航电系统仿真环境通信架构研究

2021-04-15刘元斌占日新

中国新技术新产品 2021年3期

刘元斌占日新

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000）

0 引言

航空电子系统是现代飞机的“中枢神经”，航空电子系统的先进程度是衡量现代飞机先进性的重要指标。为了测试和验证航电系统的功能，需要搭建航电系统仿真测试平台对系统进行测试与优化。随着航电设备的发展，航电系统的复杂性、交互性也逐渐增加，因此需要更为先进、高效的仿真测试平台。

1 航电系统仿真架构研究

1.1 高层体系结构（HLA）

HLA（High Level Architecture）是分布式交互仿真的高层体系结构，HLA定义了联邦，并提出了联邦成员构建、描述和交互的基本准则和方法，提供了1种通用的仿真技术框架[1]。HLA主要由描述运行支撑框架的API、对象模型模板和HLA规则构成。

HLA作为1个标准、通用的高层仿真体系结构，其广泛应用于分布式交互仿真、人在回路仿真、虚拟仿真以及实况仿真等环境。

HLA的工作原理如图1所示。

1.2 分布交互仿真（DIS）

分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation，DIS）通过局域网或广域网实现了各分散仿真设备的互联，形成了可参与的综合性仿真环境，具有协调一致的结构、标准、协议和数据库[2]。从系统的物理结构来看，DIS由仿真节点和计算机网络组成。

图1 HLA工作原理图

DIS通过网络将分散在不同地理位置的不同类型的仿真与真实世界互连、互操作，建立了1种人可以参与交互操作的时空一致的综合环境，通过使用协议数据单元（PDU），可以支持对异地分布的真实、虚拟和构造的平台级仿真之间的互操作。DIS系统将建立大规模虚拟环境所需要的计算工作分配到各个节点；仿真节点为对等关系，不区分服务器和客户机。

虽然DIS系统具有结构简单、容错性好等优点，但是其通信量较大、占据网络带宽，不能适应国防领域中存在多种时间机制的仿真应用，不能满足大规模分布仿真的需要。

1.3 数据分发服务（DDS）

数据分发服务（Data Distribution Service，DDS）规范主要由以数据为中心的发布 / 订阅（Data Centered Publish Subscribe，DCPS）和数据本地重构层（Data Local Reconstruction Layer，DLRL）组成。DDS规范了分布式实时系统中数据发布、传递以及接收的接口和行为，定义了DCPS机制，提供了1个与平台无关的数据模型，该模型能够映射到各种具体的平台和编程语言，在为实时系统应用开发者提供高级抽象的同时，还能控制部署实时系统需要的服务质量（Quality of Service，QoS）策略[3]。DDS通信模型的实体组成及结构示意如图2所示。

DDS支持对松散耦合、模块化和开放式的架构系统进行开发。通过支持组件和子系统定义良好的界面，DDS彻底改变了烟囱式、封闭和专有的架构，大大降低了系统的复杂程度，并减少了集成、维护和升级的成本；提高了子系统和中间件的竞争力，使重用变得简单。

1.4 公共对象请求代理体系结构（CORBA）

公共对象请求代理体系结构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）拥有跨平台、跨语言、跨协议、跨版本以及跨操作系统等特性，主要由CORBA核心、客户端存根、服务器端框架、对象适配器、动态调用接口、客户端应用程序、对象实现、接口仓库以及实现仓库等组成[4]，其体系结构如图3所示。

对象请求代理（Object Request Broker，ORB）接口规范应用于客户端和服务器端之间，使用ORB交互来完成相互的功能，实现了把接口与对象分离的目的，避免了双方的直接交互，在不同的硬件和软件平台上实现了不同功能组件的操作和内外部接口的统一，真正做到了接口与系统无关。

图2 DDS通信模型的实体组成及结构示意

图3 CORBA体系结构示意图

2 不同仿真架构对比

2.1 高层体系结构（HLA）与数据分发服务（DDS）

通过分析二者的规范可知，HLA和DDS都有分配虚拟状态和事件的API、应用通知中的API以及定义虚拟数据/对象模型的语言，其对应关系如下。

2.1.1 分配虚拟状态和事件的API

HLA：运行支撑框架API。

DDS：标准DDS-DCPS API。

2.1.2 应用通知中的API

HLA：联邦代理（Federate Ambassador）。

DDS：标准DDS-DCPS API（实体监听）。

2.1.3 定义虚拟数据/对象模型的语言

HLA：对象模型模板、类结构表以及属性表。

DDS：X-类型说明、IDL、XML以及XSD语言。

HLA与DDS的优势对比见表1。

表1 HLA与DDS优势对比

2.2 数据分发服务（DDS）与公共对象请求代理体系结构（CORBA）

DDS和CORBA的相似之处有以下3点：1） CORBA是用于构建分布式对象的中间件，CORBA运用客户端/服务器（C/S）的方式对本地和系统中其他过程之间的对象进行调用，采用外部的broker方式在各个对象之间进行通信。DDS是用于构建实时系统中分布式数据的中间件，采用发布/订阅（publish/subscribe）的方式；DDS构建的系统效率高、容错能力强且具有较高的性能。2） DDS 和 CORBA都是分布式处理环境（DCE）中，针对硬件和软件系统互连问题的解决方案。3）基于接口定义语言IDL对通信接口进行描述，并通过自动化代码生成工具创建框架代码，不同的是CORBA通过IDL定义接口，而DDS通过IDL定义传输的数据结构。DDS与CORBA的优势对比见表2。

表2 DDS与CORBA优势对比

3 架构实施方案

由前文可知，虽然HLA为规范分布式仿真系统的数据定义、数据管理以及时间管理等提供了一套完整的规范和体系，但是HLA-RTI影响和限制了系统的性能和可扩展性。由于DDS是针对分布式系统的数据传输规范，特别适合分布式系统的数据传输和系统集成，因此引入DDS作为底层实时运行的支撑平台，并成为提升分布式仿真系统能力的有效技术（解决方案）[5]。

CORBA技术以对象和服务为中心，采用了C/S通信模式，通信机制较为复杂，数据收发需要建立连接的过程，且不支持QoS策略，不能满足实时性和通信灵活性的需求。

在以数据为中心的发布/订阅（DCPS）模型的基础上制定DDS数据分发服务规范。开发人员可以基于DDS标准设定多种QoS策略，例如发布/订阅速率以及通过网络的数据长度等。利用DCPS模型的功能为实时与嵌入式系统提供高质量的运行保证，从而提高了系统的性能。

3.1 仿真系统架构

虽然HLA具有模型优势和优秀的时间管理机制，但是其不适用于高效率、高吞吐量的大规模分布式仿真系统；而DDS具有对大规模网络的分布式系统数据进行分发的优势。因此采用DDS分发仿真过程中的网络交互，同时借鉴HLA的时间管理机制，在DDS上构建的仿真系统不仅具有优秀的时间管理和仿真推进机制，还具有超大的仿真规模以及高效的仿真速率。

仿真系统由时间管理模块、仿真模块以及DDS通信模块组成。其中，DDS通信模块在仿真系统中通过构建3条数据总线分别传输时间管理类的控制数据以及与时间相关的TSO消息数据和与时间无关的RO消息数据。时间管理模块依靠接收和发送DDS数据总线上的数据来控制各个仿真节点的推进。仿真节点通过DDS时间管理总线接收时间管理模块发来的时统信号来控制该模块的仿真进度，同时通过TSO数据总线及RO数据总线与仿真系统中的其他模块交互仿真数据。仿真系统设计架构如图4所示。

3.2 仿真过程中的消息机制

在基于DDS的分布式应用系统中，发布者和订阅者采用不同主题的消息。发布者向DDS发布其他应用系统感兴趣的消息，而订阅者从消息代理处接收自己感兴趣的消息，发布者和订阅者之间通过消息代理进行关联。

时间管理类的控制数据以及与时间相关的TSO消息数据和与时间无关的RO消息数据采用3个不同域的DDS总线，从而减轻时间管理的负载。HLA中要求时间管理服务不仅控制协调各个节点的时间推进，而且要求将与时间相关的TSO消息数据和与时间无关的RO消息数据分发给各个仿真实体，因此就会出现流量压力过大的情况，从而导致仿真效率变低。基于DDS的时间管理服务采用分布式的设计以及发布订阅的思想，将仿真节点间交互的TSO消息和RO消息命名为不同的主题，各个节点根据其逻辑关系通过主题对数据进行区分，仿真节点能够根据需要接收各自的TSO和RO消息，大大减少了时间服务的负载压力。

3.3 基于DDS的时间管理服务

基于DDS的时间管理服务示意图如图5所示。

图5 基于DDS的时间管理服务

时间管理服务端的主要功能包括以下4 点：1）在初始化阶段，时间管理服务通过RTI DDS（Request-Reply，请求回应模型）接收联邦成员发来的注册信息并回复确认消息。2）注册信息包括联邦成员ID、步长以及初始前瞻量等，在第一拍执行时才有可用数据源。3）在联邦开始运行后，时间管理服务接收联邦成员发来的前瞻量，并根据配置文件读取该运行过程中参与的联邦的总个数，收齐所有联邦成员的前瞻量后，计算出最小的前瞻量即LBTS。4）当联邦成员向服务发送“请求推进”消息后，服务会将LBTS一对一地发送给联邦成员。