海軍諸兵種綜合戰術訓練仿真系統構建研究*

張欣景，趙志軍，謝國新，夏紅梅

（海軍兵種指揮學院模擬訓練中心，廣東 廣州 510430）

隨著現代高科技戰爭條件的復雜化，單一兵種往往很難勝任某項軍事任務的完成。海軍諸兵種綜合戰術訓練仿真系統是一個復雜、龐大、典型的分布式仿真系統，其涵蓋了海軍現有的水面艦艇、航空兵、潛艇、陸戰及岸防等五大兵種，實現了復雜環境下各兵種間多平臺、多武器、多行為、多精度的實時戰術對抗訓練仿真。當前，軍內在建立與完善不同軍兵種、不同層次的各類分布式戰術訓練仿真系統中積累了許多經驗［1-6］，但如何將這些系統通過統一的體系結構、標準的通信協議，并合理地控制仿真粒度及規范仿真行為，實現各類系統的一體化建設，提高各類系統的可重用性，仍是當前軍內系統仿真領域內研究的熱點與難點，這也是本文探討研究的重點。

1 構建系統擬需解決的主要問題

HLA（High Level Architecture）是在系統級別上建立起來的一個開放式的仿真體系結構，其主要目的就是要使得不同用途的，不同實現方式的仿真系統能夠實現互操作，并提高仿真系統及其部件的可重用性［7-9］。在構建海軍諸兵種綜合戰術訓練仿真系統時，其需要解決的主要問題就是要將這些針對不同用途開發的仿真系統，通過HLA這樣一個統一的體系框架進行有效地融合，實現各個仿真系統間的互操作和仿真系統及其部件的可重用。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

由圖1可以看出構建系統時具體要解決的問題包含以下3個方面：1）優化網絡拓撲，設計合理、開放的系統體系結構，讓體系龐大的多系統，多成員能夠滿足實時的網絡信息交互需求，并滿足未來新系統、新成員的加入；2）分析系統需要仿真的實體，控制好仿真粒度（定義基本仿真粒度為平臺級），并規范仿真行為；3）設計標準的信息交互協議，統一管理信息交互格式。下文將分別闡述這3個方面的設計思路與具體做法。

2 構建系統的設計思路

2.1 體系結構設計

2.1.1基于RTI的系統網絡拓撲結構

海軍諸兵種綜合作戰模擬系統的體系結構設計時，考慮到系統可能會有數量龐大的聯邦成員加入，為均衡網絡負載，系統采用了分層式 MAKRTI（Run Time Infrastructure）中基于局域網的分布式獨立網絡代理（Singleton Forwards）拓撲模式［10］，其數據傳輸的原理示意圖如圖2如示。

圖2 基于局域網的分布式獨立網絡代理拓撲圖

圖2中，ForwarderA/B/C表示LAN中三個獨立的RTI網絡代理，每個RTI網絡代理有三個聯邦成員通過LAN與之相連，ForwarderA/B/C分別獨立運行于一臺計算機上，每個聯邦成員也分別運行于一臺計算機上。從圖2中可以看出，三個RTI網絡代理之間是互為主代理，而成員僅將與之相連的網絡代理視為主代理。如果成員B2要發信息到A1或C1，則必須先通過 ForwarderB轉發至 ForwarderA/C，再由ForwarderA/C轉發給A1或C1。實際應用中，令每個兵種的仿真子系統啟用一個Forwarder，并且限定各兵種的所有成員僅加入到該 Forwarder中，且兵種內部的數據交互通過啟用RTI的路徑空間形式嚴格限制在本 Forwarder中，兵種間的數據交互則是通過Forwarder轉發，這樣就可以有效地減少同一個 LAN中的數據流大小。同時，這種結構也可以不作修改地作為一個整體加入到以萬維網為基礎的更大型 HLA系統中使用，具有很好的可擴展性。采用這種網絡拓撲相對于橋接方式而言，其最大的優點是：對于每一個聯邦成員，可完全兼容全部RTI服務，有效規避了在橋接方式下處理時空一致性和復雜邏輯的諸多難題[11]。

2.1.2系統的體系結構

基于上面的設計，結合綜合戰術訓練仿真系統的實際情況，可以得到系統的體系結構如圖3所示。這里需要注意的是，整個系統體系中，只運行一個 RTI中心服務器，各兵種則分別運行一個RTI網絡代理。

圖3 諸兵種綜合訓練仿真系統體系結構圖

2.2 系統仿真實體分析

綜合戰術訓練仿真系統涉及大量的仿真實體，能否將這些實體的信息與行為進行合理的抽象與歸納，并體現到程序設計中，將影響到整個系統的運行效率，其主要做法可由下文給出。

2.2.1仿真實體歸類及其定義

依據各類仿真實體在系統運行時所表現出來的基本特性（是否運動的平臺，是否靜止的設施、是否發射或接收輻射波并為平臺或設施所搭載，以及是否產生爆炸等），并結合海軍諸兵種綜合戰術訓練的實際需求（諸兵種基于多平臺間的協同戰術對抗演練）等原則，將系統仿真所涉及到的多達近千個實體劃分成四個基本類別：運動實體類、靜止實體類、暴露性器材類和非精確制導武器類，這四個類別基本涵蓋了系統所有所需仿真的實體。其中，運動實體一般可理解為“平臺”，如飛機、艦艇、潛艇、車輛等，而非平臺上所搭載的各類設備，其最大的特點是該實體可以周期性地自主改變位置、速度等參數；靜止實體可理解為“設施”，如機場、固定場站、各類工事等，其特點為實體的位置等參數不發生變化；暴露性器材是指該設備有能力向外發射各類輻射信號的器材，如雷達、聲納、無線電通訊設備等；非精確制導武器是指具備面殺傷能力（即彈藥具備爆炸特性）且不精確模擬實時彈道的武器彈藥，殺傷的對象應為實體類中定義的各類實體，如各類炮彈、深彈、炸彈等。

2.2.2仿真實體的數據結構

依據上述分類，運動實體的數據設計為三層結構：周期更新型數據（將所有運動實體的周期更新型數據設計成統一的數據結構，具體的數據結構可參見后文中定義的Target復雜類型），事件變化型數據及靜態數據。與此類似，將靜止實體的數據也設計為三層結構：實體描述型數據（要依據不同類型的實體分別設計不同的結構體以存儲能描述反映該實體特性的信息，如機場與觀通站的數據結構就大不相同），事件變化型數據及靜態數據。在實際仿真中，因為暴露性器材總是搭載在運動或靜止實體中，因此，可以將暴露性器材相關數據設計包含在動、靜止實體的事件變化型數據及靜態數據中。具體的實現方法及其優點在后文中加以闡述。非精確制導武器數據則作為面殺傷性武器爆炸交互定義中的參數進行使用。

2.2.3仿真實體的行為規范

系統中所有“可見的”的行為或者說可被各子系統響應的交互，必須是作用于仿真實體的行為，而非仿真實體內部的交互行為。

2.3 系統信息交互協議（公共參考FOM）設計

公共參考 FOM 設計是指在某一領域內，建立一個公共的 FOM 模型，這個模型涵蓋了該領域內仿真系統開發所需的各種對象類和交互類等方面的信息，當開發聯邦成員時，可以依托公共參考 FOM 來設計自己所需的FOM模型［12］。在OMT中要定義一個完整的FOM模型應包括14個表格，其中對象類結構表、屬性表、交互類結構表及參數表是定義系統主要交互數據的載體，另外路徑空間表對于數據分發管理有著重要的作用。

2.3.1實體類設計

實體類主要是描述仿真系統中需要不斷更新自身屬性的成員。在設計綜合戰術訓練仿真系統的實體類時，就需要精準地找出哪些實體中哪些數據是需要不斷更新的屬性。系統將需要仿真的實體分成了四個類別，運動實體、靜止實體、暴露性器材和非精確制導武器。由這些實體的定義可知，靜止實體、暴露性器材和非精確制導武器沒有周期性實時更新的數據。因此，在 FOM表的實體類設計中，只需定義運動實體類。同時，運動實體的數據又劃分成了三個層次，如圖4所示。

圖4 運動實體屬性的分層及控制示意圖

為了進一步優化網絡傳輸的數據量，并不需要運動實體類中的所有數據實時周期性地在RTI上傳遞，因此，只將運動實體的周期更新型數據定義為 FOM表中實體類，而事件變化型數據，如平臺自載的雷達開關機信息則由交互類來控制實現。對于運動實體的靜態數據，如平臺的性能參數、自載設備的性能參數則是需要時從本地數據庫查詢得到。事實上占用系統流量的數據主要是運動實體的周期更新型數據。而對于各類交互產生的事件變化型數據或者是靜止實體的狀態改變數據（包含實體描述型數據和事件變化型數據）則由各子系統收到交互后在本地建立或修改相應的數據表項。

在綜合戰術訓練仿真系統中，為每個兵種的運動實體的周期性變化屬性分別統一定義了一個實體類，即CAim_Route_SMJT（水面艦艇）、CAim_Route_QT（潛艇）、CAim_Route_HKB（航空兵）、CAim_Route_LZ（陸戰）以及 CAim_Route_AF（岸防），并且這些類中只有一個為 TARGET類型的m_TargetVar屬性，該屬性用數組形式表示可以仿真運動實體的最大數值。TARGET類型是FOM中自定義的一個復雜類型，用于描述運動實體周期性變化的屬性，TARGET類型的結構描述見表1。

表1 TARGET復雜類型的結構定義

另外，對于靜止實體的數據也可分為三層，如圖5所示。

靜止實體中實體描述型數據，如位置、實體類型、損傷程度以及該靜止實體的特有屬性等是由初始方案庫或交互來產生或修改，事件變化數據以及靜態數據的使用方法則與運動實體相同。需要注意的是，靜止實體在 FOM 表中并不需要建立相應的實體類，并且靜止實體生成有兩種不同的方式，一是系統初始化時，各成員讀取初始方案數據后建立相應的靜止實體數據表項；二是在系統實時運行時，新增靜止實體是由交互來產生并建立相應的靜止實體數據表項。

圖5 靜止實體屬性的分層及控制示意圖

2.3.2交互類設計

交互類主要是描述仿真系統中各成員之間的行為，而且發出方的該行為會對接受方產生影響。在設計綜合戰術訓練仿真系統的交互類時，除了考慮交互的雙方A和B外，還需在設計時引入觀察者C，這樣才可以將系統內部各成員的行為更充分地展現。例如，“開火”交互，接受方也許并不需要開火交互，或者說開火交互提供的參數或數據對于接受方而言是毫無用處的。但是，引入了第三方觀察者C后，“開火”交互就變得很有必要，可以讓觀察者C知道A產生了一個行為，這個行為叫開火，并且開火后，產生了A成員的新實體如導彈、炮彈或魚雷等。C在實際應用中對應的就是導演成員。

在對系統中各兵種間的典型交互活動進行抽象與歸納的基礎上，統一定義了七個交互類（系統實際實現時遠不止這些），見表 2。限于篇幅，交互的具體參數定義表未能詳細給出。

表2 綜合戰術訓練仿真系統的交互定義

2.3.3路徑空間設計

為了實現將各子系統內部交互的數據限定在子系統內部，即實現典型的RTI數據分發管理，定義了一個系統的路徑空間：ARMS_SPACE，一維空間，維名：ARMSTYPE，數據類型為 short，枚舉映像區間。區間分配見表 3。子系統內部的所有對象類實例的注冊和交互類的發送必須處于相應的路徑空間，使用registerObjectInstanceWithRegion接口注冊實體，使用sendInteractionWithRegion接口發送交互。

表3 綜合戰術訓練仿真系統路徑空間定義表

3 系統的實現

3.1 系統運行的流程圖

綜合戰術訓練仿真系統的運行流程圖如圖 6所示。總控成員指的是綜合導調系統的成員，分系統控制成員指的是各分系統的導演成員，而分系統仿真成員則是指具體的仿真單元。

系統采用了 HLA中保守時間推進機制，并建立了兩個消息隊列：一個用于保存來自RTI消息的隊列，一個是Windows的消息句柄隊列，用Windows消息來觸發RTI的TSO（Time-Stamp Ordered）消息處理。并在聯邦成員中啟用Windows系統下的定時器，每隔一定時間（20ms-1000ms）更新并處理Windows消息及RTI的TSO消息。

圖6 綜合戰術訓練仿真系統的運行流程圖

3.2 仿真實現

以上設計在.net2005平臺下，使用基于MFC模式予以開發實現。系統在 MAK RTI3.2平臺上進行了仿真測試，全系統運行一個RTI中央服務器，并使用6個網絡代理，分別擔負水面艦艇、航空兵、潛艇、陸戰及岸防五大兵種成員以及綜合導控成員的網絡代理服務。全系統最多支持120個成員，127臺計算機，峰值實體數量400個左右，在1：10超實時運行狀態下，主網網絡流量峰值小于10Mbit/s，系統運行正確，驗證了設計方法的可行性。

4 結論

構建海軍諸兵種綜合戰術訓練仿真系統是一項復雜而艱巨的任務。本文利用 HLA仿真技術框架，詳細闡述了構建海軍諸兵種綜合戰術訓練仿真系統時所要解決的主要問題，體系結構、設計方法及實現手段，提出了多項 HLA理論在工程實踐時的應用方法，是HLA理論在實現異類系統間互操作、可重用領域中所做的一次非常有價值的實踐嘗試。

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