基于DDS的異構仿真系統(tǒng)互聯(lián)方法

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3819.2025.05.018

Abstract：Basedonthepracticalneedsof interconnectionof multiple heterogeneous simulationsystems，asystem interconnectionstructurebasedonDDSbridgeisadoptedtoachievetheentitystatesynchronizationof multipletypesofsimulators. Thefeasibiltyofthedesignschemeisverified through performancetestingandactualsystem interconnectionoperation；Simultaneouslydesigning amechanismforentitycontrolhandover managementhas solvedtheproblemof switchingcontrolmanagementrightsforthesameentityatdiferentstagesofoperation.Thismethodhasbeenappliedtotheinterconnectionand interoperabilityofmultiplesimulationsimulators，meting thebasicrequirementsforsynchronous training inthesamescenarioofmultiplesimulators.Ihascertainuniversalityandscalability，andhasprovidedusefulpracticeandexplorationforfurtherimproving the interoperabilitybetween simulation systems.

KeyWords：data distribution service（DDS）；simulation systems connection；middleware

隨著仿真技術的飛速發(fā)展，模擬器已經(jīng)成為各類院校及培訓機構廣泛使用的教學實踐器材和設備。在應對單一專業(yè)技能培訓過程中，其具有專業(yè)性、針對性、經(jīng)濟性等諸多優(yōu)點，然而在面臨綜合能力提升這一高階要求時往往略顯不足：一是模擬實踐場景的構造往往較為單一，僅有有限的幾個場景；二是由于針對性和專業(yè)性，模型的抽象上往往僅突出了本專業(yè)的特征模擬；三是流程性實操居多，場景的復雜程度不足，缺乏激烈的交互，與真實場景差距較大。

實踐教學非常強調崗位專業(yè)技能的培養(yǎng)，要求實踐操作環(huán)境依托現(xiàn)實背景、貼近真實場景。然而由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復雜性及不確定性，這是一個費時費力費錢的難題，難以營造多樣的、全面的、復雜的真實場景來支撐大規(guī)模實操人員的交互實踐。因而，將各型模擬系統(tǒng)進行互聯(lián)互操作，相互協(xié)同、相互補充、相互對抗，在一個共同的場景中開展同步練習，則成為提升綜合實踐教學水平的方法之一。

1多系統(tǒng)互聯(lián)面臨的問題及主要解決方案

各系統(tǒng)的建設內容主要依據(jù)的是自身專業(yè)領域面臨的實踐教學問題，以及實驗室的技術積累和技術優(yōu)勢，并沒有統(tǒng)一的設計方案。系統(tǒng)間多采用不同的技術手段和方法，遵從不同的標準和協(xié)議；實操活動流程上取自不同階段，難以協(xié)同一致；模型抽象上各有側重，難以相互匹配；數(shù)據(jù)定義上自成體系，難以相互識別。這些問題都構成了多系統(tǒng)互聯(lián)的障礙，使其天然不具備互聯(lián)的條件。

美軍在不同時期對訓練仿真需求不同，產(chǎn)生了多種系統(tǒng)互聯(lián)的協(xié)議。DIS支持同類功能仿真應用互聯(lián)互操作；HLA適用于所有應用領域中Mamp;S的開發(fā)和集成，主要集中在虛擬領域；TENA和CTIA是面向真實訓練場上，迅速、高效、低成本地實現(xiàn)靶場試驗與訓練領域的互操作。JLVC則是立足于在真實、虛擬、構造的多個層面解決獨立開發(fā)的功能組件、應用程序等系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同工作的問題[1-2]。文獻[3]將網(wǎng)格技術與

HLA/RTI相結合，實現(xiàn)廣域網(wǎng)內多個仿真系統(tǒng)之間的互聯(lián)與互操作，完成聯(lián)邦級或系統(tǒng)級的功能共享和重用。文獻[4-5]采用基于主動感知的數(shù)據(jù)轉換方法、基于模板的信息智能交互方法和異構系統(tǒng)集成方法等構建中間件系統(tǒng)，并從數(shù)據(jù)轉換橋接、時間管理橋接、導調監(jiān)控橋接、指揮命令橋接和互聯(lián)規(guī)范橋接等方面實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)實裝與仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通。文獻[6]使用橋接方式進行DIS、HLA異構系統(tǒng)集成，優(yōu)化時間推進邏輯配合計時硬件卡保證橋接器的近實時性，以HLA時間管理保障仿真邏輯的正確，實現(xiàn)空空導彈制導系統(tǒng)半實物仿真（DIS系統(tǒng)）與空戰(zhàn)戰(zhàn)場仿真（HLA系統(tǒng)）異構系統(tǒng)的有效集成。文獻[7]設計了包括接口服務、通用數(shù)據(jù)交換模型、模型映射模型和狀態(tài)池的通用網(wǎng)關來解決HLA-TENA互聯(lián)問題，通過原型系統(tǒng)的試驗，找到了影響網(wǎng)關性能的主要因素。文獻8通過使用DDS替換HLA中的數(shù)據(jù)分發(fā)功能，利用HLA進行仿真系統(tǒng)中的聯(lián)邦管理，并使DDS負責仿真節(jié)點間的數(shù)據(jù)分發(fā)功能，在半實物仿真中達到了實時仿真的目的。文獻[9]以OPNET網(wǎng)絡仿真平臺為核心，采用DDS構建分布式系統(tǒng)總線，提出一種分布式通信網(wǎng)絡仿真系統(tǒng)（DOP系統(tǒng)），實現(xiàn)與三維顯示聯(lián)邦成員的分布式通訊。

目前多系統(tǒng)互聯(lián)的體系結構主要分為以下幾種類型[10]：

（1）基于DIS或HLA的單聯(lián)邦體系結構。這種體系結構的設計思路是對互聯(lián)的各個模擬系統(tǒng)進行改造，使其符合DIS或HLA標準，統(tǒng)一設計全局唯一的UDP或FOM表，然后通過DIS或HLA提供的管理機制將模擬系統(tǒng)進行互聯(lián)形成一個聯(lián)邦進行運行，以支撐演習活動。

（2）基于DIS或HLA的多聯(lián)邦互聯(lián)體系結構。這種體系結構也是要求所有的聯(lián)邦符合DIS或HLA標準，但與單聯(lián)邦不同的是，其包含多個聯(lián)邦，聯(lián)邦之內的時鐘同步、數(shù)據(jù)交換通過PDU或RTI提供的管理機制就能解決，但聯(lián)邦之間的數(shù)據(jù)交換和時鐘同步需要通過較為復雜的網(wǎng)關或橋來進行解決。

（3）基于TENA的體系結構。這種體系結構盡量保持原有系統(tǒng)的協(xié)議和標準，通過公共數(shù)據(jù)對象和TE-NA中間件實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、時間同步和資源管理，保證數(shù)據(jù)的一致和運行邏輯的合理。

（4）多種技術體系的混合體系結構。這種體系結構也是盡量保持和利用原有系統(tǒng)的技術體系，例如DIS、HLA、TENA或者CTIA，通過公共數(shù)據(jù)對象、網(wǎng)關、橋等實現(xiàn)不同模擬系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和時間同步，保證數(shù)據(jù)的一致和運行邏輯的合理。

本文針對多型異構仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通的實際需求，借鑒基于TENA體系結構開展互聯(lián)的思路，探索和實現(xiàn)基于DDS技術的橋接方法，依據(jù)互聯(lián)互操作要求將仿真系統(tǒng)分為總體態(tài)勢獲取、實體狀態(tài)發(fā)布、實體控制權切換三種類型，以實現(xiàn)不同類型模擬器實體狀態(tài)的同步。

2基于DDS 橋接器的系統(tǒng)結構

2. 1 DDS特點

DDS全稱是數(shù)據(jù)分發(fā)服務（datadistributionserv-ice），旨在為分布式系統(tǒng)提供高效、可靠、實時的數(shù)據(jù)通信。DDS規(guī)范定義了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機制，使用UML來定義服務，提供一個與平臺無關的模型，從而滿足跨平臺和編程語言的需求。DDS通過QoS策略來配置和利用系統(tǒng)資源，協(xié)調可預測性和執(zhí)行效率之間的平衡，應對復雜多變的數(shù)據(jù)交互場景。

DDS規(guī)范分為DCPS（data-centric publish/subscribe以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布訂閱層）和DLRL（datalocalrecon-structionlayer數(shù)據(jù)本地重構層）。DCPS負責在虛擬全局數(shù)據(jù)空間通過UDP或共享內存等方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)。DLRL用于數(shù)據(jù)的本地表示，使得那些分布式數(shù)據(jù)可以為本地對象和遠程對象所共享，讓用戶能直接訪問變更的數(shù)據(jù)，達到與本地語言結構無縫連接的目的。基于DDS的中間件具有實時性、松耦合、動態(tài)性、靈活性的特點，能為復雜數(shù)據(jù)流、高傳輸速率、容錯系統(tǒng)等場景提供合適的解決方案[1]

2.2 橋接器設計

需互聯(lián)的系統(tǒng)大致可描述為一個主仿真系統(tǒng)和若干模擬器的 1+N 結構，其結構如圖1虛線外所示。主仿真系統(tǒng)包含了仿真實體域中所需業(yè)務的所有模型，實體的數(shù)量、類型、規(guī)模較為全面，但是模型精細度較低；模擬器系統(tǒng)主要代表了某些專業(yè)領域的模型仿真，實體的數(shù)量、類型、規(guī)模較少，但是模型精細度較高。

無論主仿真系統(tǒng)還是模擬器系統(tǒng)都自成體系，部署在一個單獨的局域網(wǎng)環(huán)境中，具備單獨的仿真引擎、模型體系、運行規(guī)則、內部通信等，均可獨立運行，在各自構造的場景中支撐本專業(yè)的日常實踐教學。但是在開展聯(lián)合培訓的時候，則需要各系統(tǒng)展現(xiàn)同一個場景，遵循統(tǒng)一的時空管理，各實體屬性狀態(tài)保持一致。

為實現(xiàn)互聯(lián)，各系統(tǒng)構造通用的DDS消息中間件，主要包含數(shù)據(jù)轉換、消息管理、網(wǎng)絡質量管理3個模塊，通過中間件完成各異構系統(tǒng)交互，形成DDS橋接器結構。功能上一是負責各系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構定義的轉換，二是遵循DDS通信協(xié)議完成消息傳輸功能，實現(xiàn)對象消息和事件消息的發(fā)布/訂閱，三是制定消息傳遞策略，確保消息傳遞的質量和效率。具體結構如圖1虛線內所示。

（1）數(shù)據(jù)轉換模塊：包含數(shù)據(jù)的含義轉換、結構轉換、度量轉換等。

（2）消息管理器：完成分布式仿真環(huán)境下對象與事件的管理，包括對象的創(chuàng)建、刪除、對象調用、事件發(fā)送及響應回調、實體屬性更新及響應回調等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訂閱與發(fā)布功能。

① 對象消息管理：是對分布式仿真環(huán)境下周期性數(shù)據(jù)的管理，包含仿真實體及其附屬設備的狀態(tài)屬性等。

② 事件消息管理：是對分布式仿真環(huán)境下突發(fā)性數(shù)據(jù)的管理，包含武器發(fā)射、指揮命令等突發(fā)性事件的抽象。

（3）網(wǎng)絡質量管理：通過QoS的設置，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信質量的實時監(jiān)控和管理，能夠依據(jù)各類網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的重要性，調整網(wǎng)絡服務質量，確保關鍵性信息數(shù)據(jù)的可靠交互。

主仿真系統(tǒng)DDS橋接器 數(shù)據(jù)轉換 網(wǎng)絡質量 -DDS中間件消息管理 管理局域網(wǎng)□ C □ □ J □消息管理 網(wǎng)絡 消息管理 網(wǎng)絡 消息管理 網(wǎng)絡質量 質量 質量數(shù)據(jù)轉換 管理 數(shù)據(jù)轉換 管理 數(shù)據(jù)轉換 管理模擬器A 模擬器B 模擬器C

3基于DDS橋接器的數(shù)據(jù)交互

3.1 數(shù)據(jù)結構設計

主仿真系統(tǒng)與模擬器的交互消息包括想定消息、態(tài)勢消息、控制消息、指令消息、狀態(tài)消息等，這些消息依據(jù)數(shù)據(jù)傳遞頻率分屬于對象消息和事件消息，如表1所示。

（1）想定消息。該消息產(chǎn)生于實操活動的起始階段，由主仿真系統(tǒng)產(chǎn)生實操活動的整體虛體場景，包含地理區(qū)域、所有實體初始位置及狀態(tài)、起始時間等，運行前由主仿真系統(tǒng)一次性下發(fā)給各參與模擬器系統(tǒng)。想定消息數(shù)據(jù)結構定義如表2所示。

（2）態(tài)勢消息。由主仿真系統(tǒng)通過仿真引擎計算，更新所有實體的狀態(tài)，然后根據(jù)角色進行實體篩選后進而周期性發(fā)布。態(tài)勢消息主要由實體狀態(tài)消息和實體機動消息組成，數(shù)據(jù)結構定義如表3、表4所示。

表1主仿真系統(tǒng)與模擬器的交互消息表

Tab.1Interactionmessage table between the mainsimulationsystemandthesimulator

表2想定消息結構體

Tab.2 The structure of the scenario message

表3實體狀態(tài)消息結構體

表4實體機動消息結構體

Tab.4The structure of the entity motion message

（3）事件消息。主仿真系統(tǒng)在仿真計算過程中產(chǎn)生的非周期性事件，如發(fā)現(xiàn)自標、設備投放、實體消亡等。表5示例為探測事件消息結構定義。

表5探測事件消息結構體

Tab.5The structure of the detection message

（4）控制消息。主仿真系統(tǒng)用于通知各模擬器系統(tǒng)當前仿真推演的進度，如1倍速運行、暫停、N倍速運行等。開始/繼續(xù)、暫停/終止消息結構體定義如表6、表7所示。

表6開始/繼續(xù)消息結構體

Tab.6The structure of the start/continue message

表7暫停/終止消息結構體

（5）指令消息。主仿真系統(tǒng)用于特殊指令的發(fā)布，如突然干預實體位置及狀態(tài)等。表8示例為改變實體位置指令的結構定義。

表8改變位置指令結構體定義表

Tab.8The structure of the location changing message

（6）狀態(tài)消息。指模擬器端仿真計算或人為操作觸發(fā)的實體狀態(tài)的變化，發(fā)送給主仿真系統(tǒng)用于狀態(tài)同步。數(shù)據(jù)結構與實體狀態(tài)消息、實體機動消息一致。

3.2 數(shù)據(jù)交互方法

按照標準的DCPS模型，數(shù)據(jù)的交互主要由DataWriter、DataReader、Publisher、Subscriber、Domain、DataObject等實體實現(xiàn)。參與系統(tǒng)互聯(lián)的所有系統(tǒng)單元都需加入相同的Domain，以區(qū)分其他系統(tǒng)群。每種消息形成數(shù)據(jù)結構后，定義為不同的主題（Topic），以區(qū)分為不同的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)發(fā)送端通過數(shù)據(jù)寫入者（DataWriter）和發(fā)布者（Publisher）依據(jù)QoS的要求發(fā)送特定主題的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)接收端通過訂閱者（Sub-scriber）和數(shù)據(jù)讀取者（DataReader）異步接收訂閱主題的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的交互，數(shù)據(jù)交互模型如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)交互模型

Fig.2Data Interaction Model

數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者加入同一個數(shù)據(jù)域Do-main后，可互相進行數(shù)據(jù)收發(fā)。發(fā)布者Publisher集合可表示為 P={P₁，P₂，…，P_n} ，每個發(fā)布者包含若干個數(shù)據(jù)寫入者DataWriter，則 P_i 所包含的寫入者可表示為W_i={W_i1，W_i2，…，W_ip} ，訂閱者Subscriber集合可表示為 S={S₁，S₂，…，S_n} ，每個訂閱者包含若干個數(shù)據(jù)讀取者DataReader，則 S_i 所包含的寫入者可表示為 R_i= {R_i1，R_i2，…，R_is} 。主題的集合可表示為 T= {T₁，T₂，…，T_t} ， W 與 R 之間通過主題相關聯(lián)，相同主題的數(shù)據(jù)讀取者可接收同主題的數(shù)據(jù)寫入者發(fā)布的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布者和數(shù)據(jù)訂閱者的數(shù)據(jù)傳輸[12]

3.3 組網(wǎng)性能測試

（1）測試方法

組網(wǎng)性能測試主要考慮基于DDS橋接器的數(shù)據(jù)交互能力，主要包括網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸量、網(wǎng)絡傳輸延遲、數(shù)據(jù)更新周期、數(shù)據(jù)可靠性等性能指標。其中，設計測試節(jié)點數(shù)量為150個，內部局域網(wǎng)絡帶寬1 000Mbps ，DDS配置文件正常，QoS策略配置一致；網(wǎng)絡傳輸延遲綜合考慮數(shù)據(jù)節(jié)點處理時延、排隊時延、傳輸時延、數(shù)據(jù)加解包4個方面，要求網(wǎng)絡傳輸延遲不大于 100ms ，數(shù)據(jù)更新周期不大于 16ms ，通過QoS的設置，分別按照可靠傳輸和最大速傳輸兩種情況進行測試。

（2）測試結果

① 通過調整QoS策略，設置為可靠傳輸。測得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐量 397Mbps ，數(shù)據(jù)延遲 1ms 。設置數(shù)據(jù)更新周期為 10ms ，仿真實體狀態(tài)顯示正常。

② 通過調整QoS策略，設置為最大速率傳輸。測得網(wǎng)絡數(shù)據(jù)最大速率 525Mbps ，丟包率 1.1% ，數(shù)據(jù)延遲 1ms 。設置數(shù)據(jù)更新周期為 10ms ，仿真實體狀態(tài)顯示正常。

通過網(wǎng)絡性能測試可以看出，基于DDS橋接器的網(wǎng)絡架構，數(shù)據(jù)傳輸量大，網(wǎng)絡時延小，丟包率小，能夠滿足系統(tǒng)互聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕疽蟆?/p>

4實體控制權管理機制

4.1實體狀態(tài)同步需求

主仿真系統(tǒng)產(chǎn)生了虛擬場景中的所有實體，模擬器系統(tǒng)當中需要產(chǎn)生同樣的實體，且實體狀態(tài)屬性需要保持同步。但是在不同的階段，同步方法有所區(qū)分（如圖3所示），主要有以下三種典型場景：

（1）模擬器與主仿真進行實體關聯(lián)。在系統(tǒng)運行初始階段，各系統(tǒng)實體獨立產(chǎn)生，需要人為進行實體關聯(lián)，如圖3階段（a）。

（2）實體的數(shù)據(jù)模擬以模擬器為主產(chǎn)生。如某飛機模擬器系統(tǒng)僅關注在起飛和降落階段仿真，而不關注飛機執(zhí)行任務的能力。該階段場景下，需要主仿真系統(tǒng)跟隨模擬器自身所代表的實體，同步更新該實體的狀態(tài)屬性，如圖3階段（b）（d）。

（3）實體的數(shù)據(jù)模擬以主仿真系統(tǒng)為主產(chǎn)生。如在飛機飛到任務區(qū)域后，重點需要模擬飛機任務執(zhí)行能力。該階段場景下，模擬器跟隨主仿真系統(tǒng)中的對應實體，同步更新模擬器自身的狀態(tài)屬性，如圖3階段（c）。

4.2實體控制權切換

根據(jù)這三種不同的場景，需要設計一種實體控制權管理機制，用來避免多系統(tǒng)仿真產(chǎn)生的實體狀態(tài)多源沖突問題。基本思路就是在不同階段僅由某一系統(tǒng)獲取實體控制權，并負責發(fā)布實體狀態(tài)數(shù)據(jù)，其他系統(tǒng)通過DDS接收后進行數(shù)據(jù)同步，切換流程如圖4所示。

在實際實施過程中，設計臨機切換與自動切換兩種方式。臨機切換主要依托主仿真系統(tǒng)的控制終端人為判斷切換時機和實施切換。自動切換由主仿真系統(tǒng)或模擬器根據(jù)預設規(guī)則自動觸發(fā)，如時間規(guī)則、距離規(guī)則等。

4.3功能實現(xiàn)與測試

本文采用基于DDS橋接器的設計方法完成主仿真系統(tǒng)與飛機實體模擬器、機場航空管制模擬器等異構仿真系統(tǒng)的互操作改造，實際實現(xiàn)8型模擬器的互聯(lián)，各型模擬器主要類型和特點情況如表9所示，實測可滿足同時運行各互聯(lián)系統(tǒng)達40個。

表9模擬器類型及主要特點表

Tab.9The table of simulator'stypesand maincharacteristics

圖5所示為多型模擬器互聯(lián)情況下的主仿真系統(tǒng)態(tài)勢畫面，采用臨機方式完成實體控制權切換。左側實體列表中，黃色加星號*實體表示當前實體控制權在模擬器，當前已完成任務并進入返航著陸階段，由塔臺飛行管理人員進行管控降落；白色無星號實體表示當前實體控制權在主仿真，已經(jīng)完成出航并交由主仿真系統(tǒng)使用實體控制軟件執(zhí)行其他任務。當前機場上空紅色飛行軌跡即為飛機返航降落階段由模擬器產(chǎn)生的實際飛行軌跡，已數(shù)據(jù)同步并態(tài)勢融合到主仿真系統(tǒng)。

5 結束語

本文結合多型異構仿真系統(tǒng)互聯(lián)互通的實際需求，設計了基于DDS橋接器的系統(tǒng)互聯(lián)結構，實現(xiàn)了多種不同類型模擬器實體狀態(tài)的同步，通過性能測試及實際系統(tǒng)互聯(lián)運行，檢驗了設計方案的可行性，初步滿足了多型模擬器同一場景下同步開展互操作培訓活動的基本要求；同時設計實體控制權交接管理機制，解決了同一實體在不同運行階段的控制管理權切換問題，經(jīng)過實際運行，實現(xiàn)了飛機實體從起飛出航、執(zhí)行任務、返航降落過程的分布控制和數(shù)據(jù)同步。該系統(tǒng)實現(xiàn)方法是在已完成了各仿真模擬器建設基礎上開展的互聯(lián)操作，最大程度保留了各仿真系統(tǒng)的內部數(shù)據(jù)標準協(xié)議及運行邏輯，通過中間件設計盡可能地對各仿真系統(tǒng)進行最低程度的改造，方法具有一定的通用性和擴展性，為進一步提升仿真系統(tǒng)之間的互操作能力開展了有益的實踐和探索。

圖4實體控制權切換流程圖

圖5實體控制權切換主仿真態(tài)勢圖 Fig.5Main simulation situation diagram of entity control switching

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（責任編輯：許韋韋）