试验过程复现与分析系统设计和实现技术研究＊

方立新 陈海飞 邵东青

（63892部队 洛阳 471003）

1 引言

新研装备在正式交付最终使用用户前，需要专业部门进行大量的试验。经过多次试验积累的原始试验数据，是后续装备鉴定试验非常宝贵的资源，对新的试验方案设计、试验仿真系统建设具有极为重要的作用。有鉴于此，试验实施单位都非常重视收集并保存试验过程所产生的原始数据信息，包括被试装备、配试装备数据，试验指挥控制过程信息，空中平台飞行轨迹，以及试验现场监控视频等，并利用数据库技术对这些试验信息实施管理。本文探讨基于试验数据的试验过程复现与分析系统的设计与实现技术，通过将静态的试验数据活化，复现原来的试验过程，从而为试验观摩、演示汇报以及试验技术研讨等提供实用手段。同时，系统应能从动态过程和全局上将试验数据关联起来，为检验和提高数据入库质量提供一种选择思路。另外，系统还可以加入数据分析模型，实现对试验数据的深层次分析及试验评估功能，增强对试验数据的综合利用。

2 系统设计

基于试验数据的试验过程复现与分析，是指利用采集的试验数据，逼真复现原始试验的运行及数据产生过程，并以此展开对试验数据的比对分析。试验过程复现包括内容有：1）试验数据产生的时间及内在逻辑关系；2）试验数据产生过程的环境信息及指挥控制信息；3）试验概况及动态过程的表现，包括虚拟的战场态势图、主要装备工作及交互状态模拟，各类数据输出图、表等画面。试验数据分析提供数据一致性分析的基础手段，可进行时间点控制与比对，并能够使用不同的数据分析模型达到多种分析目的[1]。试验过程复现与分析系统应具有以下功能与特点：1）复现试验数据的产生过程，并体现试验环境和指挥控制对试验数据的影响，形象直观地表现试验概况；2）易于加入试验数据分析模块，提供数据可视化分析手段；3）有较强的适应性、可重用性、可扩展性。

随着计算机和网络技术发展，基于网络的分布式仿真技术，具备了较成熟的框架和技术标准，目前应用广泛的是HLA标准。在基于HLA的分布式仿真中，仿真系统由分布在多个网络节点上的仿真应用单元组成，通过 RTI（Run－Time Infrastructure）进行实时数据交互[2]。该体系具备组件的互操作性、可扩展性、可重用性，适合大规模的仿真应用开发，能很好满足试验过程复现与分析系统的建设需求。

因此，试验过程复现与分析系统的设计采用分布式仿真体系，运行在交换式网络平台上。为实现系统功能，在系统设计上使用两种工作模式。一种是在HLA／RTI基础上实现试验数据复现与分析。通过设备复现成员调用经过处理的试验数据，根据RTI控制机制，实现试验数据有序复现，与此相应，数据分析成员完成对数据的分析要求。在该模式下，成员之间通过HLA／RTI实现数据交互[3]。另一种是重演工作模式，不使用RTI，系统中心控制台利用TCP／IP协议调度所有成员，成员之间不发生交互，成员按照中心控制台发送的时间节点自主读取重演数据以及音视频数据并予以表现。重演具备选时、变速回放等灵活控制功能。此模式适合试验过程的汇报演示。

系统对试验数据进行利用时，需要满足以下要求，一是从数据库或者文件中查询数据的反应时间满足试验复现最小时间间隔要求。二是满足时间一致性要求，即数据的时间标识应和仿真的时间推进步长相一致。据此要求，很多数据要用线性插值或曲线拟合的方法预处理。对于多媒体类型数据，由于主要是用来展示效果，可降低时间一致性的精度要求（一般满足仿真推进时间点0.1s以内）。多媒体数据一般转换为流媒体格式，存储到流媒体服务器或仿真主机本地。所有数据的使用需考虑对网络资源占用以及服务器反应时间等因素[4]。

试验概况显示是系统的重要组成部分。其作用是将试验过程以图形化方式直观呈现给用户，包括在电子地图上显示各试验要素，如地形地貌、各类装备配置信息以及电磁环境复杂度情况等。试验概况显示可以使用二维或三维的视景仿真，通过在视景仿真上叠加图标、图表、数据等方式来表现[5]。

图1 试验过程复现与分析系统结构图

3 系统结构

系统建立在千兆局域网平台上，运行和开发环境包括HLA／RTI软件、数据库系统、地理信息系统等。在平台和运行开发环境之上，系统共包括试验过程复现及分析数据库、试验过程复现与分析联邦以及系统主控模块三大部分。试验过程复现及分析数据库提供系统运行的数据支持。试验过程复现与分析联邦包括试验数据复现、综合态势表现、音视频复现、试验评估和仿真计算等邦员，它们是数据的生产者和使用者。系统主控模块负责联邦的启动／停止等控制功能。为保证系统开发的一致性、可重用性，需要建立系统应用集成规范。系统的组成结构如图1所示。

体系支撑和运行环境是整个系统运行的基础平台及信息加工源。系统其他各部分主要功能详述如下：

·试验过程复现与分析数据库：通过复现成员内部或外部的数据处理模块，将采集的试验数据预处理，生成文件或者结构化数据库形式的试验数据，以备复现联邦使用；音视频数据具有特殊性，一般经格式转换后存储在音视频流媒体服务器中提供服务；数据重演文件由复现成员内部的重演文件生成模块或者专门的重演文件生成成员在复现过程中生成；地理环境数据由综合态势表现邦员调用并显示；试验评估数据由试验评估邦员产生并记录。

·试验过程复现与分析联邦：包括了所有的试验数据复现、音视频复现、综合态势表现、仿真计算和试验评估邦员等。每个试验数据复现邦员通常代表一个被试或配试装备，或用于完成指挥控制数据、环境数据等复现。通过试验数据复现与分析各邦员之间的数据交互和逻辑驱动，共同表现试验过程；这些邦员可以运行在多个主机上，也可以多个邦员运行在一个主机上，根据试验规模及邦员的不同特点具体配置。音视频复现邦员预读取音视频流媒体服务器中的数据，并根据时间一致性要求实现音视频数据复现；仿真计算邦员能够构造参试装备，利用仿真模型推算试验结果，支持与实测数据在线比对，以满足系统分析和试验评估的需要；试验评估成员是为试验数据分析或者评估的目的所构建的虚拟分析单元，以帮助完成在线的试验数据分析或者结果评估。综合态势显示邦员利用地理环境数据以及各邦员发送的实体属性数据驱动二维态势图和图表的显示，给出图形化、形象化的试验表现。

·系统主控部分：包括试验复现／重演控制模块和试验过程复现表现脚本。试验复现／重演控制模块即系统运行控制台，是试验复现驱动的核心，控制联邦的启动、停止和退出，下发试验数据复现计划配置文件给各联邦成员。其与各联邦成员的交互是通过TCP／IP方式。试验复现时，系统主控模块通过TCP／IP协议启动RTI和各复现邦员。试验过程重演时，系统主控模块不启动RTI，通过TCP／IP方式向各复现邦员发送控制信息，直接控制复现邦员读取重演数据和音视频数据来重演试验过程复现，协调重演过程的各种推进方式。试验过程复现表现脚本用于试验表现中图形要素及过程的组织。

4 系统实现技术

系统开发实现中需要解决诸多关键技术难题，如：系统成员自动生成技术、重演数据预处理技术、音视频数据流控制技术、系统时间控制技术、通用集成支撑平台技术等。

4.1 系统成员自动生成技术

试验过程复现与分析系统建立在分布式仿真体系之上，系统开发人员需要掌握网络通信编程、HLA规范等知识，学习周期长，开发方法难以统一。由于历年试验中有很多数据类型相似，使系统的数据回放邦员具有较一致的属性和数据操作方法，这为研究系统成员自动生成技术提供了现实的需求及可能性。利用该技术可极大地提高系统的开发效率和可靠性。其具体方法是首先设计出数据回放邦员自动生成的组件框架。它不仅是可重用的“半成品”组件，能够支持用户程序的定制，开发者通过继承组织框架的类，将组件框架定制为一个具体的应用，同时它还屏蔽了底层的细节，使得开发人员不需要掌握HLA和复杂的通信程序开发技术，从而专注于试验过程复现的组织及分析成员的开发。数据回放邦员自动生成组件框架类，主要是提供通信中间件和数据访问中间件功能，开发人员在组件框架类基础上去编制用户定义模型部分的内容。

图2 事件调度程序结构

实现数据访问中间件需要完成数据管理、解析／注册程序以及事件调度程序三个部分功能。数据管理功能提供数据结构，使数据符合数据通信格式并提供打包／解包服务，数据管理为通信中间件提供接口。解析／注册程序解析从外部来的指令和数据，进行回调函数的注册，并调用事件调度程序操作用户定义模型。在用户定义模型中，开发人员使用注册程序启动和结束解析程序，启动和结束周期或非周期性的函数调用，以及实现事件调度程序中的事件安排。事件调度程序控制事件的运行。图2描述了事件调度程序结构。

事件是指系统运行时定义（已注册）的功能，回调函数能够通过注册程序接口，在事件调度程序中注册和注销。事件调度程序基于系统复现时钟的推进，调用用户定义的回调函数。已注册用户定义的回调函数按时间次序排成列表，回调函数管理程序可按回调函数的优先级决定是否调用这些回调函数。

图3 通信中间件结构

通信中间件结构如图3所示。通信中间件需遵循HLA规则同时支持TCP／IP协议，其支持HLA规则时功能包括：1）发布和订阅；2）传输HLA消息；3）发送和接收应用程序消息。支持TCP／UDP协议时功能包括：1）生成通信服务器端和客户端；2）传输TCP／UDP消息；3）监视并传输（发送／接收）应用程序消息。通信中间件详细的数据发送和接收机制如图4和图5所示。

图4 通信中间件分发数据机制

通信中间件的网络代理用于响应基于TCP／IP或者RTI消息的发送或接收。对于发送请求，消息处理程序查询连接配置数据库做通信方式识别，再调用网络代理按不同的消息类型发送；对网络代理传来的消息进行回调函数的查询并发出回调。

4.2 重演数据预处理技术

图5 通信中间件接收数据机制

系统的重演模式用于试验过程的汇报演示。试验过程复现中，实现了试验数据的时间统一和逻辑相关处理，并产生了相应的交互数据、分析数据等新的数据，这些数据经过预处理后能够支持重演，可简化重演的逻辑处理过程。试验过程复现中，成员通过RTI完成数据交互，逻辑过程复杂，耗费资源大，难以实现灵活的时间控制，无法取代重演模式。系统在重演时，通过简化数据处理逻辑和数据交互，可降低平台负荷，支持重演时间控制。

为在试验过程复现中实现重演数据的预处理，并使重演数据更好支持重演过程控制，采用类似于文献[3]中对象序列化的方法，利用复现成员的重演数据生成模块记录成员生成的数据，将数据封装为数据对象并栅格化和序列化，将与数据自身相关的操作封装为数据对象的接口。栅格化是指在整个复现过程中，以仿真时间步长为间距，存贮每个时刻成员的快照，在时间快照上，包括成员在该时刻的所有信息。序列化是指将内存中生成的数据对象按二进制方式存储到文件，使用时通过反序列化过程，将二进制的数据对象文件读入内存，直接完成数据对象的初始化。将数据按对象形式存储，可实现重演执行逻辑与数据文件的分离，易于实现数据的多态操作，增加数据处理的灵活性。数据对象的序列化存储方式，可方便按时序排列或重组，便于查询和筛选，易于实现跳进、变速和变步长等操作。由于重演执行逻辑简化后只负责成员控制相关的操作，可极大降低系统运行时的资源消耗，提高系统运行性能。试验过程成功复现后，数据的重演活动仅需要所生成的数据对象文件。

5 结语

基于试验数据的分布式试验过程复现与分析系统，能够复现试验原始过程，并将试验过程复现、分析和评估以及试验概况展现有机结合在一起。建立该系统，将具有以下几个方面的重要作用：

1）通过试验过程复现展示，便于组织事后试验技术研讨，支持试验观摩演示汇报；

2）通过过程复现支持试验过程的讲解，提供有关科研试验人员的技术指导和培训；

3）利用系统分析和评估模型，可以开展试验数据可视化分析、在线效能评估；

4）在试验结束后，通过试验数据的相关性复现，可以实现试验数据入库时的数据完整性、一致性等质量检验，以及支持对试验中的存在问题进行深层次技术分析。

系统在研发、试用中逐步成熟后，还将起到以下重要作用：支持对后续试验任务的试验方案检验及优化；支持试验过程中产生问题的辅助分析、诊断和调试；能够与其他数学仿真模型互联，以模型或组件的方式支持数学仿真系统的建设。

就系统建设来说，目前尚有多项技术难题需要研究攻克。本文仅给出了系统设计和实现思路，对系统的结构及组成功能进行了规划描述，并对系统实现关键技术中的复现成员自动生成技术和重演数据预处理技术进行了探讨，希望以此引起对试验数据综合利用问题的更多关注，促进共同研究，使系统建设顺利开展并不断完善，发挥试验数据资源的宝贵价值。

[1]王国玉，汪连栋，等.雷达电子战系统数学仿真与评估[M].北京：国防工业出版社，2004

[2]夏红梅.基于HLA的一体化战术训练仿真系统综合态势显示研究[J].舰船电子工程，2010，30（8）

[3]张新宇，等.HLA联邦复现及其通用性实现的一种方法[J].系统仿真学报，2007（11）

[4]陈宏，等.基于 HLA的仿真系统的记录与复现[J].系统仿真学报，2006（3）

[5]左群声，徐国良，等译.雷达系统导论[M].第三版.北京：电子工业出版社，2006