联合训练条件下仿真系统结构技术探讨

刘高峰 汪霆

应用建模与仿真方法,构建联合训练条件下的综合分布式仿真系统,是全面提升模拟训练层次,促进战斗力生成模式转变的有效途径,对信息化条件下我军军事训练水平的全面提升有巨大的推动作用和可观的经济价值.现有的仿真系统大多是各军兵种专业系统,技术体制、技术标准、接口规范等不尽统一,在互联互通、可重组、通用性方面与联合训练的需求存在较大缺陷,因此,构建联合训练条件下的分布式仿真系统势在必行[1].在这一过程中有几个问题必须要解决:仿真训练如何更加贴近实战,并能够根据训练目标构建训练体系;如何提升仿真系统训练效益,提高系统智能化水平,减少对技术人员的依赖,能够实现即插即用和有机联合;仿真系统如何与未来国防和军队发展战略相一致,克服部门利益保护,避免烟囱式发展,提高联合训练层次[2].这3个问题,都与结构技术密切相关.

本文从研究现有仿真系统结构技术入手,提供对比分析方法,对仿真系统结构技术发展动态进行了探讨,构建了一种基于SOA的分布式海上联合训练仿真系统概念模型,并对若干关键技术进行了探讨研究.

1 中大型仿真系统的主要结构技术

1.1 TENA与HLA

试验训练使能体系结构(TENA)是依照扩展的C4ISR体系结构框架(ECAF),建立的逻辑靶场资源开发、集成和互操作的总体技术框架,TENA主要目的是促进试验领域与训练领域的互操作和可重用性,根据任务需要将分布在各靶场和设施中的仿真、训练、试验、高性能计算能力集成起来,构成试验和训练的“逻辑靶场”.研究TENA对C4ISR系统与训练靶场的完美对接,以及构建大型仿真系统具有重要意义[3−4].

在分布式交互仿真(DIS)基础上,为了促进仿真系统与C4ISR系统及仿真系统之间的互操作,提升仿真组件的可重用性,美国国防部于1996年9月制定并颁布了高层体系结构(HLA).HLA主要由3部分组成:规则(Rules)、接口规范说明(Interface Specification)、对象模型模板(OMT).它是一个开放的、支持面向对象的体系结构,通过提供相对独立的、通用化的支撑服务程序,将应用层同底层支撑环境分离开来.HLA的基本思想是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型,以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用.如今,HLA已经是一种成熟的、得到广泛应用的体系结构,并成为IEEE建模与仿真的一项标准,是现阶段仿真系统中应用最为广泛的结构技术.文献[5]中对基于HLA的指挥控制网络仿真进行了研究,并给出了一种指挥控制网络仿真模型.

HLA是建模与仿真系统的开发与集成规范,而TENA是试验与训练系统的开发与集成规范,两者的目的都在于促进互操作、重用和可组合,但HLA立足于应用领域,而TENA支持试验与训练领域,HLA已成为IEEE标准,而TENA还在开发、完善、标准化过程中[6].

1.2 LVC与JLVC

LVC(Live,Virtual Simulation,Constructive Simulation)的发展过程经历了概念-探索-大力投入的3个阶段.自20世纪70年代起,美军开始着力发展计算机仿真模拟训练,先后研发了一系列的仿真推演系统和模拟器,逐渐形成了包括DIS、ALSP、HLA等的分布式仿真协议和标准.但是在进行仿真及模拟训练过程中,训练与实际作战脱节的缺陷逐渐暴露出来.因此,美军尝试将模拟器与实装及推演系统互联互通,达到既能发挥仿真模拟训练经济性好的优势,又能提供贴近实战的训练环境的目的,因此,形成了LVC训练的概念[7].

为了支撑LVC 训练,美军提出组建JLVC(Joint Live Virtual Constructive)联邦作为LVC训练的技术支撑环境,其本质是一种结构技术.JLVC联邦是由分布式的多个推演仿真系统、C4I系统、接口以及模拟器共同组成,可以将实兵训练系统、虚拟模拟系统和推演模拟系统互联,构建一个虚拟化的综合训练空间,共同支持LVC训练.JLVC联邦采用了较为开放的系统体系架构,联邦中多种技术体系并存,约定了数据交换标准,以实现不同分系统之间数据的相互识别、保证多系统联合运行的逻辑合理性,训练系统具有良好的可扩展性和灵活的可组合性.在 “千年挑战 2002”(“MC2002”)演习中,美军首次采用了JLVC联邦环境来支撑演习,取得了很好的训练效果,并在后续演习中广泛采用.

JLVC的一个核心思想是将真实的C4I系统作为联邦的一部分集成到JLVC联邦中去,提供战训一致的训练环境.因此,JLVC联邦在设计实现上特别强调接入的C4I系统就是实际作战的C4I系统,这是美军现在仿真系统发展中所采用的一种思路[8−9].

2 中大型仿真系统结构技术动态

2.1 JLVC2020

随着JLVC联邦中各分系统数量的快速增长和复杂程度的不断增加,在采用多种技术体系的传统联邦集成模式时,系统集成难度迅速上升,系统稳定性大大削弱,逐步暴露出集成过于繁杂,发展受限,不能很好满足未来联合训练需要等问题.为此,美军借鉴模块化设计理念和云服务思想,提出基于云使能模块化服务(CEMS)的JLVC2020,其目标是建设一个灵活、逼真、效益好、可组合,并能适应未来作战训练需求的LVC训练支撑环境[2].

美军提出的仿真训练平台的模块化理念,是通过开发小型并具有特定功能的模块化服务单元来代替庞大复杂的仿真系统,实现松散联邦结构向模块化框架的转变.美军联合参谋部已经完成模块化服务的概念开发,并计划于2019年前建成基于CEMS的JLVC2020.

基于CEMS的JLVC2020由许多功能模块化服务单元构成,框架构成包括CEMS、想定管理工具(SMT)、虚拟训练接口(VTI)、相关数据层(CDL)和权威数据源(ASD)等,如图1所示.在JLVC2020发展期,这些服务单元必须与当前的JLVC联邦在一个混合状态下交互运行,随着模块化服务的扩展与成熟,最终成为一个完全由模块化服务单元构成的训练平台.

图1 基于CEMS的JLVC2020框架

从2014年起,美军开始进行模块化框架的原型设计开发,在DSB建设初期,JLVC2020将与JLVC联邦共同发展,逐渐用JLVC2020的0.6版本替代JLVC联邦6.X版本,最终在2020年前,在模块化服务规范和DSB等关键领域实现突破,进入快速发展期.

2.2 面向服务的体系结构(SOA)

面向服务的体系结构(SOA)是近年来发展起来的一种新型的开放式的体系结构理念,具有松散耦合、互操作性好、信息资源共享便捷等特点,可以将跨平台、跨语言的资源以服务形式封装和应用,进行通信和交互[10].将SOA的思想引入到仿真系统结构设计中,可以设计出高效、通用和松耦合的面向服务的仿真系统体系结构,实现下层功能组件的透明封装和上层服务的灵活调用,可以减轻异构对系统交互的影响,有利于系统的构建、重组和扩展[11−12],对此,业内也进行了大量的研究.图2为设计的一种基于SOA的仿真系统结构.

图2 一种基于SOA的仿真系统结构

随着美军网络中心战概念的提出,在建模与仿真领域提出了一种基于SOA原理的网络中心化仿真方法[13],代表了一种新的仿真系统研究方向.其主要内涵是以SOA思想为指导,采用规范统一的仿真资源描述、接入及共享准则,依托军事信息栅格,建立更广泛的仿真资源互联共享环境,完成各种仿真应用任务.

在仿真系统中应用网络中心化仿真方法能够解决两个问题:建立与实装系统技术体制相兼容的仿真体系结构,解决仿真系统与实装系统无缝集成和高层次互操作的问题;运用面向服务的思想以及信息栅格技术,实现仿真资源的“随意接入、即插即用、按需共享、动态重组”能力.

网络中心化仿真系统总体分为4个层次,从上到下依次为:应用服务层、公共服务层、核心服务层、信息栅格基础设施.网络中心化仿真支持任务共同体仿真模式,即通过面向服务的仿真支撑平台,将网络上分布式的仿真资源组成任务共同体,实现任务带动仿真的目的[14].

3 联合训练仿真系统结构技术探讨

以海上联合训练仿真系统的构建为例,结合SOA和JLVC2020体系结构技术研究动态,对采用这两种结构下的仿真系统关键技术进行讨论,其中重点研究了基于SOA结构的海上联合训练仿真系统概念模型及其关键技术.

3.1 基于SOA的海上联合训练仿真系统结构

海上联合训练仿真系统是基于不同技术结构的实装模拟/仿真系统、实装系统和基于仿真的运行支撑基础环境一起构成的复杂大型仿真系统,其系统域主体上划分为作战问题域、装备模拟域和仿真环境域三大部分,如图3所示[15].

在明确仿真系统域划分的基础上,根据海上联合训练的基本要求、功能定位以及分布交互式仿真技术框架相关标准,以海上联合训练指挥体系和联合作战力量为基础,采用基于网格技术和面向服务的仿真框架等方法和手段,并运用先进成熟的作战实验技术和定性与定量的系统方法,建立了由海上联合训练的模拟控制与管理系统、环境兵力综合生成系统、资源服务系统、红方/蓝方模拟系统等共同组成的一种基于SOA的分布式海上联合训练仿真系统概念模型,如图4所示.

3.2 基于SOA的仿真系统结构关键技术

3.2.1 时间管理技术

仿真系统时间管理的主要功能是按照仿真任务需要推进仿真时间,其目的是保证仿真系统事件和消息分发准确性和高效率,即能够在适当的时间以适当的顺序和方式获取各自所需信息.现有的各类时间同步算法各节点间缺乏可靠的控制信息交换,存在时间推进效率低及网络带宽占用过大等不足.因此,中大型分布式仿真系统中需要更先进的时间管理技术,以提高系统时间推进效率并避免死锁发生,寻求适用于基于广域网的大规模分布式仿真的时间同步.

3.2.2 仿真服务管理技术

仿真服务管理是指运行于仿真系统中的一切服务监控、系统管理、配置管理、策略定义、服务更新、故障处理等与运行管理及监控有关的技术.仿真服务管理技术需要突破传统仿真平台在监控及容错方面存在的局限性,为各类服务的设计提供辅助分析及构造工具,帮助监听、分析、优化和组合各类服务.当服务部署完成后,仿真服务管理能够根据底层系统运行状态、资源利用情况等,实现参与仿真应用的成员动态迁移和调整,状态保存和错误恢复能力.

图3 海上联合训练仿真系统域划分示意

图4 一种基于SOA的海上联合训练仿真系统

3.3 基于JLVC2020的仿真系统结构关键技术

3.3.1 模块化服务规范

JLVC2020由大量的模块化服务单元构成,而模块化服务的研发将由各兵种和不同部门共同协作完成,各独立模块可能由不同的开发者研发,此外,现存的中大型仿真系统也将进行拆解并转化为模块化服务单元,在这一过程中,必须要有统一、清晰的标准和规范才能保证模块化服务构建过程中的一致性.因此,美军高度重视模块化服务的规范和标准设计,并将其视为JLVC2020成败的核心环节,如采用这一结构技术,这项关键问题就必须很好解决.

3.3.2 数据服务代理(DSB)

DSB是模块化服务和数据活动的中间部件,是仿真系统的数据交互中心,其能力的强弱直接影响基于JLVC架构的仿真系统信息交换能力.未来在持续提升的计算机硬件性能和愈加高速的骨干网络支持下,DSB的交互和数据能力将进一步增强,必须要通过硬件解决办法对DSB进行升级改进,以使其能够同时对多个大型仿真训练任务和演习项目提供支撑,以满足复杂程度不断提高的仿真训练需求.

4 结论

本文对 TENA、HLA、JLVC、SOA 等现有仿真系统相关结构技术进行了研究,重点探讨了JLVC2020、SOA及网络中心化仿真等未来仿真系统结构技术发展方向,分析了若干关键技术,对于联合训练条件下新型中大型分布式仿真系统建设具有一定的参考价值.