張永勝

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

模擬訓練已成為現(xiàn)代軍事訓練中的一種重要手段。為了滿足海軍訓練的需求，提高訓練的可信度，需要研制逼真度更高的模擬訓練設備。

研制訓練模擬器材有兩種方案:一種是采用實裝，另一種是采用模擬設備。采用實裝設備，是訓練逼真度高，但采購實裝的費用高昂，無法修改實裝內部嵌入的作戰(zhàn)軟件，仿真控制及重演很難實現(xiàn)。如果在研發(fā)作戰(zhàn)軟件的初期考慮這些問題，可以部分解決仿真控制的問題。采用仿真設備，成本相對實裝要低廉得多，對仿真的控制和重演功能很容易實現(xiàn)，但訓練的逼真度有一定程度的降低，需要增加對實裝設備模擬的研究工作。如果能捕獲實裝戰(zhàn)術軟件的一些功能則可以部分解決這個問題。在訓練設備的研制工作中，必須綜合考慮各方面的需求，選擇最優(yōu)化的方案設計滿足訓練要求的設備。

反潛導彈發(fā)射系統(tǒng)是驅護艦裝備的新型反潛武器系統(tǒng)，為驅護艦提供遠程的反潛能力。在該武器系統(tǒng)模擬設備的研制過程中，綜合考慮各種需求，采用基于組件的開發(fā)方法設計了混合配置的反潛武器作戰(zhàn)系統(tǒng)訓練模擬系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅包括仿真設備，還包括實裝的火控設備。由于新設計的系統(tǒng)將兩個獨立的結構整合成一個系統(tǒng)，因此需要軟件構架的獨特設計。

本文首先介紹了組件技術的特點優(yōu)勢，分析了反潛導彈發(fā)射系統(tǒng)的功能類型，并建立了基于組件開發(fā)方法的混合反潛武器訓練模擬器體系結構，詳細描述了系統(tǒng)組成等，為類似系統(tǒng)建設提供借鑒。

1 基于組件的開發(fā)

面向組件的開發(fā)是在面向對象技術的基礎上發(fā)展起來的，將一個系統(tǒng)分解到多個組件能夠獲得更多的可復用性、可擴展性和可維護性。因此，面向組件編程無可爭議地成為軟件開發(fā)的主流。

1.1 基于組件的開發(fā)

基于組件的開發(fā)(CBD)，也稱為基于組件的軟件工程(CBSE)，是軟件工程方法學的一個分枝。CBSE可以理解為:在一定組件模型的支持下，重用組件庫中的一個或多個軟件組件，通過一般化、特殊化或組合等手段高效率、高質量地構造應用軟件系統(tǒng)的過程［1］。

組件是一個可獨立開發(fā)和部署的軟件單元，封裝了設計與實現(xiàn)，可由第三方進行組合，通過接口向外界提供服務。它通常包括組件接口和組件實現(xiàn)兩個部分。其中，組件接口負責描述對外需要的功能和對外提供的服務，組件實現(xiàn)負責描述組件的具體計算功能。

1.1.1 組件技術的特點［2-4］

組件技術是在面向對象技術的基礎上發(fā)展起來的，組件化程序設計的核心就是將一個應用系統(tǒng)切分成多個組件，這些組件保持一定的功能獨立性，可以使用不同的開發(fā)工具分別開發(fā)，組件間的協(xié)同工作是通過組件間的接口來完成的［3］，它主要具有以下優(yōu)勢。

1)組件易替換 在龐大復雜的應用程序中，使用組件技術將程序分成一個個組件模塊，在進行程序修改及升級時，可以只修改或替換相關的組件，而不影響其他眾多的程序組件。

2)可實現(xiàn)二進制代碼重用 組件之間可以在二進制級別上進行集成和重用，只需一次編寫代碼而多處應用。

3)有助于并行開發(fā) 一個大型應用系統(tǒng)由許多組件組成，這些組件的實現(xiàn)可以并行進行，只要接口設計正確，建立這些組件之后他們將能順利配合。

1.1.2 基于組件技術的軟件開發(fā)過程

基于組件的開發(fā)首先構造出軟件的總體架構，然后根據(jù)組件重用技術，在架構上根據(jù)需要組裝上所需功能的組件，最后形成應用程序。

當今，現(xiàn)代可重用組件封裝了數(shù)據(jù)結構和應用于數(shù)據(jù)結構的算法。它是基于軟件對象、軟件結構、軟件構架和軟件設計模式、面向對象的編程以及面向對象設計等擴展的先驗理論建立起來的。它要求軟件組件要向通信中使用的硬件組件的思想一樣，最終能夠具備可交換和高可靠的性能。

對于反潛武器作戰(zhàn)訓練模擬系統(tǒng)，在系統(tǒng)研制的初期確立了基于組件開發(fā)方法的開發(fā)策略，建立了一個有效的架構來保證軟件的重用性和擴展性。

1.2 M＆S架構

軟件架構可定義為可重復使用的特定類和服務的集合，它也提供應用的邏輯結構。為了識別建立反潛軟件(ASW)架構應用必須的公共組件，使用了面向對象的建模方法。通過使用案例分析捕獲的功能組件在一個詳細設計框架中重新組織和應用。

基于面向對象的開發(fā)方法是一種強有力的開發(fā)方法，它在模塊化、可復用性、可擴展性、反向控制等方面有其特有的優(yōu)越性。采用基于框架的方法開發(fā)軟件，可以以框架為復用部件的基本單元來實現(xiàn)軟件工業(yè)化生產，有效地降低軟件開發(fā)的成本，提高生產效率和軟件可靠性，尤其對特定領域復雜系統(tǒng)的高可靠專用軟件更具有實用價值，為這些特定領域的軟件開發(fā)提供了一種強有力的技術支持。

2 系統(tǒng)組成和結構

綜合考慮成本和訓練需求，反潛武器作戰(zhàn)系統(tǒng)訓練模擬系統(tǒng)采用了混合的配置，即部分設備采用了實裝，部分采用模擬設備。

為了提高系統(tǒng)的可信度，反潛導彈發(fā)射系統(tǒng)(VLA)和艦載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)，在網絡結構中使用了不作任何修改的實裝C2網絡。為了增加訓練控制的靈活性，在系統(tǒng)結構中采用了仿真網絡。為了模擬艦載反潛武器的武器和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)SLTS，也同時配置了SLTS控制板和發(fā)射系統(tǒng)。

基于M＆S構架，反潛導彈及其發(fā)射系統(tǒng)模擬器的應用結構設計為具有三個獨立的層。所有仿真應用應該由用戶接口、模型和網絡接口三個層次組成。這三個層次的架構保證了在需要修改用戶接口和網絡接口時，對軟件模塊的改動最小。

2.1 混合訓練結構

為了滿足訓練需求，發(fā)射控制訓練模擬器設計為混合配置，既包含實裝火控設備，又包括仿真設備。這種混合訓練結構將兩個分立的結構整合成一個系統(tǒng)，需要進行軟件構架的特殊設計?；旌嫌柧毥Y構有四個層:訓練控制層、仲裁層、實裝設備層、模擬設備層。如圖1所示。

在訓練控制層中訓練控制計算機(TCC)完成系統(tǒng)模擬器仿真控制器功能。

由于從兩個不同網絡收發(fā)的所有數(shù)據(jù)應當由作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(CSS)和系統(tǒng)鏈接計算機(SLC)管理，仲裁層在混合訓練構架中擔任重要的角色。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器設計成位于仿真網絡和C2網絡的中間，在兩個網絡之間進行仲裁。由于作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器是發(fā)射控制臺(LC)和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)到仿真網絡的唯一路由，為了將發(fā)射控制臺(LC)和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)報告的信息發(fā)送到訓練控制計算機，需要將這些信息在作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器中合成。SLC設計為有效率控制訓練模擬器新配置的模擬設備。在混合訓練結構設計中引入SLC使得對仿真結構的修改最小。

三個實裝設備為反潛導彈控制臺(MCC)、發(fā)射控制臺和船載魚雷發(fā)射控制板(SLCP)，在訓練仿真器中不作任何修改的使用。在訓練環(huán)境中設計了一個嵌入式訓練設備來激活。

圖1 混合訓練結構的層次

2.2 軟件結構

2.2.1 訓練控制計算機(Training Control Computer)

訓練控制計算機(TCC)完成仿真想定編輯、仿真進程控制、仿真數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄等功能。訓練控制計算機軟件包括四個功能處理模塊:前端、記錄器、EDMS和后端，如圖2所示。訓練控制計算機前端有三個功能組件:仿真控制、想定管理、通信中間件模塊。首先，想定管理模塊產生想定文件。該想定文件使用擴展XML標準。仿真控制模塊控制仿真的整個行為。訓練控制計算機EDMS包括對象建模，通信中間件模塊。對象建模模塊僅對潛艇對象、反潛對象、導彈對象建模，也可很容易地增加其他的對象模型。訓練控制計算機記錄器包括分析、記錄，通信中間件模塊。所有應用設計為仿真后將其內部記錄數(shù)據(jù)發(fā)送到訓練控制計算機記錄器。對于實裝MCC軟件，由于使用的戰(zhàn)術軟件不作任何修改，為了獲得內部的數(shù)據(jù)記錄使用了網絡磁盤。訓練控制計算機記錄器的分析模塊將數(shù)據(jù)綜合，使用各種方法對數(shù)據(jù)進行分析。訓練控制計算機后端有一個功能，即通過信息分發(fā)器發(fā)送仿真控制指令，接收其它應用的仿真狀態(tài)。如果訓練控制計算機前端需要發(fā)送一個信息給四個設備，訓練控制計算機前端僅需要將其連同路由表一起發(fā)送到信息分配器即可。

圖2 TCC的功能結構

2.2.2 作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(Combat System Simulator)

作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器CSS的高層體系結構設計為有三個層次:人-機界面(HCI)、模型和通信層，如圖3所示。通信層的通信中間件可以看作是軟件的基本結構，不僅傳導從網絡到模型層在UDP/TCP的所有信息，而且還要計劃和管理數(shù)據(jù)傳輸。模型層的功能是處理HCI和通信層的每個數(shù)據(jù)。作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器操作員創(chuàng)建的行動，模型層處理內部狀態(tài)以適當?shù)挠脩魣D形接口在HCI層顯示。

圖3 CSS的高層體系結構

中間件接口管理位于模型和HCI層之間，分發(fā)其它設備通過中間件分發(fā)的信息。HCI接口管理器位于HCI和模型之間，充當將模型層處理的信息發(fā)送給HCI層的角色。操作員輸入和HCI信息也是通過HCI接口管理器傳輸?shù)摹?/p>

圖形用戶界面由有標示的平板顯示器(LPD)，軟鍵盤面板(SKP)和托架組成。這些由HCI管理器管理。設計了安全序列來增加各層之間通信的可靠性。由于每個進程不直接發(fā)送數(shù)據(jù)給其它的進程，使用安全序列避免了通信死鎖。進程之間的數(shù)據(jù)傳輸可以使用安全序列管理。跟蹤、目標管理模型位于模型層。數(shù)通信和數(shù)據(jù)存取中間件作為數(shù)據(jù)公共服務位于通訊層。CSS的功能結構如圖4所示。

2.2.3 系統(tǒng)鏈接計算機(System Link Computer)

系統(tǒng)鏈接算機(SLC)完成I/O仿真數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的融合功能，其功能結構如圖5所示。控制面板模塊通過狀態(tài)監(jiān)視面板模擬器，遙控面板模擬器，電池安全使能開關模擬器控制開關操作和顯示裝置。

系統(tǒng)鏈接計算機(SLC)通過LAN與實裝發(fā)射控制臺(LC)使用虛擬集線機連接，它不直接與SLC和MCC連接。反潛導彈控制臺(MCC)和發(fā)射控制臺(LC)使用LAN通信。訓練模擬器需要發(fā)送交戰(zhàn)信息給實裝、從實裝接收作戰(zhàn)信息。因此系統(tǒng)連接計算機負責與實裝設備相關的交戰(zhàn)信息傳送/接收。使用了Winpcap數(shù)據(jù)包捕獲方法實現(xiàn)這個功能。WinPcap是Windows環(huán)境中聯(lián)結層網絡存取的工業(yè)標準工具:它允許旁路協(xié)議棧應用捕獲和傳送網絡數(shù)據(jù)包應用，以及其它的有用功能，包括核心層的包過濾、網絡統(tǒng)計引擎以及遠程包捕獲支持。

圖4 CSS的功能結構

圖5 SLC的功能結構

仿真網絡連接到訓練控制計算機、反潛戰(zhàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器、狀態(tài)監(jiān)視面板模擬器、遙控面板模擬器、電池安全準許開關模擬器。訓練模擬器使用通常的HUB進行LAN通信(TCP/IP)。實裝戰(zhàn)術網絡連接到反潛導彈控制臺、發(fā)射控制臺、船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)。實裝設備使用虛擬集線器進行LAN通訊(UDP)。

系統(tǒng)連接計算機與仿真網絡、戰(zhàn)術網絡都連接，系統(tǒng)鏈接計算機整合實裝戰(zhàn)術網絡和仿真網絡。

3 訓練模擬器的實現(xiàn)

訓練模擬器由模擬設備和實裝設備組成。實裝設備包括導彈控制臺(MCC)、發(fā)射控制臺(LC)和和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)。模擬設備包括訓練控制計算機(TCC)、作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(CCS)、狀態(tài)監(jiān)視面板(SMP)、遙控面板(RCP)。聯(lián)接設備有系統(tǒng)鏈接計算機(SLC)。模擬設備控制開關操作和顯示裝置顯示。反潛導彈控制臺控制目標交戰(zhàn)。發(fā)射控制臺控制發(fā)射程序。船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)控制魚雷作戰(zhàn)。

3.1 訓練控制計算機

訓練控制計算機完成下面的功能:

·系統(tǒng)控制 控制仿真設備的遠程開關機;檢查連接的仿真設備狀態(tài)等。

·訓練想定管理 完成想定文件生成、打開、編輯，保存，刪除等功能;控制想定文件向仿真設備的分發(fā);控制仿真開始、停止、恢復等。

·對象仿真 仿真的對象包括潛艇對象、反潛對象以及導彈對象。

·態(tài)勢觀測和顯示 管理和產生訓練中一系列事件、操作時間、2D地圖和對象列表。

·訓練結果和記錄 交戰(zhàn)事件存檔、顯示導彈對象事件、打印訓練結果。

訓練控制計算機(TCC)完成戰(zhàn)術態(tài)勢顯示和交戰(zhàn)信息顯示。使用圖形用戶接口設計了多個視窗，操作員可以使用這些界面進行控制、監(jiān)視和分析。戰(zhàn)術態(tài)勢顯示窗口顯示從訓練控制計算機接收到的想定信息。交戰(zhàn)窗口顯示系統(tǒng)狀態(tài)以及LA/SLTS的交戰(zhàn)信息。EDMS提供用來構建反潛戰(zhàn)術環(huán)境的對象數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及實體事件等。

3.2 作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器

作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器功能是反潛作戰(zhàn)模擬。CSS有跟蹤和目標處理管理。

作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(CSS)設計為位于仿真網絡和C2網絡的中間，在二個網絡之間仲裁。由于作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(CSS)是從發(fā)射控制臺(LC)和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)到仿真網絡唯一路由，從發(fā)射控制臺(LC)和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)報告的信息在作戰(zhàn)系統(tǒng)模擬器(CSS)綜合，將這些信息發(fā)送給仿真控制器。仿真控制器顯示的數(shù)據(jù)是在CSS中處理的狀態(tài)的一個摘要。使用發(fā)射控制臺(LC)和和船載魚雷發(fā)射系統(tǒng)(SLTS)設備內部的數(shù)據(jù)記錄設備來進行進一步的分析。使用隔離的兩個類型網絡配置是增強系統(tǒng)擴展性的一個很好的解決方案。

3.3 系統(tǒng)鏈接計算機

系統(tǒng)鏈接算機(SLC)完成I/O仿真數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)的融合功能。

訓練控制計算機(TCC)將訓練信息發(fā)送給系統(tǒng)鏈接計算機(SLC)。系統(tǒng)鏈接計算機接收訓練信息;發(fā)射控制臺重新發(fā)送訓練信息。系統(tǒng)鏈接計算機將訓練信息格式轉換成實裝的信息格式。

系統(tǒng)鏈接計算機(SLC)捕獲與發(fā)射控制臺和導彈控制臺接口的實裝信息。系統(tǒng)鏈接計算機不直接與發(fā)射控制臺連接。因此系統(tǒng)鏈接計算機部份地受到實裝信息格式限制。在系統(tǒng)中實裝需要軟件修改軟件接口，僅僅需要改變系統(tǒng)聯(lián)結計算機軟件。

4 結束語

本文基于面向組件的開發(fā)方法設計了反潛導彈訓練系統(tǒng)，為了滿足訓練的逼真度要求，采用實裝和模擬設備結合的混合結構。本文給出了這個混合結構的架構以及模擬器的實現(xiàn)，在實裝戰(zhàn)術網絡和仿真網絡之間的獨特的系統(tǒng)接口設計成功支持了訓練模擬器的開發(fā)，對于訓練模擬器材的設計有很好的參考價值。

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