仿真體系結構發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究

陳西選，徐 珞，曲 凱，馮金金

CHEN Xixuan,XU Luo,QU Kai,FENG Jinjin

華北計算技術研究所 總體部，北京 100083

General Department,North China Institute of Computer Technology,Beijing 100083,China

1 引言

近年來，隨著軍事需求與技術的發(fā)展，建模仿真應用越來越廣泛，在國防建設、裝備發(fā)展等過程中發(fā)揮了重大作用，已成為裝備研制、新技術驗證等方面的重要支撐手段。

仿真體系結構作為建模仿真技術的基礎與核心，是從整體上描述仿真系統(tǒng)各組成單元的結構，及各單元之間的物理和邏輯關系，對仿真系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)和使用有重要的指導作用。因此，仿真體系結構一直是建模&仿真領域的研究熱點。

隨著信息技術的飛速發(fā)展，特別是cyber-space、cyber對抗等新概念、新技術的提出，對仿真驗證的需求更加強烈，要求仿真技術解決的問題也越來越復雜，這要求仿真體系結構能夠適應網(wǎng)絡化、通用化、服務化、集成化的發(fā)展趨勢，并且需要具有可重用性、可擴展性、可組合性與互操作性，從而支持跨靶場、與異構資源進行聯(lián)合仿真試驗的能力。這對我軍目前廣泛采用的仿真體系結構帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

在仿真體系結構領域，美國國防部（DoD）開展了大量的研究工作，是目前主流仿真體系結構相關標準的制定者，代表了該領域的世界先進水平。因此，為了規(guī)范進而改進我軍的仿真體系結構，提高仿真系統(tǒng)的互操作性、可重用性和可組合性，以滿足新形式下對仿真體系結構的需求，本文對美軍目前廣泛采用的多個仿真體系結構進行了深入的研究與梳理，著重分析了各個體系結構的技術特點、存在的問題，并研究了美軍用于指導未來仿真體系結構發(fā)展的路線圖。研究美軍的這些成果，對新形式下我軍仿真體系結構的設計及改進，有著重要的借鑒與指導意義。

2 美軍仿真體系結構發(fā)展歷程與方向

美國國防部一直將建模與仿真列為重要的國防關鍵技術，并建立了世界上最完備的作戰(zhàn)仿真體系。美軍仿真體系結構的發(fā)展主要經(jīng)過以下階段：

（1）1983年，DARPA與美陸軍共同制定了網(wǎng)絡仿真研究計劃——SIMNET。

（2）1989年，美軍在SIMNET的基礎上，研制了分布式交互仿真技術——DIS。

（3）1990年，DARPA資助MITRE公司設計了聚合級仿真協(xié)議——ALSP，并于1992年開發(fā)出第一個投入使用的協(xié)議和相關支撐系統(tǒng)。

（4）1995年10月，美國國防部公布了建模與仿真主計劃——MSMP，決定建立一個通用的仿真技術框架，其核心是高層體系結構——HLA。HLA于1996年8月完成基礎定義，并于2000年9月成為IEEE1516.X系列標準。美國防部規(guī)定2001年后所有國防部門的仿真必須與HLA兼容。

（5）美軍于20世紀90年代晚期啟動了FI2010（Foundation Initiative 2010）工程，定義了試驗訓練使能體系結構——TENA。

（6）2005年，美陸軍開發(fā)了公共訓練儀器體系結構——CTIA。

（7）2009年，SISO對DIS與HLA進行了升級與改進。

歸納起來，美軍的仿真體系結構的發(fā)展可以概括為三個階段：

（1）以SIMNET、DIS、ALSP為代表的支持同類功能仿真應用互聯(lián)的仿真體系結構[1]。

（2）以HLA為代表的開放、通用仿真體系結構。

（3）以TENA、CITA為代表的面向具體領域應用的通用仿真體系結構。

美軍在不同的時期，針對不同的需求，提出了上述不同的仿真體系結構。這些體系結構針對不同需求的特點，重點解決不同L（Live-實裝）、V（Virtual-模擬）、C（Constructive-仿真）層面的資源集成問題，如圖1所示[2]。比如TENA重點是針對試驗訓練領域，因此它最初主要是解決L層面的集成問題。但是，隨著它們的發(fā)展與改進，之間的界限已經(jīng)開始模糊。目前，各體系結構均不同程度同時支持L、V、C三類資源的集成。

圖1 仿真體系架構對L、V、C資源的支持關系

由于上述仿真體系結構均很好地滿足了所服務領域的需求，因此，它們之間沒有互相取代，而是形成了多種仿真體系結構并存的現(xiàn)狀。美國防部對目前各體系架構的使用情況進行了調(diào)查，結果如下[2]：ALSP低于5%，DIS 35%，HLA35%，TENA15%，CTIA3%，其他體系結構大概占7%。可見，目前DIS、HLA的使用量最大，雖然TENA與CTIA目前的使用量還比較低，但是它們正在被越來越多的用戶關注并使用。

由于這些體系結構所采用的技術、體制各不相同，極大影響了基于不同體系結構開發(fā)的系統(tǒng)間的互操作能力，為開展網(wǎng)絡中心環(huán)境下多靶場間的聯(lián)合仿真試驗帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

在此背景下，美國聯(lián)合兵力司令部于2007年提出了LVC體系結構路線圖——LVCAR（LVC Architecture Roadmap），其目的是對下一代分布式仿真試驗體系結構的發(fā)展作出規(guī)劃，實現(xiàn)LVC仿真環(huán)境互操作性的重大提升。

另外，國外的一些研究機構和企業(yè)也對LVC仿真體系結構進行了大量研究工作，并在互操作方面提出了一些重要建議，比如OpenMSA、OSAMS、CONDOR等[3]。

3 美軍主要仿真體系結構分析

本文主要針對目前被廣泛使用的DIS、HLA，將來有很大發(fā)展空間的TENA、CTIA，以及美軍用于指導未來體系結構建設的LVCAR進行重點分析。

3.1 分布式交互仿真——DIS

（1）DIS體系結構介紹。針對SIMNET在不同平臺級對象的互操作性方面存在的問題，美國防部發(fā)展了DIS，其目的是將不同時期的仿真技術、不同廠家的仿真產(chǎn)品和不同用途的仿真平臺集成在一起，實現(xiàn)交互功能。

DIS以網(wǎng)絡為基礎，主要由仿真節(jié)點和計算機網(wǎng)絡組成。仿真節(jié)點負責計算其內(nèi)部的一個或多個仿真實體的狀態(tài)，并把這些狀態(tài)及其內(nèi)部事件通知其他節(jié)點。此外，它還負責接收其他節(jié)點發(fā)送來的狀態(tài)和事件信息，并計算這些信息對本節(jié)點的影響。這些分布式仿真節(jié)點通過計算機網(wǎng)絡（支持局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)），以及網(wǎng)橋、路由器和網(wǎng)關等設備聯(lián)接在一起，從而實現(xiàn)相互之間信息的交互[4]。

（2）DIS特點分析。DIS體系結構實現(xiàn)簡單，容錯性好，但是它也存在很多缺陷與局限性：

①DIS采用的是非對稱的體系結構，它通過規(guī)范異構仿真節(jié)點間進行信息交換的格式、內(nèi)容、及通信規(guī)則，來實現(xiàn)分布式仿真系統(tǒng)間的互操作，這種低層次的體系結構對于處理具有復雜的邏輯層次關系的系統(tǒng)是不完備的[5]。

②DIS采用了固定的數(shù)據(jù)表示法，以保證異構仿真節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換，這使得DIS無法做到在仿真節(jié)點間只傳遞變化的信息[5]。

③DIS以廣播方式實現(xiàn)仿真實體間的信息交互，即使仿真實體僅有部分狀態(tài)屬性發(fā)生變化，也需要廣播完整的PDU，因此帶寬的利用率很低[6]。

④DIS缺乏仿真器間時間同步的功能，可能導致時空的不一致[6]。

⑤PDU是針對某些領域而制訂的，很難適用其他領域的新型仿真器[6]。

3.2 高層體系結構——HLA

（1）HLA體系結構介紹。HLA是在新技術（特別是面向對象與分布計算技術）發(fā)展的前提下提出的，是從體系結構層面對DIS的不足進行了本質上的改進。

基于HLA的仿真系統(tǒng)的層次結構如圖2所示[1]，其中聯(lián)邦指用于達到特定仿真目的的分布仿真系統(tǒng)；所有參與聯(lián)邦運行的應用程序稱為聯(lián)邦成員；聯(lián)邦成員由若干相互作用的對象構成，對象是聯(lián)邦的基本元素。另外，HLA支持聯(lián)邦作為一個成員加入到一個更大的聯(lián)邦中。

圖2 基于HLA的仿真系統(tǒng)的層次結構圖

HLA主要由三部分組成：規(guī)則、對象模型模板OMT、接口規(guī)范。規(guī)則定義了在聯(lián)邦設計階段必須遵循的基本準則；OMT定義了一套描述HLA對象模型的部件；接口規(guī)范定義了仿真系統(tǒng)運行過程中，支持聯(lián)邦成員間互操作的標準服務[1]。

HLA的邏輯結構如圖3所示，主要由各聯(lián)邦成員和運行支撐環(huán)境RTI構成。其中RTI是分布式仿真系統(tǒng)的關鍵，它按照HLA接口規(guī)范提供一系列服務函數(shù)，支持聯(lián)邦的運行、聯(lián)邦成員之間的互操作，以及聯(lián)邦成員級的重用[1]。

圖3 HLA仿真的邏輯結構圖

（2）HLA特點分析。HLA主要具有以下優(yōu)點：

①HLA是開放的、通用的、支持面向對象的體系結構。

②HLA通過提供相對獨立的支撐服務程序，實現(xiàn)了將應用層同底層支撐環(huán)境分離。

③HLA支持應用系統(tǒng)的即插即用，易于新的仿真系統(tǒng)的集成與管理。

④HLA可根據(jù)不同應用目的，實現(xiàn)聯(lián)邦的快速組合和配置，保證聯(lián)邦范圍內(nèi)的互操作與重用。

⑤HLA基于客戶/服務器技術而不是廣播方式，并且聯(lián)邦成員基于對象描述支持信息的按需產(chǎn)生與接收，從而有效減少網(wǎng)絡負載。

然而，HLA也存在以下不足：

①互操作性差：基于HLA的仿真系統(tǒng)中所有聯(lián)邦成員的對象模型必須一致，否則即使聯(lián)邦成員與HLA是一致的，也不能互相操作。

②雖然HLA支持時間受限與時間調(diào)節(jié)兩種方式的時間管理，但是實時服務的性能較差。

③由于HLA要實現(xiàn)通用性，它必須非常靈活，這就要求對具體應用的實現(xiàn)所施加的限制必須非常少，因此，對于具體領域的特定需求，只能由領域自身加以解決[7]。

3.3 試驗訓練使能體系結構——TENA

（1）TENA體系結構介紹。TENA是針對試驗、訓練領域的特定需求而設計的，以提供試驗和訓練所需的更多特定能力，它的主要目的是促進試驗與訓練領域資源的互操作、重用和可組合[8]。

TENA按照擴展的C4ISR體系結構框架的邏輯結構，從運作、技術、軟件、應用、產(chǎn)品線等方面，建立了邏輯靶場資源開發(fā)、集成和互操作的總體技術框架[9]（如圖4所示），主要包括五部分：

□吉林省四平市伊通滿族自治縣河源鎮(zhèn)板石村黑社會性質組織團伙頭目孟慶革靠著家族勢力支持，當上村委會主任后，越發(fā)無法無天、橫行霸道，不僅對村民任意打罵，就連被他認為不聽話的村干部，也會遭到打罵、威脅。多年來，他接連控制了當?shù)睾由啊⒘帜镜荣Y源，壟斷了當?shù)氐拿讟I(yè)買賣、村村通路網(wǎng)建設和建筑行業(yè)，并利用職權，侵吞國家扶貧款達60余萬元。

①TENA應用：包括靶場資源應用與TENA工具。靶場資源應用是與TENA兼容的靶場儀器儀表或處理系統(tǒng)；TENA工具是可重用的TENA應用，用于對“邏輯靶場”事件全生命周期的管理。

②非TENA應用：是指與TENA不兼容但在試驗中又是必須的靶場儀器儀表、被試系統(tǒng)等。

③TENA對象模型：它是靶場資源和工具之間用來通信的公共語言。

圖4 TENA體系結構概覽圖

④TENA公共基礎設施：主要包括TENA中間件、TENA倉庫和TENA邏輯靶場數(shù)據(jù)檔案。

⑤TENA實用程序：是指為使用TENA及對其進行管理而設計的相關應用程序，如倉庫管理器、資源瀏覽器、TENA網(wǎng)關等。

（2）TENA特點分析。TENA主要具有以下幾個方面的特點[10]：

①TENA是針對試驗與訓練領域而設計的，它針對試驗與訓練領域的特定需求對HLA進行了擴展，提供了試驗和訓練所需的更多特定的能力。

②TENA所定義的TENA對象SDO比HLA對象要復雜、全面得多，它除了包含屬性還包含相關操作的方法，并支持對象的組合，從而可以有效提高對象的重用與互操作。

④TENA提供了TENA-HLA網(wǎng)關，以解決與HLA兼容的仿真試驗/訓練資源的重用與互操作。

3.4 公共訓練儀器體系結構——CTIA

CTIA是為美國陸軍LT2（Live Training Transformation）產(chǎn)品線的研制提供試驗支持而設計的一種公共訓練儀器體系結構。CTIA的體系結構如圖5所示[11]。

與上述其他體系結構相比，CTIA具有以下重要特點：

（1）針對無線數(shù)據(jù)鏈路通信的不可靠性特點，CTIA采取了兩種策略：

①采取集中式服務的策略，實現(xiàn)對多個無線通信節(jié)點間帶寬的有效管理。

②提供了基于CORBA的網(wǎng)關技術，解決與其他非CTIA體系架構的系統(tǒng)間可靠通信問題。

圖5 CTIA層次結構圖

（2）CTIA設計了公共數(shù)據(jù)庫，用于存儲訓練過程中產(chǎn)生的所有信息，從而一方面可以支持在任何時間、任何地點都可以進行訓練過程的回放；另一方面，通過對相關資源實時狀態(tài)信息的保存，保證了相關組件/系統(tǒng)在重啟后仍能被正確識別，從而無縫接入訓練過程，以保證訓練過程持續(xù)穩(wěn)定地執(zhí)行。

（3）在目前的所有仿真體系結構中，CTIA是唯一采用面向服務技術的體系結構。

3.5 LVC體系結構路線圖——LVCAR

“任何時候，如果想開發(fā)系統(tǒng)C以取代A與B，那么最終結果將是A、B、C三個系統(tǒng)同時存在”，建模&仿真領域多體系結構并存的現(xiàn)狀再次驗證了Dell Lunceford的上述論斷。

隨著軍事需求與技術的發(fā)展，迫切需要將多靶場、多組織機構、多武器平臺協(xié)同起來進行聯(lián)合仿真試驗，這首先需要解決多仿真體系結構間的互操作問題。針對該問題，美國防部設計了多種不同的方法，比如統(tǒng)一仿真體系結構、使用網(wǎng)關、中間件技術等，但是上述方法均存在一定的缺陷。

為了解決該問題，美軍于2007年提出了LVC仿真體系結構發(fā)展路線圖——LVCAR，主要目標是[12]：提出一個遠景構想與支撐策略，以實現(xiàn)多體系結構仿真環(huán)境互操作性的重大提升。該路線圖首先從技術、業(yè)務及標準三個維度，對目前的主流仿真體系結構間的差異進行了分析，并制定了不同階段的任務。第一個階段是從2007年春季開始，持續(xù)16個月的時間，該階段的目標是形成LVCAR的最終報告。第二個階段是結合該最終報告的內(nèi)容進行實施。

LVCAR提出了三個重點關注的領域，分別是：未來集成技術體系結構、業(yè)務模型、應該發(fā)展與遵循的標準規(guī)范與管理流程，其中技術體系結構被認為是需要首要解決的問題。

截止到2009年，是LVCAR實施（LVCAR-I）的第一個階段，在該階段主要取得如下成果[11，13]：

（1）開發(fā)實現(xiàn)了“多體系結構仿真系統(tǒng)工程”和“多體系結構仿真聯(lián)邦協(xié)議”兩個原型系統(tǒng)，以及用來執(zhí)行這些聯(lián)邦協(xié)議的相關工具。

（2）研究了可用于提高LVC仿真可重用性的相關業(yè)務模型，并且深入分析了這些業(yè)務模型的可行性。

（3）研究了基于元數(shù)據(jù)技術來描述LVC仿真資源的機制，并對元數(shù)據(jù)進行了分類；建立了LVC仿真資源庫，開發(fā)了基于元數(shù)據(jù)的資源發(fā)現(xiàn)與定位原型系統(tǒng)。

（4）設計了對網(wǎng)關進行描述與特征刻畫機制，從而為用戶選擇合適的網(wǎng)關以接入試驗環(huán)境提供更多的支撐。

（5）另外，還對SOA技術在M&S領域中如何應用進行了研究，深入分析了SOA技術在該領域應用的利弊。

4 仿真體系結構發(fā)展建議

美軍仿真體系結構的發(fā)展成果對我軍仿真體系結構的建設有重要的借鑒與指導價值，但是必須在充分認清我軍現(xiàn)狀及需求的基礎上，有選擇地吸收美軍發(fā)展過程中的經(jīng)驗教訓，繞開美軍所走的彎路，研制符合我軍實際的仿真體系結構。

由于前期美軍仿真體系結構的發(fā)展是以眼前的需求為驅動，沒有進行長遠規(guī)劃，因此形成了目前多體系結構并存的局面，并且由于體系結構間的不兼容性，導致它們之間的互操作性很差，難以滿足網(wǎng)絡中心環(huán)境下多靶場間聯(lián)合試驗的需求。而我軍在仿真體系結構的研究方面起步較晚，國內(nèi)相關研究機構主要集中針對HLA開展研究，并已開發(fā)出了一些具有自主產(chǎn)權的RTI產(chǎn)品。而在建模仿真體系框架、試驗與訓練體系結構方面，尚處于概念研究階段，未形成相應的產(chǎn)品。因此，借鑒美軍在仿真體系結構研制方面的經(jīng)驗教訓，認為：我軍應該重點研制能夠支持多靶場間異構L、V、C資源聯(lián)合仿真試驗的一體化仿真體系結構，而不應照搬美軍的發(fā)展思路，只研制基于TENA的試驗訓練領域體系結構。

為了能夠支持網(wǎng)絡中心環(huán)境下多靶場間的聯(lián)合仿真試驗，要求我軍未來仿真體系結構能夠適應網(wǎng)絡化、服務化、通用化的發(fā)展趨勢，具備以下方面的能力：

首先，要求能夠支持物理上分布的廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的大規(guī)模信息的高效交換與傳輸。

其次，要求能夠支持各類異構L、V、C資源及模型的動態(tài)接入、集成及互操作，并能夠有效支持資源與模型的重用。

另外，需要能夠適應服務化發(fā)展趨勢，滿足對未來面向服務的武器平臺系統(tǒng)的試驗需求。

最后，未來的仿真體系結構應該具備開放性，具有靈活高效的時間管理機制，要求既能滿足建模仿真的需求，又能支持試驗與訓練，并能很好地服務于裝備的論證、設計、集成等全生命周期的驗證。

針對上述需求，本文在深入研究美軍仿真體系結構發(fā)展趨勢及關鍵技術的基礎上，建議我軍未來仿真體系結構可以重點從以下幾個方面開展研究：

（1）異構仿真試驗資源管理技術研究：

①建立聯(lián)合通用對象模型[14]，以支持不同靶場系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的高效交換。

②參考美軍的MSC-DMS[15]，建立覆蓋仿真、試驗、訓練等異構仿真試驗資源的元數(shù)據(jù)模型，設計資源的語義描述機制，為資源的快速發(fā)現(xiàn)、有效重用提供基礎。

③建立可重用、可組合的基礎仿真試驗資源庫。

（2）異構仿真試驗資源集成中間件技術研究。研究LVC網(wǎng)關、網(wǎng)橋、代理等技術，以支持對基于不同體系結構的異構系統(tǒng)、資源的統(tǒng)一接入與集成；建立能夠滿足多靶場試驗運行環(huán)境、通信機制、時間管理等需求的運行基礎設施，為系統(tǒng)的運行提供互操作支撐平臺。

（3）SOA在仿真體系結構中的應用研究。雖然SOA技術在其他領域取得了廣泛應用，但是由于仿真試驗領域的特殊需求（如實裝的高實時性要求等），不能照搬其他領域的做法直接引入SOA。而應借鑒美軍的思路，首先對SOA在仿真試驗領域應該如何應用進行深入研究，以充分理解SOA可能帶來的利弊，從而在體系結構設計過程中有選擇地使用SOA技術，以最大程度地提高系統(tǒng)的靈活性與可擴展性。

（4）借鑒美軍提出的DSEEP[16]，開展用于指導我軍分布式仿真開發(fā)管理的統(tǒng)一標準的系統(tǒng)工程方法研究。

[1]周彥.HLA仿真程序設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：6-18.

[2]Gustavsson P M.LVC aspects and integration of live simulation[C]//Simulation Interoperability Workshop，2009.

[3]Steinman J S.A proposed Open System Architecture for Modeling and Simulation（OSAMS）[C]//Simulation Interoperability Workshop，2007.

[4]惠天舒，童軍，陳宗基，等.分布交互仿真技術的發(fā)展[J].系統(tǒng)仿真學報，1997，9（4）.

[5]童軍，宋星，李伯虎.分布交互仿真體系結構的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].系統(tǒng)仿真學報，1997，9（2）.

[6]郇戰(zhàn)，柳世考，李剛.DIS仿真系統(tǒng)升級到HLA的分析[J].計算機仿真，2003，20（1）.

[7]周玉芳，余云智，翟永翠.LVC仿真技術綜述[J].指揮控制與仿真，2010，32（4）.

[8]Foundation Initiative 2010 Project Office.The test and training enabling architecture reference document[R].Version 2002，2002.

[9]馮潤明，王國玉，黃柯棣.試驗與訓練使能體系結構TENA研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16（10）.

[10]馮潤明，王國玉，黃柯棣.TENA及其與HLA的比較[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2005，27（2）.

[11]Saunders R.Live-virtual-constructive architecture roadmap implementation-legacy architectures reference model[R].National Security Analysis Department，2009.

[12]Henninger A E.Live Virtual Constructive Architecture Roadmap（LVCAR） final report：a metadata-based approach[R].Institute for Defense Analyses，2008.

[13]Coolahan J E.LVC architecture roadmap implementation—results of first two years[J].M&S Journal，2012，7（1）.

[14]Shea D P.Business models to advance the reuse of modeling and simulation resources[R].CAN CRM，2009.

[15]DoD M&S Coordination Office.Modeling and simulation community of interest discovery metadata specification[R].Version 1.4，2010.

[16]Joint Training Integration and Evaluation Center.Guide for multi-architecture LVC environment engineering and execution[R].2010.

[17]Bizub W.Next-generation live virtual constructive architecture framework[C]//Interservice/Industry Training，Simulation，and Education Conference（I/ITSEC），2009.

[18]Henninger A E.Live virtual constructive architecture roadmap study[R].Institute for Defense Analyses，2007.

[19]代坤，趙雯，張灝龍，等.基于TENA的虛擬試驗實現(xiàn)技術研究[J].計算機仿真學報，2011，23（5）.

[20]Saunders R，Vick S D，Conrad G E.Functional interoperability assessment HLA and TENA[C]//Simulation Interoperability Workshop，2006.