ICE中间件的LVC集成模型研究*

侯婧，柴旭东，周军华,3

(1.中国航天科工集团 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技发展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

ICE中间件的LVC集成模型研究*

侯婧1，柴旭东2，周军华1,3

(1.中国航天科工集团 第二研究院，北京 100854；2.北京航天智造科技发展有限公司，北京 100854；3.北京仿真中心，北京 100854)

提出一种组合式建模方法，基于RLFP 4种模型，包括需求模型、逻辑模型、功能模型、物理模型对LVC仿真系统进行构建，并实现4种模型之间的转换，得到可实现仿真验证的LVC集成模型；其次介绍了一种分布式中间件ICE及其通信模式，用于实现LVC仿真模型的集成，并针对当前LVC系统中存在的弱实时性问题提出了一种时间管理方法，最后借助一个仿真训练实例验证LVC仿真系统的通信和集成方法。

LVC；RLFP；模型转换；ICE中间件；时间管理；集成模型

0 引言

LVC仿真是将真实仿真(live)、虚拟仿真(virtual)、构造仿真(constructive)3类仿真资源互连到一起构成的一个丰富的分布式仿真系统[1]，但3类仿真在模型规范、通讯协议、时间特性上存在异构性，很难实现仿真模型的集成[2]。在解决集成问题方面，相继提出了DIS，ALSP，HLA，TENA等架构，在真实仿真中采用TENA架构，在虚拟、构造仿真中采用HLA架构[3]，但2类架构由于模型描述和通信协议不统一，导致2类仿真系统难以兼容。本文提出一种组合式建模方法，形成覆盖仿真、试验、训练等方面的元数据、概念模型、基本接口，为LVC仿真提供可重用和可组合的基础资源库，解决HLA，TENA等体系结构之间对象模型不兼容、组合性差等问题。核心思想是构建需求模型(R)、逻辑功能(LF)模型、物理模型(P)，实现对各类仿真资源操作接口的统一描述。集成模型是具有仿真功能的物理模型，借助网络中间件ICE作为各类仿真资源的底层通信工具进行数据通信，统一通讯协议，实现仿真模型的集成。在模型集成时需要考虑仿真资源之间数据传输的实时性，由此基于Petri网建立LVC时序一致性模型，解决LVC仿真系统中存在的弱实时性问题。

1 LVC仿真系统建模方法

LVC仿真模型包括需求模型、功能逻辑模型、物理模型(RLFP)。采用系统建模语言SysML建立需求模型，描述系统顶层需求。设计师首先从需求模型中获取结构和接口关系，进而采用高层建模语言建立逻辑功能模型，不断建立需求与其他模型元素的映射关系，实现需求的追溯，但逻辑功能模型无法实现仿真验证，还需将逻辑功能模型转换到物理模型，得到具有仿真功能的集成模型，最终实现LVC仿真模型的验证。从需求分析模型到物理模型的转换过程如图1所示。

1.1需求模型

SysML(system modeling language，系统建模语言)为系统提供一套层次化建模规范，通过图形交互实现建模过程[4]。本文基于SysML中的块定义图(block definition diagram，BDD)、内部块图(inner block diagram，IBD)、序列图、状态图从结构组成、接口、数据交互等方面实现LVC仿真系统的顶层需求描述。

利用BDD图对仿真系统的结构组成(图2)进行描述，属性值描述组成元素隶属层级(图中省略部分属性描述)。通过描述分系统之间的层次关系，可了解不同系统之间相互协作及依赖关系。利用IBD图建立系统接口模型(图3)，主要对仿真系统公共操作接口进行图形化描述，接口反映了顶层系统、子系统、逻辑构件或物理构件等各个层次系统之间发生的信息交换关系。利用序列图建立系统运行时序模型(图4)，对每个仿真分系统的运行过程进行描述，即对每个分系统输入输出数据产生的时间进行规划。每个仿真分系统都有一条生命线，在生命线上标注特定时间点，单向箭头代表一个事件，事件与生命线的交点表示时间。利用活动图建立活动描述模型(图5)，强调活动的输入、输出、顺序和活动影响行为的条件，其中作战活动的输入/输出关系反映活动之间的信息交换关系。

1.2逻辑功能模型

功能逻辑模型采用高层建模语言对其进行建模，通过对上述需求模型的分析，基于COSIM平台[5]提供的高层建模工具可实现对LVC仿真系统的组成和行为进行顶层宏观描述，包括静态结构模型和动态行为模型[6-7]。利用静态结构模型从系统结构组成描述系统或模块，为系统功能模块之间的合法连接关系作出规定。在建模过程中首先对LVC仿真系统各类成员端口和元素信息进行定义，通过可视化操作界面快速搭建仿真模型(图6)。动态行为模型是从时间域描述整个仿真系统，描述各元素对交互信息的反应。高层建模采用活动图与状态图加相应的引擎调度机制来反映时间域交互信息的发生过程和对象系统的行为。静态模型建立后，可自动生成动态行为图，该动态行为图包含两级状态图，图7表示第1级状态图，图8表示第2级状态图，图9表示进入第2状态图后的活动图。

图3 系统接口模型Fig.3 Interface model of LVC system

1.3物理模型

图4 系统运行时序模型Fig.4 Sequence model of LVC system

图5 活动模型Fig.5 Active model

图6 静态模型图Fig.6 Static model

图7 第1级状态图Fig.7 First class of state chart

图8 第2级状态图Fig.8 Second class of state chart

图9 活动图Fig.9 Active chart

对物理模型进行的建模过程中可以通过相关的CAD/CAE工具进行。通过高层建模的元素代码自动生成工具得到仿真模型框架，在框架中插入专业相关的模型代码，便得到可以实现仿真验证的物理模型。

1.4模型转换方法

需求分析模型是从系统结构、接口、交互关系等层面描述整个仿真系统，通过对需求模型的人工分析，获取系统结构、行为等信息，利用COSIM平台提供的高层建模工具实现系统逻辑功能层面的建模。平台支持模型元素代码自动生成，可得到由.cpp和.h文件组成仿真模型框架(物理模型框架)，在框架中加入专业相关的模型代码便可实现物理模型的建立，最终得到满足需求的集成模型。

2 基于ICE中间件的模型集成方法

ICE(internet communications engine 网络通信引擎)提供完善的分布式系统解决方案，适合所有的异构网络环境[8-9]，且 ICE定义了自己的规范语言Slice(special language for ICE)，描述对象接口、操作，客户与服务器交换的数据类[10-11]。本文首先通过Slice语言对接口进行定义，通过slice2cpp编译器对定义好的.ice文件进行编译，自动生成远程方法调用接口，为客户端生成的是Proxy(代理)，为服务器端生成的是Skeleton(骨架)。代理为客户提供一个向下调用接口(down-call)，当客户端调用代理中某个操作时，便会产生RPC消息发送到服务器，从而调用目标对象对应的操作。骨架代码是客户端代理代码在服务器端的等价物，提供了一个向上调用接口(up-call)，允许ICE把控制线程转交给服务器端的应用程序代码，服务器通过接收客户端发送的参数，并把返回值和异常传回给客户。ICE的通信过程如图10所示。客户端通过本地Proxy调用服务器端应用，由Proxy通过客户端ICE运行环境转发到服务器端ICE运行环境，由于服务器端可能会有多个不同的服务提供者，选择合适的服务提供者是由对象适配器(object adapter)来做的，Skeleton负责类型转换，最终由servant为客户端提供真正的服务。

图10 ICE 通信过程Fig.10 Communication process of ICE

大型分布式仿真系统具有结构复杂、涉及面广、可靠性要求高等特点，基于传统的HLA体系结构可以有效解决各类仿真资源之间的互操作，但由于实时性较差，应用在含有实装类仿真资源的LVC仿真系统中会出现时间延迟，在一定程度上影响了信息传输实时性。ICE与HLA有很多共同之处[12]，除了实现HLA/RTI的各项功能外，还提供数据分发服务，可以实现分布实时计算环境的高效通信，在ICE中加入时间管理算法，可以有效解决HLA实时性弱的问题。

3 LVC时序一致性模型

LVC仿真系统由于人的参与和真实装备的硬件部分存在，要求各参试系统以实时模式推进仿真运行[13]。影响LVC系统实时性的主要因素来自3方面的数据延迟：仿真模型自身解算时间、通信中间件数据传输时间和网络延迟。一般LVC系统会采用基于GPS授时的时间同步方法和DR外推算法[14]，尽量减小网络传输延迟，本文提出一种基于着色Petri网[15]建立的LVC时序一致性模型从时间老化度方面解决目前存在的时间问题。该模型可以说明仿真交互信息的动态时间特点，模型如图11所示，在该模型中，生产者消费者均是分布仿真节点，一个生产者应用能向其他应用或消费者发布状态数据θ。令牌表示系统间传递的交互数据，库所表示交互数据在节点间流动中所处的位置，当一次变迁创造一个令牌时，令牌的“创建时间”属性被设定；当一次变迁转移令牌时，该令牌的“到达时间”属性被设定。

图11 LVC时序一致性模型Fig.11 Time-aligned model of LVC

数据生产者模型如图12，变迁T1代表生产者模型线程，表示系统向后推进一个时间步长，状态数据发生更新。变迁T2表示生产者采样线程，T2发生表示交互数据被网络中间件处理。网络模型(图13)模拟了网络传输过程，表示交互数据经历变迁T3，T4后，将θ以特定延迟从生产者移动到消费者。数据消费者模型(图14)建立了一个消费者接收θ的模型，T5表示接收线程。T6表示消费者模型线程，当状态数据被用于消费者计算时才确定。

图12 数据生产者模型Fig.12 Data producer model

图13 网络模型Fig.13 Network model

图14 数据消费者模型Fig.14 Data consumer model

在数据传输过程中，T1，T2，T3和T6对数据老化度有影响，但经过筛选试验分析得到T6对延迟基本无影响。针对大量重复实验，得到LVC仿真系统总延时为0.5T1+0.5T2+T3。因此在进行LVC仿真系统设计时可根据上述几种延迟源对数据老化度进行评估，若数据衰老的估计值不满足设计要求，可通过改变T1或T2以降低系统延迟，从而满足最终的设计需求。

4 应用验证

4.1应用背景

以某装备靶场训练为背景，验证LVC仿真系统的作战效能。其中实装类仿真资源包括靶机、雷达；虚拟类仿真资源包括指挥控制台、综合空情台、模拟器等；构造类仿真资源包括装备数字模型、应用软件等。在作战训练中，雷达探测到飞入的靶机，获取靶机飞行位置速度、飞行轨迹等信息，将其传入指挥控制中心进行数据处理，生成制导指令，控制该装备拦截目标，模拟拦截过程。LVC仿真系统组成如图15所示。

4.2基于ICE中间件的LVC仿真系统集成模型实例开发

基于高层建模语言已生成系统操作接口的描述文件，结合ICE特定的语言规范Slice编写服务接口，生成.ice文件，编写好后使用slice2cpp命令可生成相应的.h文件和.cpp文件(Proxy和Skeleton)。

在ICE规范下，进一步为通信内容定义数据类型，创建相关的发布和订阅客户端，完善各个实体的创建和匹配，才能进行数据的发布和订阅。图16描述了建立数据流通信的过程。

4.2.1 服务的发布

4.2.2 客户端一个实体的调用

图15 LVC仿真系统组成图Fig.15 Constitutional diagram of LVC

图16 数据通信过程Fig.16 Process of data communication

基于RLFP 4种模型建立LVC仿真模型，采样ICE中间件作为底层通信工具将各模型集成到一起，最终构建一套LVC仿真系统。验证结果如图17，18所示。

(1) 服务器端发布消息结果

图17 服务器端消息发布Fig.17 Message releasing from server

(2) 客户端接收该消息结果

图18 客户端消息接收Fig.18 Message receiving from client

由图17，18可以看出，基于ICE中间件，可以实现各类模型之间的数据交互，可以帮助目标LVC仿真系统快速集成各类仿真资源。

5 结束语

本文首先基于SysML语言和高层建模语言对LVC仿真系统需求模型、逻辑功能模型、物理模型进行构建，并实现模型之间的转换，得到满足需求的集成模型，统一模型规范。进而采用ICE中间件对模型进行集成，实现各类仿真资源之间的数据交互和信息共享，给出仿真实例并验证其仿真性能。该LVC仿真系统通过构建联合试验靶场，可以进行部队人员训练，并真实检验装备系统整体性能。

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LVCIntegrationModelsBasedonICEMiddle-Ware

HOU Jing1，CHAI Xu-dong2，ZHOU Jun-hua1

(1.The Second Academy of CASIC，Beijing 100845，China；2.Beijing Aerospace Smart Manufacturing Technology Development Co.Ltd,Beijing 100854,China;3.Beijing Simulation Center，Beijing 100845，China)

Based on requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP), a LVC (live, virtual and constructive) integration model is built. By using a distributed middle-ware, internet communication engine (ICE), the integration of LVC simulation system is achieved. Then, a time-model for solving the problems of weak real-time on LVC is proposed. Eventually the communication efficiency and Integration method of this LVC simulation system is verified based on a combat training.

live, virtual and constructive (LVC); requirement models, logical models, function models and physical models (RLFP); model transformation；internet communication engine (ICE) middle ware; time management; integration model

2016-12-12；

2016-12-30

有

侯婧(1992-)，女，山东菏泽人。硕士生，主要研究方向为复杂系统的建模与仿真。

通信地址：100854 北京142信箱30分箱E-mail：1550814137@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.028

N945.12;TP391.9

A

1009-086X(2017)-05-0178-010