基于多层中转的飞行训练模拟器远程保障系统设计

刘灿灿，韩彦东，赵保明，2，李志勇，张 曼

（1.空军军训器材研究所，北京 100195；2.北京航空航天大学，北京 100083；3.95380部队，广东湛江 524329）

基于多层中转的飞行训练模拟器远程保障系统设计

刘灿灿1，韩彦东1，赵保明1，2，李志勇3，张 曼1

（1.空军军训器材研究所，北京 100195；2.北京航空航天大学，北京 100083；3.95380部队，广东湛江 524329）

随着飞行模拟训练在我国的常态化、普及化发展，模拟装备的保障压力也日益增长，为了有效缓解保障压力增长与保障力量薄弱之间的突出矛盾，提出一种基于多层中转跨网络的飞行训练模拟器远程保障系统。该系统依托现有的专用网资源建立从技术保障中心到远程模拟器的数据通道，通过在不同网段间架设中转服务器的方法为技术保障人员提供从专用网到模拟器局域网计算机的通信链路，从而辅助技术保障人员对远程模拟器进行远程保障。目前，该系统已在空军多个部队进行了部署和应用，使用结果表明，该系统的应用和推广能大大拉直模拟装备的保障路径，缩短排故时间，节省维护经费。

飞行训练；模拟器；远程控制；保障；中转服务器

随着飞行模拟器的长足发展，模拟训练作为一种常态化、普及化的训练手段也日益发展［1⁃3］。目前，空军模拟训练装备已经覆盖了所有现役机型和大部分部队，在完成正常训练大纲任务的同时，为适应多变的作战轮训任务，以设定地区、假想环境和可配置作战编成为特点的组训需求也日益凸显［4⁃5］。随着日常训练的装备规模、复杂程度和组训量的逐渐增加，模拟训练装备的保障压力也日益增长［6⁃7］。然而，目前技术保障部门对模拟训练装备的保障手段仍停留在项目验收-装备交付-项目终结的传统模式，部队可分配在模拟装备保障的人员数量较少，由此造成的保障力量薄弱与保障压力增长之间的矛盾已经成为制约空军模拟训练普及化、常态化发展的一个重要原因。

1 典型的模拟器局域网组织结构

一种典型的模拟器局域网组织结构如图1。

图1 一种典型的模拟器局域网组织结构

模拟器局域网内的计算机由五个网段（A、B、C、D和E）组成，网段A、B、C之间通过网络计算机进行数据转发。A网段的计算机A2同时与D网段的计算机D1和D2进行通信，计算机D1、D2只能与计算机A2进行通信，与其他计算机不能通信；同时，C网段的计算机C1与E网段的计算机E1和E2进行通信，E1和E2只能与计算机C1进行通信，与其他计算机也不能通信。

为达到位于技术保障中心的技术保障人员对远程模拟器局域网内任意计算机进行连接和控制的需求，依托现有的专用网资源进行远程保障系统的架设。系统为模拟器引入一个专用网端口，通过该端口实现远程模拟器与技术保障中心的数据通信；同时，为满足技术保障中心对局域网内任意计算机进行远程控制的需求，需建立专用网到局域网内各网段计算机的通信链路，如何建立专用网到模拟器局域网内任意计算机之间的通信链路、图像文件的编码及传输是本文需重点解决的问题，也是难点所在。在远程保障系统的架设过程中，为保证模拟器的原有功能和性能不受影响，需遵循以下两条原则：

1）不改变模拟器的原有拓扑结构；

2）尽量保持模拟器的原有软硬件状态。

2 主要技术难点

2.1 基于消息转发的中转服务器

为解决技术保障中心到远程模拟器端的消息通信问题，在模拟器端引入一个专用网端口，依托专用网进行消息通信。然而，由于模拟器局域网内计算机拓扑结构复杂，位于技术保障中心的计算机无法直接与模拟器局域网内的计算机建立连接，为了解决这一难题，在模拟器端搭建一个中转服务器，由中转服务器负责专用网与模拟器局域网之间数据的中转与转发。中转服务器的工作原理如图2。

图2 中转服务器的工作原理

如图所示，在模拟器端搭建一个中转服务器，在中转服务器上配置多块网卡，同时与专用网、A网段、B网段和C网段的计算机进行通信。在中转服务器上运行一个代理进程，由代理进程负责不同网段计算机之间的消息转发，为防止数据丢失或拥塞，在中转服务器中建立数据缓存区，由代理进程将转发的数据进行缓存或部分缓存，代理进程从缓冲区中读取数据并依次将数据发送至目标计算机。代理进程的工作对终端用户是透明的，用户无法感知代理进程的工作与存在。

2.2 基于差异的图像编码技术

技术保障人员对远程模拟器局域网内的计算机进行远程控制时，被控计算机的屏幕将被传输至主控本文计算机进行显示。以目前较为普遍的屏幕分辨率1960∗1680来计算，一次截屏需传输的数据量将在2M左右，这将对网络造成极大的拥堵，因此我们采用基于差异的图像编码技术对屏幕图象进行编码。在被控方将系统屏幕进行4∗4的分区，每次循环遍历各分区的图象数据，如果图象不发生变化，该分区的图像不需进行传输，如果发生变化则将该分区继续进行4∗4的划分，并在该分区内查找发生变化的分区，此过程一直循环直至屏幕显示分辨率达到要求为止。同时采用Zlib算法对传输数据进行压缩，最大程度保证远程操作的流畅性。

2.3 数据包结构

在进行数据传输时为每个数据包建立包头，包头格式为：主控方ID+当前数据包序号+发送数据包序号列表+数据校验位+数据包内容，各部分的功能解释如下：

主控方ID：标识该数据包需发往的目的地；

数据包序号：该数据包在屏幕中的编码位置，主控方和被控方采用一致的编码方式，主控方通过该序号计算该数据块的位置；

发送数据包序号列表：在进行屏幕图像编码时均只对发生改变的区域进行传输，主控方收到数据后，检查该列表，如果某区域块的数据包丢失，则可依据次序号要求重传；

数据检验位：主控方收到数据包后依据校验位对数据包进行正确性和完整性等的校验；

数据包内容：实际传输的数据内容。

3 远程保障系统结构

3.1 远程保障系统总体结构

远程保障系统采用C／S结构进行搭建，为每台入网模拟器搭建一个远程保障系统服务器，服务器一端与专用网连接，另一端与模拟器局域网进行连接，远程保障系统的架构及服务如图3所示。

在技术保障中心和模拟器局域网内的计算机上分别部署一个客户端，由客户端提供文件传输、远程控制和视频监控等服务。位于技术保障中心的技术保障人员通过客户端对局域网内的任意机器进行文件传输、远程控制和视频监控等操作，文件传输提供给用户向远程客户端传输文件或文件夹的功能；远程控制提供给用户获取对方系统界面及控制权限的功能，并对对方计算机进行操控；视频监控能与远程模拟器进行语音及视频通信。在远程保障系统服务器上部署用户及登录管理服务、分组及权限管理服务、文件传输中转服务、消息中转服务和视频中转服务。其中，用户和登录管理服务负责保障系统中用户的创建、修改和在线管理，为每个客户端创建并分配一个账号，客户端利用该账号进行登录，服务器实时监控各客户端的在线状态，并对客户端的在线状态进行管理；分组及权限管理服务为保障系统中的用户提供分组功能，分别对每组用户的访问权限进行控制和管理；文件传输中转服务、消息中转服务以及视频中转服务分别对各客户端的文件传输、远程控制以及视频通信服务等进行缓存和转发，极大限度保证数据的可靠传输。

图3 远程保障系统结构

3.2 基于多层中转的系统结构

为保证技术保障中心的客户端能对模拟器局域网内的所有计算机进行远程控制和访问，需建立保障系统服务器到模拟器局域网内任意计算机的通信链路，即保障系统服务器能访问模拟器局域网内的所有计算机。为达到这一目标，对图1所示的典型模拟器拓扑结构而言，一种方法是在保障系统服务器上配置6块网卡，其中5块用于与A、B、C、D和E五个网段的计算机进行通信，另外一块用于与专用网客户端之间的通信，这种配置能简单地解决技术保障中心的客户端对局域网内任意计算机进行访问控制的需求，但该方法过于依赖保障系统服务器的网卡配置，网卡数量过多时，系统故障率增加，同时这种方法扩展性受限，当模拟器局域网网段增加时，服务器上的网卡数量也需相应增加。

为解决以上问题，对图1所示的模拟器拓扑结构提出一种基于多层中转的解决方案，如图4。

图4 基于多层消息中转的解决方案

如图所示，在模拟器端增加一台保障系统服务器，在该服务器上部署一个中转服务器，由中转服务器负责技术保障客户端与A、B、C网段中计算机的消息转发，同时在A2计算机上部署一个中转服务器，由该中转服务器负责保障系统服务器与D网段中计算机D1、D2之间的信息转发，来自技术保障中心的消息通过保障系统服务器与A2计算机的转发后，能到达D网段的计算机D1、D2上，同理，E网段中的计算机E1、E2通过C1和保障系统服务器的转发后，也能与技术保障中心的客户端进行通信。

基于多层中转的系统架构能将保障系统服务器上的网卡减至四块，其中一块用于与远程保障中心的客户端进行通信，另外三块分别用于与网段A、B、C中的计算机进行通信。此外，在计算机A2和C1上分别部署了一个中转服务器，由于这两个中转服务器位于模拟器局域网中，而局域网的网速和带宽均比较大，因此由消息转发所产生的时间延时和性能损失均比较小。这种基于多层中转的系统架构比较适用于类似图1中这种模拟器内部网络拓扑结构较为复杂的情况。

4 系统实现与结果

目前，远程保障系统已在空军多个战术模拟器和大型模拟器上进行了部署，其界面和操作如图5，其中图5（a）为客户端界面，图5（b）为文件传输界面，图5（c）为远程桌面控制界面，图5（d）为视频监控界面。

实测通过专用网的文件传输速度基本保持在200kB／s左右，当有10G以上的场景库数据传输需求时，数据传输时间为14小时左右，客户端的文件传输支持断点续传，当传输过程中发生异常时，可从异常处开始续传。另外，在技术保障中心对远程模拟器局域网内的客户端进行远程操作时，操作反应延时约为0.5s，能较好地解决远程控制的需求。此外，由试验结果可知，从技术保障中心的客户端与远程模拟器进行语音和视频通信时，画面流畅，语音连续，能较好地支持远程故障诊断和远程排故指导。

图5 保障系统界面

5 结束语

随着模拟训练的日益普及化、常态化发展，模拟装备保障压力的日益增长与保障力量相对薄弱之间的矛盾越来越明显，并成为制约模拟训练发展和普及的一个重要因素。为了有效缓解这一矛盾，本文设计并实现了一种基于多层转发的远程保障系统，该系统依托现有的专用网资源，为技术保障人员提供一种远程文件传输、远程桌面控制和视频监控功能。技术保障人员可将本地文件直接传输至远程模拟器的任意计算机上，并通过桌面连接的方式对远程计算机进行现场操纵，支持技术保障人员进行远程软件版本升级和场景更新；同时提供视频监控功能支持技术保障人员远程进行现场故障诊断，并指导部队保障人员进行现场排故。从试用效果来看，该系统能有效满足控制中心的技术保障人员对远程模拟器进行系统升级、场景更新、技术指导和维修保障等需求，达到装备保障全寿命周期内持续满足实战化组训需要的目标，从顶层设计上实现由生产固化的装备交付模式到装备全寿命保障服务模式的转变，进一步提高了模拟训练的军事经济效益。

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［2］ 刘兴堂，王革命，张双选.多模自适应控制在空中飞行模拟器中应用［J］.系统仿真学报，2003，15（1）：129⁃131.

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Design of Remote Guarantee System for Flight Training Simulator Basedon Multi⁃layer Transfer

LIU Can⁃can1，HAN Yan⁃dong1，ZHAO Bao⁃ming1，2，LI Zhi⁃yong3，ZHANG Man1
（1.Air Force Training Equipment Institute，Beijing 100195；2.Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083；3.95380 Forces，Zhanjiang 524329，China）

Along with the normalizing and universal development of simulation training in our country，the guarantee pres⁃sure of simulation equipment is also growing.In order to alleviate the contradiction between the growing guarantee pressure and weak guarantee ability，we propose a remote guanrantee system for flight training simulator based on multi⁃layer transfer in different network.This system relies on existing private network resources，opens up the passage from the technical support center to the remote simulator，which provides some transit servers to forward data between any computer in private network and remote simulator LAN.The system can assists the technical support personnel to guarantee the simulator remotely.The system has been deployed on some simulators in the Air Force regiment.The results show that the system can greatly straight⁃en the simulation equipment protection path，shorten the troubleshooting time，save maintenance expenses.

flight training；simulator；remote control；support guarantee；transit server

TJ391；E917

A

10.3969／j.issn.1673⁃3819.2016.06.016

1673⁃3819（2016）06⁃0082⁃04

2016⁃08⁃23

2016⁃10⁃08

刘灿灿（1980⁃），女，湖南涟源人，博士，工程师，研究方向为飞行控制仿真、飞行模拟器设计等。

韩彦东（1971⁃），男，硕士，高级工程师。

赵保明（1977⁃），男，博士研究生，工程师。

李志勇（1977⁃），男，硕士，工程师。

张 曼（1985⁃），女，助理工程师。