坦克通信仿真训练系统体系结构构建研究

2012-10-10张念发滕建民李璐璐

河北软件职业技术学院学报 2012年1期

张念发，滕建民，李璐璐，林炜

（装甲兵学院，安徽蚌埠 233050）

0 引言

从硬件角度考虑，系统体系结构直接决定着系统的许多重要技术指标，如系统是否稳定、运行效率如何、是否支持扩展等。装备仿真的硬件体系结构经历了中央控制体系结构、客户机/服务器体系结构和分布式控制体系结构三个发展阶段，从技术角度来看，前二者均属于集中式控制体系结构。因此，从实质上来讲，本文对坦克通信训练系统的体系结构研究主要是对集中式控制体系结构与分布式控制体系结构应用的对比研究。

1 集中式控制体系结构分析

目前，集中式控制是一种技术非常成熟、应用非常广泛的体系结构，在变电站、锻压机床、油库精确发油自动控制系统，乃至轿车座椅和后视镜等控制系统中均占有非常重要的地位。但是从近年来的整体发展趋势来看，其地位和作用正在逐渐被分布式体系结构所代替[1]。国内早期的虚拟电台系统（现该系统已退出了历史舞台）采用的即是集中式控制结构，该结构的应用主要受限于当时的计算机技术水平，与当时的主流技术手段接轨，只能采用集中式控制系统而不可能开发出功能复杂的分布式虚拟电台系统，早期计算机性能和可靠性较低，兼之其价格昂贵，采用多部计算机作独立终端，增加了研发推广成本和用户经济负担。

1.1 中央控制体系结构

集中式控制体系的发展经历了中央控制体系结构和客户机/服务器（C/S）体系结构两个阶段，继而演化为现在的分布式控制系统，体系结构渐趋合理，资源配置越来越优化，技术水平也越来越高[2]。国内的虚拟电台系统在体系结构选择上也经历了类似的发展过程，其最初的中央控制体系结构见图1。

图1 中央控制体系结构示意图

在中央控制体系结构中，终端用户利用硬件开关、控制器、电缆线等设备模拟电台开关旋钮、控制盒和车内通话器等，通过并行数据线将各个开关触点的闭合状态经系统总线传送至中央通信总控，由通信总控对该传送终端动作和终端状态进行匹配后，运算出各个终端用户当前应有的动作行为，并经系统总线将各模拟电台状态数据传送至各个终端，由终端做出响应。

具有中央控制的系统通常为半实物仿真，其操作方法与实装电台极为相似，触感逼真，训练教学效果好，采用硬件设备仿真，传输延时极其微小，实时性能非常好。如通信总控中负责控制电台开关状态的多为硬件开关阵列，产生的模拟信号多路分配传送，对终端用户的开关操作响应极为迅速，在技术水平受限时，确实不失为一种优秀的体系结构。该体系结构除了具有上述优点外，其缺点也是显而易见的。

（1）使用硬件设备多，容易导致系统瘫痪。该系统主要由计算机、中心控制箱、音箱、耳机、麦克风、系统总线、通信控制器、通信电缆等硬件设备组成，且硬件设备数量随着终端用户数量的增多而增多，庞大数量的用户终端加重了对中央控制计算机的压力，由于中央通信总控故障极易导致系统瘫痪。

（2）使用实体线连接，系统结构颇为复杂。硬件设备之间、硬件设备与中央总控之间多使用并行数据线、串行数据线以及通信电缆等连接，连线数量庞大、可靠性低，长时间操作使用容易形成单点甚至多点故障。非专业人员对该连线下的体系结构难以辨识，系统出现故障后，只能由专业人员来进行修理、维护，并且检测维修工作量大，任务繁重。

（3）信号传输可靠性低，易受作业环境干扰。该通信线路中传输的信号主要为模拟信号，其主要特点是信号稳定性差，容易被作业环境中电器设备（如计算机、手机、发电机、电动机等）的电磁、传输并行线路间的信号及环境中的白噪声干扰，并且在经过放大器多级放大转接后，产生的信号噪声较大。

（4）受技术工艺限制，系统可扩展性差。具有中央控制器设备的集中式控制体系结构决定了其可负载的终端设备数量有限，不可能组织大规模集中通信指挥专业训练，而且系统硬件结构一旦定型，将不可能多次重复增添终端设备，并且生产出来的设备很难进行扩展，系统重复利用或扩大规模利用的可能性很低。

（5）受软硬件体系制约，系统升级较为困难。该结构特点决定了硬件设备多（如开关电路、辅助通信设备、电子元器件等），设备连接线路复杂，通信总控固化软件功能升级较难，系统升级换代难度大。

（6）集中式结构特点，导致应用场所受限。集中式结构的虚拟电台系统，通常需要配备一空间较大、干扰较小（最好无干扰）的中心控制室，其终端可位于该控制室内，也可位于其他场所，但受布线规模限制，其距离不可过远。在当前部队营房建设紧张的状况下，这种布局结构大规模推广应用受到了限制，为基层部队的训练带来了难题。

1.2 客户机/服务器（C/S）体系结构

针对中央控制体系结构存在的问题，结合计算机技术的发展，出现了基于客户机/服务器（C/S）的体系结构。与中央控制体系结构相比，其优势在于：

（1）硬件设备得到优化。其终端用户不再使用模型化（如硬件开关、通信控制器）的硬件设备，取而代之的是计算机系统，即用安装有虚拟电台系统的计算机来模拟实装电台，用麦克风模拟手机或喉头送话器，用耳机模拟工作帽等。该终端硬件系统较好地降低了终端的故障率，装备使用寿命大幅延长。

（2）系统布线相对简单。以计算机作为终端后，类型各异的通信电缆被接口标准化的网线所代替，不仅布线规模、工序得到了简化，而且还可以借助于单位局域网进行布线或应用其原有网络布局，其体系结构也更加简洁明了，系统维护也比较容易，一般经过专业培训的网络管理人员即可胜任。

（3）终端场所按需配置。由于终端用户为计算机，其应用场所不再受场地和距离限制，可以按照训练需求灵活配置，如模拟排车乘员间的训练，一般需要在同一室内，而营连以上组网训练即可根据营房建设实际按需配置，使训练组织与管理更加便捷。

（4）系统可扩展性增强。由于采用了网络布线方式，接口实现了标准化，并且其场所也不再局限于单一的控制室内，因此系统具备了一定的扩展性，但是其可扩展数量仍受限于中央通信总控的性能。

尽管客户机/服务器（C/S）体系结构与集中式控制体系结构相比有了明显改善，但仍然存在着较为明显的不足，主要表现为：

（1）跨交换机组网训练受限。受当时技术水平限制，通信的终端用户必须位于同一个局域网内，跨交换机通信组网还无法实现，也就是说，跨楼宇、跨营区的联网通信训练无法进行，这导致基层部队通信组网训练的规模受到限制。

（2）系统实时性明显变差。C/S体系结构中仍保留有中央通信总控，各个终端产生的信号，特别是产生的大量实时语音信号必须经中央通信总控处理后再分别传送至各个通信终端，网络通信延时较长。系统实时性主要由网络传输速度和系统处理性能等因素决定，因此其与中央控制体系结构相比，实时性明显变差。

（3）系统通信总控负荷过重。由于系统具备了一定的可扩展性，终端用户数量增长明显，需要通信总控处理的数据量越来越大，导致其负荷过重，严重影响了系统通信总控的使用寿命，而且一旦出现故障，将会导致整个系统瘫痪。在实际操作中，通常配有备用机，以避免类似事故的发生，这无形中增加了经济投入。

图2 客户机/服务器控制体系结构示意图

图2即为以客户机/服务器（C/S）体系结构构建的虚拟电台仿真系统示意图。尽管该控制体系解决了中央控制体系结构存在的诸多问题，但是需要改进的技术难点仍有不少，尤其是中央通信总控故障风险问题仍未得到有效解决，同时为了更好地满足部队通信专业训练需要，一种新的更为先进的体系结构——分布式控制体系结构应运而生。

2 分布式控制体系结构分析

客观来讲，集中式控制与分布式控制两种结构各有优势，不能绝对地说哪种技术更好。如在分布式数控系统中，以分布式结构来提高系统实时交互性却没有使其系统可靠性提高，反而增加了一定的风险。因为系统中只要一个子系统失效，将导致整个系统的瘫痪[3]。又如采用全硬件的半实物系统仿真构建的系统实时性，明显优于分布式控制体系结构和客户机/服务器（C/S）体系结构。因此，应结合需求对比分析以进一步做出选择。

以虚拟电台系统仿真为例，如果采用分布式控制体系结构来构建，与集中式控制体系结构最大的不同点在于去掉了中央通信总控，优化了系统的体系结构，增强了系统的稳定性，与C/S体系结构相比也在一定程度上提高了系统的实时性。

因此，采用分布式控制体系结构构建坦克通信训练系统，能够更好地实现其功能，提高其性能，对系统硬件、配置场所、管理人员要求也不高，是一种切实可行的设计方案。

3 分布式控制仿真体系结构构建

近年来，计算机技术水平的迅速提升和计算机等硬件设备价格大幅下降，使得采用分布式控制技术开发虚拟电台仿真系统成为可能。分布式控制技术与C/S控制技术相类似，是指每个用户终端设置一台计算机，并分别安装虚拟电台仿真系统，独立完成相应的任务。在整个体系结构中，任何一台主机均是服务器，也是客户机，各个计算机之间是对等关系。

据此，构建坦克通信训练系统分布式控制体系结构如图3所示。

图3 分布式通信控制体系结构示意图

4 分布式控制仿真体系结构优点分析

分布式控制结构正被越来越多的系统分析、架构人员所青睐和应用，在软件、硬件系统仿真体系构建中发挥着越来越大的作用，这主要得益于其显著的优点。从坦克通信装备仿真体系结构构建角度来看，其优点主要体现在以下几个方面：

（1）优化了系统体系结构。系统实现了以分布式控制方式对系统控制平台负荷处理的分担，对中心控制台的性能需求变为对各用户终端的性能需求，系统不再需要中央总控，任何一台主机均是服务器，也是客户机，相互之间的对等性也无形中降低了对硬件性能的刚性需求。

（2）提高了系统的稳定性。采用分布式控制，各终端自成体系，相互独立运行，消除了由于中心控制台故障而导致系统无法运行的风险，提高了系统的稳定性；由于采用的是独立控制原则，任一台终端出现问题，均不会影响系统正常运行，这与坦克电台实际通信状况相吻合。在分布式控制方式中，由于每台计算机任务独立，使得其功能分散、危险分散，具有较高的可靠性。

（3）简化了运维管理工序。国内已有的虚拟电台系统其显著特征之一是电缆数量多、连接复杂，其布线难度大，系统维护人员需要专门培训。采用分布式控制结构，以训练单位有线以太网通信，替代由通信电缆连通的虚拟电台来模拟实装电台的无线通信，简化了安装工序，减少了对各型电缆的需求，平时只需对网络进行维护，工作量小，简单易行，效果较好。

（4）消除了系统扩展难题。已有虚拟电台系统一旦定型生产，如果因为训练教学等需要进行动态扩展，则需重新设计修改该系统，浪费人力、物力和财力。而分布式结构的仿真系统由于借助以太网，相互间不存在依赖性，使系统具有很好的模块化结构，更易于扩展。并且随着网络技术的发展，网络带宽已经不能成为系统扩展的瓶颈，如当前基层部队网络带宽一般为100M，许多单位甚至已经升级到了千兆乃至万兆，为系统的正常运行和扩展升级提供了有力支持。

（5）降低了系统升级的难度。在传统的集中式控制体系结构下，系统升级一般需要进行更换硬件设备以进行硬件环境升级，改进控制系统软件和终端用户软件以进行软件环境升级，同时还需要进行硬件换件测试和软件编程调试，其流程和工序非常复杂，并且固件升级要求其兼容性和稳定性必须进行周期测试，整个系统的升级换代时间周期较长，效率低下。采用分布式控制体系结构，去除了中央通信总控和终端硬件设备，系统升级只需进行客户端软件环境升级，无论是工作量还是升级内容，都得到了很好的解决。