基于實體模型的通用作戰(zhàn)仿真引擎設(shè)計

摘要:建立通用作戰(zhàn)仿真引擎服務(wù)于裝備效能評估、作戰(zhàn)方法研究、作戰(zhàn)訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)，可以提升系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。對仿真引擎的功能進行了分析，說明了仿真引擎為支撐實體仿真運行所需要提供的主要服務(wù)。定義了仿真實體模型的組成，對仿真引擎提供的六個主要服務(wù)的方式和機制進行了分析。說明了實體模型與仿真引擎的接口方式，重點說明了實體間交互關(guān)系的處理方式。設(shè)計滿足了通用作戰(zhàn)仿真引擎的功能要求，同時具備較強的適應(yīng)性和可擴展性。

關(guān)鍵詞:作戰(zhàn)仿真引擎;實體;建模

中圖分類號:TP391.9文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2010)03-677-04

Design of Common Combat Simulation Engine Based on Entity Model

LI Ze-min， WANG Xiao-zhen

(The Academy of Armored Forces Engineering， Beijing 100072， China)

Abstract: The construction of the Combat Simulation Engine can be used in weapon effect evaluation， combat means research and combat training simulation system. It can promote the development efficiency and reduce development cost. Analysis the function of the combat simulation engine， introduce that the simulation engine provide main services which is simulation supporting element. Give the constitute of the entity model， and analysis the style and mechanism of the six main services in Combat Simulation Engine. Explain the interface between entity model and the engine and put emphasis upon the design of entity interaction relation. The design satisfy the common combat simulation engine function needs， at the same time， it have the flexibility and expansibility.

Key words: combat simulation; entity; modeling

1 概述

為了實現(xiàn)特定仿真需求，可以通過搭建不同的仿真軟件系統(tǒng)來滿足仿真應(yīng)用需求。基于特定的仿真目標(biāo)，可采用目前的仿真標(biāo)準體系結(jié)構(gòu)如DIS、HLA等實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)。其優(yōu)點是系統(tǒng)的可維護性強、與異構(gòu)的仿真系統(tǒng)互聯(lián)、互通、互操作性強，其缺點是對中小型仿真系統(tǒng)的開發(fā)復(fù)雜性大，對開發(fā)人員要求高，依附于特定的標(biāo)準體系及技術(shù)體系。

為解決中小系統(tǒng)的仿真開發(fā)問題，建立一個通用的仿真平臺，在這個仿真平臺上，能夠?qū)崿F(xiàn)完整的仿真運行過程。為能夠適應(yīng)用戶實現(xiàn)一體化的仿真建模與運行，需要實現(xiàn)仿真模型與仿真平臺間的無縫連接。解決模型與平臺間的接口問題。通過對通用仿真引擎的設(shè)計，實現(xiàn)了仿真模型與仿真平臺間的接口，并通過一系列的仿真服務(wù)，實現(xiàn)仿真模型在仿真引擎內(nèi)部的運行。

2 仿真引擎的功能

仿真引擎是仿真實體的運行環(huán)境，仿真實體作為物理上獨立的軟件組件，可以獨立的運行在仿真引擎中。仿真引擎為仿真實體提供運行所需要的基礎(chǔ)服務(wù)，仿真實體通過這些基礎(chǔ)服務(wù)，進行自身能力以及行為的仿真。仿真引擎向仿真實體提供的主要服務(wù)包括聲明管理服務(wù)、對象管理服務(wù)、時間管理服務(wù)、仿真進程管理、對外互聯(lián)服務(wù)、仿真劇情設(shè)置六大基礎(chǔ)服務(wù)，聲明管理服務(wù)提供了對實體對象公布數(shù)據(jù)及訂購數(shù)據(jù)的服務(wù)支持。對象管理服務(wù)包括對象提供方的實例注冊和更新，對象用戶方的實例的發(fā)現(xiàn)，同時包括收發(fā)交互信息的方法、基于用戶要求控制實例更新和其它各方面的支持功能。時間管理實現(xiàn)了與仿真時間相關(guān)的服務(wù)。仿真進程管理實行了仿真運行狀態(tài)的控制。仿真劇情設(shè)置實現(xiàn)了仿真劇情的設(shè)定，對仿真實體的實例化方案及數(shù)據(jù)進行規(guī)劃和設(shè)置。在互操作方面，對外互聯(lián)服務(wù)實現(xiàn)了與同構(gòu)的仿真引擎以及異構(gòu)的仿真應(yīng)用的互聯(lián)互通，并實現(xiàn)互操作功能。仿真模型由仿真實體自身進行實現(xiàn)，仿真引擎主要實現(xiàn)了運行環(huán)境。

3 仿真引擎的組成

仿真引擎的功能模型及服務(wù)與實體的關(guān)系如圖1所示。

仿真實體其物理表現(xiàn)形式是按特定軟件接口標(biāo)準實現(xiàn)的DLL，仿真實體通過注冊，在聲明管理中實現(xiàn)了自身的注冊。對象管理服務(wù)完成對象數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。時間管理服務(wù)實現(xiàn)對仿真實體的時間服務(wù)。時間管理服務(wù)主要通過授時的方式，為仿真實體提供自身狀態(tài)變化所需的時間信息。仿真進程管理實現(xiàn)對仿真實體仿真運行狀態(tài)進行控制，完成對成員仿真開始、停止、暫停的管理與控制。

外部互聯(lián)服務(wù)在分布式仿真工作方式下，實現(xiàn)與已有仿真軟件的互聯(lián)，主要針對目前的仿真平臺如HLA平臺的仿真系統(tǒng)進行互聯(lián)服務(wù)。實現(xiàn)對時間、對象數(shù)據(jù)的同步與發(fā)送。并實現(xiàn)與外部仿真系統(tǒng)的聲明管理服務(wù)的同步。實現(xiàn)對外部仿真軟件實體數(shù)據(jù)的反射。對于內(nèi)部對象實現(xiàn)向外部的對象信息發(fā)布。

4 仿真實體分析

仿真實體是仿真引擎進行仿真運行所直接服務(wù)的對象，仿真實體的接口特征決定了仿真引擎設(shè)計中所要考慮的重點。需要對仿真實體的要素及其在仿真過程中的主要的行為進行準確及完整的描述，為了實現(xiàn)仿真引擎的適應(yīng)性，需要保證其對仿真實體模型的描述抽象化，并基于此抽象化的表達，適應(yīng)不同類型仿真實體建模的需要，滿足不同類型實體在仿真引擎中進行運行的需要。

考慮現(xiàn)實世界實體特征，結(jié)合仿真實現(xiàn)需要，將仿真實體相關(guān)概念定義如下:

【定義1】實體

實體是“可區(qū)分的人、地物或關(guān)于保持信息的概念。特別地，實體包含人、組織、設(shè)備、特點、材料等”。

【定義2】實體類

實體類是概念模型描述中最基本的概念，實體類是對具有相同特征的一類事物或特定個體的抽象，在仿真概念模型中，具有重要意義的物理對象或概念對象均可以視之為實體類。實體類說明了這些對象或概念所共有的性質(zhì)。

實體類可用如下五元組表示:

Entity::=

Entity_ID——實體標(biāo)識，說明實體的名稱，實體標(biāo)識應(yīng)該具有全局唯一性。

Entity_Type——實體類型，說明實體的類別。

Entity_InnerAttribute——實體內(nèi)部屬性，說明該實體區(qū)別于其它實體所特有的性質(zhì)。

Entity_OuterAttribute——實體外部屬性，說明該實體與其他實體產(chǎn)生交互時需要從其他實體獲得的屬性數(shù)據(jù)集合。

Entity_Mothod——實體方法，說明實體能執(zhí)行的任務(wù)。

Entity_Structure——實體結(jié)構(gòu)，說明實體與實體之間的關(guān)系。

【定義3】實體方法

實體方法是實體能力的主要體現(xiàn)，通過實體方法來驅(qū)動實體的內(nèi)部屬性以及外部屬性，外部屬性的變化，體現(xiàn)了實體與外部實體的互動過程，最終實現(xiàn)了實體狀態(tài)的變化與遷移，完成了對現(xiàn)實實體的模擬過程，對定義2中的Entity _Mothod進一步用如下表示:

Entity_Mothod::=< Entity_SetMothod，Entity_GetMothod，Entity_OuterMothod，Entity_ InnerMothod，Entity _ MainMothod >

Entity_SetMothod——實體設(shè)置方法，實現(xiàn)對實體的內(nèi)部屬性的設(shè)置，實體的一部分內(nèi)部屬性需要開放出來，可以供仿真引擎進行設(shè)置。

Entity_GetMothod——實體讀取方法，實體的內(nèi)部屬性中需要開發(fā)出來時，通過此類方法實現(xiàn)對內(nèi)部屬性的訪問。

Entity_OuterMothod——實體的外部方法，實現(xiàn)對實體外部屬性數(shù)據(jù)的獲取，在仿真運行過程中，實體的外部屬性是由其他實體提供的。

Entity_InnerMothod——實體內(nèi)部方法，實現(xiàn)了實體基本行為能力的方法，如飛機的飛行、攻擊等行為能力。

Entity_MainMothod——實體主方法，是實體作為能夠完成仿真運行的獨立個體的主要程序入口。

【定義4】實體實例

實體實例是將抽象的實體類具體定義和賦值的過程。

實體的實例化Initialize可定義為一個二元關(guān)系:

Initialize=::{|e∈E∧o∈O∧Instance(o，e)}

其中E是所有實體類的集合，O是所有實體實例的集合，Instance(x，y)是一個二元關(guān)系謂詞，表示o是完全滿足實體類e所描述的對象，我們稱o是e的實例。

以上的定義是對仿真引擎進行設(shè)計的基礎(chǔ)，實體的特點決定了仿真引擎提供服務(wù)的內(nèi)容。反過來，實體自身的特征以及方法定義，也決定了仿真引擎在向其提供運行服務(wù)的過程中，對其進行服務(wù)的方式、機制以及反向的約束條件。結(jié)合針對仿真實體的定義，對仿真提供的幾個服務(wù)進行分析和設(shè)計。

5 仿真引擎需要提供的服務(wù)

5.1 聲明管理

實體使用聲明管理服務(wù)來聲明它們可以產(chǎn)生和希望接收的信息的意圖。實體在注冊對象實例、更新屬性值、發(fā)送交互之前，調(diào)用聲明管理服務(wù)，通過服務(wù)使仿真引擎獲得實體的注冊信息，并使仿真引擎根據(jù)注冊的信息來實現(xiàn)為實體實例提供進一步的服務(wù)，如注冊飛機對象后，既可滿足飛機對象自身運行需要，還可為依賴飛機對象的雷達對象提供飛機位置數(shù)據(jù)支持，而以上支持要依賴于聲明管理服務(wù)。在一個成員可以發(fā)現(xiàn)對象實例、反射實例屬性值、接收交互之前，它也必須調(diào)用適當(dāng)?shù)穆暶鞴芾矸?wù)。

5.2 對象管理

本服務(wù)將處理實體對象實例的注冊、修改及刪除和交互獲取通知。之所以稱為通知，在仿真引擎實現(xiàn)對象間交互的服務(wù)時，采用集中的對象隊列的方式，如圖2所示。將對象在某時刻的狀態(tài)按先后解算結(jié)束順序?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)入隊列。當(dāng)某對象需要獲取其交互對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)時，需要通過仿真引擎獲得交互更新的通知，否則此對象的Entity_OuterAttribute不作更新。

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圖2 對象隊列

對象服務(wù)提供的主要功能包括對象實例的注冊、修改、刪除管理，交互獲取通知以及對象查詢服務(wù)。

對象實例注冊后，將對象實例放入對象隊列中。通過對象的注冊，對象管理同時可以獲得對象的實體信息，并依據(jù)聲明管理提供的基礎(chǔ)信息，可以得到對象間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，明確其公布與數(shù)據(jù)需求關(guān)系。在對象實例的修改、刪除的情況下，對象服務(wù)要對對象隊列進行維護，主要實現(xiàn)對對象的修改與刪除操作，同時要向修改對象的訂閱者發(fā)送更新消息。

交互獲取通知主要針對對象隊列的變化，向?qū)ο箨犃兄凶兓膶ο髷?shù)據(jù)的需求者發(fā)送通知，使其對數(shù)據(jù)進行更新操作。對象查詢服務(wù)針對對象隊列的變化，實時的為對象數(shù)據(jù)需求者提供對象數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

5.3 時間管理

時間管理實現(xiàn)對仿真時間的管理，在仿真引擎內(nèi)部，采用統(tǒng)一的仿真邏輯時間，與現(xiàn)實世界的天文時間映射。實體實例提供了獨立進行仿真解算的調(diào)用入口Entity_MainMothod。仿真引擎的時間管理服務(wù)采用了同步的方式為整個系統(tǒng)的仿真提供時間，并根據(jù)對象的運行狀態(tài)來決定時間推進，當(dāng)對象在t0時刻完成仿真解算工作，向仿真引擎發(fā)送時間推進請求，當(dāng)所有對象在t0時刻均提出了時間推進請求后，時間管理服務(wù)向各個對象發(fā)送時間推進指令。各個對象在收到指令后，完成時間推進。

5.4 仿真進程管理

仿真進程管理主要實現(xiàn)對仿真過程的控制，實現(xiàn)對仿真運行的開始、暫停、停止、繼續(xù)的控制。仿真進程的控制需要仿真引擎協(xié)調(diào)對象管理、時間管理服務(wù)，使不同的仿真實體實例及服務(wù)能夠相應(yīng)調(diào)整。在進程控制的過程中，仿真實體實例要針對仿真指令做出相應(yīng)的響應(yīng)。對開始指令的響應(yīng)是實體要根據(jù)仿真時間及交互實體的狀態(tài)來進行仿真計算。在暫停指令下發(fā)后，實體要停止時間推進，暫停對狀態(tài)的解算。對停止指令的響應(yīng)是停止仿真過程，釋放各種資源。對繼續(xù)指令的響應(yīng)是恢復(fù)仿真暫停前仿真運行的狀態(tài)并繼續(xù)仿真解算過程。

5.5 仿真劇情設(shè)置

仿真劇情的設(shè)置是仿真引擎運行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，仿真實體是仿真運行的模型基礎(chǔ)。在仿真實體開發(fā)的基礎(chǔ)上，仿真實體的軟件組件集成到仿真引擎中，仿真劇情設(shè)置完成了對實體的實例化的過程，并以實例化的實體為對象，對仿真的數(shù)據(jù)進行初始化，其中初始化的數(shù)據(jù)主要是實體內(nèi)部屬性Entity_InnerAttribute，實體內(nèi)部屬性的設(shè)置主要通過Entity_SetMothod方法。仿真劇情設(shè)置還包括對實體內(nèi)部方法發(fā)生時間及相關(guān)屬性的設(shè)置。

仿真劇情從邏輯上包含以下內(nèi)容:

1) 部署位置信息。

2) 作戰(zhàn)編成信息。

3) 作戰(zhàn)行動及任務(wù)信息。

4) 實體重要參數(shù)數(shù)據(jù)。

5.6 對外互聯(lián)服務(wù)

對外互聯(lián)服務(wù)的目的是實現(xiàn)仿真引擎與其他特定仿真系統(tǒng)的互聯(lián)互通。仿真引擎一方面能夠獨立的實現(xiàn)對參與仿真的實體的仿真解算，另外在很多情況下要求基于仿真引擎開發(fā)的仿真系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有的基于HLA的系統(tǒng)進行集成，對外互聯(lián)服務(wù)主要與基于HLA的仿真系統(tǒng)實現(xiàn)聲明同步、對象數(shù)據(jù)同步以及時間管理的同步。

聲明同步主要實現(xiàn)與外部系統(tǒng)在聲明管理上的交互，仿真引擎要說明內(nèi)部實體能夠向外部提供的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及需要從外部獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

對象數(shù)據(jù)同步主要根據(jù)內(nèi)部對象管理服務(wù)中對對象數(shù)據(jù)的維護結(jié)果，根據(jù)與外部系統(tǒng)在聲明同步中的結(jié)論，按外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式要求，數(shù)據(jù)要求主要是FOM表結(jié)構(gòu)，對公布對象類、交互類數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)準備并公布，反過來，針對外部系統(tǒng)公布的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為仿真引擎內(nèi)部的對象數(shù)據(jù)可以解析的數(shù)據(jù)，提供給仿真引擎中的對象實例進行使用。總結(jié)以上服務(wù)過程，對外互聯(lián)服務(wù)是仿真引擎與外部仿真系統(tǒng)的橋接器，從外部仿真系統(tǒng)的角度看，它的功能類似于成員大使的功能，而從仿真引擎的角度看，它又將外部系統(tǒng)中的實體實例化為仿真引擎中的實體實例。有了對外互聯(lián)服務(wù)，實現(xiàn)了仿真引擎的開發(fā)性。

6 仿真實體與仿真引擎接口方式

仿真實體向仿真引擎提供自身的類型描述，在實體向仿真引擎注冊的過程中，要說明實體能夠提供數(shù)據(jù)的內(nèi)容，并說明其能對外提供的可訪問的屬性元素的列表。通過對實體外部屬性的公布，可以使仿真引擎根據(jù)這些信息向外請求對應(yīng)實體外部屬性的實體實例公布的屬性數(shù)據(jù)。

以上過程的核心的問題在于，如何對仿真運行過程中實體的相關(guān)屬性進行關(guān)聯(lián)。即一個實體的外部屬性如何與其他實體的內(nèi)部屬性進行關(guān)聯(lián)。通常我們可以采用實體屬性的命名規(guī)則來實現(xiàn)不同實體模型間數(shù)據(jù)的解釋及交換，但問題在于實體模型的建立過程通常是具有獨立性，即可以不同的人來完成對特定實體的建模，在實體模型建立之前就建立一個完整的接口命名規(guī)則理論上可行，但實踐起來帶來的設(shè)計開銷很大，所以采用屬性名稱來進行映射的辦法是不可行的，另外，實體類型繁多、屬性復(fù)雜也決定了不可能針對所有的屬性都采用命名規(guī)則來實現(xiàn)接口對接。

為了更好的優(yōu)化模型開發(fā)方法，對實體的屬性進行獨立設(shè)計，仿真實體被編譯為可被調(diào)用的仿真組件。在仿真實體的被投入仿真引擎中運行前，根據(jù)各個參加運行的實體的接口內(nèi)容，對實體外部屬性與相關(guān)實體屬性進行映射。映射關(guān)系如圖3所示。

圖中兩個實體分別是飛機實體及雷達實體，雷達實體為實現(xiàn)對目標(biāo)的探測，需要目標(biāo)的三個主要屬性目標(biāo)位置、目標(biāo)速度以及目標(biāo)反射截面積。在雷達實體內(nèi)部，這三個屬性是雷達實體的外部屬性，其具體的屬性值需要從飛機實體內(nèi)部的位置、速度、反射截面積屬性的值獲得。為了實現(xiàn)雷達實體獲得外部屬性值的調(diào)用，需要將以上映射關(guān)系以文件的形式存儲下來，在仿真引擎獲得這些文件后，就可以根據(jù)其描述的關(guān)聯(lián)關(guān)系，調(diào)用飛機實體的Entity_GetMothod獲得其位置、速度信息，并調(diào)用雷達實體的Entity_OuterMothod實現(xiàn)對外部屬性數(shù)據(jù)的更新與設(shè)置。

7 結(jié)束語

通過基于實體模型的通用作戰(zhàn)仿真引擎的設(shè)計與開發(fā)，提高了中小型作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的開發(fā)效率，降低了仿真系統(tǒng)的開發(fā)成本，同時系統(tǒng)的技術(shù)體系解決了模型的復(fù)用問題，提高了作戰(zhàn)仿真引擎的適應(yīng)性和可擴展能力。在與已有的基于HLA的仿真系統(tǒng)的互操作方面，通過對外互聯(lián)服務(wù)實現(xiàn)了與外部仿真系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并在功能和性能方面滿足戰(zhàn)術(shù)及戰(zhàn)役級別作戰(zhàn)仿真的需要。通過系統(tǒng)的使用，獲得了較大的軍事和經(jīng)濟效益。

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