仿真体系结构发展现状与趋势研究

陈西选，徐 珞，曲 凯，冯金金

CHEN Xixuan,XU Luo,QU Kai,FENG Jinjin

华北计算技术研究所 总体部，北京 100083

General Department,North China Institute of Computer Technology,Beijing 100083,China

1 引言

近年来，随着军事需求与技术的发展，建模仿真应用越来越广泛，在国防建设、装备发展等过程中发挥了重大作用，已成为装备研制、新技术验证等方面的重要支撑手段。

仿真体系结构作为建模仿真技术的基础与核心，是从整体上描述仿真系统各组成单元的结构，及各单元之间的物理和逻辑关系，对仿真系统的设计、实现和使用有重要的指导作用。因此，仿真体系结构一直是建模&仿真领域的研究热点。

随着信息技术的飞速发展，特别是cyber-space、cyber对抗等新概念、新技术的提出，对仿真验证的需求更加强烈，要求仿真技术解决的问题也越来越复杂，这要求仿真体系结构能够适应网络化、通用化、服务化、集成化的发展趋势，并且需要具有可重用性、可扩展性、可组合性与互操作性，从而支持跨靶场、与异构资源进行联合仿真试验的能力。这对我军目前广泛采用的仿真体系结构带来了严峻的挑战。

在仿真体系结构领域，美国国防部（DoD）开展了大量的研究工作，是目前主流仿真体系结构相关标准的制定者，代表了该领域的世界先进水平。因此，为了规范进而改进我军的仿真体系结构，提高仿真系统的互操作性、可重用性和可组合性，以满足新形式下对仿真体系结构的需求，本文对美军目前广泛采用的多个仿真体系结构进行了深入的研究与梳理，着重分析了各个体系结构的技术特点、存在的问题，并研究了美军用于指导未来仿真体系结构发展的路线图。研究美军的这些成果，对新形式下我军仿真体系结构的设计及改进，有着重要的借鉴与指导意义。

2 美军仿真体系结构发展历程与方向

美国国防部一直将建模与仿真列为重要的国防关键技术，并建立了世界上最完备的作战仿真体系。美军仿真体系结构的发展主要经过以下阶段：

（1）1983年，DARPA与美陆军共同制定了网络仿真研究计划——SIMNET。

（2）1989年，美军在SIMNET的基础上，研制了分布式交互仿真技术——DIS。

（3）1990年，DARPA资助MITRE公司设计了聚合级仿真协议——ALSP，并于1992年开发出第一个投入使用的协议和相关支撑系统。

（4）1995年10月，美国国防部公布了建模与仿真主计划——MSMP，决定建立一个通用的仿真技术框架，其核心是高层体系结构——HLA。HLA于1996年8月完成基础定义，并于2000年9月成为IEEE1516.X系列标准。美国防部规定2001年后所有国防部门的仿真必须与HLA兼容。

（5）美军于20世纪90年代晚期启动了FI2010（Foundation Initiative 2010）工程，定义了试验训练使能体系结构——TENA。

（6）2005年，美陆军开发了公共训练仪器体系结构——CTIA。

（7）2009年，SISO对DIS与HLA进行了升级与改进。

归纳起来，美军的仿真体系结构的发展可以概括为三个阶段：

（1）以SIMNET、DIS、ALSP为代表的支持同类功能仿真应用互联的仿真体系结构[1]。

（2）以HLA为代表的开放、通用仿真体系结构。

（3）以TENA、CITA为代表的面向具体领域应用的通用仿真体系结构。

美军在不同的时期，针对不同的需求，提出了上述不同的仿真体系结构。这些体系结构针对不同需求的特点，重点解决不同L（Live-实装）、V（Virtual-模拟）、C（Constructive-仿真）层面的资源集成问题，如图1所示[2]。比如TENA重点是针对试验训练领域，因此它最初主要是解决L层面的集成问题。但是，随着它们的发展与改进，之间的界限已经开始模糊。目前，各体系结构均不同程度同时支持L、V、C三类资源的集成。

图1 仿真体系架构对L、V、C资源的支持关系

由于上述仿真体系结构均很好地满足了所服务领域的需求，因此，它们之间没有互相取代，而是形成了多种仿真体系结构并存的现状。美国防部对目前各体系架构的使用情况进行了调查，结果如下[2]：ALSP低于5%，DIS 35%，HLA35%，TENA15%，CTIA3%，其他体系结构大概占7%。可见，目前DIS、HLA的使用量最大，虽然TENA与CTIA目前的使用量还比较低，但是它们正在被越来越多的用户关注并使用。

由于这些体系结构所采用的技术、体制各不相同，极大影响了基于不同体系结构开发的系统间的互操作能力，为开展网络中心环境下多靶场间的联合仿真试验带来了严峻挑战。

在此背景下，美国联合兵力司令部于2007年提出了LVC体系结构路线图——LVCAR（LVC Architecture Roadmap），其目的是对下一代分布式仿真试验体系结构的发展作出规划，实现LVC仿真环境互操作性的重大提升。

另外，国外的一些研究机构和企业也对LVC仿真体系结构进行了大量研究工作，并在互操作方面提出了一些重要建议，比如OpenMSA、OSAMS、CONDOR等[3]。

3 美军主要仿真体系结构分析

本文主要针对目前被广泛使用的DIS、HLA，将来有很大发展空间的TENA、CTIA，以及美军用于指导未来体系结构建设的LVCAR进行重点分析。

3.1 分布式交互仿真——DIS

（1）DIS体系结构介绍。针对SIMNET在不同平台级对象的互操作性方面存在的问题，美国防部发展了DIS，其目的是将不同时期的仿真技术、不同厂家的仿真产品和不同用途的仿真平台集成在一起，实现交互功能。

DIS以网络为基础，主要由仿真节点和计算机网络组成。仿真节点负责计算其内部的一个或多个仿真实体的状态，并把这些状态及其内部事件通知其他节点。此外，它还负责接收其他节点发送来的状态和事件信息，并计算这些信息对本节点的影响。这些分布式仿真节点通过计算机网络（支持局域网与广域网），以及网桥、路由器和网关等设备联接在一起，从而实现相互之间信息的交互[4]。

（2）DIS特点分析。DIS体系结构实现简单，容错性好，但是它也存在很多缺陷与局限性：

①DIS采用的是非对称的体系结构，它通过规范异构仿真节点间进行信息交换的格式、内容、及通信规则，来实现分布式仿真系统间的互操作，这种低层次的体系结构对于处理具有复杂的逻辑层次关系的系统是不完备的[5]。

②DIS采用了固定的数据表示法，以保证异构仿真节点间的数据交换，这使得DIS无法做到在仿真节点间只传递变化的信息[5]。

③DIS以广播方式实现仿真实体间的信息交互，即使仿真实体仅有部分状态属性发生变化，也需要广播完整的PDU，因此带宽的利用率很低[6]。

④DIS缺乏仿真器间时间同步的功能，可能导致时空的不一致[6]。

⑤PDU是针对某些领域而制订的，很难适用其他领域的新型仿真器[6]。

3.2 高层体系结构——HLA

（1）HLA体系结构介绍。HLA是在新技术（特别是面向对象与分布计算技术）发展的前提下提出的，是从体系结构层面对DIS的不足进行了本质上的改进。

基于HLA的仿真系统的层次结构如图2所示[1]，其中联邦指用于达到特定仿真目的的分布仿真系统；所有参与联邦运行的应用程序称为联邦成员；联邦成员由若干相互作用的对象构成，对象是联邦的基本元素。另外，HLA支持联邦作为一个成员加入到一个更大的联邦中。

图2 基于HLA的仿真系统的层次结构图

HLA主要由三部分组成：规则、对象模型模板OMT、接口规范。规则定义了在联邦设计阶段必须遵循的基本准则；OMT定义了一套描述HLA对象模型的部件；接口规范定义了仿真系统运行过程中，支持联邦成员间互操作的标准服务[1]。

HLA的逻辑结构如图3所示，主要由各联邦成员和运行支撑环境RTI构成。其中RTI是分布式仿真系统的关键，它按照HLA接口规范提供一系列服务函数，支持联邦的运行、联邦成员之间的互操作，以及联邦成员级的重用[1]。

图3 HLA仿真的逻辑结构图

（2）HLA特点分析。HLA主要具有以下优点：

①HLA是开放的、通用的、支持面向对象的体系结构。

②HLA通过提供相对独立的支撑服务程序，实现了将应用层同底层支撑环境分离。

③HLA支持应用系统的即插即用，易于新的仿真系统的集成与管理。

④HLA可根据不同应用目的，实现联邦的快速组合和配置，保证联邦范围内的互操作与重用。

⑤HLA基于客户/服务器技术而不是广播方式，并且联邦成员基于对象描述支持信息的按需产生与接收，从而有效减少网络负载。

然而，HLA也存在以下不足：

①互操作性差：基于HLA的仿真系统中所有联邦成员的对象模型必须一致，否则即使联邦成员与HLA是一致的，也不能互相操作。

②虽然HLA支持时间受限与时间调节两种方式的时间管理，但是实时服务的性能较差。

③由于HLA要实现通用性，它必须非常灵活，这就要求对具体应用的实现所施加的限制必须非常少，因此，对于具体领域的特定需求，只能由领域自身加以解决[7]。

3.3 试验训练使能体系结构——TENA

（1）TENA体系结构介绍。TENA是针对试验、训练领域的特定需求而设计的，以提供试验和训练所需的更多特定能力，它的主要目的是促进试验与训练领域资源的互操作、重用和可组合[8]。

TENA按照扩展的C4ISR体系结构框架的逻辑结构，从运作、技术、软件、应用、产品线等方面，建立了逻辑靶场资源开发、集成和互操作的总体技术框架[9]（如图4所示），主要包括五部分：

□吉林省四平市伊通满族自治县河源镇板石村黑社会性质组织团伙头目孟庆革靠着家族势力支持，当上村委会主任后，越发无法无天、横行霸道，不仅对村民任意打骂，就连被他认为不听话的村干部，也会遭到打骂、威胁。多年来，他接连控制了当地河砂、林木等资源，垄断了当地的米业买卖、村村通路网建设和建筑行业，并利用职权，侵吞国家扶贫款达60余万元。

①TENA应用：包括靶场资源应用与TENA工具。靶场资源应用是与TENA兼容的靶场仪器仪表或处理系统；TENA工具是可重用的TENA应用，用于对“逻辑靶场”事件全生命周期的管理。

②非TENA应用：是指与TENA不兼容但在试验中又是必须的靶场仪器仪表、被试系统等。

③TENA对象模型：它是靶场资源和工具之间用来通信的公共语言。

图4 TENA体系结构概览图

④TENA公共基础设施：主要包括TENA中间件、TENA仓库和TENA逻辑靶场数据档案。

⑤TENA实用程序：是指为使用TENA及对其进行管理而设计的相关应用程序，如仓库管理器、资源浏览器、TENA网关等。

（2）TENA特点分析。TENA主要具有以下几个方面的特点[10]：

①TENA是针对试验与训练领域而设计的，它针对试验与训练领域的特定需求对HLA进行了扩展，提供了试验和训练所需的更多特定的能力。

②TENA所定义的TENA对象SDO比HLA对象要复杂、全面得多，它除了包含属性还包含相关操作的方法，并支持对象的组合，从而可以有效提高对象的重用与互操作。

④TENA提供了TENA-HLA网关，以解决与HLA兼容的仿真试验/训练资源的重用与互操作。

3.4 公共训练仪器体系结构——CTIA

CTIA是为美国陆军LT2（Live Training Transformation）产品线的研制提供试验支持而设计的一种公共训练仪器体系结构。CTIA的体系结构如图5所示[11]。

与上述其他体系结构相比，CTIA具有以下重要特点：

（1）针对无线数据链路通信的不可靠性特点，CTIA采取了两种策略：

①采取集中式服务的策略，实现对多个无线通信节点间带宽的有效管理。

②提供了基于CORBA的网关技术，解决与其他非CTIA体系架构的系统间可靠通信问题。

图5 CTIA层次结构图

（2）CTIA设计了公共数据库，用于存储训练过程中产生的所有信息，从而一方面可以支持在任何时间、任何地点都可以进行训练过程的回放；另一方面，通过对相关资源实时状态信息的保存，保证了相关组件/系统在重启后仍能被正确识别，从而无缝接入训练过程，以保证训练过程持续稳定地执行。

（3）在目前的所有仿真体系结构中，CTIA是唯一采用面向服务技术的体系结构。

3.5 LVC体系结构路线图——LVCAR

“任何时候，如果想开发系统C以取代A与B，那么最终结果将是A、B、C三个系统同时存在”，建模&仿真领域多体系结构并存的现状再次验证了Dell Lunceford的上述论断。

随着军事需求与技术的发展，迫切需要将多靶场、多组织机构、多武器平台协同起来进行联合仿真试验，这首先需要解决多仿真体系结构间的互操作问题。针对该问题，美国防部设计了多种不同的方法，比如统一仿真体系结构、使用网关、中间件技术等，但是上述方法均存在一定的缺陷。

为了解决该问题，美军于2007年提出了LVC仿真体系结构发展路线图——LVCAR，主要目标是[12]：提出一个远景构想与支撑策略，以实现多体系结构仿真环境互操作性的重大提升。该路线图首先从技术、业务及标准三个维度，对目前的主流仿真体系结构间的差异进行了分析，并制定了不同阶段的任务。第一个阶段是从2007年春季开始，持续16个月的时间，该阶段的目标是形成LVCAR的最终报告。第二个阶段是结合该最终报告的内容进行实施。

LVCAR提出了三个重点关注的领域，分别是：未来集成技术体系结构、业务模型、应该发展与遵循的标准规范与管理流程，其中技术体系结构被认为是需要首要解决的问题。

截止到2009年，是LVCAR实施（LVCAR-I）的第一个阶段，在该阶段主要取得如下成果[11，13]：

（1）开发实现了“多体系结构仿真系统工程”和“多体系结构仿真联邦协议”两个原型系统，以及用来执行这些联邦协议的相关工具。

（2）研究了可用于提高LVC仿真可重用性的相关业务模型，并且深入分析了这些业务模型的可行性。

（3）研究了基于元数据技术来描述LVC仿真资源的机制，并对元数据进行了分类；建立了LVC仿真资源库，开发了基于元数据的资源发现与定位原型系统。

（4）设计了对网关进行描述与特征刻画机制，从而为用户选择合适的网关以接入试验环境提供更多的支撑。

（5）另外，还对SOA技术在M&S领域中如何应用进行了研究，深入分析了SOA技术在该领域应用的利弊。

4 仿真体系结构发展建议

美军仿真体系结构的发展成果对我军仿真体系结构的建设有重要的借鉴与指导价值，但是必须在充分认清我军现状及需求的基础上，有选择地吸收美军发展过程中的经验教训，绕开美军所走的弯路，研制符合我军实际的仿真体系结构。

由于前期美军仿真体系结构的发展是以眼前的需求为驱动，没有进行长远规划，因此形成了目前多体系结构并存的局面，并且由于体系结构间的不兼容性，导致它们之间的互操作性很差，难以满足网络中心环境下多靶场间联合试验的需求。而我军在仿真体系结构的研究方面起步较晚，国内相关研究机构主要集中针对HLA开展研究，并已开发出了一些具有自主产权的RTI产品。而在建模仿真体系框架、试验与训练体系结构方面，尚处于概念研究阶段，未形成相应的产品。因此，借鉴美军在仿真体系结构研制方面的经验教训，认为：我军应该重点研制能够支持多靶场间异构L、V、C资源联合仿真试验的一体化仿真体系结构，而不应照搬美军的发展思路，只研制基于TENA的试验训练领域体系结构。

为了能够支持网络中心环境下多靶场间的联合仿真试验，要求我军未来仿真体系结构能够适应网络化、服务化、通用化的发展趋势，具备以下方面的能力：

首先，要求能够支持物理上分布的广域网范围内的大规模信息的高效交换与传输。

其次，要求能够支持各类异构L、V、C资源及模型的动态接入、集成及互操作，并能够有效支持资源与模型的重用。

另外，需要能够适应服务化发展趋势，满足对未来面向服务的武器平台系统的试验需求。

最后，未来的仿真体系结构应该具备开放性，具有灵活高效的时间管理机制，要求既能满足建模仿真的需求，又能支持试验与训练，并能很好地服务于装备的论证、设计、集成等全生命周期的验证。

针对上述需求，本文在深入研究美军仿真体系结构发展趋势及关键技术的基础上，建议我军未来仿真体系结构可以重点从以下几个方面开展研究：

（1）异构仿真试验资源管理技术研究：

①建立联合通用对象模型[14]，以支持不同靶场系统间数据的高效交换。

②参考美军的MSC-DMS[15]，建立覆盖仿真、试验、训练等异构仿真试验资源的元数据模型，设计资源的语义描述机制，为资源的快速发现、有效重用提供基础。

③建立可重用、可组合的基础仿真试验资源库。

（2）异构仿真试验资源集成中间件技术研究。研究LVC网关、网桥、代理等技术，以支持对基于不同体系结构的异构系统、资源的统一接入与集成；建立能够满足多靶场试验运行环境、通信机制、时间管理等需求的运行基础设施，为系统的运行提供互操作支撑平台。

（3）SOA在仿真体系结构中的应用研究。虽然SOA技术在其他领域取得了广泛应用，但是由于仿真试验领域的特殊需求（如实装的高实时性要求等），不能照搬其他领域的做法直接引入SOA。而应借鉴美军的思路，首先对SOA在仿真试验领域应该如何应用进行深入研究，以充分理解SOA可能带来的利弊，从而在体系结构设计过程中有选择地使用SOA技术，以最大程度地提高系统的灵活性与可扩展性。

（4）借鉴美军提出的DSEEP[16]，开展用于指导我军分布式仿真开发管理的统一标准的系统工程方法研究。

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