分布式交互仿真

1分布式交互仿真系统DIS的概念分布式交互仿真是一种新兴的仿真技术,它采用协调一致的结构标准、协议和数据库,通过局域网和广域网将地域上分散的、人在回路中的仿真设备和仿真系统有机地联为一个整体,形成一个人可以参与交互作用的、时空一致的、共用的综合仿真环境。该技术允许为了各自目的而设计的系统、不同时期的技术、不同供应商的产品、不同的服务平台联接在一起,并且允许它们在综合战场环境下进行互操作。分布式交互仿真包含以下三层含义:分布(Distributed)———多个仿真器或仿真系统在地理位置上分散,但通过一个通用通信体系结构互相联接在一起。交互(Interactive)———各个仿真器或仿真系统之间能够通过数据交换模拟实体在实际活动中的互相作用。仿真(Simulation)———用计算机程序和数据尽可能逼真地描述现实世界中的各种活动和事件,这里主要指对作战行动的仿真。分布交互仿真技术与以往仿真技术的不同之处在于:①在体系结构上,由过去集中式、封闭式发展到分布式、开放式和交互式,构成可互操作、可移植、可伸缩及强交互的分布仿真体系结构。②在功能上,由原来的单个武器平台的性能仿真发展到复杂作战环境下以多武器平台为基础的体系与体系对抗仿真。③在手段上,从单一的结构仿真、真实仿真和虚拟仿真发展成为集上述多种仿真为一体的综合仿真。④在效果上,由人只能从系统外部观察仿真的结果或直接参与实际物理系统的联试,发展到人能进入系统内部,与系统进行交互作用,并取得身临其境的感受。3分布式交互仿真的类型军事仿真就其仿真逼真度可分为三种类型:①真实仿真———由实际的战斗人员使用实际的武器系统和保障系统,在尽可能真实的作战环境中进行实战演习。②虚拟仿真———由实际战斗人员操作仿真的武器系统进行的作战仿真。典型的例子是仿真器联网SIMNET。③结构仿真———由仿真的人操作仿真的武器系统进行的仿真。如作战模型。以上三种仿真的结合及和与之相关的作战C4I系统达到无缝一体化,称之为无缝隙仿真。它能给局中人和自动化部队在三种仿真范围内,提供一种相互作用的能力。分布式交互仿真就是要实现这样的目标。分布式交互仿真就应用角度可分为以下三种类型:1)平台级分布式交互仿真。平台级分布式交互仿真主要用来连接武器装备训练，仿真器,构成一个综合战场环境,用于分队级多个训练仿真器间的联合训练。2)聚合级仿真协议ALSP。聚合级仿真协议ALSP主要用来联接聚合仿真系统,是使各仿真系统间能够进行互操作的软件协议,它被广泛用于支持美军来联接分析和训练系统。3)高级体系结构HLA[1][3][4][10][11][12]。HLA主要用来联接多个地点上不同的类型的仿真系统,来为高度交互活动的仿真创造一个逼真的、复杂的、虚拟世界。该技术允许为了各自目的而设计的系统、不同时期的技术、不同供应商的产品、不同的服务平台联接在一起,并且允许它们在综合战场环境下进行互操作。HLA代表分布交互仿真的下一代技术。HLA由三个部分组成:HLA规则(theHLARules),HLA接口规范(theHLAInterfaceSpecifi-cation),HLA对象模板(theObjectModelTemplate)。3基于HLARTI的分布式交互仿真技术及其应用HLA体系规范主要包括三部分:1)规则。保证联邦中仿真应用间按正确的方式进行交互,描述各联邦成员的责任及它们与RTI的关系。提供了十条规则,分别对联邦和联邦成员作了规定。2)对象模型模板。定义HLA对象模型信息的通用方法,提供一种标准格式的HLA对象模型模板,以促进模型的互操作性和资源的可重用性。3)接口规范说明。定义联邦成员与联邦中其他成员进行信息交互的方式,即RTI的服务。其定义了RTI的六大管理功能。HLARTI采用对称的体系结构,即在整个系统中,所有的应用程序都通过一个标准的接口形式发生交互,并共享服务和资源,是实现互操作的基础。在该结构中,RTI是联邦执行的核心,其功能类似于分布式操作系统,为联邦成员提供运行时间所需的服务。集中式分布的RTI结构采用中央RTI主机的方式,即每个仿真应用(即联邦成员)主机中都驻留有RTI接口程序,而中央RTI软件驻留在单独的一台机器中,每个联邦成员通过本结点驻留的RTI接口程序与中央RTI进行通讯,因此所有的仿真子系统都通过RTI进行通讯,使得通讯更加有序,具有较好的规模扩展性,并有利于降低网络流量,减轻网络负载。此外该种结构把通讯层和仿真应用层分离开来,由RTI负责网络通讯和对联邦成员的协调管理,这样就可以集中精力于仿真应用层的设计开发,减小开发难度,提高开发效率。3.2RTI的逻辑结构根据接口规范和联邦执行过程,RTI在联邦执行中的逻辑结构如下图所示RTI由RTI全局执行进程RtiExec、联邦执行进程FedExec和LibRTI库组成。RtiExec是一个全局进程,主要功能是管理联邦执行的创建和析构,即FedExec进程的创建和析构,每个联邦成员通过与RtiExec通讯来进行初始化,加入到相应的联邦执行中。FedEx-ec管理一个与其一一对应的联邦仿真过程,管理联邦成员的加入和退出,为联邦成员间的数据通讯和协调运行提供支持。LibRTI是一个C++库,给联邦的开发者提供HLA接口规范中定义的服务。联邦成员使用LibRTI库来调用RTI服务,该成员与其它成员的信息交互就是通过调用LibRTI库的成员函数来实现的。在LibRTI库中有两个重要的类,RTIambas-sador类和FederateAmbassador类。联邦成员中的Li-bRTI部分一般称为LRC(LocalRTIComponent)。联邦成员通过调用RTI的标准服务RTIambassador完成加入联邦、设置时间管理方式、发布和预定FED文件中定义的对象类和交互类等工作。同时,RTI又通过回调FederateAmbassador接收该联邦成员预定的对象类数据。3.3基于HLARTI的分布式交互仿真应用系统的开发借助高级开发工具可以大大加快仿真应用系统的开发过程。目前已有几种商业化的HLARTI应用开发工具,这些仿真平台软件符合HLA接口规范,以HLA联邦开发与执行的标准过程为依据,采用方便、直观的可视化形式帮助开发者完成系统设计、开发与集成测试等工作。以AEgis公司的LabWorks和Pitch公司的pRTI为例说明利用工具开发HLARTI应用系统的方法。LabWorks包括四个功能模块,各模块可完成FEDEP各开发阶段的功能。pRTI实现了HLA接口规范中规定的所有服务,具有与平台无关、即插即用、完全线程化和C++绑定的良好特性,作为系统级支持构件,pRTI与LabWorks兼容。与已有的实体建模和视景工具软件相结合,利用LabWorks和pRTI设计、开发HLARTI应用系统主要完成以下工作:1)定义联邦目标。根据系统需求和可用资源,给出对系统需求初始的文档化描述。2)开发联邦概念模型。完成“联邦想定”并形成文档,以“联邦想定”开发的结果作为输入,开发联邦有关的“真实世界”的仿真模型,在概念层次上以“仿真对象”和“交互”描述功能。3)设计联邦。根据“联邦想定”、联邦概念模型和系统需求,确定联邦成员的构成,各联邦成员的对象信息和交互信息,制定出联邦开发计划。4)开发联邦。利用前期设计结果,在LabWorks环境中开发HLA对象模型。5)集成和测试联邦。完成联邦的所有开发工作,并进行测试。4分布式交互仿真的关键技术分布式交互仿真是仿真技术与网络技术的结合。仿真技术主要是开展仿真互联、仿真信息技术、仿真表示和仿真接口等方面的工作;网络技术包括网络结构、实时性和安全保密性等。1)HLA技术。HLA的目的是使参加仿真的系统具有互操作性和重用性,互操作性和重用性是促进建模与仿真发展的两个主要因素。互操作性能使多个潜在的分布式参与者使用共同的建模与仿真环境,它能建立大规模作战演习模型,并能将作战与采购置于共同环境中,进行更加密切地相互作用;重用能使建模与仿真组件由多方使用,避免重复开发。为了使建模与仿真的研制工作行之有效,就要求有一个通用的技术框架,以利于互操作性和重用性。这个通用的技术框架就包括高层体系结构HLA。(2)建模技术。分布式交互仿真开发者的核心任务是利用建模实现仿真。DIS建模更为特殊和复杂,因为在DIS中既有数学模型又有物理模型或半实物模型;既有定量模型又有定性模型或经验模型。对含有人的节点,还要有人智能行为的模型。要进行分布式交互仿真,如此众多模型的概念必须一致,信息必须相容,而且不同层次的模型应具有不同的集结度和分辨率。目前,单一模型不可能满足国防部真实世界的运作要求,所以首先要确定一些较大的领域,为每项任务建立一个概念模型,最后将多个概念模型拼成单一框架。这些概念模型能连贯地、互操作地和权威地表示环境、系统和人的行为。(3)计算机生成兵力CGF技术。计算机生成兵力又称半自动兵力SAF,它能在用户的设置下,既能生成敌军,又能生成友军;能够在仿真需求的限定范围中表征仿真实体的行为特征。该项技术的应用,可以在达到同样效果的同时,减少仿真中的仿真设备数量,缩小仿真规模。(4)校验、验证和确认技术VV&A。模型和数据都需要校核、验证和确认。校核是确定模型能否准确表示开发者概念描述与系统所要求性能的过程;验证是从模型的应用角度,确定模型表示真实世界的准确程度;确认是在完成校核和验证之后,正式确定模型是否能为具体应用所接受的过程。仿真实体和综合环境作为一个整体,必须经过严格的试验和评估,才能保证它们根据用户的要求产生逼真的结果,此种实验评估统称为校验、验证和确认VV&A。(5)网络技术。网络是实现分布式交互仿真最基本、最重要的基础设施,各类仿真实体通过网络进行交互作用。网络技术包括网络结构、实体之间交换信息的单位、实时性和安全保密性等方面的技术。分布交互仿真中各种武器平台对实时性的要求不同,时间延迟对仿真的逼真度有很大的影响,因此,DIS的实时性成为突出的问题。(6)战场环境生成技术。环境生成技术也叫环境仿真技术,目标是建立一个地形、环境数据库,提供通用的、权威性、类似于真实战场的环境表示,并且具有适当的分辨率、保真度和用户友好性,可应用在各种建模和仿真中。只有借助关于地形、海洋、空中、空间、大气、电磁和其它环境的表示,仿真才能在作战、训练、试验和鉴定、研究与发展以及采购方面应用,并且能保证必要的精确度和有效性。(7)人机界面技术。由于DIS要把处在不同地点、不同层次的用户及其相关的设备联系在一起交互地进行仿真,因此,友好的人机界面至关重要。人通过各种感官综合地传递和接受信息,为了缩短信息的传递途径,提高传递效率,必须使用多维化信息。因此,需要多媒体技术和虚拟现实技术来把持新的人机界面,提供一个由计算机生成的三维环境,使参与者有身临其境的感觉。5分布式交互仿真的主要应用分布式交互仿真主要应用于训练、武器系统设计与开发过程的评估、作战仿真和采购等,并已取得明显的效果。1)联合作战训练。训练仿真器是军事领域中应用最早、最广、收效最为突出的一项仿真应用。为了扩大其应用范围及效果,现采用仿真器联网。在训练领域,DIS的突出特点是能提供虚拟综合战场环境,使部队可以试验各种可能的行动方案,并可大大减少风险和高额的开销。尤其是对大规模的作战训练,效益更高。(2)武器系统评估。由于DIS体系结构开放性的特点,可在系统中嵌入实际使用的作战系统和武器系统,从而可以在近实战的情况下,对作战系统进行技术和效能的评估。(3)作战研究。在DIS生成的逼真战场环境支持下,受训人员不仅可以熟练掌握联合作战战术和作战原则,开发作战条令,规范和评估作战计划,指导任务预演,定义作战需求,而且可以研究和发展新的作战方式和方法,提高战场指挥能力。4)作战模拟。美军于1992年成立了六大战斗实验室,该六大战斗实验室分别针对战场上影响最大的六个方面进行实验。并于1993年开始实施“路易斯安娜”演习,加强作战能力和发展未来作战思想。该计划实质在于利用计算机和通信网络把美军六大战斗实验室