基于HLA的導彈分隊作戰仿真系統設計*

陳大雷 畢義明 范陽濤 周 輝

(1.第二炮兵工程大學 西安 710025)(2.96425部隊 寶雞 721000)

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基于HLA的導彈分隊作戰仿真系統設計*

陳大雷1,2畢義明1范陽濤1,2周 輝1

(1.第二炮兵工程大學 西安 710025)(2.96425部隊 寶雞 721000)

根據導彈部隊作戰需求,結合當前計算機仿真技術的發展,在分析導彈分隊作戰過程的基礎上,提出了基于HLA高層體系結構的導彈分隊作戰仿真系統設計方案,明確了仿真系統的功能結構,給出了組成聯邦的各成員的主要功能、成員間的信息交互關系和仿真運行流程。該系統將有效地解決導彈分隊作戰仿真與效能評估面臨的困難,輔助指揮員進行作戰模擬、戰法研究和效能評估等。論文針對作戰仿真系統開發的規律和特點,重點研究了仿真聯邦設計和FOM/SOM設計與實現,在導彈分隊作戰仿真系統的開發中證實該設計方案可行有效。

高層體系結構; 導彈分隊; 作戰; 設計

Class Number E927

1 引言

近年來,隨著計算機技術、計算機仿真和網絡技術的普及和應用,為現代化部隊軍事作戰和訓練的改革提供了先進的技術支持。由于我軍導彈部隊作戰模擬化的需要,導彈部隊作戰的仿真研究已成為一個十分重要的問題。

高層體系結構(High Level Architecture,HLA)是美國國防部建模與仿真辦公室提出的一個全新的仿真技術框架,它致力于解決和提高仿真應用的互操作性和仿真資源的可重用性,它取代了原有的分布交互式仿真的DIS標準,成為先進分布式仿真技術的發展趨勢。基于HLA,可以把一個龐大的仿真系統劃分為若干個子系統,每個子系統作為一個聯邦成員參與到仿真中來,在保持各自獨立性的同時實現信息的有效交互。HLA架構支持不同仿真應用之間的互操作和仿真組件的可重用,使系統具有良好的開放性和可擴展性,既有效利用了現有資源,又使仿真系統具有良好的擴展性,便于后續的擴展和開發[1～3]。

導彈分隊作戰是一個復雜的過程,同時受政治、經費等原因影響,進行實戰演練比較困難,導彈分隊作戰仿真系統是研究導彈分隊作戰、戰法研究及新導彈裝備驗證的有效仿真平臺。

2 導彈分隊作戰仿真系統分析

2.1 系統的主要功能和特點

該作戰仿真系統以導彈分隊為基本作戰單元,構建近似實戰的戰場環境,使分隊指揮人員在虛擬的戰場環境下,完成導彈分隊不同規模層次的戰術作戰任務,并能對作戰效果進行評估。可為導彈部隊作戰理論研究和新型導彈提供仿真試驗平臺,通過在多種仿真條件下,使指揮員人在仿真系統中進行作戰指揮決策,獲取仿真數據,為研究導彈部隊作戰樣式提供數據支撐。

系統采用統一的技術框架,統一的模型標準,統一的數據格式,具有較好的可重構性和互操作性。構建了作戰區域的虛擬環境,實現作戰仿真中指揮員指揮決策、分隊作戰行動仿真和分隊作戰的戰法研究,很好地解決了因實戰演練帶來的場地、訓練消耗、人員保障和裝備安全等方面的困難,能產生較好的軍事和經濟效益。

2.2 系統體系結構

系統體系結構是提供和支技導彈分隊作戰仿真系統各個功能子系統的互聯,目的是描述系統的內部結構關系與運行機制。導彈分隊作戰仿真系統的體系結構如圖1所示。

圖1 導彈分隊作戰仿真系統的體系結構

3 聯邦成員設計

導彈分隊作戰仿真系統為指揮平臺與武器平臺相結合的仿真系統,涉及對象多,實體模型復雜,實時性強,需要解決仿真時間同步、模型協調統一、人機接口交互、仿真實時分析以及仿真過程動態顯示等問題,需要具有統一的管理結構進行協調各仿真系統的交互運行[4],同時各子系統內部也具有統一的體系結構,而HLA的互操作性和可重用性優點,可很好滿足該系統結構設計,并能適應系統擴展要求。

根據HLA體系結構設計,導彈分隊作戰仿真系統作為一個聯邦,主要包括上級仿真主控、紅方導彈分隊、友鄰導彈分隊、模擬藍方、仿真態勢綜合顯示和仿真評估等聯邦成員。聯邦成員通過局域網互聯,采用RTI作為其運行支撐環境,RTI中Lib RTI庫封裝到每個聯邦成員中,使每個聯邦成員與其他成員信息交互通過HLA接口函數實現[5]。聯邦成員的功能如下:

1) 上級仿真主控聯邦成員。包括指揮、協調、情報等指揮保障功能,完成任務想定、仿真腳本、戰場情況分析、作戰計劃擬制、網絡研討和作戰行動推演等功能,可對導彈分隊作戰仿真系統進行指揮引導,控制仿真推演進程。

2) 紅方導彈分隊聯邦成員。完成導彈分隊接收響應仿真主控、友鄰導彈分隊等仿真系統發送的指令和信息,生成平臺參數、系統狀態等消息,并對作戰仿真行動做出相應響應。

3) 友鄰導彈分隊聯邦成員。模擬生成協同計劃、共享作戰態勢和協同指令配合等信息、并進行人工干預。

4) 模擬藍方聯邦成員。模擬藍方部隊、陣地部署、戰機編隊及目標機動等己方態勢,并根據任務想定進行態勢演進,實時對戰場態勢進行更新。

5) 仿真態勢綜合顯示聯邦成員。具有對作戰區域二維、三維戰場態勢顯示能力,能夠模擬導彈部隊作戰,根據主控引導指令進行動態顯示,實時生成平臺參數、系統狀態和監視目標等消息。

6) 仿真評估聯邦成員。實時采集作戰仿真操作數據及實驗數據,可進行數據分析,并對作戰效果進行評估分析。

4 仿真系統FOM/SOM表設計

在HLA的對象模型模板(OMT)中,定義了兩類對象模型。一類是描述仿真聯邦的聯邦對象模型(FOM),其主要目的是提供聯邦成員間用公共的、標準化的格式進行數據交換的規范,它描述了在仿真運行過程中參與聯邦成員信息交換的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數的特性[6];另一類是描述聯邦成員的成員對象模型(SOM),它描述了聯邦成員可以對外公布或需要訂購的對象類、對象類屬性、交互類、交互參數的特性,這特性反映了成員參與聯邦運行時所具有的能力。開發FOM/SOM的過程,實際就是對交互數據進行建模和抽象的過程[7]。聯邦成員發布其它邦員感興趣的對象類和交互類,訂購自己所需的對象類和交互類,由此實現信息交換和互操作。下面以導彈分隊作戰仿真系統中各聯邦成員為例,介紹FOM/SOM及聯邦成員接口設計。

4.1 成員對象類及其屬性表

成員對象類是指參與聯邦交互的成員對象實例,其組成需要涵蓋聯邦成員交互的所有功能。通過分析,各聯邦成員中所涉及的部分對象主要由下表1所示。根據各類之間的具體屬性,抽取共有的屬性設計出共同基類CEntity類、導演控制CManger類等,以便其他類繼承,增加系統的可擴展性和可重用性。

表1 簡化的FOM對象類結構表

下一級對象類即繼承上一級對象的屬性,又具有自身的對象屬性。表2是FOM表的主要對象之實體類的屬性表。

表2 FOM主要對象之Entity(實體類)屬性表

4.2 成員交互類及其參數表

成員交互類是指參與聯邦交互的成員交互實例。在系統中,交互類用于控制成員間互操作的組織與協同,交互類是系統交互過程的重要組成部分,它與對象類共同實現系統中所有的交互行為。交互類包括PlanSet(方案設定)、Destory(毀傷情況)、Launch(武器發射)等,其層次關系與設定如表3所示。

表3 簡化的FOM交互類表

4.3 接口規范

聯邦運行支撐環境RTI是HLA仿真系統進行分層管理控制、實現發布仿真可擴充性的支撐基礎,是實現HLA的核心。通過接口規范,該仿真體系結構能夠更好地將操作仿真、監控仿真和視景仿真集成于一體。根據接口規范提供六大類服務,使得各操作成員和監控成員間的互操作更加容易、更加合理[8]。

1) 聯邦管理服務。首先創建作戰仿真聯邦,經聯邦確認后,聯邦成員通過調用RTI接口模塊加入到聯邦執行;聯邦運行結束后,再通過調用RTI接口模塊退出聯邦執行,退出聯邦及其它管理。退出前,該成員持有的實例屬性所有權被解除,該成員可以把這些實例屬性所有權轉移給其它聯邦成員,隨后交給它們所有權獲得權,刪除擁有所有權的對象實例[9]。

2) 聲明管理服務。聯邦成員通過HLA聲明管理服務聲明發布、訂購數據的意圖,RTI通過這些聲明安排數據路由、轉換數據和管理興趣。

3) 對象管理服務。對象管理服務用于實現數據實際交換。聯邦成員使用對象管理服務來發送和接收交互,實現對象實例的注冊和發現,屬性值的更新和反射。

4) 所有權管理服務。在聯邦執行過程中,任一時刻一個實例屬性最多只能被一個聯邦成員擁有,所有權管理服務用以協調和管理聯邦中已注冊對象實例屬性所有權的轉移。在導彈作戰仿真聯邦中,主要是在各武器的作戰使用中,當武器發射時,武器平臺實體聯邦成員進行實例登記并取得屬性所有權;發射后,武器平臺實體聯邦成員將所有權轉移給模型庫所有;命中目標或作用時間結束后,模型庫聯邦成員釋放該實體實例屬性所有權,放棄對其管理職責,并刪除該實例[10]。

5) 時間服務。對時間管理服務的方式選擇上,由于系統中成員操作的實現主要按照操作流程進行,同時還須考慮一定時間區間內操作成員間的協同。因此,采用了“接收順序”和“時戳順序”混合方式互相協調邏輯仿真時間,實現聯邦同步。

6) 數據分發服務。為聯邦成員提供了實例層次上的發布與訂閱機制,通過匹配數據交互對象間捆綁的對象類屬性集/交互類集的方式實現數據分發管理。通過六大類服務使得各操作成員和監控成員間的互操作更加容易、更加合理。

5 系統運行流程

整個系統仿真運行由仿真主控成員統一管理控制,仿真流程可分為四個步驟:

1) 仿真參數配置:為了實現作戰仿真,需要設定設備參數及初始狀態,然后啟動仿真;

2) 聯邦成員初始化:創建并加入聯邦、對象類和交互類的公布和訂購、設置時間機制、注冊對象實例等工作;

3) 仿真循環:聯邦成員獨立進行各自的仿真任務,完成屬性更新和數據交互;

4) 退出聯邦:仿真結束。

仿真系統的運行流程如圖2所示[11]。

圖2 仿真系統的運行流程

6 結語

本文是基于仿真運行支撐軟件RTI,設計了兼具開放性、可擴展性、交互性和可視化的分布式作戰仿真系統。主要研究了針對導彈分隊作戰仿真系統設計,分析了仿真系統組成的基本要素和一般功能要求,對作戰仿真系統進行功能模塊劃分,設計了系統的總體框架;分析了系統聯邦成員的構成,建立了代表成員間所有交互數據組成及其關系的SOM/FOM表,為下一步的仿真開發奠定了基礎,也為本地仿真開發中交互數據的傳輸提供了端口。目前,設計方案已運用于該系統的開發,對作戰仿真系統的開發具有重要意義,也對此類作戰仿真系統的構建提供借鑒。

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參考文獻著錄規則

一.總要求

為了幫助向本刊投稿的作者按規范著錄參考文獻,現將常見類型文獻的著錄格式作如下要求。

本刊要求雙語參考文獻,所有的中文參考文獻均需附英文譯文,示例如下:

示例1:

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參考文獻中的責任者采用姓前名后的著錄形式。歐美著者的名可縮寫,姓大寫,姓和縮寫的名之間不可用“.”隔開,而是用空格。如用中譯名,可以只著錄其姓。如原文中作者為“P．S．昂溫”則在本刊要求中應寫成“昂溫 P S”,Albert Einstein Seny應寫成EINSTEIN A S。

參考文獻的責任者之間用“,”分隔。不超過3個時,全部照錄。超過3個時,只著錄前3個責任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜體。

示例2:馬克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.圖書和期刊的著錄格式

◆ 普通圖書(原著): [序號]著者．書名[M]．版本(第1版不著錄)．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [3]余敏．出版集團研究[M]．北京:中國書籍出版社,2001:179-193． [4]中國社會科學院語言研究所詞典編輯室．現代漢語詞典[M]．修訂本．北京:商務印書館,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通圖書(譯著): [序號]著者．書名[M]．譯者,譯．版本．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [6]AGRAWAL G P． 非線性光纖光學[M]．胡國絳,黃超,譯．天津:天津大學出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科學與工藝學原理[M]．李慶龍,譯．2版．北京:中國食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文頁碼． [8]蔣超,張沛,張永軍,等．基于SRLG不相關的共享通路保護算法[J]．光通信技術,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(無卷) [序號]著者.題名[J]．刊名,出版年份(期):引文頁碼． [10]周可,馮丹,王芳,等．網絡磁盤陣列流水調度研究[J]．計算機學報,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.電子文獻的著錄格式

◆ 電子文獻: [序號]主要責任者．題名:其他題名信息[文獻類型標志/文獻載體標志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．獲取和訪問路徑． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]蕭鈺．出版業信息化邁入快車道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.學位論文與論文集的著錄格式

◆ 學位論文: [序號]著者．題名[D]．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [13]孫玉文．漢語變調構詞研究[D]．北京:北京大學文學院,2000．

◆ 論文集: [序號]著者．題名[C]//著者．專題名:其他題名．出版地:出版者,出版年:引文頁碼． [14]白書龍．植物開花研究[C]//李承森．植物科學進展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Missile Element Operation Simulation System Design Based on HLA

CHEN Dalei1,2BI Yiming1FAN Yangtao1,2ZHOU Hui1

(1. The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025)(2. No. 96425 Troop of PLA, Baoji 721000)

According to the requirements of missile forces operation, combined with the current development of computer simulation technology, based on the analysis of the missile element operation process, the design plan of the missile element operation simulation system based on high level architecture is put forward, the function structure of simulation system is known. The main function of the members in the federal, information interaction relationship between members and the simulation operation process. The system will effectively solve the problem of missile unit combat simulation and effectiveness evaluation faced assit commanders combat simulation, methods of research and effectiveness evaluation. Aiming at the rules and charactersitics of combat simulation in developing, the design of simulation federal and FOM/SOM is mainly studied. It is confirmed that the design is feasible and effective in the development of a missile unit combat simulation system.

HLA, missile element, operation, design

2015年2月14日,

2015年3月24日

陳大雷,男,碩士研究生,研究方向:導彈作戰建模與仿真。畢義明,男,教授,博士生導師,研究方向:導彈作戰建模與仿真和導彈作戰運籌。范陽濤,男,博士研究生,研究方向:導彈作戰效能評估、作戰建模與仿真。周輝,男,碩士研究生,研究方向:導彈作戰建模與仿真。

E927

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.023