基于HLA的导弹分队作战仿真系统设计*

陈大雷 毕义明 范阳涛 周 辉

(1.第二炮兵工程大学 西安 710025)(2.96425部队 宝鸡 721000)



基于HLA的导弹分队作战仿真系统设计*

陈大雷1,2毕义明1范阳涛1,2周 辉1

(1.第二炮兵工程大学 西安 710025)(2.96425部队 宝鸡 721000)

根据导弹部队作战需求,结合当前计算机仿真技术的发展,在分析导弹分队作战过程的基础上,提出了基于HLA高层体系结构的导弹分队作战仿真系统设计方案,明确了仿真系统的功能结构,给出了组成联邦的各成员的主要功能、成员间的信息交互关系和仿真运行流程。该系统将有效地解决导弹分队作战仿真与效能评估面临的困难,辅助指挥员进行作战模拟、战法研究和效能评估等。论文针对作战仿真系统开发的规律和特点,重点研究了仿真联邦设计和FOM/SOM设计与实现,在导弹分队作战仿真系统的开发中证实该设计方案可行有效。

高层体系结构; 导弹分队; 作战; 设计

Class Number E927

1 引言

近年来,随着计算机技术、计算机仿真和网络技术的普及和应用,为现代化部队军事作战和训练的改革提供了先进的技术支持。由于我军导弹部队作战模拟化的需要,导弹部队作战的仿真研究已成为一个十分重要的问题。

高层体系结构(High Level Architecture,HLA)是美国国防部建模与仿真办公室提出的一个全新的仿真技术框架,它致力于解决和提高仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性,它取代了原有的分布交互式仿真的DIS标准,成为先进分布式仿真技术的发展趋势。基于HLA,可以把一个庞大的仿真系统划分为若干个子系统,每个子系统作为一个联邦成员参与到仿真中来,在保持各自独立性的同时实现信息的有效交互。HLA架构支持不同仿真应用之间的互操作和仿真组件的可重用,使系统具有良好的开放性和可扩展性,既有效利用了现有资源,又使仿真系统具有良好的扩展性,便于后续的扩展和开发[1～3]。

导弹分队作战是一个复杂的过程,同时受政治、经费等原因影响,进行实战演练比较困难,导弹分队作战仿真系统是研究导弹分队作战、战法研究及新导弹装备验证的有效仿真平台。

2 导弹分队作战仿真系统分析

2.1 系统的主要功能和特点

该作战仿真系统以导弹分队为基本作战单元,构建近似实战的战场环境,使分队指挥人员在虚拟的战场环境下,完成导弹分队不同规模层次的战术作战任务,并能对作战效果进行评估。可为导弹部队作战理论研究和新型导弹提供仿真试验平台,通过在多种仿真条件下,使指挥员人在仿真系统中进行作战指挥决策,获取仿真数据,为研究导弹部队作战样式提供数据支撑。

系统采用统一的技术框架,统一的模型标准,统一的数据格式,具有较好的可重构性和互操作性。构建了作战区域的虚拟环境,实现作战仿真中指挥员指挥决策、分队作战行动仿真和分队作战的战法研究,很好地解决了因实战演练带来的场地、训练消耗、人员保障和装备安全等方面的困难,能产生较好的军事和经济效益。

2.2 系统体系结构

系统体系结构是提供和支技导弹分队作战仿真系统各个功能子系统的互联,目的是描述系统的内部结构关系与运行机制。导弹分队作战仿真系统的体系结构如图1所示。

图1 导弹分队作战仿真系统的体系结构

3 联邦成员设计

导弹分队作战仿真系统为指挥平台与武器平台相结合的仿真系统,涉及对象多,实体模型复杂,实时性强,需要解决仿真时间同步、模型协调统一、人机接口交互、仿真实时分析以及仿真过程动态显示等问题,需要具有统一的管理结构进行协调各仿真系统的交互运行[4],同时各子系统内部也具有统一的体系结构,而HLA的互操作性和可重用性优点,可很好满足该系统结构设计,并能适应系统扩展要求。

根据HLA体系结构设计,导弹分队作战仿真系统作为一个联邦,主要包括上级仿真主控、红方导弹分队、友邻导弹分队、模拟蓝方、仿真态势综合显示和仿真评估等联邦成员。联邦成员通过局域网互联,采用RTI作为其运行支撑环境,RTI中Lib RTI库封装到每个联邦成员中,使每个联邦成员与其他成员信息交互通过HLA接口函数实现[5]。联邦成员的功能如下:

1) 上级仿真主控联邦成员。包括指挥、协调、情报等指挥保障功能,完成任务想定、仿真脚本、战场情况分析、作战计划拟制、网络研讨和作战行动推演等功能,可对导弹分队作战仿真系统进行指挥引导,控制仿真推演进程。

2) 红方导弹分队联邦成员。完成导弹分队接收响应仿真主控、友邻导弹分队等仿真系统发送的指令和信息,生成平台参数、系统状态等消息,并对作战仿真行动做出相应响应。

3) 友邻导弹分队联邦成员。模拟生成协同计划、共享作战态势和协同指令配合等信息、并进行人工干预。

4) 模拟蓝方联邦成员。模拟蓝方部队、阵地部署、战机编队及目标机动等己方态势,并根据任务想定进行态势演进,实时对战场态势进行更新。

5) 仿真态势综合显示联邦成员。具有对作战区域二维、三维战场态势显示能力,能够模拟导弹部队作战,根据主控引导指令进行动态显示,实时生成平台参数、系统状态和监视目标等消息。

6) 仿真评估联邦成员。实时采集作战仿真操作数据及实验数据,可进行数据分析,并对作战效果进行评估分析。

4 仿真系统FOM/SOM表设计

在HLA的对象模型模板(OMT)中,定义了两类对象模型。一类是描述仿真联邦的联邦对象模型(FOM),其主要目的是提供联邦成员间用公共的、标准化的格式进行数据交换的规范,它描述了在仿真运行过程中参与联邦成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交互参数的特性[6];另一类是描述联邦成员的成员对象模型(SOM),它描述了联邦成员可以对外公布或需要订购的对象类、对象类属性、交互类、交互参数的特性,这特性反映了成员参与联邦运行时所具有的能力。开发FOM/SOM的过程,实际就是对交互数据进行建模和抽象的过程[7]。联邦成员发布其它邦员感兴趣的对象类和交互类,订购自己所需的对象类和交互类,由此实现信息交换和互操作。下面以导弹分队作战仿真系统中各联邦成员为例,介绍FOM/SOM及联邦成员接口设计。

4.1 成员对象类及其属性表

成员对象类是指参与联邦交互的成员对象实例,其组成需要涵盖联邦成员交互的所有功能。通过分析,各联邦成员中所涉及的部分对象主要由下表1所示。根据各类之间的具体属性,抽取共有的属性设计出共同基类CEntity类、导演控制CManger类等,以便其他类继承,增加系统的可扩展性和可重用性。

表1 简化的FOM对象类结构表

下一级对象类即继承上一级对象的属性,又具有自身的对象属性。表2是FOM表的主要对象之实体类的属性表。

表2 FOM主要对象之Entity(实体类)属性表

4.2 成员交互类及其参数表

成员交互类是指参与联邦交互的成员交互实例。在系统中,交互类用于控制成员间互操作的组织与协同,交互类是系统交互过程的重要组成部分,它与对象类共同实现系统中所有的交互行为。交互类包括PlanSet(方案设定)、Destory(毁伤情况)、Launch(武器发射)等,其层次关系与设定如表3所示。

表3 简化的FOM交互类表

4.3 接口规范

联邦运行支撑环境RTI是HLA仿真系统进行分层管理控制、实现发布仿真可扩充性的支撑基础,是实现HLA的核心。通过接口规范,该仿真体系结构能够更好地将操作仿真、监控仿真和视景仿真集成于一体。根据接口规范提供六大类服务,使得各操作成员和监控成员间的互操作更加容易、更加合理[8]。

1) 联邦管理服务。首先创建作战仿真联邦,经联邦确认后,联邦成员通过调用RTI接口模块加入到联邦执行;联邦运行结束后,再通过调用RTI接口模块退出联邦执行,退出联邦及其它管理。退出前,该成员持有的实例属性所有权被解除,该成员可以把这些实例属性所有权转移给其它联邦成员,随后交给它们所有权获得权,删除拥有所有权的对象实例[9]。

2) 声明管理服务。联邦成员通过HLA声明管理服务声明发布、订购数据的意图,RTI通过这些声明安排数据路由、转换数据和管理兴趣。

3) 对象管理服务。对象管理服务用于实现数据实际交换。联邦成员使用对象管理服务来发送和接收交互,实现对象实例的注册和发现,属性值的更新和反射。

4) 所有权管理服务。在联邦执行过程中,任一时刻一个实例属性最多只能被一个联邦成员拥有,所有权管理服务用以协调和管理联邦中已注册对象实例属性所有权的转移。在导弹作战仿真联邦中,主要是在各武器的作战使用中,当武器发射时,武器平台实体联邦成员进行实例登记并取得属性所有权;发射后,武器平台实体联邦成员将所有权转移给模型库所有;命中目标或作用时间结束后,模型库联邦成员释放该实体实例属性所有权,放弃对其管理职责,并删除该实例[10]。

5) 时间服务。对时间管理服务的方式选择上,由于系统中成员操作的实现主要按照操作流程进行,同时还须考虑一定时间区间内操作成员间的协同。因此,采用了“接收顺序”和“时戳顺序”混合方式互相协调逻辑仿真时间,实现联邦同步。

6) 数据分发服务。为联邦成员提供了实例层次上的发布与订阅机制,通过匹配数据交互对象间捆绑的对象类属性集/交互类集的方式实现数据分发管理。通过六大类服务使得各操作成员和监控成员间的互操作更加容易、更加合理。

5 系统运行流程

整个系统仿真运行由仿真主控成员统一管理控制,仿真流程可分为四个步骤:

1) 仿真参数配置:为了实现作战仿真,需要设定设备参数及初始状态,然后启动仿真;

2) 联邦成员初始化:创建并加入联邦、对象类和交互类的公布和订购、设置时间机制、注册对象实例等工作;

3) 仿真循环:联邦成员独立进行各自的仿真任务,完成属性更新和数据交互;

4) 退出联邦:仿真结束。

仿真系统的运行流程如图2所示[11]。

图2 仿真系统的运行流程

6 结语

本文是基于仿真运行支撑软件RTI,设计了兼具开放性、可扩展性、交互性和可视化的分布式作战仿真系统。主要研究了针对导弹分队作战仿真系统设计,分析了仿真系统组成的基本要素和一般功能要求,对作战仿真系统进行功能模块划分,设计了系统的总体框架;分析了系统联邦成员的构成,建立了代表成员间所有交互数据组成及其关系的SOM/FOM表,为下一步的仿真开发奠定了基础,也为本地仿真开发中交互数据的传输提供了端口。目前,设计方案已运用于该系统的开发,对作战仿真系统的开发具有重要意义,也对此类作战仿真系统的构建提供借鉴。

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参考文献著录规则

一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

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[2] 李诗灵,陈宁,赵学彧．基于粒子群算法的城市轨道交通接运公交规划[J]．武汉理工大学学报(交通工程与科学版)2010,34(4)780-783． LI Shiling, CHEN Ning, ZHAO Xueyu． Planning of Feder Bus to the Urban Rail Transit Based on Particle Swarm Optimization[J]． Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science & Enginering),2010,34(4):780-783．

参考文献中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。

参考文献的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆ 普通图书(原著): [序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码． [3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193． [4]中国社会科学院语言研究所词典编辑室．现代汉语词典[M]．修订本．北京:商务印书馆,1996:258-260． [5]CRAWFPRD GORMAN M． Future libries: dreams, madnes, &reality[M]． Chicago: America Library Asociation,1995．

◆ 普通图书(译著): [序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码． [6]AGRAWAL G P． 非线性光纤光学[M]．胡国绛,黄超,译．天津:天津大学出版社,1992:179-193． [7]霍斯尼 R K． 谷物科学与工艺学原理[M]．李庆龙,译．2版．北京:中国食品出版社,1989:15-20．

◆ 期刊(有卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码． [8]蒋超,张沛,张永军,等．基于SRLG不相关的共享通路保护算法[J]．光通信技术,2007,31(7):4-6． [9]DIANOV E M, BUFETOV I A, BUBNOV M M, et al． Thre-cascaded 1407nm Raman laserbased on phosphorusdoped silica fiver[J]． OPTICS LETTERS,2000,26(6):402-404．

◆ 期刊(无卷) [序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码． [10]周可,冯丹,王芳,等．网络磁盘阵列流水调度研究[J]．计算机学报,2005(3):319-325． [11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆ 电子文献: [序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径． [12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org． [11]萧钰．出版业信息化迈入快车道[EB/OL]．(2001-12-19)[2002-04-15]．htp:∥www．creader．com/news/200112190019．htm．

四.学位论文与论文集的著录格式

◆ 学位论文: [序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码． [13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆ 论文集: [序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码． [14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163． [15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

Missile Element Operation Simulation System Design Based on HLA

CHEN Dalei1,2BI Yiming1FAN Yangtao1,2ZHOU Hui1

(1. The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025)(2. No. 96425 Troop of PLA, Baoji 721000)

According to the requirements of missile forces operation, combined with the current development of computer simulation technology, based on the analysis of the missile element operation process, the design plan of the missile element operation simulation system based on high level architecture is put forward, the function structure of simulation system is known. The main function of the members in the federal, information interaction relationship between members and the simulation operation process. The system will effectively solve the problem of missile unit combat simulation and effectiveness evaluation faced assit commanders combat simulation, methods of research and effectiveness evaluation. Aiming at the rules and charactersitics of combat simulation in developing, the design of simulation federal and FOM/SOM is mainly studied. It is confirmed that the design is feasible and effective in the development of a missile unit combat simulation system.

HLA, missile element, operation, design

2015年2月14日,

2015年3月24日

陈大雷,男,硕士研究生,研究方向:导弹作战建模与仿真。毕义明,男,教授,博士生导师,研究方向:导弹作战建模与仿真和导弹作战运筹。范阳涛,男,博士研究生,研究方向:导弹作战效能评估、作战建模与仿真。周辉,男,硕士研究生,研究方向:导弹作战建模与仿真。

E927

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.023