張念發(fā)，滕建民，李璐璐，林 煒

（裝甲兵學院，安徽 蚌埠 233050）

0 引言

從硬件角度考慮，系統(tǒng)體系結構直接決定著系統(tǒng)的許多重要技術指標，如系統(tǒng)是否穩(wěn)定、運行效率如何、是否支持擴展等。裝備仿真的硬件體系結構經歷了中央控制體系結構、客戶機/服務器體系結構和分布式控制體系結構三個發(fā)展階段，從技術角度來看，前二者均屬于集中式控制體系結構。因此，從實質上來講，本文對坦克通信訓練系統(tǒng)的體系結構研究主要是對集中式控制體系結構與分布式控制體系結構應用的對比研究。

1 集中式控制體系結構分析

目前，集中式控制是一種技術非常成熟、應用非常廣泛的體系結構，在變電站、鍛壓機床、油庫精確發(fā)油自動控制系統(tǒng)，乃至轎車座椅和后視鏡等控制系統(tǒng)中均占有非常重要的地位。但是從近年來的整體發(fā)展趨勢來看，其地位和作用正在逐漸被分布式體系結構所代替[1]。國內早期的虛擬電臺系統(tǒng)（現該系統(tǒng)已退出了歷史舞臺）采用的即是集中式控制結構，該結構的應用主要受限于當時的計算機技術水平，與當時的主流技術手段接軌，只能采用集中式控制系統(tǒng)而不可能開發(fā)出功能復雜的分布式虛擬電臺系統(tǒng)，早期計算機性能和可靠性較低，兼之其價格昂貴，采用多部計算機作獨立終端，增加了研發(fā)推廣成本和用戶經濟負擔。

1.1 中央控制體系結構

集中式控制體系的發(fā)展經歷了中央控制體系結構和客戶機/服務器（C/S）體系結構兩個階段，繼而演化為現在的分布式控制系統(tǒng)，體系結構漸趨合理，資源配置越來越優(yōu)化，技術水平也越來越高[2]。國內的虛擬電臺系統(tǒng)在體系結構選擇上也經歷了類似的發(fā)展過程，其最初的中央控制體系結構見圖1。

圖1 中央控制體系結構示意圖

在中央控制體系結構中，終端用戶利用硬件開關、控制器、電纜線等設備模擬電臺開關旋鈕、控制盒和車內通話器等，通過并行數據線將各個開關觸點的閉合狀態(tài)經系統(tǒng)總線傳送至中央通信總控，由通信總控對該傳送終端動作和終端狀態(tài)進行匹配后，運算出各個終端用戶當前應有的動作行為，并經系統(tǒng)總線將各模擬電臺狀態(tài)數據傳送至各個終端，由終端做出響應。

具有中央控制的系統(tǒng)通常為半實物仿真，其操作方法與實裝電臺極為相似，觸感逼真，訓練教學效果好，采用硬件設備仿真，傳輸延時極其微小，實時性能非常好。如通信總控中負責控制電臺開關狀態(tài)的多為硬件開關陣列，產生的模擬信號多路分配傳送，對終端用戶的開關操作響應極為迅速，在技術水平受限時，確實不失為一種優(yōu)秀的體系結構。該體系結構除了具有上述優(yōu)點外，其缺點也是顯而易見的。

（1）使用硬件設備多，容易導致系統(tǒng)癱瘓。該系統(tǒng)主要由計算機、中心控制箱、音箱、耳機、麥克風、系統(tǒng)總線、通信控制器、通信電纜等硬件設備組成，且硬件設備數量隨著終端用戶數量的增多而增多，龐大數量的用戶終端加重了對中央控制計算機的壓力，由于中央通信總控故障極易導致系統(tǒng)癱瘓。

（2）使用實體線連接，系統(tǒng)結構頗為復雜。硬件設備之間、硬件設備與中央總控之間多使用并行數據線、串行數據線以及通信電纜等連接，連線數量龐大、可靠性低，長時間操作使用容易形成單點甚至多點故障。非專業(yè)人員對該連線下的體系結構難以辨識，系統(tǒng)出現故障后，只能由專業(yè)人員來進行修理、維護，并且檢測維修工作量大，任務繁重。

（3）信號傳輸可靠性低，易受作業(yè)環(huán)境干擾。該通信線路中傳輸的信號主要為模擬信號，其主要特點是信號穩(wěn)定性差，容易被作業(yè)環(huán)境中電器設備（如計算機、手機、發(fā)電機、電動機等）的電磁、傳輸并行線路間的信號及環(huán)境中的白噪聲干擾，并且在經過放大器多級放大轉接后，產生的信號噪聲較大。

（4）受技術工藝限制，系統(tǒng)可擴展性差。具有中央控制器設備的集中式控制體系結構決定了其可負載的終端設備數量有限，不可能組織大規(guī)模集中通信指揮專業(yè)訓練，而且系統(tǒng)硬件結構一旦定型，將不可能多次重復增添終端設備，并且生產出來的設備很難進行擴展，系統(tǒng)重復利用或擴大規(guī)模利用的可能性很低。

（5）受軟硬件體系制約，系統(tǒng)升級較為困難。該結構特點決定了硬件設備多（如開關電路、輔助通信設備、電子元器件等），設備連接線路復雜，通信總控固化軟件功能升級較難，系統(tǒng)升級換代難度大。

（6）集中式結構特點，導致應用場所受限。集中式結構的虛擬電臺系統(tǒng)，通常需要配備一空間較大、干擾較小（最好無干擾）的中心控制室，其終端可位于該控制室內，也可位于其他場所，但受布線規(guī)模限制，其距離不可過遠。在當前部隊營房建設緊張的狀況下，這種布局結構大規(guī)模推廣應用受到了限制，為基層部隊的訓練帶來了難題。

1.2 客戶機/服務器（C/S）體系結構

針對中央控制體系結構存在的問題，結合計算機技術的發(fā)展，出現了基于客戶機/服務器（C/S）的體系結構。與中央控制體系結構相比，其優(yōu)勢在于：

（1）硬件設備得到優(yōu)化。其終端用戶不再使用模型化（如硬件開關、通信控制器）的硬件設備，取而代之的是計算機系統(tǒng)，即用安裝有虛擬電臺系統(tǒng)的計算機來模擬實裝電臺，用麥克風模擬手機或喉頭送話器，用耳機模擬工作帽等。該終端硬件系統(tǒng)較好地降低了終端的故障率，裝備使用壽命大幅延長。

（2）系統(tǒng)布線相對簡單。以計算機作為終端后，類型各異的通信電纜被接口標準化的網線所代替，不僅布線規(guī)模、工序得到了簡化，而且還可以借助于單位局域網進行布線或應用其原有網絡布局，其體系結構也更加簡潔明了，系統(tǒng)維護也比較容易，一般經過專業(yè)培訓的網絡管理人員即可勝任。

（3）終端場所按需配置。由于終端用戶為計算機，其應用場所不再受場地和距離限制，可以按照訓練需求靈活配置，如模擬排車乘員間的訓練，一般需要在同一室內，而營連以上組網訓練即可根據營房建設實際按需配置，使訓練組織與管理更加便捷。

（4）系統(tǒng)可擴展性增強。由于采用了網絡布線方式，接口實現了標準化，并且其場所也不再局限于單一的控制室內，因此系統(tǒng)具備了一定的擴展性，但是其可擴展數量仍受限于中央通信總控的性能。

盡管客戶機/服務器（C/S）體系結構與集中式控制體系結構相比有了明顯改善，但仍然存在著較為明顯的不足，主要表現為：

（1）跨交換機組網訓練受限。受當時技術水平限制，通信的終端用戶必須位于同一個局域網內，跨交換機通信組網還無法實現，也就是說，跨樓宇、跨營區(qū)的聯網通信訓練無法進行，這導致基層部隊通信組網訓練的規(guī)模受到限制。

（2）系統(tǒng)實時性明顯變差。C/S體系結構中仍保留有中央通信總控，各個終端產生的信號，特別是產生的大量實時語音信號必須經中央通信總控處理后再分別傳送至各個通信終端，網絡通信延時較長。系統(tǒng)實時性主要由網絡傳輸速度和系統(tǒng)處理性能等因素決定，因此其與中央控制體系結構相比，實時性明顯變差。

（3）系統(tǒng)通信總控負荷過重。由于系統(tǒng)具備了一定的可擴展性，終端用戶數量增長明顯，需要通信總控處理的數據量越來越大，導致其負荷過重，嚴重影響了系統(tǒng)通信總控的使用壽命，而且一旦出現故障，將會導致整個系統(tǒng)癱瘓。在實際操作中，通常配有備用機，以避免類似事故的發(fā)生，這無形中增加了經濟投入。

圖2 客戶機/服務器控制體系結構示意圖

圖2即為以客戶機/服務器（C/S）體系結構構建的虛擬電臺仿真系統(tǒng)示意圖。盡管該控制體系解決了中央控制體系結構存在的諸多問題，但是需要改進的技術難點仍有不少，尤其是中央通信總控故障風險問題仍未得到有效解決，同時為了更好地滿足部隊通信專業(yè)訓練需要，一種新的更為先進的體系結構——分布式控制體系結構應運而生。

2 分布式控制體系結構分析

客觀來講，集中式控制與分布式控制兩種結構各有優(yōu)勢，不能絕對地說哪種技術更好。如在分布式數控系統(tǒng)中，以分布式結構來提高系統(tǒng)實時交互性卻沒有使其系統(tǒng)可靠性提高，反而增加了一定的風險。因為系統(tǒng)中只要一個子系統(tǒng)失效，將導致整個系統(tǒng)的癱瘓[3]。又如采用全硬件的半實物系統(tǒng)仿真構建的系統(tǒng)實時性，明顯優(yōu)于分布式控制體系結構和客戶機/服務器（C/S）體系結構。因此，應結合需求對比分析以進一步做出選擇。

以虛擬電臺系統(tǒng)仿真為例，如果采用分布式控制體系結構來構建，與集中式控制體系結構最大的不同點在于去掉了中央通信總控，優(yōu)化了系統(tǒng)的體系結構，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，與C/S體系結構相比也在一定程度上提高了系統(tǒng)的實時性。

因此，采用分布式控制體系結構構建坦克通信訓練系統(tǒng)，能夠更好地實現其功能，提高其性能，對系統(tǒng)硬件、配置場所、管理人員要求也不高，是一種切實可行的設計方案。

3 分布式控制仿真體系結構構建

近年來，計算機技術水平的迅速提升和計算機等硬件設備價格大幅下降，使得采用分布式控制技術開發(fā)虛擬電臺仿真系統(tǒng)成為可能。分布式控制技術與C/S控制技術相類似，是指每個用戶終端設置一臺計算機，并分別安裝虛擬電臺仿真系統(tǒng)，獨立完成相應的任務。在整個體系結構中，任何一臺主機均是服務器，也是客戶機，各個計算機之間是對等關系。

據此，構建坦克通信訓練系統(tǒng)分布式控制體系結構如圖3所示。

圖3 分布式通信控制體系結構示意圖

4 分布式控制仿真體系結構優(yōu)點分析

分布式控制結構正被越來越多的系統(tǒng)分析、架構人員所青睞和應用，在軟件、硬件系統(tǒng)仿真體系構建中發(fā)揮著越來越大的作用，這主要得益于其顯著的優(yōu)點。從坦克通信裝備仿真體系結構構建角度來看，其優(yōu)點主要體現在以下幾個方面：

（1）優(yōu)化了系統(tǒng)體系結構。系統(tǒng)實現了以分布式控制方式對系統(tǒng)控制平臺負荷處理的分擔，對中心控制臺的性能需求變?yōu)閷Ω饔脩艚K端的性能需求，系統(tǒng)不再需要中央總控，任何一臺主機均是服務器，也是客戶機，相互之間的對等性也無形中降低了對硬件性能的剛性需求。

（2）提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用分布式控制，各終端自成體系，相互獨立運行，消除了由于中心控制臺故障而導致系統(tǒng)無法運行的風險，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；由于采用的是獨立控制原則，任一臺終端出現問題，均不會影響系統(tǒng)正常運行，這與坦克電臺實際通信狀況相吻合。在分布式控制方式中，由于每臺計算機任務獨立，使得其功能分散、危險分散，具有較高的可靠性。

（3）簡化了運維管理工序。國內已有的虛擬電臺系統(tǒng)其顯著特征之一是電纜數量多、連接復雜，其布線難度大，系統(tǒng)維護人員需要專門培訓。采用分布式控制結構，以訓練單位有線以太網通信，替代由通信電纜連通的虛擬電臺來模擬實裝電臺的無線通信，簡化了安裝工序，減少了對各型電纜的需求，平時只需對網絡進行維護，工作量小，簡單易行，效果較好。

（4）消除了系統(tǒng)擴展難題。已有虛擬電臺系統(tǒng)一旦定型生產，如果因為訓練教學等需要進行動態(tài)擴展，則需重新設計修改該系統(tǒng)，浪費人力、物力和財力。而分布式結構的仿真系統(tǒng)由于借助以太網，相互間不存在依賴性，使系統(tǒng)具有很好的模塊化結構，更易于擴展。并且隨著網絡技術的發(fā)展，網絡帶寬已經不能成為系統(tǒng)擴展的瓶頸，如當前基層部隊網絡帶寬一般為100M，許多單位甚至已經升級到了千兆乃至萬兆，為系統(tǒng)的正常運行和擴展升級提供了有力支持。

（5）降低了系統(tǒng)升級的難度。在傳統(tǒng)的集中式控制體系結構下，系統(tǒng)升級一般需要進行更換硬件設備以進行硬件環(huán)境升級，改進控制系統(tǒng)軟件和終端用戶軟件以進行軟件環(huán)境升級，同時還需要進行硬件換件測試和軟件編程調試，其流程和工序非常復雜，并且固件升級要求其兼容性和穩(wěn)定性必須進行周期測試，整個系統(tǒng)的升級換代時間周期較長，效率低下。采用分布式控制體系結構，去除了中央通信總控和終端硬件設備，系統(tǒng)升級只需進行客戶端軟件環(huán)境升級，無論是工作量還是升級內容，都得到了很好的解決。

5 結論

通過以上分析可以看出，使用分布式控制體系結構構建坦克通信訓練系統(tǒng)將是必然趨勢，并且在未來的一段時期內，軍用裝備仿真將會是集中式控制體系結構與分布式控制體系結構并存的時代，二者相輔相成，互為補充，共同構建逼真、穩(wěn)定、高效的仿真系統(tǒng)。

［1］嚴偉雄．電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)分布式控制方式應用研討［J］．電子技術，2011，38（1）：13-14．

［2］季誠．基于分布式控制的背景音樂系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設計［D］．南京理工大學，2006．

［3］陳寶萍，鐘慶，陳柏金．鍛壓設備數控系統(tǒng)體系結構的研究和發(fā)展過程［J］．鍛壓技術，1997，22（5）：38-42．