肖樹(shù)臣， 陳秀健， 陳 萃， 劉 凡

(空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

飛機(jī)機(jī)載武器管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)裝訓(xùn)練會(huì)造成機(jī)載電子設(shè)備使用壽命縮短，同時(shí)訓(xùn)練時(shí)機(jī)受天氣影響比較大，不利于飛機(jī)設(shè)備的長(zhǎng)期使用?；趯?shí)裝訓(xùn)練的缺點(diǎn)，現(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都在積極開(kāi)發(fā)各種系統(tǒng)的地面模擬器，美國(guó)在仿真領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。相對(duì)于實(shí)裝訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練具有安全、經(jīng)濟(jì)、可控、可多次重復(fù)、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)不受氣候條件和場(chǎng)地空間限制、既能常規(guī)操作訓(xùn)練，又能培訓(xùn)處理各種故障(包括災(zāi)難性故障)的應(yīng)變能力以及訓(xùn)練的高效率、高效益等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。結(jié)合飛機(jī)機(jī)載武器管理系統(tǒng)分布性、重用性、交互性的特點(diǎn)和模擬器的設(shè)計(jì)要求，利用HLA仿真的聯(lián)邦成員之間的互操作性和仿真模型與部件的重用，設(shè)計(jì)了基于HLA機(jī)載武器管理仿真系統(tǒng)。

1HLA

美國(guó)國(guó)防部于1995年發(fā)布了建模與仿真主計(jì)劃(M＆S Master Plan，MSMP)，決定在國(guó)防部范圍內(nèi)建立一個(gè)通用的仿真技術(shù)框架來(lái)保證國(guó)防部范圍內(nèi)的各種仿真應(yīng)用之間的互操作性。技術(shù)框架的核心是高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)。HLA在1996年8月完成基礎(chǔ)定義，隨后被北約各國(guó)采納，并于2000年9月被IEEE接受為標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)國(guó)防部規(guī)定2001年后所有國(guó)防部門(mén)的仿真必須與HLA相容。

HLA充分利用了交互仿真部件之間的互操作性和部件個(gè)體的可重用性。DMSO HLA 1.3規(guī)范主要由3部分組成:HLA規(guī)則(HLA Rules);HLA接口規(guī)范(Interface Specification);HLA對(duì)象模型模板(Object Model Template，OMT)［1－4］。

HLA規(guī)則共有10條，前5條規(guī)定聯(lián)邦必須滿足的要求，后 5條規(guī)定聯(lián)邦成員必須滿足的要求［5－6］。HLA接口規(guī)范定義了聯(lián)邦在運(yùn)行過(guò)程中，支持聯(lián)邦成員之間互操作的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。這些服務(wù)分為6大類，即聯(lián)邦管理服務(wù)、聲明管理服務(wù)、對(duì)象管理服務(wù)、時(shí)間管理服務(wù)、所有權(quán)管理服務(wù)和數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)。HLA OMT定義了兩類對(duì)象模型:1)聯(lián)邦對(duì)象模型(FOM);2)聯(lián)邦成員的成員對(duì)象模型(SOM)。

2 基于HLA的武器管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)研制目標(biāo)

系統(tǒng)旨在建立一個(gè)可視化的，具有交互性和重用性強(qiáng)的某型飛機(jī)機(jī)載武器管理系統(tǒng)的分布式仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬該機(jī)機(jī)載武器真實(shí)的發(fā)射控制流程，用于對(duì)空軍飛行人員和地面人員訓(xùn)練使用。達(dá)到使訓(xùn)練人員快速熟悉武器系統(tǒng)的操作流程，并且能夠設(shè)置故障，讓操作人員將來(lái)能夠在真實(shí)設(shè)備上快速排故，提高快速反應(yīng)能力和整體戰(zhàn)斗力。

2.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1)具有良好的互操作性和可擴(kuò)充性，為以后該型飛機(jī)其他仿真系統(tǒng)(如:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng))的接入留有接口并做好準(zhǔn)備，方便其他聯(lián)邦成員的設(shè)計(jì)和進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。

2)具有分布性，各個(gè)子系統(tǒng)要相對(duì)獨(dú)立，可以進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)發(fā)和操作，具備與真實(shí)設(shè)備相同的控制顯示功能。

3)具有良好的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)連接真實(shí)的武器設(shè)備，要求控制指令與反饋操作實(shí)時(shí)性好，模擬真實(shí)武器發(fā)射控制。

4)具有逼真的可視化效果，具有友好的人機(jī)交互界面，武器發(fā)射形象逼真。

5)具有良好的可靠性、可維護(hù)性，方便操作人員使用維護(hù)，具有很高的可利用率［7］。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高層體系結(jié)構(gòu)HLA代表著未來(lái)分布式交互仿真的發(fā)展方向，其宗旨是提高仿真系統(tǒng)之間的可重用性和互操作性，以利于仿真系統(tǒng)的重構(gòu)。而HLA只是一種軟件體系結(jié)構(gòu)，不是軟件實(shí)現(xiàn)，真正的實(shí)現(xiàn)是運(yùn)行支撐環(huán)境RTI(Run Time Infrastructure)。RTI負(fù)責(zé)底層的信息通訊，使仿真應(yīng)用與底層通訊相分離，便于各個(gè)聯(lián)邦成員的單獨(dú)開(kāi)發(fā)，使得仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率大大提高，它在仿真執(zhí)行過(guò)程中負(fù)責(zé)聯(lián)邦成員間的信息交換，包括了運(yùn)行庫(kù)函數(shù)。

通過(guò)對(duì)該仿真系統(tǒng)的分析研究，將該系統(tǒng)劃分為4個(gè)聯(lián)邦成員，分別是仿真控制聯(lián)邦成員、座艙顯示控制聯(lián)邦成員、機(jī)載武器聯(lián)邦成員、視景仿真聯(lián)邦成員。4大聯(lián)邦成員的模型和功能如下。

1)仿真控制聯(lián)邦成員。對(duì)仿真初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，運(yùn)行RTI創(chuàng)建聯(lián)邦，機(jī)載武器的選擇和掛載方案的設(shè)定，并且負(fù)責(zé)整個(gè)仿真過(guò)程的開(kāi)始和結(jié)束。

2)座艙顯示控制聯(lián)邦成員。模擬真實(shí)駕駛員座艙，為操作員提供與真實(shí)飛機(jī)相同的、并且與真實(shí)武器控制面板相同的操作按鈕和控制面板，主要用于提供對(duì)機(jī)載武器進(jìn)行控制的一切控制信息，控制武器的選擇和投放。座艙顯示控制聯(lián)邦成員用GL Studio制作，仿真效果如圖1所示。

圖1 座艙顯示控制Fig.1 Cabin display control

3)機(jī)載武器聯(lián)邦成員。真實(shí)的機(jī)載武器實(shí)體，可掛載炸彈、火箭彈和導(dǎo)彈，主要是在地面對(duì)機(jī)載武器進(jìn)行充填裝載，模擬真實(shí)飛機(jī)武器的掛載。

4)視景仿真聯(lián)邦成員。對(duì)裝載的機(jī)載武器進(jìn)行逼真顯示，主要模擬武器從飛機(jī)上的投放過(guò)程，使仿真更具生動(dòng)性。

基于HLA的體系結(jié)構(gòu)要求和RTI的運(yùn)行支撐環(huán)境，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of system

3 聯(lián)邦建模開(kāi)發(fā)

3.1 系統(tǒng)想定

仿真控制聯(lián)邦成員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始裝訂，當(dāng)模型飛機(jī)遭遇敵機(jī)時(shí)或轟炸地面目標(biāo)時(shí)，操作人員通過(guò)操作模擬座艙仿真面板產(chǎn)生武器控制信號(hào)，通過(guò)通信系統(tǒng)，控制信號(hào)傳給機(jī)載武器聯(lián)邦成員，武器系統(tǒng)做出響應(yīng)的投射響應(yīng)，然后該響應(yīng)傳給座艙顯示控制聯(lián)邦成員和視景仿真聯(lián)邦成員，顯示武器已經(jīng)投放。

3.2FOM/SOM 設(shè)計(jì)

FOM和SOM的設(shè)計(jì)通常在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前完成，它們是聯(lián)邦運(yùn)行的基礎(chǔ)。FOM/SOM設(shè)計(jì)的好壞直接影響著系統(tǒng)運(yùn)行的效率和好壞，如果FOM中對(duì)象類結(jié)構(gòu)劃分不合理，將使聯(lián)邦應(yīng)用的重用性不好、整個(gè)仿真系統(tǒng)不易重構(gòu)，如果FOM中冗余信息多，則會(huì)導(dǎo)致聯(lián)邦成員編程復(fù)雜度提高、網(wǎng)絡(luò)通信量增大、時(shí)延增加等不良后果。

FOM(聯(lián)邦對(duì)象模型)的主要目的是提供聯(lián)邦成員之間用共用的、標(biāo)準(zhǔn)化的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的規(guī)范，描述仿真聯(lián)邦的聯(lián)邦對(duì)象模型在仿真運(yùn)行過(guò)程中將參與聯(lián)邦成員信息交換的對(duì)象類、對(duì)象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性［8］。HLA SOM(成員對(duì)象模型)是單一聯(lián)邦成員的對(duì)象模型，它描述了聯(lián)邦成員可以對(duì)外公布或需要訂購(gòu)的對(duì)象類、對(duì)象類屬性、交互類、交互參數(shù)的特性，這些特性反映了成員在參與聯(lián)邦運(yùn)行時(shí)所具有的能力。

在眾多的FOM和SOM設(shè)計(jì)方法中，基于面向?qū)ο?OOAD)的設(shè)計(jì)方法是最適合的，基于面向?qū)ο蟮腇OM/SOM 設(shè)計(jì)方法一般步驟［9－11］如下。

1)確定聯(lián)邦執(zhí)行中的實(shí)體類型和事件響應(yīng)。機(jī)載武器管理仿真系統(tǒng)中的實(shí)體由仿真控制平臺(tái)、座艙顯示控制平臺(tái)、機(jī)載武器管理平臺(tái)和視景仿真平臺(tái)組成。所發(fā)生的事件響應(yīng)有武器初始狀態(tài)裝訂、操作員發(fā)射武器控制指令、武器狀態(tài)傳遞、目標(biāo)狀態(tài)傳遞等。

2)分析仿真任務(wù)，確定聯(lián)邦成員及其仿真中的實(shí)體類型。根據(jù)分析結(jié)果，將聯(lián)邦執(zhí)行中所要完成的任務(wù)以及各個(gè)聯(lián)邦成員所要進(jìn)行的仿真實(shí)體和所要完成的任務(wù)進(jìn)行分解和剖析。

3)確定FOM中的對(duì)象類和交互類。根據(jù)聯(lián)邦概念模型和劇情模型，確定聯(lián)邦中的對(duì)象類和交互類。

4)確定對(duì)象類屬性和交互類參數(shù)的特性。

5)生成SOM表確定SOM中每個(gè)對(duì)象類的屬性和每個(gè)交互類的參數(shù)，綜合SOM，生成FOM。

開(kāi)發(fā)FOM和SOM可采用OMDT軟件。OMDT是一種專門(mén)用于開(kāi)發(fā)HLA的FOM和SOM的對(duì)象類和交互類以及其屬性的開(kāi)發(fā)軟件，可以生成“.fed”文件，作為RTI識(shí)別聯(lián)邦交互數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)。OMDT便于模型的建立、修改、生成和管理，便于對(duì)已開(kāi)發(fā)的仿真資源的再利用，能夠促使建模走向標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)對(duì)仿真系統(tǒng)的分析，系統(tǒng)中的對(duì)象類有仿真控制面板、機(jī)載武器類、武器控制面板、視景仿真界面;子類有武器狀態(tài)類、掛載武器類型、武器選擇按鈕、武器投放開(kāi)關(guān)、總電門(mén)控制開(kāi)關(guān)、單連投按鈕等。具體如表1所示。

表1 對(duì)象類SOM表Table 1 SOM table of object class

交互信息主要說(shuō)明了相互關(guān)聯(lián)的聯(lián)邦成員發(fā)出了什么控制指令，正在做什么，已經(jīng)做過(guò)什么以及仿真過(guò)程推進(jìn)到什么階段，以此維護(hù)聯(lián)邦成員之間操作一致性和時(shí)空一致性［12］。交互類有:武器選擇交互、武器投放交互。

SOM的公布/訂購(gòu)關(guān)系如表2所示，P代表公布(Publish)、S代表訂購(gòu)(Subscribe)。

表2 SOM公布/訂購(gòu)關(guān)系Table 2 SOM Publish(P)/Subscribe(S)

4 仿真系統(tǒng)的程序?qū)崿F(xiàn)

RTI運(yùn)行時(shí)，需要兩個(gè)配置文件:一個(gè)是聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)執(zhí)行文件(Federation Execution Date，F(xiàn)ED)，F(xiàn)ED文件由OMDT產(chǎn)生;另一個(gè)是RTI初始化文件(RTI Initialization Data，RID)。FED文件包含了來(lái)源于FOM中的信息，包括聯(lián)邦中各個(gè)聯(lián)邦成員的對(duì)象類、交互類、對(duì)象類屬性、交互類參數(shù)和路徑空間等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息。在使用“Create Federation Execution”服務(wù)時(shí)，需要指定FED文件所在的路徑和文件名。當(dāng)調(diào)用“Create Federation Execution”服務(wù)后，F(xiàn)ED文件中的信息被讀取、解析，并存儲(chǔ)在一個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中［13］。

RTI主要由RTI全局執(zhí)行進(jìn)程RtiExec、聯(lián)邦執(zhí)行進(jìn)程FedExec、LibRTI庫(kù)組成。RtiExec是一個(gè)全局進(jìn)程，主要功能是管理聯(lián)邦的創(chuàng)建、結(jié)束以及管理多個(gè)不同的聯(lián)邦。FedExec管理聯(lián)邦成員的加入與退出。LibRTI是一個(gè)接口函數(shù)庫(kù)，它為開(kāi)發(fā)者提供HLA接口規(guī)范中所描述的服務(wù)，該庫(kù)包括兩個(gè)主要類:RTIambassador(RTI大使)和 FederateAmbassdor(聯(lián)邦成員大使)［14］。

圖3 系統(tǒng)主仿真流程圖Fig.3 Flow chart of main simulation system

仿真主代碼如下

5 結(jié)論

以飛機(jī)機(jī)載武器管理系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)對(duì)象，開(kāi)發(fā)了一套基于HLA的某型飛機(jī)機(jī)載武器管理仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)以HLA作為分布式仿真軟件體系結(jié)構(gòu)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了仿真系統(tǒng)4個(gè)聯(lián)邦成員，對(duì)成員進(jìn)行了深入剖析。開(kāi)發(fā)了基于聯(lián)邦成員的聯(lián)邦對(duì)象模型和仿真對(duì)象模型，設(shè)計(jì)了對(duì)象類和交互類，給出了仿真流程圖，簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)了流程代碼。進(jìn)一步需要做的工作是完善聯(lián)邦模塊，使仿真趨于實(shí)際化，加深研究仿真的時(shí)間推進(jìn)機(jī)制，提高仿真的時(shí)效性和逼真度。

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