试验训练一体化仿真建模研究*

程路尧

(31001部队 北京 100000)

试验训练一体化仿真建模研究*

程路尧

(31001部队 北京 100000)

以往各类试验环境、训练系统的建设,主要是“各自为战”,难以发挥整体效益,不能满足体系化作战下的试验训练需求,试验训练一体化已成为海军新军事技术变革的重要趋势。论文分析了试验训练一体化的设计与建设需求,研究了基于本体的试验训练资源服务化描述方法,研究了试验训练资源的服务化封装方法,研究了异类异构试验训练资源的仿真系统集成技术。最后,分析了试验训练一体化仿真建模技术的应用方向。

试验训练一体化; LVC; 资源描述; 服务化封装; 系统集成

Class Number E81

1 引言

建模仿真技术是以控制论、相似原理和计算机技术为基础,以计算机和专用物理设备为工具,利用系统模拟对实际(或设想)系统进行试验研究、模拟训练的一门综合技术。目前,建模仿真技术已成为综合电子信息系统和新型武器系统研制、操作训练、军事试验等方面不可缺少的研究工具。美国国防部认为,仿真模拟技术将成为科学发展的关键推动力,列为新科技战略所确定的七大军事能力之一。

随着计算机技术、网络技术、软件开发技术、传感器技术、人与系统界面技术的飞速发展,联网共用的趋势越来越明显,发展成了分布交互式仿真模拟和高程体系结构[1](High Level Architecture,HLA)的仿真模拟技术和环境,支持为复杂军事系统构建综合仿真环境。这类综合仿真环境广泛应用于军事综合电子信息系统的先期技术演示验证、关键技术验证分析、集成联调试验、作战训练、作战实验等全生命周期各个阶段,发挥了巨大的积极作用,产生了日益明显的社会效益和经济效益。

伴随建模仿真技术在全军各类综合电子信息系统全生命周期尤其是试验、训练等领域应用的不断深入,信息化条件下军事装备发展和联合作战的新战斗形式,对试验与训练系统及其仿真支撑平台提出了进一步要求。

2 试验训练一体化的设计与建设需求

以往各类试验环境、训练系统的建设过程中,主要是“各自为战”,形成了大量烟囱式孤岛,利用效率低,难以发挥整体效益,不能满足体系化作战下的试验训练需求[2]。需要统筹考虑装备体系试验训练需求,加强试验环境与训练系统的一体化顶层设计,通过统一的架构、支撑平台,逐步实现试验环境、训练系统的综合集成与一体化建设,建立信息化条件下“试训一体化”系统,实现系统试验功能和训练功能的统筹、协调与共同发展,增强装备性能,提高训练质量,实现部队战斗力的有效提升。联合作战试验与跨地域分布式训练一体化仿真支撑平台已成为研制装备研究机构和军事仿真界共同关注的重要问题。开展联合作战试验与跨地域分布式训练一体化仿真研究,逐步建立统一的、通用的、集成平台,实现作战试验系统和作战训练系统的综合集成,开展以创新性为核心的试训结合,体系寻优,使新的部队作战理论、武器装备和体制编制快速转化为部队实际作战能力的整体提高,具有极其重要的现实意义。

3 基于本体的试验训练资源服务化描述

本体是共享的概念模型的形式化规范说明[3],是领域内部不同主体(人、计算机平台、软件系统等)之间进行交流(对话、互操作、共享等)的一种语义基础,本体通过对于概念、术语及其相互关系的规范化描述,形成某一领域的基本知识体系[4]。用于仿真资源描述的服务本体如图1所示。

图1 仿真资源描述的服务本体

本体描述语言(Ontology Web Language,OWL)是由W3C组织推荐的用来表示Web上本体的通用标准语言[5～6]。它的基本思想是在表达力和推理复杂度之间取得平衡:既满足表达Web上的信息需求,又控制推理复杂度,方便应用的开发。

采用本体描述语言构建仿真服务本体化描述如图2所示。

图2 本体范例的构建过程

1) 规约制定,以文档的形式说明开发仿真服务描述本体的目的和领域,明确开发用途,形成详细的规约要求。

2) 知识净化,对仿真资源及其相关领域知识进行预处理,消除噪声,消除重复、错误记录,完成各种数据类型转换等。

3) 概念化建模,统一本体描述人员对仿真资源及其相关领域知识的认识,将对仿真模型概念化分析过程和概念化的结果以一种明确的方式记录下来,形成仿真服务的概念化模型。

4) 本体实现,利用本体描述语言OWL对概念化建模阶段产生的仿真服务模型进行描述,使计算机能够对概念化模型进行理解和处理。

依据上述方法,建立本体参考模型。结合仿真资源的描述需求,提出了用于仿真资源描述的服务描述方法。

仿真资源描述的服务描述具体包含基本信息描述、仿真特性描述、服务接口描述、服务实现描述等步骤[7],如图3所示。其中,基本信息描述包含：服务名称、服务标识、服务说明、应用领域、服务类型、关键词、服务提供者、服务地址、服务端口、通信协议、服务调用方式、服务质量特征等信息;仿真特性描述部分包含:仿真交互协议、时间步长、时间推进特性、仿真对象公布、仿真对象订购、仿真事件公布、仿真事件订购、仿真行为、仿真状态等信息;服务接口描述由参数定义和若干个接口信息构成,参数由参数名称、参数类型、取值约束等构成,接口信息由接口名称、接口标识、接口说明、接口参数、接口调用方式、接口通信协议、接口异常等构成;服务实现描述包含实现基本描述、支撑服务描述、内部构成描述、内部行为描述、内部状态描述、属性配置描述。

图3 仿真资源服务化描述的构成

采用上述方法,建立了仿真模型资源的服务描述规范如下所示。

4 试验训练资源封装方法

针对仿真资源的特点,结合HLA_envolved标准和Web_RTI,提出基于服务组件的仿真资源服务化封装方法,具体如图4所示。

仿真资源的服务组件封装方法主要包含五个步骤:

1) 定义仿真模型的输入输出接口:对现有仿真资源进行功能和特性分析,明确仿真资源的输入输出接口,确定仿真资源能提供的功能和可配置的属性;

2) 定义仿真服务接口WSDL文件:具体包含服务数据类型定义、服务消息定义、服务操作函数定义、服务端口定义、服务请求与端口、函数的匹配定义等;

3) 仿真服务接口代码实现:具体包含服务请求消息接收处理、服务请求消息SOAP协议解包处理、服务请求分发匹配处理、服务响应消息SOAP协议打包处理、服务响应消息分发处理等;

4) 仿真业务逻辑实现:根据仿真功能特性、原理等,进行仿真业务逻辑实现;

5) 编译打包成仿真服务组件:利用编译器对上述代码进行编译生成组件文件,例如动态链接库dll文件格式或Java包的jar文件格式。

为了简化仿真资源的服务化封装方法步骤,研制开发了仿真服务接口及其代码生成工具。该工具以IDL、h、Java等接口文件为输入,自动仿真服务接口WSDL文件,自动生成对应仿真服务接口的SOAP消息打包、解包、分发匹配、发送接收等代码,实现仿真服务接口及其代码的自动化生成。该工具的研制,简化了仿真资源的服务化封装,把建模人员从服务接口定义、消息收发等繁琐的代码编写中解放出来,使得建模人员可以专注于仿真业务逻辑的建模和实现。

本仿真资源封装方法具有以下特点:

· 重用性及互操作性好:具有语言无关、跨平台等特点。

· 开发效率高:提供了代码自动生成工具支撑,建模人员专注于仿真业务实现。

5 异类异构试验训练资源的仿真系统集成

异类异构资源相互孤立,难以互联互通发挥各自优势。如何实现这些分布在各地的异类异构仿真系统互联互通与综合集成,是试验训练一体化必须面临的重要技术难题之一。

5.1 异类异构仿真系统技术体制

本文主要分析以LVC系统为代表的异类异构仿真系统。LVC仿真是指在仿真系统中同时具有实况仿真、虚拟仿真、构造仿真等三种类型的仿真。实况仿真是指真实的人使用实际装备在实际战场的假象行动,主要使用于试验与训练领域;构造仿真是一种战争演练和分析工具,通常由模拟的人操纵模拟的系统;虚拟仿真是指系统和军队在合成战场上模拟作战,往往表现为真人操纵模拟系统。二十世纪八十年代以来,仿真系统技术体制经历了SIMNET-DIS-ALSP-HLA-XMSF-TENA等发展历程。

DIS是通过有计划、有目的地连接分布于多个不同地理位置的仿真系统的各个不同构件从而创造一个合成的虚拟的仿真环境[8]。

ALSP为聚合级仿真协议,主要用来联接聚合仿真系统。

HLA接口规范中包含六类接口(联邦管理类、声明管理类、对象管理类、时间管理类、所有权管理类、数据分发类等)[9]。它为仿真应用系统提供了联邦管理、声明管理、对象管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理等运行时支撑功能。

XMSF的基本设想是充分利用基于Web的技术,提供一个可扩展的建模与仿真架构,支持新一代互操作建模与仿真应用的开发、为作战层次的战斗行动提供仿真支持、并且使用基于XML的体系架构在新涌现的预演/真实/回放仿真需求与开放的、商用的Web标准之间提供连接的桥梁[10]。

TENA依照扩展的C4ISR体系结构框架(ECAF)的逻辑结构,从运作、技术、软件、应用等方面,建立了虚拟靶场资源开发、集成和互操作的总体技术框架,将美军各种地理上分布的、功能上分离的试验训练资源(包括装备及平台、靶场仪器仪表、模拟器、激励器、仿真系统、各种指挥控制系统等)组合起来,形成一个综合环境。

5.2 LVC仿真系统的集成机制

LVC仿真系统的集成机制将从数据交换、时间管理、对象管理和数据流管理等几个方面开展研究。

跨地域LVC仿真系统集成的数据交换机制,将参考Internet/Web技术,使用各种开放标准Web-Services,可扩展标记语言XML和简单对象访问协议SOAP等,进行数据交换。

图5 数据交换机制

由于实况仿真必须使用墙上时钟时间,即仿真应用所在的操作系统时间进行仿真,分布式LVC仿真系统不能采用逻辑时间推进,而只能是实时时间推进。采用实时时间推进,则所有仿真应用必须具有一致的操作系统时间。跨地域LVC仿真系统各部分的操作系统时间,可采用GPS/北斗等系统进行授时和周期性校时,利用高精度时钟源进行守时,确保墙上时钟的高精度一致与同步。

LVC仿真系统集成的对象管理将采用状态分布对象机制进行管理[11]。状态分布对象SDO是在某个靶场事件期间其生存时间非零、其状态分布维护而且不断演变的对象。

数据流表示连续的、周期性的信息流,比如音频、视频或遥测信息。数据流用于一个应用到多个应用或一个应用到一个应用的通信。以时间序列模型描述相邻数据流元组之间的关联性;引入滑动窗口机制,研究多路数据流连接操作获取所需信息。

图6 滑动窗口机制

LVC仿真系统集成将通过仿真资源集成,实况仿真、虚拟仿真和构造仿真系统集成,试验与训练监控管理以及资源聚合信息共享等相关技术的研究,构建虚实结合的、体系对抗性的、网络化的、开放式的异类异构仿真系统,将分布在海上、岸上、空中多平台中的仿真资源集成起来形成“逻辑靶场”,实现仿真资源之间的互操作、可重用与可组合．并支持平台内部、多平台之间试验与训练系统的互联互通互操作,为仿真平台提供运行环境支撑。

6 结语

实现联合作战试验与分布式训练系统的一体化构建、集成与全生命周期管理,为信息化条件下联合作战试验训练系统的研制与建设提供技术支撑。试验训练一体化仿真技术可应用于装备试验、作战训练等领域,支撑各军兵种各类装备试验体系与系统的工程建设,为装备集成联调试验、性能鉴定试验、联合作战能力试验以及部队装备操作、战术运用、体系对抗等作战能力生成提供技术支撑。

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Integrated Simulation Modeling of Test and Training

CHENG Luyao

(No. 31001 Troops of PLA, Beijing 100000)

All kinds of experimental environment and training system formerly are mainly "fighting each other", which are difficult to play the whole benefit, and could not meet the needs of the system training. The integration of experiment and training had become the important trend of the Navy’s new military technology change. The design and construction requirements of the integration of experimental training is analyzed, the service description method of test training resources based on ontology is studied, and the service encapsulation of the test and training resources is researched, and the heterogeneous test training resource simulation, system integration technology is studied. Finally, the experimental training integration simulation modeling technology application direction is analyzed.

test and training integration, LVC, resource description, service encapsulation, simulation system integration

2016年9月1日,

2016年10月23日

程路尧,男,硕士研究生,工程师,研究方向:电子对抗。

E81

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.015