基于HLA的大气环境仿真应用研究

蔡军，许丽人，马亮，李鲲，张美根

（1.天津大学 管理学院，天津 300072；2.北京应用气象研究所，北京 100029；3.中国科学院 大气物理研究所LAPC，北京 100029；4.61855部队，北京 100094）

现代仿真系统正向大型化和复杂化的方向发展，大气环境仿真技术也实现了由简单的一维静态大气环境向复杂的四维动态大气环境、由单一大气环境仿真到大气环境对武器实体的影响仿真的突破。当前，大气环境仿真与其他军事系统仿真之间的互操作和可重用问题[1—2]已成为其中的关键技术。自1995年以来，美国国防部建模与仿真办公室（DMSO）提出的高层体系结构（High Level Architecture，HLA）得到了不断发展，并日趋完善，已成为IEEE的正式标准，它为建模与仿真提供了一个通用的技术框架和开放的标准，更好地解决了不同类型仿真应用的互操作和可重用的问题，满足复杂大系统仿真的需要[3—4]。从应用系统开发角度看，目前国内外基于HLA开发的分布仿真系统，都取得了成功，并广泛应用于各种分析、训练和测试等领域[5]。分布式仿真技术的发展为大气环境仿真向其他不同类型军事仿真系统的应用提供了很好的解决方案，并已成为今后发展的趋势[6]。

基于分布网络的大气环境仿真方面，国外早在20 世纪90 年代初期就开始了相关的应用系统开发和研究工作。90 年代中后期，随着HLA 技术的成熟，DMSO 资助开发的TAOS（Total Atmosphere Ocean Space）系统[7]，采用模块化的组件方法将大气海洋空间环境数据通过服务器向网络上的其他仿真节点发送。DMSO还资助MITRE等商业公司开发基于HLA和SEDRIS（Synthetic Environment Data Representation and Interchange Specification）技术的环境联邦，连续进行了海洋、大气和空间环境（OASE）仿真的三代开发[8]，用于仿真动态的地形、海洋、大气和太空，以演示和验证现有技术所具备的动态自然环境仿真能力和水平。与此同时，欧洲共同体国防领域的优先合作计划也开发了基于HLA的虚拟自然环境服务器，其中对大气和海洋的建模与仿真实现了在分布网络条件下为其他仿真提供复杂大气海洋环境状态参数、模拟特殊大气海洋现象和过程的能力。

文中基于HLA/RTI 公共支撑平台，建立了大气环境分布式仿真体系结构，实现了大气环境与实体的环境影响仿真，增强了大气环境仿真与其它仿真系统的互操作性，从而提高了大气环境仿真应用的可重用性。

1 大气环境分布式仿真体系结构

大气环境仿真基于HLA/RTI 公共支撑平台，采用面向对象的方式，利用模块化的组件方法，设计分布联网、动态交互的体系结构，由大气环境仿真联邦成员、仿真应用对象联邦成员、综合场景可视化联邦成员、管理控制联邦成员构成，其体系逻辑结构如图1所示。大气环境仿真产品通过服务器与网络上其它联邦成员进行交互，为其它实体或仿真应用提供在分布条件下的动态大气环境数据和信息服务，实现在分布网络条件下大气环境联邦的“即插即用”，增强了大气环境仿真应用的互操作和可重用能力。

图1 基于HLA/RTI的大气环境仿真应用分布式体系逻辑结构Fig.1 The logical diagram of distributed system

大气环境数据通过大气环境仿真数据库和大气环境数值模式计算生成，通过大气环境联邦成员的RTI 接口模块对外发布，订阅相关大气环境参数的联邦成员通过RTI 获得需要的大气环境参数，并发布环境影响信息，仿真可视化成员通过RTI 接受大气环境、仿真应用对象（如飞行器等）仿真信息，并向管理和控制联邦成员发布可视化信息，整个仿真过程通过可视化仿真联邦成员以直观可视的方式进行显示。

2 大气环境分布式仿真关键技术

大气环境的建模、表示、存储、环境效应生成及其应用，构成了整个大气环境仿真系统的基本研究内容，也是实现大气环境的分布式仿真需要解决的关键技术。

2.1 大气环境多分辨率建模技术

动态性是大气环境的基本属性之一。对于大气环境而言，由于其变化复杂，变量和参数较多，仅仅用一个模型难以进行全面且准确的描述，不能满足仿真领域多层次的应用需求。在实际仿真应用中，应根据不同仿真应用层次的需要，建立不同精度和分辨率的大气环境数据模型，从而为其他仿真应用提供随时间和空间动态变化的大气环境数据服务[9]。为了能够将大气环境仿真与其他仿真系统有机地结合起来，在技术层面上需要将大气环境仿真相关的模型按照HLA标准进行设计。

2.2 大气环境仿真实时数据库技术

仿真系统在运行时对大气环境参数的获取有严格的时间要求，因此，大气环境仿真的实时性成为其中的关键技术之一[10]。发展环境仿真实时数据库技术，根据仿真想定的要求生成运行时的环境数据库，采用多线程的方式，实现多用户的并发访问，实时响应并满足其它仿真实体对大气环境数据的请求，解决大气环境仿真的实时性问题，使大气环境仿真实时地参与到其他仿真系统的应用中。大气环境仿真实时库是运行时能够为实时仿真联邦提供环境数据服务的软件集，其最终输出的数据是基本大气环境数据场和动态大气环境模型计算结果的融合。

2.3 基于SEDRIS的大气环境多态数据表示和交换技术

大气环境仿真数据具有多分辨率、多参数、海量等特点，是一种随时间动态变化的数据场。因此，大气环境数据描述的一致性、规范性和有效性对仿真应用至关重要，它是实现仿真互操作性和可重用性的基础。基于SEDRIS 的大气环境数据的表示和交换[11]，首先要研究数据的多态表示，设计相应的SEDRIS数据表示模型和确定使用的数据编码标准，实现对大气环境仿真数据的完整和多态表示；而基于SEDRIS的数据交换技术，关键在于数据模型的影射与自动解析，也是大气环境仿真数据交换的核心。

2.4 基于HLA 的仿真应用服务协议、接口和数据分发管理技术

在分布式仿真体系中，大气环境仿真与时间管理、数据分发及所有权管理等有关。为支持对不同大气状态参数的统一接口和访问，需要定义统一的仿真服务协议和用户访问接口，支持大气环境不同分辨率模型和状态参数的注册、数据设置和查询。同时，还需要考虑采用HLA/RTI 提供的数据分发管理实现对网络数据的过滤，以保证时空的一致性和数据的快速交互。

2.5 大气环境虚拟现实表达技术

利用视景仿真和虚拟现实技术，对大气环境仿真结果进行多维视景显示和全方位观察，演示大气环境条件对实体影响的主要过程，并以大气环境为背景进行环境影响分析，实现大气环境及其影响的虚拟现实表达。该技术内容主要包括：虚拟环境综合表示、虚拟环境动态运行管理、虚拟环境实时逼真表现等。

3 动态大气环境多分辨率仿真

大气运动是一种复杂的流体运动，大气环境要素的时空变化，是各种不同尺度天气系统非线性相互作用、复杂下垫面动力热力强迫以及各种复杂大气物理过程相互作用的综合结果。因此，为真实有效地描述大气环境，需要针对具体仿真用户需求，确定需要的大气环境仿真对象，建立不同应用层次需要的多分辨率大气环境仿真模型。

基于大气动力模式，利用多重网格嵌套技术，采用双向作用的方式，建立不同精度和分辨率的大气环境数据模型，是实现大气环境多分辨率动态仿真的一种有效手段[10]。由于其积分解算过程是在同一大气数值模式中完成，粗细网格之间的数据可以得到及时交互，有利于粗细网格之间质量、动量和内热动能的守恒且保证不同分辨率大气数据之间的协调一致。以中小尺度天气过程的数值仿真为例，选用恰当的区域大气数值模拟系统，针对不同的研究问题，选取特定的研究区域，建立不同分辨率的环境数据模型。图2 给出了针对一次山谷气流利用RAMS6.0数值模式模拟的水平分辨率为2 km×2 km的基本气象要素场分布（风速、温度、气压）。

图3 给出了风速和温度的时－空剖面，可以看出风速和温度的时空分布特征。利用数值模式构建随时间动态变化的数据模型，其产品可以比较真实地再现出实际天气过程和天气现象的演变规律，在水平、垂直及时间分辨率上与观测资料相比有了很大提高，尤其保证了输出产品的动力学和热力学的一致性。

4 大气环境联邦成员设计

图2 基本气象要素场的数值模拟Fig.2 Numerical simulation of meteorological elements

图3 风速和温度的时－空分布Fig.3 The spatial and temporal distribution of velocity and temperature

设计大气环境联邦，其目标是为其他军事仿真应用提供随时间和空间动态变化的大气环境数据服务。以内存数据库技术为数据管理核心，借助仿真联邦内专用交互类为信息交换接口，来实现能够满足实时仿真需求的大气环境仿真联邦成员。由于采用客户/服务器模式，用户首先需要确定运行服务器和联邦成员的机器，并将所有机器上的RTI初始化数据（rid）文件所指的服务器IP地址设置正确，然后启动RTI服务器。数据提供者向RTI提供数据，使用者从RTI获取数据，数据传输的中间过程都由RTI来完成。

大气环境仿真联邦成员作为服务性的联邦成员，主要接受来自仿真联邦内的环境信息请求（交互类），然后根据请求的时间位置信息在数据库内查询相关环境数据信息，经过插值等计算，最终以交互类的形式将大气环境信息返回给发出请求的联邦成员。作为环境请求与回应的交互类分为2种：大气环境信息请求交互类（Atmos Data Req）和大气环境信息回应交互类（Atmos Data Send），SOM表结构设计见表1。其中，信息请求交互类（Atmos Data Req）主要是由仿真应用实体联邦成员发送给大气环境联邦成员，参数“请求位置”是核心数据信息，是一个包含约定坐标系下的三维坐标值的结构体；信息回应交互类（Atmos Data Send）主要是由大气环境联邦成员发送给仿真应用实体联邦成员，参数“大气数据结构体”是核心数据信息，是一个包含风矢量、温度、密度、气压、云的含水量等大气属性数据信息的结构体。

表1 SOM表结构设计Table 1 Structural design of SOM table

由于大气环境数据具有数据通信量大、多维数、多分辨率、不同数据模型等特点。因此，可采用具有可变长度的多维动态数组，包括数组维数、数据类型和数据的定义以及数据的打包和解包处理。同时，还需要考虑采用HLA/RTI提供的数据分发管理实现对网络数据的过滤。大气环境状态数据在FOM表中采用对象类描述。对象类表中的子类可根据需要划分为三维、二维、一维站点和局部暂态4种类型的数据表示，分别用于不同目的、不同现象和不同分辨率大气数据的描述和表示。FOM表结构设计见表2。

表2 FOM表结构设计Table 2 Structural design of FOM table

5 结语

设计了基于HLA/RTI的大气环境分布式仿真体系结构，并成功应用于大气环境对低空飞行器影响仿真原型系统中。在分布式仿真体系结构下实现了大气环境对低空飞行器飞行轨迹和飞行姿态的影响仿真，为分布式仿真过程提供演示和验证。大气环境影响仿真试验表明，基于HLA/RTI 的大气环境分布式仿真方法具有很好的互操作性和可重用性，为评估大气环境对实体影响仿真研究提供了一种有效的手段。

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