基于HLA的大氣環境仿真應用研究

蔡軍，許麗人，馬亮，李鯤，張美根

（1.天津大學 管理學院，天津 300072；2.北京應用氣象研究所，北京 100029；3.中國科學院 大氣物理研究所LAPC，北京 100029；4.61855部隊，北京 100094）

現代仿真系統正向大型化和復雜化的方向發展，大氣環境仿真技術也實現了由簡單的一維靜態大氣環境向復雜的四維動態大氣環境、由單一大氣環境仿真到大氣環境對武器實體的影響仿真的突破。當前，大氣環境仿真與其他軍事系統仿真之間的互操作和可重用問題[1—2]已成為其中的關鍵技術。自1995年以來，美國國防部建模與仿真辦公室（DMSO）提出的高層體系結構（High Level Architecture，HLA）得到了不斷發展，并日趨完善，已成為IEEE的正式標準，它為建模與仿真提供了一個通用的技術框架和開放的標準，更好地解決了不同類型仿真應用的互操作和可重用的問題，滿足復雜大系統仿真的需要[3—4]。從應用系統開發角度看，目前國內外基于HLA開發的分布仿真系統，都取得了成功，并廣泛應用于各種分析、訓練和測試等領域[5]。分布式仿真技術的發展為大氣環境仿真向其他不同類型軍事仿真系統的應用提供了很好的解決方案，并已成為今后發展的趨勢[6]。

基于分布網絡的大氣環境仿真方面，國外早在20 世紀90 年代初期就開始了相關的應用系統開發和研究工作。90 年代中后期，隨著HLA 技術的成熟，DMSO 資助開發的TAOS（Total Atmosphere Ocean Space）系統[7]，采用模塊化的組件方法將大氣海洋空間環境數據通過服務器向網絡上的其他仿真節點發送。DMSO還資助MITRE等商業公司開發基于HLA和SEDRIS（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification）技術的環境聯邦，連續進行了海洋、大氣和空間環境（OASE）仿真的三代開發[8]，用于仿真動態的地形、海洋、大氣和太空，以演示和驗證現有技術所具備的動態自然環境仿真能力和水平。與此同時，歐洲共同體國防領域的優先合作計劃也開發了基于HLA的虛擬自然環境服務器，其中對大氣和海洋的建模與仿真實現了在分布網絡條件下為其他仿真提供復雜大氣海洋環境狀態參數、模擬特殊大氣海洋現象和過程的能力。

文中基于HLA/RTI 公共支撐平臺，建立了大氣環境分布式仿真體系結構，實現了大氣環境與實體的環境影響仿真，增強了大氣環境仿真與其它仿真系統的互操作性，從而提高了大氣環境仿真應用的可重用性。

1 大氣環境分布式仿真體系結構

大氣環境仿真基于HLA/RTI 公共支撐平臺，采用面向對象的方式，利用模塊化的組件方法，設計分布聯網、動態交互的體系結構，由大氣環境仿真聯邦成員、仿真應用對象聯邦成員、綜合場景可視化聯邦成員、管理控制聯邦成員構成，其體系邏輯結構如圖1所示。大氣環境仿真產品通過服務器與網絡上其它聯邦成員進行交互，為其它實體或仿真應用提供在分布條件下的動態大氣環境數據和信息服務，實現在分布網絡條件下大氣環境聯邦的“即插即用”，增強了大氣環境仿真應用的互操作和可重用能力。

圖1 基于HLA/RTI的大氣環境仿真應用分布式體系邏輯結構Fig.1 The logical diagram of distributed system

大氣環境數據通過大氣環境仿真數據庫和大氣環境數值模式計算生成，通過大氣環境聯邦成員的RTI 接口模塊對外發布，訂閱相關大氣環境參數的聯邦成員通過RTI 獲得需要的大氣環境參數，并發布環境影響信息，仿真可視化成員通過RTI 接受大氣環境、仿真應用對象（如飛行器等）仿真信息，并向管理和控制聯邦成員發布可視化信息，整個仿真過程通過可視化仿真聯邦成員以直觀可視的方式進行顯示。

2 大氣環境分布式仿真關鍵技術

大氣環境的建模、表示、存儲、環境效應生成及其應用，構成了整個大氣環境仿真系統的基本研究內容，也是實現大氣環境的分布式仿真需要解決的關鍵技術。

2.1 大氣環境多分辨率建模技術

動態性是大氣環境的基本屬性之一。對于大氣環境而言，由于其變化復雜，變量和參數較多，僅僅用一個模型難以進行全面且準確的描述，不能滿足仿真領域多層次的應用需求。在實際仿真應用中，應根據不同仿真應用層次的需要，建立不同精度和分辨率的大氣環境數據模型，從而為其他仿真應用提供隨時間和空間動態變化的大氣環境數據服務[9]。為了能夠將大氣環境仿真與其他仿真系統有機地結合起來，在技術層面上需要將大氣環境仿真相關的模型按照HLA標準進行設計。

2.2 大氣環境仿真實時數據庫技術

仿真系統在運行時對大氣環境參數的獲取有嚴格的時間要求，因此，大氣環境仿真的實時性成為其中的關鍵技術之一[10]。發展環境仿真實時數據庫技術，根據仿真想定的要求生成運行時的環境數據庫，采用多線程的方式，實現多用戶的并發訪問，實時響應并滿足其它仿真實體對大氣環境數據的請求，解決大氣環境仿真的實時性問題，使大氣環境仿真實時地參與到其他仿真系統的應用中。大氣環境仿真實時庫是運行時能夠為實時仿真聯邦提供環境數據服務的軟件集，其最終輸出的數據是基本大氣環境數據場和動態大氣環境模型計算結果的融合。

2.3 基于SEDRIS的大氣環境多態數據表示和交換技術

大氣環境仿真數據具有多分辨率、多參數、海量等特點，是一種隨時間動態變化的數據場。因此，大氣環境數據描述的一致性、規范性和有效性對仿真應用至關重要，它是實現仿真互操作性和可重用性的基礎。基于SEDRIS 的大氣環境數據的表示和交換[11]，首先要研究數據的多態表示，設計相應的SEDRIS數據表示模型和確定使用的數據編碼標準，實現對大氣環境仿真數據的完整和多態表示；而基于SEDRIS的數據交換技術，關鍵在于數據模型的影射與自動解析，也是大氣環境仿真數據交換的核心。

2.4 基于HLA 的仿真應用服務協議、接口和數據分發管理技術

在分布式仿真體系中，大氣環境仿真與時間管理、數據分發及所有權管理等有關。為支持對不同大氣狀態參數的統一接口和訪問，需要定義統一的仿真服務協議和用戶訪問接口，支持大氣環境不同分辨率模型和狀態參數的注冊、數據設置和查詢。同時，還需要考慮采用HLA/RTI 提供的數據分發管理實現對網絡數據的過濾，以保證時空的一致性和數據的快速交互。

2.5 大氣環境虛擬現實表達技術

利用視景仿真和虛擬現實技術，對大氣環境仿真結果進行多維視景顯示和全方位觀察，演示大氣環境條件對實體影響的主要過程，并以大氣環境為背景進行環境影響分析，實現大氣環境及其影響的虛擬現實表達。該技術內容主要包括：虛擬環境綜合表示、虛擬環境動態運行管理、虛擬環境實時逼真表現等。

3 動態大氣環境多分辨率仿真

大氣運動是一種復雜的流體運動，大氣環境要素的時空變化，是各種不同尺度天氣系統非線性相互作用、復雜下墊面動力熱力強迫以及各種復雜大氣物理過程相互作用的綜合結果。因此，為真實有效地描述大氣環境，需要針對具體仿真用戶需求，確定需要的大氣環境仿真對象，建立不同應用層次需要的多分辨率大氣環境仿真模型。

基于大氣動力模式，利用多重網格嵌套技術，采用雙向作用的方式，建立不同精度和分辨率的大氣環境數據模型，是實現大氣環境多分辨率動態仿真的一種有效手段[10]。由于其積分解算過程是在同一大氣數值模式中完成，粗細網格之間的數據可以得到及時交互，有利于粗細網格之間質量、動量和內熱動能的守恒且保證不同分辨率大氣數據之間的協調一致。以中小尺度天氣過程的數值仿真為例，選用恰當的區域大氣數值模擬系統，針對不同的研究問題，選取特定的研究區域，建立不同分辨率的環境數據模型。圖2 給出了針對一次山谷氣流利用RAMS6.0數值模式模擬的水平分辨率為2 km×2 km的基本氣象要素場分布（風速、溫度、氣壓）。

圖3 給出了風速和溫度的時－空剖面，可以看出風速和溫度的時空分布特征。利用數值模式構建隨時間動態變化的數據模型，其產品可以比較真實地再現出實際天氣過程和天氣現象的演變規律，在水平、垂直及時間分辨率上與觀測資料相比有了很大提高，尤其保證了輸出產品的動力學和熱力學的一致性。

4 大氣環境聯邦成員設計

圖2 基本氣象要素場的數值模擬Fig.2 Numerical simulation of meteorological elements

圖3 風速和溫度的時－空分布Fig.3 The spatial and temporal distribution of velocity and temperature

設計大氣環境聯邦，其目標是為其他軍事仿真應用提供隨時間和空間動態變化的大氣環境數據服務。以內存數據庫技術為數據管理核心，借助仿真聯邦內專用交互類為信息交換接口，來實現能夠滿足實時仿真需求的大氣環境仿真聯邦成員。由于采用客戶/服務器模式，用戶首先需要確定運行服務器和聯邦成員的機器，并將所有機器上的RTI初始化數據（rid）文件所指的服務器IP地址設置正確，然后啟動RTI服務器。數據提供者向RTI提供數據，使用者從RTI獲取數據，數據傳輸的中間過程都由RTI來完成。

大氣環境仿真聯邦成員作為服務性的聯邦成員，主要接受來自仿真聯邦內的環境信息請求（交互類），然后根據請求的時間位置信息在數據庫內查詢相關環境數據信息，經過插值等計算，最終以交互類的形式將大氣環境信息返回給發出請求的聯邦成員。作為環境請求與回應的交互類分為2種：大氣環境信息請求交互類（Atmos Data Req）和大氣環境信息回應交互類（Atmos Data Send），SOM表結構設計見表1。其中，信息請求交互類（Atmos Data Req）主要是由仿真應用實體聯邦成員發送給大氣環境聯邦成員，參數“請求位置”是核心數據信息，是一個包含約定坐標系下的三維坐標值的結構體；信息回應交互類（Atmos Data Send）主要是由大氣環境聯邦成員發送給仿真應用實體聯邦成員，參數“大氣數據結構體”是核心數據信息，是一個包含風矢量、溫度、密度、氣壓、云的含水量等大氣屬性數據信息的結構體。

表1 SOM表結構設計Table 1 Structural design of SOM table

由于大氣環境數據具有數據通信量大、多維數、多分辨率、不同數據模型等特點。因此，可采用具有可變長度的多維動態數組，包括數組維數、數據類型和數據的定義以及數據的打包和解包處理。同時，還需要考慮采用HLA/RTI提供的數據分發管理實現對網絡數據的過濾。大氣環境狀態數據在FOM表中采用對象類描述。對象類表中的子類可根據需要劃分為三維、二維、一維站點和局部暫態4種類型的數據表示，分別用于不同目的、不同現象和不同分辨率大氣數據的描述和表示。FOM表結構設計見表2。

表2 FOM表結構設計Table 2 Structural design of FOM table

5 結語

設計了基于HLA/RTI的大氣環境分布式仿真體系結構，并成功應用于大氣環境對低空飛行器影響仿真原型系統中。在分布式仿真體系結構下實現了大氣環境對低空飛行器飛行軌跡和飛行姿態的影響仿真，為分布式仿真過程提供演示和驗證。大氣環境影響仿真試驗表明，基于HLA/RTI 的大氣環境分布式仿真方法具有很好的互操作性和可重用性，為評估大氣環境對實體影響仿真研究提供了一種有效的手段。

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