試驗訓練一體化仿真支撐技術研究

董志明，郭齊勝

(陸軍裝甲兵學院演訓中心，北京 100072)

1 引言

武器裝備信息化、體系化特征日益突出，多軍兵種聯合作戰已成為主要作戰形態。針對當前實裝對抗難以達到“體系對抗”要求，將信息化訓練場、實際武器裝備體系、半實物模擬訓練器、虛擬戰場空間融為一體是實現“實裝體系對抗”的有效手段[1-2]。

2 關鍵技術

針對以上問題，本文詳細闡述了試驗訓練一體化支撐平臺5項關鍵仿真支撐技術。

2.1 仿真環境柔性集成技術

人在環是試驗訓練仿真系統的特征之一，每個人的作業環境構成一個席位。由于仿真規模和投入有限，要進行全席位仿真不現實。因此，提出了“成系統、全要素”的解決方法，成系統指的是指揮結構完整，全要素指的是作戰要素齊全。傳統的仿真環境集成架構有兩種：一種是固定功能方案，每個席位都做一套；另一種是組合功能方案，“終端個人電腦+服務器+功能固定的通信裝備+半實物模擬器或裝備”。針對以上兩種方案難以適應快速多變的應用需求，分別從構件集成、席位集成、作業環境集成三個層次展開，提出柔性作業環境構建方案。構建集成層要完成虛擬設備(如虛擬電臺)和作業界面生成，并將它們集成為席位；席位集成層將不同席位集成為方艙；作業環境集成層負責將不同方艙集成為作業環境。

在構件集成層，有兩個問題。一是指揮信息系統快速開設與配置，比如有師規模仿真變成團規模仿真；采用虛擬桌面技術，通過本地虛擬桌面、虛擬托管桌面和三種模式的虛擬磁盤流式桌面來解決。二是信息終端快速替換，比如不同型號雷達替換，采用虛擬儀器與構件化軟件技術，構建信息設備的通用虛擬作業終端集成平臺，統一的技術體制，集成定制的相關設備的物理外觀模型、數據接口模型、操作響應模型，形成相應設備的虛擬操作環境。在席位集成層，要解決的問題是半實物仿真通信設備通用化、可替換，如：超短波電臺。采用硬件與軟件分離技術，按照模件化、模塊化思想，對硬件環境進行統一建設或改造，通過少量模件替換及軟件更新，實現設備類型的更替。在作業環境集成層，要解決綜合集成問題，研究了電磁環境仿真、鏈路通信層仿真等技術。

2.2 裝備體系虛實交互技術

在試驗訓練仿真系統中有三種仿真實體，即半實物模擬器、實裝指揮軟件(實裝)和數學仿真軟件。實兵操作的是半實物模擬器和指揮信息系統實裝軟件，而數學仿真軟件采用的是數字仿真模型。二者數據定義的類型、表現形式、傳遞形式、存儲形式等有較大差異，需要通過橋接轉換來實現異構系統的操作和數據的交互理解。采用基于服務架構的虛實交互技術。仿真中心服務器通過高速網絡與半實物系統、實裝系統、綜合顯示系統、管理控制系統和考核評估系統等實現互聯互通，提供仿真數據服務；半實物系統、實裝系統通過數據橋接器與數學仿真軟件進行信息交互。

要實現上述虛實交互，需要兩個問題。第一個問題是指揮控制信息系統數據采集問題，主要采集各作業人員在應用過程中收發的戰術報文、文書和信息系統的操作記錄。其難點是指揮控制信息系統數據采集節點多，包括多種操作系統，現有指揮控制信息系統軟件采用非標準控件，且各軍兵種和各專業具有不同的報文格式和傳輸協議，導致采集對象數量大、情況復雜，難以采用常規方法進行采集。采用API截獲、動態庫劫持和數據庫觸發器等技術，截獲指揮信息系統交互的戰術數據短報文、實時報文、文電信息，具有效率高和無丟包率等特點，且能較好地解析報文內容。同時，采用虛擬對象標注技術，較好地獲取了非Windows標準控件上的操作信息。第二個問題是異構數據的實時轉換問題，其難點是指揮信息格式復雜。運用虛擬超級用戶代理技術、交互信息格式自動轉換技術，實現了實裝與虛擬兵力之間的信息交換。采用交互信息格式轉換技術，通過命令模板匹配、自然語言理解、解析轉化等方法分別對(可變長度)VMF報文、文電和實時報文等信息，在數據支持分系統與指揮信息分系統間進行轉換，實現兩個分系統的互連互通。

應用上述虛實交互技術建立了虛實交互轉換橋接器，實兵可以通過實裝指控軟件產生的指揮信息，與虛擬兵力進行實時交互，控制作戰仿真過程中的各種作戰行動。對指揮員來講，可以將指揮員決策過程與實裝軟件系統、作戰仿真系統有機結合起來，實現了指揮員在逼真的戰場環境中，依托實裝指揮控制系統，進行實時指揮，取得接近實戰的訓練或試驗效果。

2.3 聯合試驗訓練支撐環境體系架構技術

LVC試驗訓練的核心技術問題是解決異構資源的互操作問題，需要基于一個統一的體系架構，將實裝、模擬器、數學模型等試驗訓練資源進行標準化封裝，在這些資源之間建立統一的語言和通信機制，從而構建一個具有統一時間、空間和戰場環境的邏輯靶場。因此，提出基于中間件的互聯互通互操作、基于對象模型的LVC資源互操作以及基于“網管+適配器”的異構系統集成技術。

TISA中間件用于實現互聯互通互操作，并在邏輯靶場中維護統一的時間概念。TISA中間件以對象模型的元模型為通訊語義基礎，將分布式共享內存的編碼提取、匿名發布訂閱和分布式模型驅動面向對象的編程整合到一個中間件系統中。它是一組支撐LVC試驗運行的中間件軟件集合，基于一系列標準化的API，為LVC試驗提供集中管理，數據傳輸、調度服務和時間服務，用于在不對現有試驗模型進行改動的條件下，實現各類LVC模型、試驗對象和試驗資源的互聯互通互操作。中間件在特定邏輯靶場中維護統一的邏輯時間，應用資源可以選擇是否受邏輯時間控制，所有中間件處理的信息包都帶有邏輯時間戳。

TISA實現LVC異構互操作的核心技術是對象模型。在試驗訓練活動中，各類異構的LVC資源需要被集成到一個統一的邏輯靶場中，這就要求每一個實體之間可以相互理解對方的屬性，并且可以對這些屬性進行操作。TISA采用對象模型的方式來描述這些屬性，這樣的好處有以下幾個方面：面向對象的方式使對象模型具備了軟件工程意義上的可重用性；在應用程序的編譯過程中可以發現大多數接口匹配問題；通過標準化過程可以使標準對象模型保持長期穩定、正確、有效、易于重用。

TISA通過異構網關和適配器將不同類型的系統與TISA集成在一起。TISA網關/適配器利用代理模型的機制將不符合TISA規范的系統映射為TISA對象模型。TISA網關/適配器包括戰術互聯網網關、實裝無線基站網關、DDS網關和HLA網關等。

2.4 約束條件下LVC仿真實時互操作技術

試驗訓練一體化仿真支撐平臺的核心需求是實裝、模擬器和數學仿真三類資源的實時互操作能力，這是構建LVC邏輯靶場所必須的基本條件。LVC系統中互操作實時性要求的本質是：兩個實體之間發生的互操作，其邏輯時間一致性滿足對該互操作過程進行仿真的精度要求。例如導彈攔截末制導過程，攔截彈與被攔截彈之間的邏輯時間一致性需要達到毫秒級，才能保證空間仿真精度達到所需的米級。因此，提出基于“分類分域+邏輯時間鎖”的實時互操作，以及基于容錯置換的LVC實時仿真。

TISA中間件提供三種基本的互操作實現方式，分別為對象交互、消息傳遞和遠程方法調用，三者具有不同的軟件實現流程，因此在實時性和權限方面有一定差異，如表1所示。

表1 三種基本的互操作實現方式

2.4.1 實現方式

1)對象交互。對象交互主要提供虛擬狀態信息的發布和訂閱功能，負責對象的發布/訂閱、更新和維護。實體可以將自身的物理狀態發布，供其它實體匿名訂閱。發布過程在每一個實體的仿真計算周期(TICK循環)中更新一次，任何實體在讀取相關信息時，只能獲取最后一次更新的虛擬狀態信息。因此該過程的實時性受TICK周期的影響，用于實現邏輯靶場中的觀測過程，主要用于模擬器和數學模型。

2)消息傳遞。消息傳遞模塊提供消息發現與消息傳遞功能。發出消息的實體發布消息，中間件連接事件通道，將對象消息封裝成Structured Event(結構事件)后推送到事件通道中，進而完成整個消息更新的全過程。消息接收實體向事件通道表達訂閱消息興趣，獲取相關消息。消息過程會在TICK周期中觸發消息處理回調過程，主要用于完成邏輯靶場中的合法授權信息交互過程。

3)遠程方法調用。遠程方法調用是TISA中間件提供的最強大的交互方式，區別于對象交互、消息傳遞的處理，提供及時、可控的遠程通信，可以修改實體的各種狀態，以類似中斷的方式實現。其實現方式示例：某客戶端應用程序需要調用某服務應用程序的遠程方法，客戶端應用程序向其代理對象提出遠程方法調用請求，代理對象在接到請求后向服務端的服務者對象提出需求，服務者對象真正實現遠程方法，并將結果傳遞給客戶端的代理對象，客戶端代理對象將結果反饋給客戶端應用程序。遠程方法調用用于實現針對實裝的觀測過程、邏輯靶場中各種物理相互作用過程、非法授權信息交換過程。

2.4.2 實現原則

在技術水平和物理限制的約束之下，LVC系統為了滿足其互操作的實時性要求，必須在構建邏輯靶場時進行相應的設計。為了最大限度的保障邏輯靶場互操作的實時性，需要參照以下三條邏輯靶場設計原則：

1)對互操作的實時性要求差異進行分類處理。LVC系統中互操作的實時性要求是不同的。例如，對于指揮控制信息的下達與傳遞，滿足秒級實時性即可；對于攔截高超聲速飛行器的防空導彈的探測過程，必須保障毫秒級實時性。邏輯靶場的實時性必須滿足所有互操作對實時性的要求，否則邏輯靶場就是不自洽的，是錯誤的。因此，在構建LVC邏輯靶場的實踐過程中，必須重點考慮與試驗訓練目的相關的重要強實時性雙向互操作，盡可能避免建立與試驗訓練目的無關并且實時性要求較高的互操作。

2)對互操作的物理分布進行分域處理，集中部署強耦合實時互操作實體。LVC系統中的互操作發生在邏輯靶場中的兩個實體之間，在很多情況下，一個實體僅與特定少數的實體之間存在同一類型的互操作過程。例如，攔截高超聲速飛行器的防空導彈，其探測過程僅與被攔截的高超聲速飛行器相關，與邏輯靶場中的其它實體并不存在類似的強實時雙向互操作。在這種情況下，盡可能使存在強實時互操作耦合的實體在真實世界中處在一個相對小的空間范圍內，可以有效地保障強實時互操作所需的通信延遲。

3)針對強實時雙向互操作，盡可能采用邏輯時間鎖定的方式對齊TICK周期。TISA提供邏輯時間管理功能，這似的模擬器和數學模型類實體在大多數情況下可以將TICK周期的邏輯時間對齊，這樣其仿真精度就不再受通訊延遲波動的影響。需要注意的是，實裝類實體需要謹慎運用此技術，避免造成實裝邏輯時間鎖死。

2.5 復雜試驗訓練資源管理及服務化技術

LVC試驗訓練活動涉及兩類靶場資源：第一類資源是滿足TISA規范的各類資源應用，這些資源應用參與邏輯靶場的運行，稱為在線資源，提供基于hadoop在線資源管理技術，第二類是基礎軟件、標準規范、操作手冊等基礎性資源，稱為離線資源，提供了基于“門戶+云”的離線資源管理技術。

2.5.1 基于hadoop的在線資源管理

TISA提供在線資源管理系統對邏輯靶場的在線資源進行描述和服務化。主要包括硬件資源管理、應用資源管理。

1)硬件資源管理。硬件資源管理系統可對仿真試驗中可用的計算資源進行監控管理，保證計算資源負載均衡，計算能力最優化。硬件資源管理采用hadoop組件統一管理應用計算機，在各應用計算機安裝守護進程實現對各應用計算機節點的管理和控制，并為用戶提供多種接口方便用戶提交計算任務。硬件資源管理使用yarn框架獲得計算資源狀態，結合仿真任務對硬件資源進行資源控制和調度管理；使用hdfs管理與硬件資源有關的文本信息。硬件資源管理模塊充分利用現有的計算資源，對異構高性能集群計算環境中的計算資源狀態進行狀態收集和負載平衡，以充分利用其高速計算能力。

2)應用資源管理。應用資源管理可對試驗中應用模型進行分發部署，控制啟停。試驗訓練應用資源以“.rar”或“.zip”壓縮文件的形式存儲于應用倉庫中。這些應用資源通過試驗分發和調度服務器分發到所有的運行節點中，試驗訓練運行節點在完成試驗應用的接受工作后，將試驗應用解壓并部署到指定的目錄下。在所有運行節點完成分發、部署工作后，試驗分發與調度服務器就可以開始對試驗進行運行控制，支持試驗的多次運行。在試驗運行完畢后，用戶可以選擇是否對已分發的試驗應用進行清除操作。

2.5.2 基于“門戶+云”的離線資源管理

TISA資源庫是一個TISA的知識庫、軟件庫和模型庫，用于存儲一切和TISA相關的可重用的資源和知識，包括：標準對象模型、可重用的模型應用、應用工具、通用工具、歷史經驗庫、中間件部署包、標準規范文檔、用戶手冊等。同時TISA資源庫提供不同用戶之間交流技術和交易應用資源的平臺。TISA資源庫系統包括底層平臺公共模塊和系統業務模塊，完成系統管理、流程管理、用戶工作臺面建設、資源上傳、資源管理、資源交易、資源地圖、統計分析等資源全流程管理。資源庫系統提供三員管理、人員管理、個人空間管理等安全體系建設，滿足安全保密管理規定。

3 結束語

本文重點介紹了仿真環境柔性集成、裝備體系虛實交互、聯合試驗訓練支撐環境體系架構、約束條件下LVC仿真實時互操作、復雜試驗訓練資源管理及服務化5項試驗訓練一體化仿真支撐平臺相關關鍵技術，為裝備體系試驗與訓練提供了有效的技術支撐。