基于HLA的艦船輸轉作業仿真系統研究

孟德壯 ，顏 瓅 ，劉朕明 ，方曉波

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司，上海 200083)

基于HLA的艦船輸轉作業仿真系統研究

孟德壯1,2，顏 瓅1,2，劉朕明1,2，方曉波1

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司，上海 200083)

針對艦船輸轉作業方案仿真存在的計算資源不足、戰位多、人機交互等問題，開發了基于HLA的艦船輸轉作業仿真系統，根據資源占有率和功能模塊劃分聯邦成員，設計分布式仿真系統的網絡結構，選定協同網時間管理策略，研究節點間通訊性能測試方法，解決節點間控制機制問題，建立協同網對象類和交互類。使用MAKRTI作為HLA的輔助開發工具，基于Vega Prime進行視景驅動。經過仿真試驗，結果表明：本系統能夠在功能和性能上滿足輸轉作業設計仿真需求。與傳統設計方式相比，本系統提高設計效率，均衡計算負載，降低節點通訊延遲時間。

輸轉作業；分布式仿真；高層體系結構；節點控制

為輸轉作業仿真研究建立分布式的仿真系統，一方面可以將計算負荷分攤到多臺硬件節點上，確保各種試驗計算的實時性，另一方面，由多臺計算機構成的試驗系統也支持開展多人多點同步對輸轉作業仿真的不同方面進行觀察、控制和評估。因此，面向輸轉作業仿真設計合理的分布式系統結構和有效的節點協同機制，進而建立運行高效的分布式仿真系統是確保輸轉作業仿真研究深入開展的重要因素。

HLA 即 High Level Architecture，是一種專用于分布式系統的通用技術框架核心[1]，由美國國防部（DoD）于1995年提出，并于2000年被接納為正式的IEEE標準，在軍事和工業領域得到了廣泛應用[2]。文獻[3]分析了美軍仿真體系結構的發展，介紹了多種仿真體系并存，HLA使用量大的現狀。文獻[4]論述了分布式仿真的優勢，使用用戶服務層、應用服務層和數據服務層設計模式進行基于HLA的仿真系統開發。文獻[5]基于HLA開展艦船操縱仿真研究，開發了有效的聯邦測試工具，但無法對通訊性能進行測試。HLA在船舶輸轉作業系統的應用未見公開報導。本文貼合輸轉作業特點，建立了基于HLA的分布式仿真系統，設計了節點協同機制，并驗證了系統運行的高效性。

1 仿真系統設計

本文基于以下原則分析單機上的復雜仿真系統，將各部分劃分到不同的聯邦成員，分別配置到分布式系統的不同硬件節點上。

1）運算負荷均衡

仿真系統進行輸轉作業推演時干涉檢查模塊、視景仿真模塊運算量大，為了均衡計算資源消耗，將其劃分為聯邦不同成員，即碰撞成員、視景成員。

2）不同功能站位分離

考慮到仿真控制信息不受節點其他計算影響，將仿真控制、子節點狀態監測、通訊性能測試等功能集成在仿真控制成員；作業驅動和轉運路徑規劃功能劃分為數學成員；輸轉作業參與人員多，戰位復雜，仿真視點大致可以分為3類：引導員、指揮員和駕駛員，因此設立若干個視景成員滿足場景和戰位需求。

3）特殊形式硬件獨立

駕控臺節點用于實現人在回路的車輛駕駛仿真。集成顯示器，模擬駕駛員視窗，與視景節點一樣，基于Vega Prime進行視景驅動。具有完整坦克和車輛駕駛操作設備的駕控臺作為半物理仿真成員接入仿真聯邦，模擬坦克或者車輛駕駛，便于駕控臺成員的單獨調試。

綜上所述，艦船仿真聯邦劃分以下成員，即仿真控制成員、數學成員、碰撞成員、駕控臺成員和若干個視景成員，邏輯結構如圖1所示。

圖1 輸轉作業仿真系統邏輯結構圖Fig.1 Logical structure of transport operation simulation system

根據圖1的仿真系統邏輯結構圖，基于HLA規則，組建艦船仿真聯邦，每個成員對應1個節點，為1個單獨運行的應用程序。本文基于MAK-RTI進行開發，但各節點應用程序不直接采用復雜的MAK-RTI API實現，而是采用較為簡單的VR-LINK API接口來實現。

1.1 節點信息交互

HLA對象模型模板用于引導說明聯邦和聯邦成員在聯邦運行中需要交換的數據信息，是實現互操作和重用的重要機制之一[5]。在聯邦運行中，成員之間數據交換是借助RTI提供的服務實現。聲明發布對象類或交互類成員提供更新屬性值，訂購相應對象類或交互類成員接收數據，并將數據本地化加以利用[6]。輸轉作業仿真系統對象類設計如表1所示，交互類設計如表2所示。

1.2 運行框架

系統各節點仿真應用程序框架采用雙線程結構，一個是窗口界面線程，它主要用于處理用戶和窗口的交互；另一個是仿真聯邦線程，主要用于完成仿真模型的執行和成員間信息交互。以駕控臺節點程序為例，說明線程之間關系及結構，如圖2所示。

表1 對象類設計Tab.1 Design of object classes

2 節點控制機制

表2 交互類設計Tab.2 Design of interaction classes

1）系統啟動

仿真啟動過程可分為預加載和運行2個階段。預加載階段，協同網碰撞節點、駕控臺節點和視景節點分別加載輸轉方案中實體碰撞模型、動力學模型和三維可視化模型，由用戶選定作業方案開始直到所有模型加載完畢結束。此時仿真啟動準備工作完成。預加載階段節點間信息交互如圖3所示。

2）節點交互

運行階段從用戶啟動仿真開始直至仿真停止結束。數學節點根據方案流程進行時間推演、作業驅動和路徑規劃，同時向協同網上其他節點發送時間信息。當規劃的作業類型為轉運且駕控臺節點具有駕駛輸入時，基于車輛動力學模型的駕控臺節點根據用戶操控信息向碰撞節點和視景節點發送作業類型和物體位置等信息。碰撞節點根據物體位置信息進行干涉檢查，并將碰撞信息發送到視景節點。視景節點接收到碰撞信息、具備動力學模型的作業類型和物體位置等進行虛擬仿真。隨著仿真時間推進，節點協同工作將重復以上步驟。運行階段節點間信息交互如圖4所示。

3）新節點上線

運行階段仿真聯邦增加視景成員，新視景節點接收到仿真方案信息后，同時開始加載方案對應的三維可視化模型。仿真控制節點根據來自新節點“忙”的心跳信息，將仿真運行狀態改為暫停，因此其他節點均處于暫停狀態直至新視景節點模型加載完畢。此時節點間消息交互如圖5所示。新增視景節點，暫停機制保障仿真成員間時間同步，但增加整個協同網絡暫停時間，故盡量在啟動仿真前打開滿足足夠數量的視景節點。

3 時間控制

圖2 駕控臺節點應用程序線程Fig.2 Application thread of drive control node

3.1 時間管理

圖3 預加載階段節點間信息交互機制Fig.3 Mechanism of information interaction between nodes in pre-loading state

圖4 運行階段節點間信息交互機制Fig.4 Mechanism of information interaction between nodes in runnning state

圖5 新視景節點上線節點間信息交互機制Fig.5 Mechanism of information interaction between nodes when a new visual node is online

時間是分布式仿真的重要因素，決定系統性能的優劣[7]。HLA聯邦成員的時間管理策略有時間控制（Time Regulating）和時間約束（Time Constrained）2種[8]。本分布式仿真系統為硬件在回路網絡，駕駛員操控信息受模擬駕駛視窗的場景影響，實時性要求較高，仿真聯邦各成員均設置為既時間控制又時間約束。經過艦船、裝備、人員交互關系梳理，結合輸轉作業系統特點，選定以下消息交互方式：消息傳遞順序均采用時戳順序TSO，消息傳遞方式采用最佳消息發送方式（Best effort）。

3.2 性能測試

協同網節點間通信延遲主要由節點間交互時間和節點內運算時間組成。仿真控制節點的通信線程不斷發送性能測試信息到目標測試節點，同時目標測試節點通過回調函數接收時間測試信息并返回。時間測試開始后仿真控制節點創建高精度時鐘，發送節點ID和時間開始值到目標測試節點，接收到目標測試節點的返回消息時同時記錄時鐘中止值，依照式（1），計算出仿真控制節點和目標測試節點間的延遲時間。

運行各節點應用程序，在用戶選定作業方案前啟動性能測試，此時節點內運算時間t運算可以忽略不計，統計記錄節點間通信延遲時間即可得節點間交互時間t交互；運行各節點應用程序，用戶選定作業方案且啟動仿真后，再啟動性能測試。記錄節點間通信延遲時間t通訊，根據式（2），剔除節點間交互時間t交互計算得出節點內運算時間t運算。

4 仿真試驗與結論

4.1 仿真試驗

依次運行仿真系統各節點應用程序，導入某艦輸轉作業設計方案，在仿真控制節點選定某方案。

通過某艦輸轉方案仿真演示，發現仿真系統涵蓋了全艦三維環境模型、車輛等虛擬裝備和控制面、作業面等半實物模型，仿真模型總數不少于100個，同時仿真模型對應的約束模型總數不少于1 000。從仿真開始執行到艙室環境搜索、實體約束傳送、仿真流程推演和三維仿真顯示的總響應時間遠不足0.1 s，滿足仿真真實性、流暢性和功能性要求。

運行方案發現仿真控制節點狀態監測正常，數學節點、視景節點數據顯示正常，碰撞節點滿足干涉精細度要求，視景仿真工作站和三通道演示系統畫面流暢。

4.2 試驗數據分析

節點間交互時間的最大值如圖7所示，節點內運算時間比較結果如圖8所示。圖7表明節點間交互時間最大值在3.1 ms左右。圖8表明視景節點內部運算消耗時間最長，為5 ms左右。如單臺計算機運行仿真系統各模塊，系統運算時間總和約為5（視景節點）+3（碰撞節點）+2（數學節點）+1（駕控臺節點）= 10 ＞8.1 ms，可見均衡計算負載之后，仿真系統延遲時間縮短。且實際仿真時，受限于計算機資源，單臺計算機運算時間遠大于10 ms。

圖6 節點間交互時間最大值Fig.6 Maximum value of interaction time between nodes

圖7 節點內運算時間比較Fig.7 Comparison of computation time in nodes

5 結 語

本文針對艦船輸轉作業系統建立了仿真系統聯邦和聯邦成員，制定了協同仿真對象類和交互類，分析節點工作機制，研究時間管理策略，進行節點通信性能測試，最后基于HLA建立了分布式仿真系統框架，完成了整個協同仿真系統搭建。

1）本文基于HLA建立艦船輸轉作業分布式仿真系統，滿足了輸轉方案在仿真功能和性能上的需求，提供了輸轉作業方案仿真驗證平臺。

2）本系統具有較好的可擴展性，既降低仿真系統硬件成本，又利用仿真單元的結構化、分布化，同步開展仿真程序開發，提高開發速度。

3）本系統運行穩定，節點間交互延遲時間在可接受范圍之內。今后將開展分布式仿真數據記錄研究，從各節點采集仿真原始數據，為下一步進行輸轉方案仿真評估及優化做準備。

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Research on transport operation simulation system of warship based on HLA

MENG De-zhuang1,2,YAN Li1,2,LIU Zhen-ming1,2,FANG Xiao-bo1
(1.Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China;2.Shanghai Zhongchuan Ship Design Technology National Engineering Research Center Co.,Ltd,Shanghai 200083,China)

In order to solve the problems of insufficient resources,battle positions and human-computer interaction,transport operation simulation system of warship is developed based on HLA.According to computer resources’ occupation and functions,the federation is distributed into several federates.Then the network Structure for Distributed Simulation system is planned,the time management stragety of Collaboration network is chosen,the control mechanism of several nodes is emphasizly solved,and the publisher and the order of object classes and interaction classes is cleared.MAK-RTI is used as an assist develop tool of HLA,and visual view is driven by Vega Prime.It is showed that the Distributed Simulation system can satisfy designers’ needs in function and performance through simulation tests.Compared with the solution of traditional design,the system can improve design efficiency,balance computing load,and reduce delay time of node communication.

transport operation；distributed simulation；high level architecture；node control

TP391.9

A

1672 – 7649(2017)10 – 0159 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.032

0 引 言

輸轉作業是指艦船作業中與作業實體位置變化相關的所有作業，包括車輛行駛、牽引、貨物調運等作業，以及相關配套的系留解系、掛鉤脫鉤、裝貨卸貨等作業，廣泛用于補給、任務保障、貨物運輸等各種作業系統中。隨著艦船作業的復雜化和任務多樣化，輸轉作業也面臨著環境約束增加，作業方案復雜性增加，作業實體互相擠占空間和作業流程互相沖突更易發生等問題，對輸轉作業方案的設計提出較高要求。

使用仿真方法對輸轉作業的設計方案進行研究，可以充分檢驗作業過程中各種要素中出現的動態變化，從而獲得對設計方案更準確的評估。仿真系統在試驗過程中，需要同步開展車輛等作業實體的動力學運動學仿真計算、作業實體與艙室環境和其他實體的三維干涉檢查、三維場景實時渲染，以及人在回路的駕駛仿真，對計算機的運算能力提出了很高的要求，同時，輸轉作業仿真的規模也在逐步增大，因此單臺計算機逐漸難以滿足仿真試驗計算的需要。

2016 – 11 – 17；

2017 – 01 – 09

國防基礎科研資助項目(A0720132001)

孟德壯(1989 – )，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為船舶虛擬仿真。