基于网格的军事数据链建模与仿真框架研究

徐 盛 王文政 周经伦 罗鹏程

摘 要:通过对数据链建模与仿真复杂性的分析,提出了包含应用体系、系统体系和技术体系的三维柔性数据链建模与仿真机制,确立了数据链建模与仿真的总体思路。在此基础上提出了基于网格的数据链建模与仿真框架,该框架的主要思想是把HLA功能在网格系统中实现,较好地满足数据链建模与仿真的需求。最后给出了建模与仿真操作流程。

关键词:数据链;建模与仿真;网格;框架

中图分类号:N945.13 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-009-04

Research of Military Data Link Modeling and Simulated Framework Based on Grid

XU Sheng,WANG Wenzheng,ZHOU Jinglun,LUO Pengcheng

(College of Information Systems and Management,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract:By analyzing the complexity of data link modeling and simulation,a three-dimension flexible data link modeling and simulation mechanism is provided which includes application,system and technology,at the same time,the thought of data link modeling and simulation is established.The framework of data link modeling and simulation based on grid is provided,which implements the HLA functions with grid technologies and meets the need of data link modeling and simulation preferably.The operation flow of modeling and simulation in the framework are proposed.

Keywords:data link;modeling and simulation;grid;framework

0 引 言

军事数据链(以下简称数据链)作为一种特殊的战场通信系统,可以将战场上的各种作战单元链接在一起,构成陆、海、空、天一体化的数字信息网络,实现信息资源共享,最大限度地提高武器平台的作战效能。战争实践表明[1],数据链已经成为现代战争中实现联合作战的有力保障、提高体系对抗作战能力的重要因素。

从检索的文献来看,国内现有的对数据链系统的仿真研究[2-6]大都是利用成熟的商品化软件,如SystemView,Matlab,OPNET等,针对国外先进数据链开展的波形级仿真,其目的是基于一定的数学方程或统计计算得到所需的部分性能参数。但是,作为一种复杂的武器装备,数据链系统的整体性能不仅仅取决于部分性能参数,更多的是要从系统的角度来研究其综合性能。例如,在一定的战场环境(不同的地形条件、不同的组网方式)下,仿真评估数据链系统的作战效能;对于不同数据链系统之间的协同互联及其作战效能开展研究,诸如此类问题,现有的仿真是无法解决的,需要开展数据链系统级、网络级的建模与仿真。为此,首要的是在分析数据链建模与仿真需求的基础上,开展数据链建模与仿真框架研究,对数据链建模与仿真进行统一规划和整体设计,这正是本文的目的所在。

1 数据链建模与仿真总体设想

1.1 复杂性分析

为满足战场需求,数据链系统一般都采用了各种先进的通信技术以保证通信的实时性、安全性、可靠性和有效性。同时,为合理搭配使用资源,提高整体作战效能,现代战争越来越要求各种数据链系统的互联互通,实现一体化、网络化。因此,数据链系统建模与仿真中必然包含各种异构多样的诸多底层模型以及由这些底层模型经过复杂的耦合关系组成的不同分辨率的高层模型。

数据链系统建模与仿真的目的不但要检验数据链系统的通信质量(如传输时延、误码率、数据业务的成功发送率等)是否能满足各军兵种的通信需求,研究各数据链系统内部以及系统之间的互连、互通、互操作性能,为数据链系统的设计开发提供技术支持。而且,还涉及到在一定作战背景下,对战场数据链网络的作战效能评估以及开展相关模拟训练等问题。

因此,数据链系统建模与仿真是一个多学科多目标的问题求解任务,其整体建模及仿真环境的设计也必然是一项艰巨的任务。一方面,系统整体建模以及各种底层模型的建立,必然需要诸多部门的多学科人员的协作;另一方面,一次性建立包容所有模型类型、具有完备功能的仿真系统并不现实,系统的研发必然是从简单到复杂的不断扩展和完善的过程。因此,理想的建模与仿真方法应该采用先进的建模与仿真技术,使仿真系统能够最大限度地适应今后技术发展变化的需要,同时具有体系结构的开放性,系统的可靠性、可扩展性、互操作性,仿真组件的重用性、集成性以及可维护性等,也就是要寻求能够支持多技术综合、多系统集成、多层次应用的柔性建模与仿真机制。

1.2 总体设想

所谓柔性建模与仿真机制[7],就是采用统一的体系结构和一致的描述规范,通过数据链系统全寿命周期的数据、工具和技术共享,增强建模与仿真面向多领域应用的可扩展性、可重用性和互操作性。一个数据链系统柔性建模与仿真机制可以定义为一个三维结构,如图1所示。它包含应用体系、系统体系和技术体系。在这三者之中,从实际需求出发,通过分析与综合,可以得出应用体系;根据应用体系的要求和准则,通过分析与综合,得到系统体系;根据系统体系的要求和准则,通过分析与综合,得到技术体系。实际需求是对应用、系统和技术体系进行分析和评价的基础;技术体系为应用和系统体系提供技术支持;系统体系直接服务于应用体系。因此,最终目的是在技术体系的支持下,建立一个能满足应用体系需求的系统体系。

1.2.1 技术体系

从技术的角度,数据链系统建模与仿真的柔性可以概括为三个方面的问题:

建模方法 即如何采用多种建模方法、综合利用各种建模工具建立包括从底层模型到系统模型的不同分辨率模型,以适应多种仿真用途的需要。

模型框架 即明确诸多模型之间的逻辑关系,使所建立的模型可以分层组合使用,实现其重用性。针对不同的应用,重点解决不同分辨率模型之间的聚合和解聚等问题,并且新建模型可以作为一种构件插入到已有的模型框架中去。

仿真框架 即建立仿真环境的体系结构以及规范化描述,如何支持多种类型仿真系统的分布互连及其互操作和重用。

1.2.2 系统体系

系统体系主要是实现数据链系统仿真环境的柔性,使之具有可扩展性、集成性与互操作性等。系统体系包括数据流的分析、仿真接口的设计以及仿真平台的实现。仿真平台要求采用统一的数据表示、接口规范,具有并行开发、动态执行、分布操作、无缝集成等特点。

1.2.3 应用体系

数据链系统建模与仿真是一个全寿命周期支持、多层次、多领域需求的应用体系。从层次上讲,可以大致分为链路层、网络层和应用层。

链路层仿真主要对不同信道条件下的链路以及链路中的各种终端设备进行仿真。例如数据链报文仿真、协议仿真、以及各种服务质量(端对端时延、误码率、吞吐量等)的仿真等。

网络层仿真主要根据实际的网络应用或网络应用想定,建立网络拓扑结构,实现网络路由选择、流量控制及动态组网的功能,分析并输出网络的外在表现性能。

应用层仿真主要是实现任务为中心的通信作业仿真,包括多数据链系统互联互通测试,作战效能评估以及仿真支持的模拟训练等。针对网间互连互通协议、网络组网方案优化、网络的安全性、可靠性、电磁兼容性以及数据链网络对具体作战行动的影响等开展研究。

2 数据链建模与仿真框架

开展数据链系统的建模与仿真工作,不但涉及到高精度的协议仿真、数据链系统底层仿真以及战术移动性,而且还包括各种以任务为中心的通信作业仿真等。因此,当处理的节点非常多时,实体移动性、任务分配以及实时场景计算等需要的计算量非常大,单个计算机系统不能满足需求,需要采用并行分布处理系统。

由美国国防部国防建模仿真办公室(DMSO)提出的仿真“高层体系结构”(High Level Architecture,HLA)是目前应用比较广泛的多系统分布仿真体系规范,现已被接纳为IEEE 和OMG的分布仿真标准。HLA具有将仿真功能与通用的支撑系统相分离的体系结构,具有开放性、灵活性和适应性,为解决数据链仿真的互操作性和可重用性提供了通用仿真技术框架,支持用户分布、协同地开发复杂仿真应用系统,并最终降低新应用系统的开发成本和时间。

但是,HLA也存在一些局限[8],不能很好地满足数据链系统仿真的需要,主要体现在:

(1) 没有统一的仿真数据表示。定义联邦成员共同理解的仿真数据类型是仿真系统正确运行的前提条件,但HLA 规范并没有给出数据类型的规定。

(2) 仿真资源是静态分配。设计仿真应用时就确定了联邦成员和仿真计算、存储等资源的对应关系。两者被静态地绑定在一起。在仿真执行过程中,无论仿真资源的负载轻重,这种绑定关系都不会发生改变。静态绑定方式容易造成某些仿真资源成为整个仿真系统运行的瓶颈。

(3) 缺乏对仿真全生命周期的支持。仿真系统的设计、开发、分析和结果评估等部分都是离线完成的。离线方式对于协作性很强的仿真设计等操作非常不利,往往造成成本的提高。

(4) 缺乏对大型并行仿真应用的支持。现有仿真系统中的仿真应用通常采用串行仿真程序,但数据链仿真中某些仿真应用的计算量非常巨大,采用串行程序处理方式不能满足计算要求。使用高性能计算机做并行计算,是解决大型仿真应用计算需求的有效手段。

(5) 仿真系统的安全性不强。现有仿真系统对安全性考虑较少。分布式仿真系统往往被限制在独立的局域网内运行,以防在广域网上造成泄密。分布式仿真系统的规模受到了严重的限制。

(6) 仿真系统的容错性较差。由于传统仿真系统的资源是被静态分配的,当系统出现严重问题时,往往造成整个仿真系统的失效。

近年来,网格技术[9,10]成为关注焦点。网格是一种分布的高性能计算与数据处理的底层支持框架,能够管理众多地理上、组织上分布的异构资源,包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、知识资源、各种设备资源,甚至合作者等。通过提供访问远程资源的可扩展的,安全的,高性能的机制以及相应的协议、服务和软件开发工具,网格技术能使地理上分散的工作团体充分共享资源,协同工作。使用网格技术来支持仿真系统将大大改善HLA在上述方面的不足,使仿真系统能够动态分配资源,极大地提高系统的运行效率。

为此,本文构建了网格技术与HLA相结合的数据链建模仿真框架,如图2所示。它建立在网格体系结构之上,其核心是基于网格的HLA实现。

网络资源是指各种仿真资源,如模型资源(包括各种分辨率的异构模型)、工具资源(如各种建模工具、可视化工具等)、数据资源(如地形数据链等)、存储资源以及设备资源等。各种资源需要通过网络提供的服务接口才能供网格用户共享。所以,需要为每一种资源量身定做合适的资源管理接口。

网格服务是指具有普适性的网格服务,包括资源索引服务、资源分配管理服务、协同调度服务、信息服务、安全服务等。网格通用中间件负责分布式交互仿真中各节点的资源发现和动态分配,以解决传统HLA中资源静态分配的局限。网格通用中间件的实现可以借鉴现有的成熟技术。

仿真网格中间件主要是仿真运行环境RTI,它将继续提供传统HLA中的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理以及数据分发管理等服务。在仿真网格中实现协同建模与协同仿真一体化设计,建模资源与仿真资源的一体化管理与共享;实现仿真网格组件的组装与运行;实现不同粒度模型、不同实时性仿真的需求。

仿真应用主要是各种联邦成员的实现。战场态势联邦主要负责态势生成与控制;测试评估联邦成员负责与网络测试相关的仿真执行;模拟训练联邦成员实现系统与受训人员的动态交互仿真等。其中,仿真客户端包括用户使用界面,仿真对象状态维护,以及与RTI支撑环境的接口等。仿真客户端的作用是作为HLA的仿真应用,与RTI支撑环境打交道,并与其他仿真应用共同完成整个仿真任务。

3 建模与仿真操作流程

从建模的过程来看,主要包括协议模型、设备模型以及系统模型三个层次。数据链协议模型的建立是构建系统设备模型和进行网络仿真的基础;数据链设备模型基于各个层次上的协议仿真模型构造,也即由各个层次上的协议模型叠加产生,所以数据链设备模型的实质是多层次协议模型的集成建模(可以利用多分辨率建模,聚合模型等相关理论);数据链系统模型的基础是协议模型和设备模型,关键是网络拓扑结构和网络业务流量模型的建模。

从仿真的过程来看,仿真操作过程分为启动、执行和结束三个阶段,如图3所示。在启动阶段主要完成网格支撑平台启动、联盟的创建、盟员加入联盟、初始化数据、盟员能够公布的信息以及盟员需要定购的信息等工作。在这个过程中,战场态势联邦成员通过调用所需的各种模型以及组网方案等形成初始战场态势。启动阶段完成之后,进入仿真执行阶段,在这一阶段,首先联邦成员向RTI服务器请求时间推进,获得许可后,推进到相应的时间,然后通过相应的网格服务代理,申请使用网格服务,完成所需要的本地计算后释放实例。然后根据计算结果更新对象的属性值。当执行阶段完成后,进入结束阶段,联邦成员退出联邦,当所有联邦都退出后,RTI服务器删除联邦执行。结束阶段输出相应的分析评估结果。

4 结 语

数据链建模与仿真是一项复杂的系统工程,基于网格的数据链建模与仿真,在HLA的基础上,采用统一的数据表示,具有良好的容错性和安全性,能够很好地支持数据链系统全寿命周期的仿真研究,可以较好地满足数据链建模与仿真柔性机制的需求。

参考文献

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[10]Foster L,Kesselman C,Nick J M,Tuecke S.The Physiology of the Grid[EB/OL].http://www.globus.org/research/papers/ogsa.pdf,2002.

作者简介 徐 盛 男,1979年出生,湖北人,硕士研究生。研究方向为风险管理与决策支持技术。

王文政 男,1980年出生,河南人,博士研究生。研究方向为军事无线网络建模与仿真。

周经伦 男,1955年出生,湖南人,博士,教授,博士生导师。研究方向为算法研究、系统工程理论与方法。

罗鹏程 男,1975年出生,江西人,博士,副教授,硕士生导师。研究方向为无线网络建模和仿真、武器装备作战效能评估。