开放式航电仿真模型管理技术在训练仿真系统中的应用

丁全心，聂志强，苏文强

（中航洛阳光电设备研究所，河南 洛阳 471009）

0 引言

建模仿真是理论创新的证实方法和手段[1]，训练仿真系统通过建模仿真获得功能升级和性能改善。随着航空电子系统的发展，战斗机训练仿真系统中的航电仿真建模与产品一样由分立式、集中式、联合式走向了综合式，其特点就是独立的软硬件一体的模拟器减少，采用通用软硬件平台，基于构件的软件框架成为主流，系统采用了分布式架构，大的分布式仿真广泛使用了HLA体系。

随着多层软件架构的广泛应用，系统应用层（application layer，AL）的功能如雷达应用、任务管理、飞行器管理系统、通讯导航和识别等[2]与下层软件的关系相对明晰，而且扩展能力极大增强。开放式航电模型正是在此基础上提出的，它是满足一定开发约束规范，支持航电系统功能扩展的模型开发趋势，然而，随着应用仿真及算法软件模型的爆发式增长，对应用层大量的航电建模仿真如何有效管理和使用却需要认真研究。

多层软件架构和模型构件模块化使通用平台下的应用管理（application management，AM）成为可能，通过建立该管理系统，即可以有效管理航电仿真模型，又可以更方便更直观的展开航电功能与性能分析，直至搭建快速原型软件系统。

1 系统基本功能

以三层堆栈式结构参考，实现对航电模型的管理，需要具备以下功能：

1)模拟应用层管理的功能。即处理有关非标准化的系统管理，如模型接口对接处理、模型调度管理、在线运行、在线显示、控制与操作信号转换处理等；

图1 开放式软件结构模式及接口

2）模拟或过滤操作系统层（operating system layer，OSL）与模块支持层（module support layer，MSL）功能。由于模型用户仅关心模型本身的功能和性能正确性，不需要了解OSL与MSL，而对于构建航电系统的用户来说，除需要包含模型本身内容外，还需要了解模型在系统中的运行情况、负载、信号冗余等，因此，管理系统还需要将用户关心的基本内容提供调度接口给用户；

3）在满足管理系统支持构建航电仿真的基础上，还需要提供相应的辅助功能来帮助用户完成更安全、更快捷、方便的使用。这些功能包括：用户登录管理、模型出入库管理、模型的图形化显示、操作的可视化效果、运行数据的实时保存与图表化分析，甚至对模型组合的支持及运行过程的实时改变、与三维视景系统的无缝连接、多航电系统的交互等。

2 总体结构

系统物理架构采用B/S（Browser/Server）模式，客户端（Client）以IE浏览器形式展开，服务器分分布式模型计算服务器和数据库及Web服务器，另考虑模型安全性，备份一台服务器。

为确保该架构下的网络快速通讯，采用完成端口（IOCP）机制设计网络通讯，确保：

1）接收客户端的远程调用请求；

2）调用模型执行层的计算接口完成模型计算；

3）周期性的将计算结果及相关状态信息返回给客户端。网络IO通讯模型主要包含以下几种方式，select （ 选 择 ）、WSAAsyncSelect （ 异 步 选 择 ）、WSAEventSelect（事件选择）、Overlapped I/O（重叠式I/O）以及Completion prot（完成端口）。

图2 系统物理架构

图3 IOCP原理图

应用程序创建一定数量的工作者线程处理不同客户端的I/O任务，任何线程都不应该执行诸如同步读写、等待事件通知等堵塞型操作，以免线程堵塞。每个线程都分到一定数量的CPU时间确保线程的运行。

在总体结构中还需要设计的重要一环就是时间管理，由于模型的调度使用存在于网络环境，时间管理必不可少，管理系统参考使用IEEE1588 PTP（PTP：Precision Time Protocol）使用同步协议，同时参考IMA（IMA：Integrated Modular Avionics，综合模块化航电系统）时间管理技术[3]。

图4 完成端口通讯方式

3 系统硬件设计

本系统立足客户端最低支持，分布式模型在服务器运行调度，对服务器提出相对较高要求，包括多核计算能力、存储能力等，实际运用中采用4到8核高性能处理器，1T以上硬盘存储，基于安全考虑，多存储盘可互备份。

由于航电模型进入管理系统前的认证工作缺失，需要防止不满足基本管理条件的航电仿真模型进入管理系统的高级功能（在线运行、在线显示等），客户端需要配置专门硬件平台测试，测试平台的硬件配置与一般客户端相同。

4 系统软件设计

系统软件包括UI层软件、中间件和底层软件，其中系统最底层软件借助Windows平台提供的功能，管理系统自主开发设计部分主要完成AL层应用管理及部分模块支持层设计工作，主要包括系统界面功能设计、在线运行功能设计和后台数据库设计。

图5 IMA同步时钟（ALT）请求-回答机制

4.1 系统界面功能设计

管理系统的软件界面应包含用户登录、仿真模型目录浏览、模型的上传/下载管理、用户管理、模型在线运行与分析等内容。

图6 系统软件界面功能示意图

目录浏览界面为登录后的主显示界面，采用分栏设计，主要包括主要的功能浏览、模型分类浏览、模型基本信息浏览、基本管理信息浏览等。

图7 界面主要功能浏览效果图

模型的上传/下载等管理是管理系统的一项主要功能，完成包括人员权限管理、模型权限管理、模型分类管理等，其中模型分类包括模型本身的使用开发语言分类和模型在航电系统中的所属类别，具体类别可根据实际使用情况动态调整，不管哪个模型类别，均包含两类模型，一类是属于用户自己用来验证或测试的临时模型，称用户自定义模型，还有一类是满足标准库要求的模型，是经过测试的开放式航电模型，能够被模块化调用的。

图8 模型参数编辑界面

用户管理完成用户的注册、销毁、权限管理、部门等管理，支持用户对模型按权限管理，提供用户的相关审批权限。

模型在线运行与分析支持模型的在线运行，其界面设计为分栏界面，包括模型目录树、模型接口对接表、模型运行显示界面栏、模型参数及参数显示图表栏、模型状态设置栏、模型控制栏等。

4.2 在线运行功能设计

本管理系统在线运行并非提供全互联网环境下的在线运行，只针对实验室内部环境，主要设计以下方面内容：

1）模型可视化。需要将模型在界面上以可视形式表现出来，特别的需要显示模型的接口对接及接口对接过程的正确性，并能够直观区分简易对接错误（如以红色表示接口对接错误）。模型在界面上是可以移动的，可以重新更换接口数据，或者重新完成对接；

2）模型组合。对于航电模型，通常是多个模型组合运行，完成组合后的模型体将以新的模型方式被管理系统记录，并可以直接以可视化方式拖入在线运行区域运行；为确保模型组合，系统设计自动布线技术，根据模型位置自动完成接口布线组合。

图9 模型运行设置界面

图10 模型自动布线

图11 模型接口对接可视化

3）模型在线调度管理。模型需要动态周期性调度，需要满足一定约束条件，该约束条件通常包括：

（1）模型采用动态库封装模式；

（2）模型内部不包含影响模型多次调用结果的全局、静态变量，如果出现，必须确保该变量不影响模型重复运行与调度结果；

（3）模型必须提供以下独立调度方法，分别为初始化方法 （Init）、启动方法 (Start)、输入信息方法(Input)、周期调度方法(Step)、输出信息方法(Output)、停止方法(Stop)，因为模型在外部组合与调度都必须通过以上方法实现；

（4）模型单帧运行周期是可调的，由于外部调度周期一般控制在50 ms左右，模型单帧周期一般控制在5ms以内，并是可设置的，便于当总周期过长时采用多线程处理；

(5)原则上杜绝模型运行过程中的读写文件，因为读写文件带来的时间影响过大，不适合在线运行模型使用，对确实需要读写的文件模型应提供数据接口，由管理系统辅助完成；

(6)为方便模型接口的自动化对接，模型加载生成前需要满足对接口数据的参数定义，管理系统专门为其定义一套规则，本文不做细述。满足参数规则的模型能够被系统自动识别输入输出接口参数信息，并完成可视化显示。

图12 算法模型在线运行配置

图13 算法模型与视景模型连接

4.3 数据库设计

由于大量的模型和模型数据需要管理，后台数据库采用专用数据库SQL Server或Orcale，需要设计表单的子系统主要包括用户管理子系统、模型运行管理子系统、文件管理子系统、权限管理子系统、模型入库管理子系统、模型出库管理子系统等。

图14 模型管理子系统E-R关系图

5 系统运行使用

系统的运行使用效果如图15。

图15 模型运行效果示意图

管理系统的运行使用突出显示了其以下优点：

1）对各种独立分散的航电模型及数据、图像资料起到了很好的管理作用，由于航电模型分布在不同模拟器和实验室环境中，导致其重复利用非常困难，往往需要大量辅助环境支持，并花费大量人力、物力才能得到再利用，通过该系统一次性入库后，可以有效完成模型管理和分布式使用；

2）模型的使用更直观、更快捷，当前国内专门用于模型管理与验证分析的成熟系统还没有，通过该系统，可以有效解决实验室环境下的模型可视化编辑、运行，开发人员如果需要验证模型功能、性能，不再需要完全通过代码分析或自己开发测试代码分析，可以直接借助分析图表和视景效果来进行分析；

3）系统与航电模型进行了很好的深度结合，由于本身针对性开发，其能够从使用需求、调度规则、接口规范、分析方法等多层次支持航电模型的开发与运用；

4）使得模型存储更安全、代码继承性更强、功能扩展更便捷。显然通过集中管理，模型流失的可能性远低于分散在各模拟器中的模型，并且模型因为得到汇集，其继承与再利用的效率得到提高。

6 结语

本系统的开发是一次有益的探索，它对解决与特殊硬件无关的开放式航电模型在线运行及对所有航电模型的管理都起到很好的支持作用，而如何有效模拟硬件相关甚至连接专用硬件，构建航电系统的快速原型系统将是下一个探索方向。

[1]陈雷鸣.作战训练转型对建模仿真的新挑战[J].军事运筹与系统工程，2010.24(1)：5-8.

[2]王和平，王宁，张联梅.综合航电开放式软件设计技术 [J].计算机工程与设计,2009.30(1)：4-8，196.

[3]程春姬.综合模块化航电系统时间管理技术[J].航空电子技术，2010，41（1）：17-21.

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[6]张红,丁全心.开放式系统与COTS技术在航空电子火控系统中的应用 [J].电光与控制,2002，9(2)：14-18.

[7]Roscoe C.Ferguson,Benjamin L.Peterson,SYSTEM SOFTWARE FRAMEWORK FOR SYSTEM OF SYSTEMS AVIONICS[J].24th Digital Avionics Systems Conference.2005,8(1)：1-10.