一种开放式电磁态势仿真系统架构设计*

林 勤

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

现代化作战大量使用电子信息系统，例如：雷达、通信、定位和导航等。军事电子信息系统的指标设计、效能评估，电子装备的训练、战法试验和实战指挥等均离不开对战场准确有效的电磁态势仿真。更精确的电磁态势仿真研究也是未来智能化作战的核心技术之一[1-3]。

电磁态势仿真是利用电磁理论和计算机技术等模拟真实战场电磁环境下军事电子装备平台的工作情况。使用电磁态势仿真系统可在装备设计和使用过程中提前发现问题、解决问题、减少外场试验周期、大幅降低试验费用；也可以通过模拟，构建难以实现的战术环境，解决部队训练问题；对相同战术环境下的不同战法进行提前评估等。根据电磁信号仿真的精细程度，可将电磁态势系统仿真分为功能级和信号级两类：功能级电磁态势仿真从信号的能量级别对电磁环境及各类电子装备的工作情况进行仿真，特点是仿真速度快、计算能力要求较低，但是对电磁信号的仿真程度粗略，难以精确反映电子装备在复杂电磁环境中的实际工作状况；信号级电磁态势仿真需要对电子装备信号的传播、目标回波、干扰叠加以及接收滤波、抗干扰、信号处理等过程进行波形级的精细建模，特点是仿真精度高、逼近电磁信号的真实处理和传输过程，但是计算量巨大，采用常规计算设备和方法难以满足仿真效率要求[4-5]。随着云计算技术的快速发展，大规模分布式计算为信号级的复杂电磁态势仿真系统提供了实现基础[6-7]。

当前国内电磁态势仿真系统的研究主要集中于功能级别，因此迫切需要能够支撑信号级的仿真体系架构。由于信号级仿真系统的组件繁多且复杂，对计算资源的需求激增，因此在系统设计阶段对系统功能和计算资源的需求分析一定是难以充分的，所以作为基础设施的体系架构，其开放性和扩展性一定是最重要的特点之一。因此本文的电磁态势仿真系统架构在先进的高层体系结构和分布式计算技术基础上进行设计，旨在为信号级电磁态势仿真提供一种开放、扩展能力强的基础系统架构。

1 高层体系结构简介

高层体系结构（High Level Architecture，HLA）是一种开放的、支持面向对象的体系结构。HLA提供了一套仿真系统开发与互联的标准，主要由三部分构成：规则、对象模型模板和接口规范说明。它的关键组成部分是接口规范，支持联邦成员通过运行支撑系统（Run Time Infrastructure，RTI）提供的标准服务实现成员之间的协同。

HLA最重要的特点是提供通用且相对独立的支撑服务程序，对仿真实现、仿真运行管理和底层传输进行隔离，屏蔽各自的实现细节。因此各部分可以相对独立地开发，非常有助于利用各自领域的最新技术进行功能和服务的实现，以适应新技术的发展。RTI是联邦执行的核心，功能类似于分布式操作系统，可以跨计算机平台、操作系统和网络系统，为联邦成员提供运行所需的服务。在RTI的支撑下，系统应用可以做到即插即用，因此用户可以针对不同的需求实现联邦快速、灵活的组合和重新配置，保障了仿真部件的互操作和重用性[8-10]。

2 系统架构总体设计方案

信号级电磁态势仿真系统需要在虚拟或真实地理数据环境下，对武器电子装备平台进行作战模式假定。由于电子装备平台的辐射源不同，可移动装备平台的运动轨迹、速率不同，所处的作战地形、天气状况不同，以及外界各种干扰压制源的影响，使得战场的电磁态势异常复杂。同时，由于仿真是针对信号级模型进行计算，计算精细程度的大幅提升引起了计算资源需求的激增。因此，为满足信号级仿真的需求，系统的架构设计必须具备足够的开放性和扩展性。这里包含两层意思：一是系统的开放性，即系统架构设计必须具备标准的内外部接口，保证子系统的解耦独立性，才能保障系统部件能够根据需求进行便捷的挂接和卸载，以最小代价满足系统的开放性；二是计算资源的扩展性，即系统能够根据任务需求加入新的计算资源，以最小代价满足系统对计算资源的需求。

因此可将开放式电磁态势仿真系统架构由下至上分为5个逻辑层次，即：硬件层、数据层、平台层、业务层和展示层，如图1所示。

硬件层提供数据采集、CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）高性能计算集群，数据存储、高速传输网络等硬件资源；数据层提供电磁态势仿真的数据支撑，包括文件数据、网络数据、实时仿真数据和数据库记录数据等；平台层用于支持HLA协议及规范，同时支撑仿真的不同业务系统，包含平台内核、基础服务包、数据交互引擎、HLA服务包、分布式计算包、系统运维服务包和RTI接口；业务层用于支撑整个仿真系统的相关业务，包括分布式计算、GIS（Geographic Information System，地理信息系统）服务包、态势数据处理业务包和仿真数据处理业务包；交互层提供仿真系统的信息显示和人机交互接口，包括态势显示子系统、仿真模型管理子系统、仿真实验管理子系统、运维管理子系统、记录回放子系统和结果分析子系统等。

其中，平台层是整个系统服务架构的核心，基于软件一体化插件框架进行设计，提供规范而精简的 API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）。API设计过程强调单一职责和接口隔离，从职责分离、通用专用分离、系统的颗粒度等方面进行平台层内核的架构设计，提高整个系统的扩展性、安全性和可靠性。基于这种API设计理念，只需要将相应业务中满足需求的功能插件给予动态配置接口，即可实现业务在不同系统间的移植，也增强了内核平台的可移植性。分布式实时计算框架则采用了云计算的资源管理、调度等理念和技术，计算资源通过注册、注销的方式加入或移除系统，任务发布时通过资源管理配置单元对计算资源进行动态调度，实现计算资源便捷的自主伸缩特性。

图1 开放式电磁态势仿真系统层级架构

3 关键技术

3.1 运行支撑系统RTI

运行支撑系统RTI是实现开放式仿真系统的核心技术之一，HLA的关键服务是通过RTI来提供的。在HLA的分布式仿真技术框架下，系统被看作一个联邦，组成系统的所有子系统称为联邦成员。RTI实现HLA协议要求的规则、对象模型模板和接口规范，其中对象模型模板包含联邦对象模型（Federation Object Model，FOM）和联邦成员仿真对象模型（Simulation Object Model，SOM），规则包括联邦规则和联邦成员规则，接口规范包括六大核心服务，即联邦管理服务、声明管理服务、对象管理服务、所有权管理服务、数据分发管理服务和时间管理服务；因此RTI为分布式的各类联邦成员提供了各种标准服务，如图2中的各子系统。由于RTI接口是内部服务与外部子系统数据交互的统一访问入口，因此标准化了总线设计。系统执行过程，各外部子系统以联邦成员的方式加入联邦，通过RTI“订购”其他联邦成员“公布”的对象类及交互类信息即可进行数据交互和操作交互，实现平台下各子系统的联合运行。要满足信号级仿真系统的需求，必须开发出一个有效且高性能的运行支撑系统。

图2 运行支撑系统RTI

3.2 组件技术

在本文的仿真系统架构下，仿真部件和功能的设计均以组件为基础进行，组件之间的数据通信、控制交互等必须通过挂接到RTI后进行，因此组件设计的粒度划分必须满足高内聚、低耦合的设计原则。

组件设计时首先将数据显示与数据处理进行分离，数据传输与数据处理进行分离，数据处理与数据存储进行分离，有效降低系统耦合度。然后继续对组件的粒度进行细分，降低将组件功能对外部环境的依赖，细分形成一个功能自封闭、可自管理的小模块。为了增强组件的复用性，组件设计过程也要尽可能避免专用业务功能的加入，并按照标准的组件通讯方式和组件通讯接口进行开发设计，遵循单一职责原则和接口隔离原则，使得组件在平台中能够得以充分利用。组件开发完成后，通过统一的接口向系统平台进行发布。

业务部署时，选择相应的功能组件进行积木式堆叠即可，并对系统核心组件接口与数据交互进行合法性检测及授权，保证整个系统性的稳定性。

3.3 分布式实时计算框架

分布式计算服务子系统是仿真系统的计算核心，采用分布式云计算的技术和设计理念进行设计，使其具备对计算资源自组织、自管理的能力，框架包含以下主要功能模块：任务调度模块、配置管理模块、业务发布模块、状态管理模块、管控服务模块、GPU计算集群和CPU计算集群，如图3所示。

图3 分布式实时计算框架

分布式计算框架由任务调度模块接收仿真系统的计算任务请求，向配置管理模块请求计算资源。配置管理模块根据计算任务请求和运算数据类型为任务调度模块分配计算资源和算法包。任务调度模块获得计算资源配额和算法包后，将不可分片任务直接发送给CPU或GPU计算单元直接进行计算，可分片任务则发送给业务发布模块，由业务发布模块按照任务的运算要求，向GPU或CPU计算集群发送运算任务包进行运算。计算任务完成后的运算数据经过数据整合，返回给仿真系统；运算过程中，状态管理模块收集各计算单元接收的指令和产生的工作状态日志等，并送入管控服务模块，对业务发布模块、CPU、GPU计算集群的任务处理等状态进行监视。

其中，配置管理模块是计算框架可伸缩的核心部件，新的计算资源通过配置管理模块注册加入系统，失效的计算资源则通过配置管理模块进行注销，即计算节点可任意增加或减少，实现了计算资源的自由伸缩性。同时，配置管理模块还将对新加入的计算资源进行评估。在接收到计算任务请求时，通过资源调度算法对任务请求与计算资源进行匹配。并且计算框架中的每个计算单元即计算节点都是无状态的，任何计算单元均可由其他计算单元替代，满足分布式框架中的节点同一性。因此在不考虑数据传输瓶颈的情况下，无论任务的大小与复杂度，均可通过增加计算节点的数量来增强计算任务的实时性。

4 仿真实验

开放式电磁态势仿真系统基于linux、QT和C++语言进行开发，并在安装有nvidia的GPU集群系统上进行实验，实验配置流程如图4所示。

图4 实验流程图

实验结果可由系统的显示界面进行展示，如图5所示。

图5 电磁态势仿真系统人机交互界面

本文的电磁态势仿真系统可通过态势显示界面，以二维或三维方式直观显示地貌、气象、不同电磁装备的电磁波覆盖、传播及装备间互相干扰的情况。并可显示、操作可移动装备的运动轨迹等。通过系统配置界面可以对战场环境的地理信息（例如：三维地图）、气候状况（例如：风雨雷雾），参与仿真的各类型电磁装备的电磁属性（例如：功率、载波、频段），可移动装备的运动轨迹、速度，电磁波的传播、干扰模型等进行集中配置。系统将自动分配并调用GPU或CPU阵列等计算加速资源，对仿真数据进行加速运算，实时或准实时显示。仿真过程可聚焦于不同的被测电磁装备，实时输出被测电磁装备在复杂电磁态势环境中的效能等信息。系统配置界面还提供实验启动、暂停、终止等功能，并可对当次仿真实验数据进行存储，用于后期回放及分析。系统提供的检测功能，还可对系统中各软件子系统、硬件设备的工作状态进行工作状态监视和健康管理。

系统初步实验，在有12台装备的战场，其中11台为固定装备（雷达和通信车），1台为可移动装备（飞机）的条件下，系统的响应时间可以达到秒级。

5 结 语

军事电子装备在研制、验证，军队的训练、战法研究，以及下一代“算法战争”、“马赛克战”等均对战场电磁态势的研究提出了极具挑战性的要求，电磁态势仿真必将从能量级走向更加复杂但更接近真实的信号级。

本文设计了一种基于HLA和分布式云计算技术相结合的开放式电磁态势仿真系统基础架构，实现了系统组件开发的独立和自由挂接特性，以及计算资源的自由伸缩特性。本文的分布式实时计算框架结合信号级电磁仿真的数据、模型、算法分片技术，能够极大提高系统对仿真问题的解决能力，提高系统的可靠性，防止单点甚至多点故障对系统的影响，同时系统的运算资源也具备非常灵活的伸缩性，可根据后续任务需求方便地增加运算资源，也降低了系统的成本，即使一台普通的个人计算机机也可加入分布式计算集群，满足信号级电磁态势仿真系统灵活开放、运算能力激增的需求。

后续工作将在本文基础上对系统的性能、鲁棒和容错等特性进行进一步测试、评估和优化，并可探索加入人工智能的分析方法，对战场电磁环境、装备效能等进行深入分析和研究。