實現仿真模型的集成。在模型集成時需要考慮仿真資源之間數據傳輸的實時性，由此基于Petri網建立LVC時序一致性模型，解決LVC仿真系統中存在的弱實時性問題。

1 LVC仿真系統建模方法

LVC仿真模型包括需求模型、功能邏輯模型、物理模型(RLFP)。采用系統建模語言SysML建立需求模型，描述系統頂層需求。設計師首先從需求模型中獲取結構和接口關系，進而采用高層建模語言建立邏輯功能模型，不斷建立需求與其他模型元素的映射關系，實現需求的追溯，但邏輯功能模型無法實現仿真驗證，還需將邏輯功能模型轉換到物理模型，得到具有仿真功能的集成模型，最終實現LVC仿真模型的驗證。從需求分析模型到物理模型的轉換過程如圖1所示。

1.1需求模型

SysML(system modeling language，系統建模語言)為系統提供一套層次化建模規范，通過圖形交互實現建模過程[4]。本文基于SysML中的塊定義圖(block definition diagram，BDD)、內部塊圖(inner block diagram，IBD)、序列圖、狀態圖從結構組成、接口、數據交互等方面實現LVC仿真系統的頂層需求描述。

利用BDD圖對仿真系統的結構組成(圖2)進行描述，屬性值描述組成元素隸屬層級(圖中省略部分屬性描述)。通過描述分系統之間的層次關系，可了解不同系統之間相互協作及依賴關系。利用IBD圖建立系統接口模型(圖3)，主要對仿真系統公共操作接口進行圖形化描述，接口反映了頂層系統、子系統、邏輯構件或物理構件等各個層次系統之間發生的信息交換關系。利用序列圖建立系統運行時序模型(圖4)，對每個仿真分系統的運行過程進行描述，即對每個分系統輸入輸出數據產生的時間進行規劃。每個仿真分系統都有一條生命線，在生命線上標注特定時間點，單向箭頭代表一個事件，事件與生命線的交點表示時間。利用活動圖建立活動描述模型(圖5)，強調活動的輸入、輸出、順序和活動影響行為的條件，其中作戰活動的輸入/輸出關系反映活動之間的信息交換關系。

1.2邏輯功能模型

功能邏輯模型采用高層建模語言對其進行建模，通過對上述需求模型的分析，基于COSIM平臺[5]提供的高層建模工具可實現對LVC仿真系統的組成和行為進行頂層宏觀描述，包括靜態結構模型和動態行為模型[6-7]。利用靜態結構模型從系統結構組成描述系統或模塊，為系統功能模塊之間的合法連接關系作出規定。在建模過程中首先對LVC仿真系統各類成員端口和元素信息進行定義，通過可視化操作界面快速搭建仿真模型(圖6)。動態行為模型是從時間域描述整個仿真系統，描述各元素對交互信息的反應。高層建模采用活動圖與狀態圖加相應的引擎調度機制來反映時間域交互信息的發生過程和對象系統的行為。靜態模型建立后，可自動生成動態行為圖，該動態行為圖包含兩級狀態圖，圖7表示第1級狀態圖，圖8表示第2級狀態圖，圖9表示進入第2狀態圖后的活動圖。

圖3 系統接口模型Fig.3 Interface model of LVC system

1.3物理模型

圖4 系統運行時序模型Fig.4 Sequence model of LVC system

圖5 活動模型Fig.5 Active model

圖6 靜態模型圖Fig.6 Static model

圖7 第1級狀態圖Fig.7 First class of state chart

圖8 第2級狀態圖Fig.8 Second class of state chart

圖9 活動圖Fig.9 Active chart

對物理模型進行的建模過程中可以通過相關的CAD/CAE工具進行。通過高層建模的元素代碼自動生成工具得到仿真模型框架，在框架中插入專業相關的模型代碼，便得到可以實現仿真驗證的物理模型。

1.4模型轉換方法

需求分析模型是從系統結構、接口、交互關系等層面描述整個仿真系統，通過對需求模型的人工分析，獲取系統結構、行為等信息，利用COSIM平臺提供的高層建模工具實現系統邏輯功能層面的建模。平臺支持模型元素代碼自動生成，可得到由.cpp和.h文件組成仿真模型框架(物理模型框架)，在框架中加入專業相關的模型代碼便可實現物理模型的建立，最終得到滿足需求的集成模型。

2 基于ICE中間件的模型集成方法

ICE(internet communications engine 網絡通信引擎)提供完善的分布式系統解決方案，適合所有的異構網絡環境[8-9]，且 ICE定義了自己的規范語言Slice(special language for ICE)，描述對象接口、操作，客戶與服務器交換的數據類[10-11]。本文首先通過Slice語言對接口進行定義，通過slice2cpp編譯器對定義好的.ice文件進行編譯，自動生成遠程方法調用接口，為客戶端生成的是Proxy(代理)，為服務器端生成的是Skeleton(骨架)。代理為客戶提供一個向下調用接口(down-call)，當客戶端調用代理中某個操作時，便會產生RPC消息發送到服務器，從而調用目標對象對應的操作。骨架代碼是客戶端代理代碼在服務器端的等價物，提供了一個向上調用接口(up-call)，允許ICE把控制線程轉交給服務器端的應用程序代碼，服務器通過接收客戶端發送的參數，并把返回值和異常傳回給客戶。ICE的通信過程如圖10所示。客戶端通過本地Proxy調用服務器端應用，由Proxy通過客戶端ICE運行環境轉發到服務器端ICE運行環境，由于服務器端可能會有多個不同的服務提供者，選擇合適的服務提供者是由對象適配器(object adapter)來做的，Skeleton負責類型轉換，最終由servant為客戶端提供真正的服務。

圖10 ICE 通信過程Fig.10 Communication process of ICE

大型分布式仿真系統具有結構復雜、涉及面廣、可靠性要求高等特點，基于傳統的HLA體系結構可以有效解決各類仿真資源之間的互操作，但由于實時性較差，應用在含有實裝類仿真資源的LVC仿真系統中會出現時間延遲，在一定程度上影響了信息傳輸實時性。ICE與HLA有很多共同之處[12]，除了實現HLA/RTI的各項功能外，還提供數據分發服務，可以實現分布實時計算環境的高效通信，在ICE中加入時間管理算法，可以有效解決HLA實時性弱的問題。

3 LVC時序一致性模型

LVC仿真系統由于人的參與和真實裝備的硬件部分存在，要求各參試系統以實時模式推進仿真運行[13]。影響LVC系統實時性的主要因素來自3方面的數據延遲：仿真模型自身解算時間、通信中間件數據傳輸時間和網絡延遲。一般LVC系統會采用基于GPS授時的時間同步方法和DR外推算法[14]，盡量減小網絡傳輸延遲，本文提出一種基于著色Petri網[15]建立的LVC時序一致性模型從時間老化度方面解決目前存在的時間問題。該模型可以說明仿真交互信息的動態時間特點，模型如圖11所示，在該模型中，生產者消費者均是分布仿真節點，一個生產者應用能向其他應用或消費者發布狀態數據θ。令牌表示系統間傳遞的交互數據，庫所表示交互數據在節點間流動中所處的位置，當一次變遷創造一個令牌時，令牌的“創建時間”屬性被設定；當一次變遷轉移令牌時，該令牌的“到達時間”屬性被設定。

圖11 LVC時序一致性模型Fig.11 Time-aligned model of LVC

數據生產者模型如圖12，變遷T1代表生產者模型線程，表示系統向后推進一個時間步長，狀態數據發生更新。變遷T2表示生產者采樣線程，T2發生表示交互數據被網絡中間件處理。網絡模型(圖13)模擬了網絡傳輸過程，表示交互數據經歷變遷T3，T4后，將θ以特定延遲從生產者移動到消費者。數據消費者模型(圖14)建立了一個消費者接收θ的模型，T5表示接收線程。T6表示消費者模型線程，當狀態數據被用于消費者計算時才確定。

圖12 數據生產者模型Fig.12 Data producer model

圖13 網絡模型Fig.13 Network model

圖14 數據消費者模型Fig.14 Data consumer model

在數據傳輸過程中，T1，T2，T3和T6對數據老化度有影響，但經過篩選試驗分析得到T6對延遲基本無影響。針對大量重復實驗，得到LVC仿真系統總延時為0.5T1+0.5T2+T3。因此在進行LVC仿真系統設計時可根據上述幾種延遲源對數據老化度進行評估，若數據衰老的估計值不滿足設計要求，可通過改變T1或T2以降低系統延遲，從而滿足最終的設計需求。

4 應用驗證

4.1應用背景

以某裝備靶場訓練為背景，驗證LVC仿真系統的作戰效能。其中實裝類仿真資源包括靶機、雷達；虛擬類仿真資源包括指揮控制臺、綜合空情臺、模擬器等；構造類仿真資源包括裝備數字模型、應用軟件等。在作戰訓練中，雷達探測到飛入的靶機，獲取靶機飛行位置速度、飛行軌跡等信息，將其傳入指揮控制中心進行數據處理，生成制導指令，控制該裝備攔截目標，模擬攔截過程。LVC仿真系統組成如圖15所示。

4.2基于ICE中間件的LVC仿真系統集成模型實例開發

基于高層建模語言已生成系統操作接口的描述文件，結合ICE特定的語言規范Slice編寫服務接口，生成.ice文件，編寫好后使用slice2cpp命令可生成相應的.h文件和.cpp文件(Proxy和Skeleton)。

在ICE規范下，進一步為通信內容定義數據類型，創建相關的發布和訂閱客戶端，完善各個實體的創建和匹配，才能進行數據的發布和訂閱。圖16描述了建立數據流通信的過程。

4.2.1 服務的發布

4.2.2 客戶端一個實體的調用

圖15 LVC仿真系統組成圖Fig.15 Constitutional diagram of LVC

圖16 數據通信過程Fig.16 Process of data communication

基于RLFP 4種模型建立LVC仿真模型，采樣ICE中間件作為底層通信工具將各模型集成到一起，最終構建一套LVC仿真系統。驗證結果如圖17，18所示。

(1) 服務器端發布消息結果

圖17 服務器端消息發布Fig.17 Message releasing from server

(2) 客戶端接收該消息結果

圖18 客戶端消息接收Fig.18 Message receiving from client

由圖17，18可以看出，基于ICE中間件，可以實現各類模型之間的數據交互，可以幫助目標LVC仿真系統快速集成各類仿真資源。

5 結束語

本文首先基于SysML語言和高層建模語言對LVC仿真系統需求模型、邏輯功能模型、物理模型進行構建，并實現模型之間的轉換，得到滿足需求的集成模型，統一模型規范。進而采用ICE中間件對模型進行集成，實現各類仿真資源之間的數據交互和信息共享，給出仿真實例并驗證其仿真性能。該LVC仿真系統通過構建聯合試驗靶場，可以進行部隊人員訓練，并真實檢驗裝備系統整體性能。

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LVCIntegrationModelsBasedonICEMiddle-Ware

HOU Jing1，CHAI Xu-dong2，ZHOU Jun-hua1

(1.The Second Academy of CASIC，Beijing 100845，China；2.Beijing Aerospace Smart Manufacturing Technology Development Co.Ltd,Beijing 100854,China;3.Beijing Simulation Center，Beijing 100845，China)

Based on requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP), a LVC (live, virtual and constructive) integration model is built. By using a distributed middle-ware, internet communication engine (ICE), the integration of LVC simulation system is achieved. Then, a time-model for solving the problems of weak real-time on LVC is proposed. Eventually the communication efficiency and Integration method of this LVC simulation system is verified based on a combat training.

live, virtual and constructive (LVC); requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP); model transformation；internet communication engine (ICE) middle ware; time management; integration model

2016-12-12；

2016-12-30

有

侯婧(1992-)，女，山東菏澤人。碩士生，主要研究方向為復雜系統的建模與仿真。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱E-mail：1550814137@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.028

N945.12;TP391.9

A

1009-086X(2017)-05-0178-010