一种仿真系统与实装系统数据交换网关设计的方法研究

【信息科学与控制工程】

一种仿真系统与实装系统数据交换网关设计的方法研究

毕学军，高飞，王小振,刘娟

(装甲兵工程学院 信息工程系，北京100072)

摘要：在仿真训练愈来愈受到各国重视的今天，如何贴近实战，结合实际装备，打赢信息化条件下的局部战争，成为部队仿真训练的新的课题；提出了一种新的网关连接方法，即以高层体系结构(HLA)构建仿真系统，以可变消息格式(VMF)作为实装软件报文标准，设计数据网关，从而改善目前仿真系统和实装系统互连、互通、互操作性较差的问题。

关键词：VMF-HLA；交换网关；虚实系统

收稿日期：2015-01-21

作者简介：毕学军(1975—)，男，硕士，副教授，主要从事军事信息系统、软件测试研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.026

中图分类号：TP391

文章编号：1006-0707(2015)06-0105-04

本文引用格式：毕学军，高飞，王小振,等.一种仿真系统与实装系统数据交换网关设计的方法研究[J].四川兵工学报，2015(6):105-108.

Citation format:BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, et al.Research on Design Methods of Data Exchange Gateway Between Simulation System and Mounting System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):105-108.

Research on Design Methods of Data Exchange Gateway

Between Simulation System and Mounting System

BI Xue-jun, GAO Fei, WANG Xiao-zhen, LIU Juan

(Department of Information Engineering, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Abstract:Nowadays, there is increasing number of countries concerning the simulation training. It has already drawn army’s attention to the closing combat, combining practical equipment and winning local information wars for a new training subject. The paper presented a new gateway connection method designed by High Level Architecture (HLA) as building simulation systems and Variable Message Format (VMF) as real installing software message standards. According to that method, the poor situation of interconnection, intercommunication and interoperation could be improved.

Key words: VMF-HLA; complex network; false and true system

随着部队信息化改造的不断深入，尤其是陆军机械化部队信息化建设取得了突出的成果，信息化装备已广泛的成建制列装部队，形成了较为完备的装备体系；指挥信息系统的战斗力的生产，需要以培训及训练作为保证。模拟化训练作为指挥信息系统训练中的重要形式，以仿真系统作为支撑，依托实装系统使受训人员在与实装相同或相似的环境下完成训练，是模拟化训练建设的一种重要途径，也是发挥模拟化训练天然优势的一种重要方法。但是这种构建方式，需要支撑模拟训练系统的仿真系统能够与实际的指挥信息化系统能够紧密衔接，这样二者才可以实现良好的互连、互通、互操作，完成模拟化训练的目的。

在虚实系统结合上，大量仿真系统无法与实际装备互连互通互操作，究其原因主要有：大量仿真系统在设计理念上存在缺陷，未构造良好的接口已支撑模拟训练系统，无法良好的与实际装备相连接；通过改造以往的仿真系统，增加与原系统紧密耦合的专用接口模块来实现与实装系统的连接； 上述原因造成了大量的资源浪费，为模拟训练系统的研制开发带来了巨大的工作量，且不利于现有软件资源的重复利用。

为更高效地提高模拟化训练能力，充分融合和利用现有靶场资源，美军在基于2010FI工程(Foundation Initiative 2010)的基础上，定义了试验训练使能体系结构(TENA)。TENA构想的支撑来自于美军C4ISR体系结构框架(ECAF)。通过提供公共体系结构，从而融合地缘分散，功能分离的训练资源(包含仿真系统)，达到高效、便捷、可靠的模拟化训练要求。我军在构建自己的模拟化训练公共体系结构时，应切实结合已有的“一体化指挥信息系统”平台、“一网四系统”等，才能有良好的应用型和可扩充性。

1基于HLA的仿真系统构建

HLA由美国国防建模与仿真办公室(DMSO)提出的一种分布式仿真新标准。由于功能完备，可靠性高，逐渐成为当前军事仿真领域的的研究热点。作为一个通用的技术框架，它规定了整个仿真过程中的一些原则和接口标准。其主要构成：各个独立的仿真应用—邦元，现实世界的基本元素在邦元内部的映射—对象，在特定的任务指导下，可以交互的邦员，支撑软件和相关部件组织到一起—联邦；HLA运行在各个节点机器上，提供邦元间的系统管理的平台软件—RTI，如图1所示。

图1　HLA运行框架

作为HLA系统互操作和可复用的基础，对象模型模板OMT也是HLA规范的一个重要的组成部分，OMT使用七类表格以层次类的方法描述和定义仿真系统中的对象类和交互类，包括对象模型标识表、对象类结构表、交互类结构表、属性表、参数表、属性表和参数表的数据类型辅助表、路由空间表。

2指挥信息系统中的数据传输手段VMF

现有装备的战术级指挥信息系统中，各系统间的信息交互主要是通过应用层无连接可靠传输协议交换战术消息来实现的。这是由数字化条件下复杂的战场实际环境所决定的。在无固定基础设施，主要依靠Ad Hoc网络的情况下，VMF是一种理想的可靠的数据传输手段。

应用层无连接可靠传输协议的数据单元的结构由TDRTP(战术数据报文可靠传输协议)头部、TDTP头部(战术数据报文传输协议头部，又称为应用层头部)和用户数据构成。VMF组成的通用描述如表1所示。

表1　VMF通用描述请加表题

VMF报文标准中每条报文以Kn.m形式进行标识，其中K为报文所属系列，n为报文所属功能域号，m为报文号，每种格式的报文描述中强制性字段与可选字段的不同组合便组成了满足需求的各种报文。可选字段根据指示器字段的值来确定是否需要,VMF包含字段出现指示器(FPI)、字段重复指示器(FRI)、分组出现指示器(GPI)和分组重复指示器(GRI)4个指示器。DFI/DUI( 数据域标识符/ 数据使用标识符)是一组用于标识数据元素的数字，可作为对数据元素字典的参考。

3VMF-HLA数据交换网关的构想

本质上，VMF-HLA网关是一个HLA联邦成员，因此，VMF-HLA网关的建立过程与普通的HLA联邦成员开发过程是非常类似的。在实际应用中，VMF消息结构具有较大的稳定性，其消息结构、处理规则和语义等，一般不会发生较大的变化，但仿真系统却具有较大的随意性，由于这个原因，并不存在一个万能的VMF-HLA网关，可以实现任意的仿真系统与实装系统的互连，从而必须针对特定的仿真系统，建立与之相适应的网关，以处理对应的数据交换任务。因此，仅针对某个特定的仿真系统开发专门的VMF-HLA网关，并不具备多大的意义，必须发展一系列技术及软件工具，用于辅助实现网关的快速建立，并降低其建立过程的难度和复杂度，才更有价值。

实装环境中的指挥信息系统间VMF形式的战术消息交换是借助统一的报文传输服务实现的，为解决与实装环境的互连、互通，VMF-HLA网关需采用与实装环境完全一致的传输接口，同时VMF-HLA网关又作为HLA联邦成员通过RTI总线与仿真系统实现接入，因此，以VMF-HLA网关支持的实装指挥信息系统与仿真系统互连的半实物模拟训练系统具有的基本架构，如图2所示，其中VMF-HLA网关作为加入HLA联邦的联邦成员，负责在实装环境及仿真系统间进行数据交换。VMF-HLA网关内部由各个功能部件构成(图3)。

图2　VMF-HLA网关支持下的训练系统基本框架

图3　VMF-HLA网关支持下的训练系统基本架构

其中，实装接入功能单元通过现行通用支撑层构件与指挥信息系统进行数据通信，RTI接口功能单元通过RTI总线与仿真系统进行交互，VMF报文编解码功能单元由VMF消息标准描述软件工具产生，用于处理战术消息的编解码，数据转换功能单元负责将收到的战术消息在VMF形式与仿真系统联邦对象模型形式间进行转换，时间管理单元通过HLA时间管理机制和一体化时统构件，协调RTI总线和实装环境中的作战时间推进。

VMF-HLA网关在特定的软件工具辅助下，通过下述过程建立，如图4所示。

图4　实装接入模块内部结构及处理过程

4VMF-HLA数据交换网关设计方案

VMF-HLA网关内部结构：VMF-HLA网关内部由实装接入模块、VMF报文编解码模块、数据转换模块、RTI接口模块和时间管理模块构成，如图3所示。实装接入模块借助一体化支撑层构件，与指挥信息系统进行通信，其内部结构及处理过程，如图5所示。VMF报文编解码模块程序代码由辅助软件工具根据战术消息标准自动建立，包括用于描述消息结构的 C++ 数据结构，同时为提高执行效率，采取硬编码方式，针对每一类消息根据其消息结构及处理规则产生其对应的 C++ 编解码程序代码。

图5　实装接入模块内部结构及处理过程

数据转换模块在软件工具的辅助下产生，通过解析联邦对象模型文件，针对每种对象类和交互类及其订购、公布过程产生对应的 C++ 程序代码，并实现对象类、交互类数据与战术消息间的形式转换。RTI接口模块是联邦成员框架的组成部分，RTI接口模块负责处理加入、退出联邦执行过程中的必要工作，并负责订购及公布所需要的对象类、交互类，其处理过程，如图6所示。

图6　RTI接口模块内部结构及处理过程

时间管理模块负责从RTI总线获得当前仿真时间，根据训练任务中作战时间设置参数转换为当前作战时间，并将此时间通过实装环境中的时统服务构件发布到训练系统中，如图7所示。VMF-HLA网关作为联邦成员部署于实装系统与仿真系统之间，可实现战术消息与HLA对象类、交互类间的相互转换，处理过程，如图8所示。

当收到来自RTI总线的数据时，VMF-HLA网关将数据转换为VMF形式战术消息，发送到实装环境中，当收到来自实装环境的战术消息时，VMF-HLA网关将战术消息转换为HLA对象类或交互类，公布到RTI总线上。

图7　实装接入模块内部结构及处理过程

图8　VMF-RTI网关处理过程

5结束语

本文提出针对现行仿真训练的现状，提出了两个创新点：采用网关技术构建模拟训练系统，在不对原有仿真系统进行大规模修改的前提下实现与实装环境的互连、互通、互操作；通过代码生成技术，自动生成网关程序中的大部分程序代码，降低模拟训练系统建设过程中的网关开发的工作量和难度。对于部队模拟训练系统的建设有着较好的推动作用，对未来该领域的建设提供参考。

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(责任编辑杨继森)