一種仿真系統與實裝系統數據交換網關設計的方法研究

【信息科學與控制工程】

一種仿真系統與實裝系統數據交換網關設計的方法研究

畢學軍，高飛，王小振,劉娟

(裝甲兵工程學院 信息工程系，北京100072)

摘要：在仿真訓練愈來愈受到各國重視的今天，如何貼近實戰，結合實際裝備，打贏信息化條件下的局部戰爭，成為部隊仿真訓練的新的課題；提出了一種新的網關連接方法，即以高層體系結構(HLA)構建仿真系統，以可變消息格式(VMF)作為實裝軟件報文標準，設計數據網關，從而改善目前仿真系統和實裝系統互連、互通、互操作性較差的問題。

關鍵詞：VMF-HLA；交換網關；虛實系統

收稿日期：2015-01-21

作者簡介：畢學軍(1975—)，男，碩士，副教授，主要從事軍事信息系統、軟件測試研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.026

中圖分類號：TP391

文章編號：1006-0707(2015)06-0105-04

本文引用格式：畢學軍，高飛，王小振,等.一種仿真系統與實裝系統數據交換網關設計的方法研究[J].四川兵工學報，2015(6):105-108.

Citation format:BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, et al.Research on Design Methods of Data Exchange Gateway Between Simulation System and Mounting System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):105-108.

Research on Design Methods of Data Exchange Gateway

Between Simulation System and Mounting System

BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, LIU Juan

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:Nowadays, there is increasing number of countries concerning the simulation training. It has already drawn army’s attention to the closing combat, combining practical equipment and winning local information wars for a new training subject. The paper presented a new gateway connection method designed by High Level Architecture (HLA) as building simulation systems and Variable Message Format (VMF) as real installing software message standards. According to that method, the poor situation of interconnection, intercommunication and interoperation could be improved.

Key words: VMF-HLA; complex network; false and true system

隨著部隊信息化改造的不斷深入，尤其是陸軍機械化部隊信息化建設取得了突出的成果，信息化裝備已廣泛的成建制列裝部隊，形成了較為完備的裝備體系；指揮信息系統的戰斗力的生產，需要以培訓及訓練作為保證。模擬化訓練作為指揮信息系統訓練中的重要形式，以仿真系統作為支撐，依托實裝系統使受訓人員在與實裝相同或相似的環境下完成訓練，是模擬化訓練建設的一種重要途徑，也是發揮模擬化訓練天然優勢的一種重要方法。但是這種構建方式，需要支撐模擬訓練系統的仿真系統能夠與實際的指揮信息化系統能夠緊密銜接，這樣二者才可以實現良好的互連、互通、互操作，完成模擬化訓練的目的。

在虛實系統結合上，大量仿真系統無法與實際裝備互連互通互操作，究其原因主要有：大量仿真系統在設計理念上存在缺陷，未構造良好的接口已支撐模擬訓練系統，無法良好的與實際裝備相連接；通過改造以往的仿真系統，增加與原系統緊密耦合的專用接口模塊來實現與實裝系統的連接； 上述原因造成了大量的資源浪費，為模擬訓練系統的研制開發帶來了巨大的工作量，且不利于現有軟件資源的重復利用。

為更高效地提高模擬化訓練能力，充分融合和利用現有靶場資源，美軍在基于2010FI工程(Foundation Initiative 2010)的基礎上，定義了試驗訓練使能體系結構(TENA)。TENA構想的支撐來自于美軍C4ISR體系結構框架(ECAF)。通過提供公共體系結構，從而融合地緣分散，功能分離的訓練資源(包含仿真系統)，達到高效、便捷、可靠的模擬化訓練要求。我軍在構建自己的模擬化訓練公共體系結構時，應切實結合已有的“一體化指揮信息系統”平臺、“一網四系統”等，才能有良好的應用型和可擴充性。

1基于HLA的仿真系統構建

HLA由美國國防建模與仿真辦公室(DMSO)提出的一種分布式仿真新標準。由于功能完備，可靠性高，逐漸成為當前軍事仿真領域的的研究熱點。作為一個通用的技術框架，它規定了整個仿真過程中的一些原則和接口標準。其主要構成：各個獨立的仿真應用—邦元，現實世界的基本元素在邦元內部的映射—對象，在特定的任務指導下，可以交互的邦員，支撐軟件和相關部件組織到一起—聯邦；HLA運行在各個節點機器上，提供邦元間的系統管理的平臺軟件—RTI，如圖1所示。

圖1　HLA運行框架

作為HLA系統互操作和可復用的基礎，對象模型模板OMT也是HLA規范的一個重要的組成部分，OMT使用七類表格以層次類的方法描述和定義仿真系統中的對象類和交互類，包括對象模型標識表、對象類結構表、交互類結構表、屬性表、參數表、屬性表和參數表的數據類型輔助表、路由空間表。

2指揮信息系統中的數據傳輸手段VMF

現有裝備的戰術級指揮信息系統中，各系統間的信息交互主要是通過應用層無連接可靠傳輸協議交換戰術消息來實現的。這是由數字化條件下復雜的戰場實際環境所決定的。在無固定基礎設施，主要依靠Ad Hoc網絡的情況下，VMF是一種理想的可靠的數據傳輸手段。

應用層無連接可靠傳輸協議的數據單元的結構由TDRTP(戰術數據報文可靠傳輸協議)頭部、TDTP頭部(戰術數據報文傳輸協議頭部，又稱為應用層頭部)和用戶數據構成。VMF組成的通用描述如表1所示。

表1　VMF通用描述請加表題

VMF報文標準中每條報文以Kn.m形式進行標識，其中K為報文所屬系列，n為報文所屬功能域號，m為報文號，每種格式的報文描述中強制性字段與可選字段的不同組合便組成了滿足需求的各種報文。可選字段根據指示器字段的值來確定是否需要,VMF包含字段出現指示器(FPI)、字段重復指示器(FRI)、分組出現指示器(GPI)和分組重復指示器(GRI)4個指示器。DFI/DUI( 數據域標識符/ 數據使用標識符)是一組用于標識數據元素的數字，可作為對數據元素字典的參考。

3VMF-HLA數據交換網關的構想

本質上，VMF-HLA網關是一個HLA聯邦成員，因此，VMF-HLA網關的建立過程與普通的HLA聯邦成員開發過程是非常類似的。在實際應用中，VMF消息結構具有較大的穩定性，其消息結構、處理規則和語義等，一般不會發生較大的變化，但仿真系統卻具有較大的隨意性，由于這個原因，并不存在一個萬能的VMF-HLA網關，可以實現任意的仿真系統與實裝系統的互連，從而必須針對特定的仿真系統，建立與之相適應的網關，以處理對應的數據交換任務。因此，僅針對某個特定的仿真系統開發專門的VMF-HLA網關，并不具備多大的意義，必須發展一系列技術及軟件工具，用于輔助實現網關的快速建立，并降低其建立過程的難度和復雜度，才更有價值。

實裝環境中的指揮信息系統間VMF形式的戰術消息交換是借助統一的報文傳輸服務實現的，為解決與實裝環境的互連、互通，VMF-HLA網關需采用與實裝環境完全一致的傳輸接口，同時VMF-HLA網關又作為HLA聯邦成員通過RTI總線與仿真系統實現接入，因此，以VMF-HLA網關支持的實裝指揮信息系統與仿真系統互連的半實物模擬訓練系統具有的基本架構，如圖2所示，其中VMF-HLA網關作為加入HLA聯邦的聯邦成員，負責在實裝環境及仿真系統間進行數據交換。VMF-HLA網關內部由各個功能部件構成(圖3)。

圖2　VMF-HLA網關支持下的訓練系統基本框架

圖3　VMF-HLA網關支持下的訓練系統基本架構

其中，實裝接入功能單元通過現行通用支撐層構件與指揮信息系統進行數據通信，RTI接口功能單元通過RTI總線與仿真系統進行交互，VMF報文編解碼功能單元由VMF消息標準描述軟件工具產生，用于處理戰術消息的編解碼，數據轉換功能單元負責將收到的戰術消息在VMF形式與仿真系統聯邦對象模型形式間進行轉換，時間管理單元通過HLA時間管理機制和一體化時統構件，協調RTI總線和實裝環境中的作戰時間推進。

VMF-HLA網關在特定的軟件工具輔助下，通過下述過程建立，如圖4所示。

圖4　實裝接入模塊內部結構及處理過程

4VMF-HLA數據交換網關設計方案

VMF-HLA網關內部結構：VMF-HLA網關內部由實裝接入模塊、VMF報文編解碼模塊、數據轉換模塊、RTI接口模塊和時間管理模塊構成，如圖3所示。實裝接入模塊借助一體化支撐層構件，與指揮信息系統進行通信，其內部結構及處理過程，如圖5所示。VMF報文編解碼模塊程序代碼由輔助軟件工具根據戰術消息標準自動建立，包括用于描述消息結構的 C++ 數據結構，同時為提高執行效率，采取硬編碼方式，針對每一類消息根據其消息結構及處理規則產生其對應的 C++ 編解碼程序代碼。

圖5　實裝接入模塊內部結構及處理過程

數據轉換模塊在軟件工具的輔助下產生，通過解析聯邦對象模型文件，針對每種對象類和交互類及其訂購、公布過程產生對應的 C++ 程序代碼，并實現對象類、交互類數據與戰術消息間的形式轉換。RTI接口模塊是聯邦成員框架的組成部分，RTI接口模塊負責處理加入、退出聯邦執行過程中的必要工作，并負責訂購及公布所需要的對象類、交互類，其處理過程，如圖6所示。

圖6　RTI接口模塊內部結構及處理過程

時間管理模塊負責從RTI總線獲得當前仿真時間，根據訓練任務中作戰時間設置參數轉換為當前作戰時間，并將此時間通過實裝環境中的時統服務構件發布到訓練系統中，如圖7所示。VMF-HLA網關作為聯邦成員部署于實裝系統與仿真系統之間，可實現戰術消息與HLA對象類、交互類間的相互轉換，處理過程，如圖8所示。

當收到來自RTI總線的數據時，VMF-HLA網關將數據轉換為VMF形式戰術消息，發送到實裝環境中，當收到來自實裝環境的戰術消息時，VMF-HLA網關將戰術消息轉換為HLA對象類或交互類，公布到RTI總線上。

圖7　實裝接入模塊內部結構及處理過程

圖8　VMF-RTI網關處理過程

5結束語

本文提出針對現行仿真訓練的現狀，提出了兩個創新點：采用網關技術構建模擬訓練系統，在不對原有仿真系統進行大規模修改的前提下實現與實裝環境的互連、互通、互操作；通過代碼生成技術，自動生成網關程序中的大部分程序代碼，降低模擬訓練系統建設過程中的網關開發的工作量和難度。對于部隊模擬訓練系統的建設有著較好的推動作用，對未來該領域的建設提供參考。

參考文獻：

[1]王勝濤,楊志飛,杜紅兵.邏輯靶場網關設計方法研究[J].艦船電子工程,2012,32(2):84-86.

[2]遲剛,王樹宗.HLA 仿真技術綜述[J].計算機仿真,2004,21(7):1-3.

[3]王召福.HLA 邦元范型框架設計及其關鍵技術研究[J].計算機工程與科學,2003,25(5):109-109.

[4]楊猛,田暢.VMF 的發展前景展望[J].四川兵工學報,2009,30(1):110-112.

[5]馮潤明,王國玉,黃柯棣.試驗與訓練使能體系結構(TENA)研究[J].系統仿真學報,2004,16(10):2280-2284.

[6]Furuichi M,Mizuno M,Izumi H,et al.The applicability of high level architecture (HLA) to distributed cooperative processing systems[C]//Systems,Man,and Cybernetics,1999.IEEE SMC′99 Conference Proceedings.1999 IEEE International Conference on.IEEE,1999,1:6-11.

[7]Chien H Y,Wu T C,Yeh M K.Provably secure gateway-oriented password-based authenticated key exchange protocol resistant to password guessing attacks[J].Journal of Information Science and Engineering,2013,29(2):249-265.

(責任編輯楊繼森)