HLA 仿真重用研究及应用

张欣海，卜树峰

(1.中国电子科学研究院，北京 100041;2.中国北方车辆研究所，北京 100072)

0 引 言

国内仿真领域，随着研究与应用的不断扩展和深入，HLA 已经成为分布式仿真系统体系结构的一个事实标准。越来越多的情况下，联邦用户开始具有长远的联邦开发、应用计划，他们希望分期分批开发联邦，而且边开发边应用，逐步扩展、累积自己的联邦开发成果，而不希望每次都从零开始开发新的仿真应用。开发人员也越来越注重考虑仿真成果和资源的重用问题:他们研究实用的技术和方法，研制有力的支持工具，借以将以往积累的成熟产品(仿真联邦的一部分乃至全部)快速重组、方便接入新的仿真系统;另一方面，当需要开发新的联邦时，他们从设计阶段就开始着手解决联邦开发各阶段产品的可重用问题。

国外仿真方面，美国国防部为适应不断增长的开发和执行DIS、HLA、TENA 多体系结构仿真环境需求，也发布了实体—虚拟—构造仿真体系结构路线图(LVCAR)研究报告［1］，启动了LVC 体系结构路线图实现项目，研究解决分布式仿真应用实现外部接口、与多种体系结构仿真实现互操作的问题。

实际应用中，许多情况下都需要将多个特定的仿真系统集成到一起使用，构成一个更大规模的仿真系统，以更真实、更全面地表达某种特定类型的问题。在军事分析领域，通常需要由特定的高逼真度的系统仿真群所产生的数据作为更高层的、聚合级的任务仿真的输入，这些产生底层数据的各种仿真需要具备可重定制的能力，可以作为基本单元被反复使用。在军用装备采办领域，无论是方案论证、原型评估、系统测试/集成、功能/性能验证的各个阶段，仿真支持系统都需要为新装备模拟尽量逼真的应用背景环境，这种仿真系统的构建往往需要将跨领域、跨平台和基于不同标准开发的仿真资源进行柔性重组和整合。可以列举一个典型案例，为了新应用需求开发一套综合电子战功能仿真系统，可以根据联邦目标适当选取雷达对抗、通信对抗和光电对抗三个功能领域现有的仿真产品，进行重新配置、综合集成，在这个过程中，最高级别的重用就是将一个已有的雷达对抗联邦整体拿来进行重用。

1 HLA 仿真重用

过去，系统仿真界用于连接仿真运行的方法和协议各不相同，HLA 标准的制订使得分布式仿真的开发有了可以遵循的统一标准，对基于DIS、ALSP协议建立的持久仿真应用也可经过HLA 适宜性改造后接入仿真联邦加以重用。但HLA 重用问题本身是很复杂的，理论上，在通用仿真技术框架下，遵循联邦开发与运行过程模型(FEDEP)［2］，各个阶段开发的仿真产品(模型、文档、数据和程序)都是可以重用的，只是根据新的需求，重用程度有所不同。在多次重用中，最稳定的元素或称可重用的基石应该是基于权威的使命空间概念模型(CMMS)建立的联邦概念模型(FCM)，因为它是联邦成员的核心模型和联邦对象模型(FOM)开发的基准;而最易于使用的元素应该是持久的邦员或者联邦。

HLA 本身支持联邦成员级别的互操作，这种互操作被定义为联邦中的邦员间可以互相提供服务;一个理论上完备的服务函数的集合——HLA 接口规范保证了各邦员在联邦对象模型(FOM)协议下，可以通过RTI 进行数据交互。所谓HLA 支持应用系统的仿真“即插即用”是以这些“插件”满足一致的FOM 协议为必要条件的。在开发新的HLA 仿真系统时，如果根据联邦目标没有为待重用的FCM 扩展新的功能和行为，对相应联邦成员的修改也将仅限于针对新FOM 和异构RTI 实现所做的RTI 接口适应性改造工作，实现联邦成员级别的重用相对来说就简单一些。BOM(基本对象模型)的出现，为邦员级模型重用提供了一个解决方案［3］。

同样的，如果新的联邦发起人需求、联邦目标，有时是新的联邦剧情中对应部分没有大的调整，新的联邦概念模型集合完全是旧有集合的超集，一个原有仿真联邦也就基本具备了作为整体加入新的仿真系统，构成联邦群(Federation Community)的条件。要实现联邦重用，接下来需要解决的主要问题将是异构联邦间的互操作和FOM 数据的映射转换。

2 HLA 多联邦互联

从HLA 标准本身来看，基于单一的联邦执行上下文是邦员隐含的互操作模式，额外的联邦间的互操作方法和接口服务没有涉及。由于一个联邦是由三个部分组成的:一组特定的邦员、FOM 和RTI 软件，因此，实现多联邦有机连接的基本途径主要基于两条:一是在应用层通过特殊的邦员实现联邦间(状态与业务)信息的转换、传递和协同;二是由RTI软件实现并屏蔽联邦间互操作的细节，而所有邦员只需按各自SOM/FOM 协议接入仿真系统提供的“RTI 软总线插口”。

国外对于多联邦互联问题的研究起步较早，SISO(Simulation Interoperability Standards Organization)RTI 互操作性研究小组于1999 年发表了一份《RTI Interoperability Study Group Final Report》研究报告［4］，提出了HLA 互操作层次模型，如图1 所示，包括:应用层互操作、模型层互操作、服务层互操作和通信层互操作。国内也就多联邦互连技术进行了跟踪研究［5，6］。

图1 HLA 互操作层次模型

相应于HLA 互操作层次模型，实现联邦间互操作的四种解决方案包括:邦员网关(Federate Geteway)、邦员代表(Federate Proxy)、RTI 代理(RTI Broker)和RTI 互操作协议(RTI Interoperability Protocol)，这里的第一、第二两种方法其实就是基于前述的在联邦成员一级解决问题的思路，后面两种方法则是考虑在RTI 上做文章。

邦员网关本身并不直接与RTI 打交道，这使得分属不同联邦的两个邦员间FOM 数据的交互方式没有完全遵循HLA 规则［7］。RTI 互操作协议仅在理论上能够满足，甚至能够满足基于不同软件运行平台的RTI 的互联要求。综合考虑(1)HLA 标准所规范的内容对联邦互操作的支持能力(仅规范到服务层的互操作);(2)联邦互联支撑软件的功能完备性和易实现性等因素，邦员代表方法在目前看来是解决联邦互联的优选方案。

由于HLA 联邦成员接口规范允许一个仿真应用同时加入多个并发的联邦执行，这样可以构造一个桥接邦员(BF，bridge federate)［8］同时加入多个联邦，使得对于其中的任意一个联邦F 来说，BF 都是作为一个特殊的邦员，代表它所连接的其他所有联邦与F 进行FOM 数据的合成、转换、分发和状态信息的传递和时间、事件的同步协调等操作。

通过桥接邦员互连的两个仿真联邦，如图2 所示。BF 本身由两个代表和一个转换部件组成，连接到RTIF的“代表g”本身就是一个联邦成员，只不过从联邦F 的角度出发，“g”是作为G 联邦的全权代表加入F 联邦的，由于它使用联邦F 的FOM 声明公布/订购关系，所以被F 中的其他邦员所认同;g 向F 发布数据的格式是属于F 的，但数据的内容却是来源于G 的，G 把要向F 表达的信息按自己的FOM 格式通过f 传递给g，由转换部件负责不同FOM 之间的映射转换，在这个过程中FMF(FOM Mapping File)起辅助作用，异构FOM 间数据项的对应关系都保存在这个文件里，这里很容易理解的一点是，g 向RTIF声明的订购需求在内涵上等同于f 向RTIG声明的公布能力，反之亦然;此外，转换部件还负责协调g 与f 之间的行为。

图2 应用桥接邦员实现多联邦互连

3 HLA 仿真重用技术在综合电子战仿真系统中的应用

3.1 重用需求与背景

综合电子战是在电子战指挥控制单元的统一管理和控制下，综合运用陆、海、空、天多平台进行的雷达对抗、通信对抗、光电对抗、反辐射攻击和导航/敌我识别对抗等战斗活动。在建立一个真正意义上的基于HLA 的红蓝对抗综合电子战功能仿真系统时，对不同领域(雷达对抗、通信对抗和光电对抗)的仿真产品(如:一个可以仿真雷达电子战的联邦)，提出更高的需求:

a)结合新的系统需求，最大限度地重用这些仿真联邦(以下称子联邦)和模型，快速构建综合电子战仿真联邦;

b)保证各子联邦在新系统中的相对独立性，这样，如果未来再开发新的领域模型，也能够很快将其接入到系统中来，同时，保证新系统(在对物理规模做适当裁减后)具备只仿真单一类型电子战(如雷达对抗)的能力;

c)开发一套工具软件，对(包括各子联邦在内的整个)系统的运行和评估提供支持，使用户面向统一的操作界面，能够方便地重配置系统，实现不同虚拟场景环境中、多种作战模式下的综合电子对抗模拟。

3.2 重用实现

以FEDEP 规范为指导，分析综合电子战仿真联邦需求，定义系统边界，选择联邦成员并为其分配功能，在对子联邦进行适当裁减和改造后加以重用。裁减邦员的原则如下。

a)部分的实体模型类邦员，如果它仿真的实体不在新系统的FCM 集合之内，例如:某型雷达邦员;

b)全部的应用支撑工具类邦员，例如:想定剧情产生邦员。

对于子联邦的改造主要体现在:如果载有多种电子设备的平台实体是在各子联邦中分别模拟的模型，如某类战斗机(因为其载有的雷达、电台和激光制导炸弹)在三个子联邦中都有出现，那么需要对这类实体进行解聚，只把对电子设备的模拟保留在子联邦中，而把对飞机平台的模拟在子联邦外统一实现，这样有利于在仿真中保证各子联邦中隶属于同一平台的不同设备在仿真运行过程中的时空一致性。

把系统应用支撑工具类邦员和平台类邦员都放在一个新的联邦中，雷达对抗、通信对抗、光电对抗子联邦都分别与它进行互联，其他的与一个以上重用子联邦有互操作关系的邦员也都加入这个联邦。

联邦间使用BF 进行互联，由BF 负责异构联邦间FOM 数据的格式转换，根据互联联邦的时间分辨率需求配置BF 代表部件的时间推进步长，可以有效提高整个系统的运行效率。

3.3 HLA 多联邦综合电子战功能仿真系统

综合电子战功能仿真系统主体结构，如图3 所示，是经3 个BF 连接而成的、由4 个仿真联邦组成的层次结构联邦群系统。

图3 综合电子战仿真系统组成结构图

底层的雷达对抗、通信对抗、光电对抗联邦按功能领域分别集成了一类电抗装备实体模型及对应的电抗作战对象实体模型(粒度为设备级)，例如在雷达对抗联邦中，aR代表一组雷达模型邦员(它们仿真的雷达实体有的基于固定平台、有的基于移动平台)，aRC则代表一组雷达侦察和干扰设备模型邦员，这个联邦独立实现了对雷达电子战的模拟。

顶层的指挥控制与综合服务联邦由两类邦员组成:一类是功能仿真邦员，包括综合电子战情报/指控邦员fCC和与三个子联邦有关联、依赖关系的其他实体模型邦员fP(如电子设备的搭载平台)，另一类邦员fW负责为系统应用提供辅助支撑，包括仿真协同运行控制、想定剧情生成与导调、2D/3D 场景显示、记录与重演、评估与分析等，用户可以利用这些邦员提供的界面使用系统，它们与BF 一样，是区别于其他所有实体模型的白方邦员，在图中用虚线外框加以区分。

3.4 综合电子战功能仿真系统的可重用性特点

系统中三个底层子联邦的邦员是按照不同的电子对抗功能领域分别集成的，即一类电子对抗设备的仿真模型与对应的作战对象模型位于同一个联邦，而联邦间是彼此相对独立的，它们都可以单独与顶层联邦一起组成一个新的仿真系统而不需做任何修改;按照这种思路，还可以将其他类型的电子战仿真联邦设法接入到系统中来;而各个子联邦在做了如3.2 节所述的改造以后，它们自身的可重用性也得到了加强。

系统顶层联邦中的fW类邦员统一负责向用户提供仿真应用界面，利用这些工具:可以离线/在线地设置和改变电子战仿真系统的外部环境，可以客观地观察、记录系统运行过程中的变化、结果，加以分析和评估。这样做，相当于在顶层联邦中提供了扩展接口，可以把本系统接入到更大规模的仿真系统中，或与其它仿真系统进行互联。外部仿真系统可以利用fW类邦员改变电子战仿真系统外部环境的接口来激励系统，可以通过fW类邦员观察系统的接口感知电子对抗作战的结果。

系统中，模拟进行电子战的红、蓝对抗双方的实体模型是位于同一个子联邦中的。有时出于信息屏蔽的考虑，希望将某些电抗作战对象仿真模型移入到顶层联邦中;有时因为本系统与其他仿真系统互联时产生的模型重复希望把某些邦员裁减掉，这时，只要对FOMEW做适当的修改，将子联邦FOM 中涉及这些邦员SOM 的数据定义加入到FOMEW中，再重新配置BF 两端代表部件的公布订购关系就可以了。

4 结 语

HLA 越来越为仿真界所接受和采用，很重要的一点因为它是一种支持可重用的分布交互仿真标准，随着领域技术的不断发展，可以单独对仿真系统的一部分进行更新，也可以不断扩充系统的规模、或与实装系统互连。

本文从理论上阐述了邦员级别重用、联邦级别重用两类不同层次的HLA 仿真重用方法;接着，对比讨论了多种联邦互联解决方案;最后结合实际，介绍了利用BF 在综合电子战功能仿真系统中实现多联邦互联和仿真重用的成功案例。

目前，国内外仿真界一致认为联邦互联是实现高层次HLA 仿真重用，以及分布式异构系统集成的重要手段。BF 作为代理技术的典型案例，虽然在功能上能够基本满足要求，但如果跨联邦的TSO 消息交互太多、层次太深，系统的运行效率将被迫降低，实际中采取了一些有效措施来尽力避免BF 引入带来的不利影响，但它本质上是个联邦成员，先天的局限性限制了它在较大规模联邦群系统中的应用。为此LVCAR 最终报告［1］的三个关键建议是确定现有仿真代理应用的能力能否有效满足用户的需求，其能力的提高对于解决已确定的差距是否是必要的，如何最佳的实现这些能力提高以最大化投资收益。

制定异构RTI 间标准的API、借助中间件技术集成RTI、基于Web 服务技术在服务层实现互操作是目前令人关注的其他研究方向，特别是后者，已经跳脱了仿真体系结构本身，其优缺点还有待进一步评估。

［1］ Institute of Defense Analyses. Live Virtual Constructive Architecture Roadmap(LVCAR)Final Report［R］.2008.

［2］DMSO.HLA Federation Development and Execution Process(FEDEP)Model［Z］. 1998.

［3］PAUL GUSTAVSON.BOM Study Group［R］.BOM Study Group Final Report，2001.

［4］MYJAK M D，CLARK D，LAKE T. RTI Interoperability Study Group Final Report［R］. 1999.

［5］郝建国，赵兴锋，黄健，等. 高层体系结构多联邦互连技术研究［J］.系统仿真学报，2002(6):32-39.

［6］郝建国，黄健，韩超，等. HLA 多联邦系统的实现问题研究［J］.系统仿真学报，2004(5):9-11.

［7］ IEEE Std 1516-2000. IEEE Standard For M＆S HLAFramework and Rules［S］.2001.

［8］BRAUDAWAY W，LITTLE R. The High Level Architecture’s Bridge Federate［R］. 1997.