装备实时仿真支撑平台设计研究

侯 磊，冯 贺，李松霖，黄 杰

（北方信息控制研究院集团有限公司，南京 211153）

0 引言

在多体协同/多飞行器编队等为主要特征的复杂装备研制过程中，为确定复杂装备的作战适用性和作战效能，需对复杂装备进行实时的半实物和纯数字仿真，包括装备体系的仿真和装备部件的仿真，为保证仿真的可信度，采用多种技术手段，对复杂装备进行可视化体系建模和可视化组件建模，对仿真模型能够实时控制、实时网络通信和实时高效评估，为复杂装备研制提供详实可信的仿真报告，检验和验证复杂装备的作战效能和作战适用性。

针对目前国内对于复杂装备还没能实现高性能实时仿真的现状，需要开发一套能够用于复杂装备的高精度高性能实时仿真系统，仿真系统要求模型能统一建模，组态化运行，能够兼容Simulink 的仿真方式，实现多系统多机强实时互联，支持多种工业总线通信。

针对复杂装备系统建模仿真存在包括AADL（architecture analysis and design language）、SysML（system modeling language）和DoDAF（department of defense architecture framework）等在内的多种系统体系框架。AADL 是表示嵌入式实时系统的架构描述语言，支持嵌入式实时系统的架构描述语言，支持嵌入式实时系统体系架构的建模元素包括构件、连接等。SysML 是用于系统体系架构设计的多用途建模语言，用于对由软硬件、数据和用户综合而成的复杂系统的集成体系架构进行可视化的说明、分析、设计及校验，解决系统工程面临的建模问题。DoDAF 是美国国防部为架构开发提出的高层综合框架，便于国防部的各级管理者利用在各部门、任务、组件和项目间的信息共享，更有效地制定决策。

本文以多体协同/多飞行器编队等为主要特征的复杂装备为研究对象，以其研制过程全任务剖面的实时仿真验证评估为研究目标，开展实时仿真平台总体、复杂装备可视化建模、仿真实时控制与集成交互、仿真实时网络通信、实时仿真高效评估等技术研究，设计装备实时仿真支撑平台，支持复杂装备研制半实物仿真系统的建设，可应用于新型武器装备的论证、设计、试验等全任务剖面的验证评估及优化改进等方面，能够极大地缩短武器装备的研制周期，对装备潜在作战效能、作战适应性等进行预测和评估，提出研制改进优化建议和作战试验科目建议，为装备作战试验科目设置等提供依据。

1 研究内容

1.1 实时仿真平台总体技术

通过对多体协同/多飞行器编队仿真的系统需求、任务特点、技术要求等进行分析，考虑系统的通用性和可重用性，设计分布式仿真环境的层次化结构总体框架，通过采用内外环相结合的方式，实现面向集中式/分布式应用的装备体系仿真系统和装备部件仿真系统。装备体系级仿真主要以单机或者飞行编队为基本作战单元，研究新型武器的体系作战效能和作战任务条件下的仿真逼真度。而装备部件仿真系统主要以单机系统组成部件为仿真基本单元，研究新型武器仿真平台的系统性能指标及仿真逼真度。实时仿真平台总体框架研究内容包含系统总体框架、装备体系仿真应用框架、装备模块仿真应用框架。

1.2 复杂装备可视化建模技术

新型武器装备的论证、设计、试验等全任务剖面的验证评估及优化改进工作的首要任务是复杂装备的模型建模，从新型武器装备论证的特点和需求出发，运用组件化建模思想，提出一种以图形化的方式描述所开发新型武器装备的过程，提供一种从不同视角观察被开发系统的机制。复杂装备可视化建模包括可视化体系建模和可视化组件建模，可视化体系建模是通过参照DoDAF 规范，结合装备研制的标准等规范，设计实现一套可视化的体系建模工具，可视化组件建模主要是对装备实时仿真支撑平台模型体系框架、模型体系构建和虚拟兵力模型构建技术研究。

1.3 实时仿真高效评估技术

复杂武器装备实时仿真系统中的实时仿真高效评估是验证仿真系统真实性中重要的一环，半实物仿真结果越逼真，越能准确估计系统的性能，并进行一系列的优化改进工作，提升半实物仿真系统的逼真度。首先需要对半实物实时仿真系统的评估指标体系进行研究，构建合理的评估体系，然后通过对多种效能评估方法的研究，寻求适合复杂武器装备实时仿真系统评估方法，对评估流程以及理论方法研究进行软件实现，最终形成实时仿真高效评估工具。

1.4 实时仿真支撑平台原型系统

以多体协同/多飞行器编队等为主要特征的复杂装备研制全任务剖面的实时仿真验证评估为应用背景，采用定性与定量相结合的半实物仿真结果，分析评估方法设计实时仿真支撑平台原型系统，提出针对半实物实时仿真支撑平台的验证目标、评估指标等，最终提出复杂装备半实物仿真实时系统典型应用流程、性能评估指标体系和标准评估方法。

2 平台方案设计

2.1 平台功能

综合利用实时仿真平台总体技术、复杂装备可视化建模技术、仿真实时控制与集成交互技术、仿真实时网络通信技术、实时仿真高效评估技术，设计开发一套复杂装备实时仿真支撑平台，主要研究用于覆盖仿真开发、仿真部署、仿真运行到仿真分析评估等系统仿真各个阶段，实现对系统仿真应用全生命周期的支持，构建一体化实时仿真试验支撑环境，可应用于复杂装备系统的论证、研制、验证、评估，可进行连续多趟仿真和人在回路的单趟仿真。

2.2 平台组成

装备实时仿真支撑平台主要包括实时建模仿真一体化集成开发环境、半实物仿真评估工具和半实物仿真装置，如下页图1 所示。

图1 系统组成框图Fig.1 System composition block diagram

装备实时仿真支撑平台采用面向集中式/分布式应用的实时仿真平台通用框架，包含半实物仿真硬件支撑、模型支撑、应用支撑层和应用层组成。

2.2.1 半实物仿真硬件支撑

系统底层为半实物仿真硬件支撑层，这是半实物仿真高稳定、高精度实时仿真的核心层，包含计算机、交换机、多台实时仿真机、高精度时钟同步装置、实时仿真网络通信装置和智能接口适配器及长线传输装置组成。计算机为实时建模仿真一体化集成开发环境、半实物仿真评估工具提供硬件和操作系统支撑。交换机用于计算机之间以及计算机与实时仿真机之间的通讯。智能接口适配及长线传输装置完成半实物装置的接入和数据长距离传输，如模拟量、开关量、1553B、CAN、RS422、LVDS 等。实时仿真网络通信装置用于完成多体/多机实时仿真机间的超高速实时网络通信。高精度时钟同步装置用于完成不同仿真机间的时钟同步。

2.2.2 模型支撑层

模型支撑层，仿真试验前通过实时建模仿真一体化集成开发环境中的装备体系和部件建模工具，建立虚拟兵力实体模型和环境模型，存于数据库中，通过实时建模仿真一体化集成开发环境，把装备的模块模型部署到实时仿真计算机和虚拟计算机上；仿真试验中运行仿真通信支撑工具调用模型完成模型解算，并把解算结果送回实时建模仿真一体化集成开发环境中。

2.2.3 应用支撑层

应用支撑层是复杂装备实时仿真支撑平台中复杂装备的建模、设计、试验的控制、运行、显示和分析评估中心，它是由实时建模仿真一体化集成开发环境和半实物仿真评估工具组成，其中，实时建模仿真一体化集成开发环境由装备体系、部件建模工具和装备一体化仿真试验平台组成，半实物仿真评估工具由数据回放和分析评估组成。

2.2.4 应用层

支持开展装备体系仿真、装备部件仿真和装备分析评估。

2.3 分系统设计

2.3.1 实时建模仿真一体化集成开发环境

实时建模仿真一体化集成开发环境由装备体系与装备部件建模工具、想定编辑工具、试验设计工具、试验管控工具、态势显示工具、仿真通信支撑工具、试验模型与资源等模块组成，如下页图2 所示。

图2 实时建模仿真一体化集成开发环境功能组成Fig.2 Functional composition of real-time modeling and simulation integrated development environment

1）装备体系与装备部件建模工具：装备体系建模工具根据装备研制需求描述文档，通过图形化的方法，完成作战任务、能力分解、指标分解、装备组成及交互关系描述，并生成彼此之间的映射关联关系；装备部件建模工具提供用户一个开发组件及仿真实体的统一开发平台，主要用于开发仿真试验运行所需程序模型和三维模型，用于模拟真实物体的动作行为、逻辑判断。

2）想定编辑工具：利用军事标图系统将作战信息部署到想定中，借助三维地理信息系统将想定内容可视化地表达出来，直观、形象地展现战场态势、作战场景和作战过程。

3）试验设计工具：用于设置试验项目、试验次数、试验开始与结束时间、时间推进步长、试验结束条件、输入参数等试验控制参数，提供分析因子设计能力，通过与试验管控工具的配合，能够将设计的多样本数据分发到多台计算机同时运行，产生海量数据，为分析提供定量的数据支撑。

4）试验管控工具：支持想定多样本的分布式运行，包括运行前规划、运行中控制和运行后数据回收；支持计算机节点管理，包括运行环境部署、系统状态管理及软件远程启动；以友好的方式引导用户进行部署。

5）态势显示工具：以易于了解的图形图像形式表现兵力部署、作战运动状态、战场损伤状态等作战态势，并提供直接的图上作业功能，即支持离线式的事后回放。

6）仿真通信支撑工具：主要负责加载模型组件，运行过程中进行组件间的数据交换、底层数据通讯，包含仿真模型组件执行引擎、协议适配器、分布式仿真运行支撑中间件3 层体系结构，调用模型模拟处理作战事件或计算作战行动效果，根据计算分析结果，修改作战系统或作战实体状态。

7）试验模型与资源：主要包括试验所需的三维可视化模型、数学仿真模型等各类仿真模型，以及用于存储地形影像数据、数字高程地形数据、海洋数据、气象环境模型数据、电磁环境模型数据及环境构建相关设置参数的战场环境数据库。

2.3.2 半实物仿真评估工具

复杂装备实时仿真试验评估是一项复杂的系统工程，同时也是一个由“定性→定量→定性”的辩证过程。通过对复杂装备半实物仿真的评估流程以及理论方法研究进行软件实现，形成半实物仿真评估工具，半实物仿真评估工具应具备图3 所示功能。

图3 半实物仿真评估工具功能组成Fig.3 Functional composition of semi-physical simulation evaluation tool

半实物仿真评估工具提供通用的评估算子和图形化评估指标体系，支持在线和离线两种评估模式。用户可根据评估需求，建立相应的评估指标体系，调用相应的评估算子，或根据需求扩展定制评估算子或方法，对采集的仿真运行和结果数据进行分析评估，通过多样的图形表格进行展示，支持指标体系构建、统计分析查询、分布式实时分析和多样本评估等操作。

2.3.3 半实物仿真装置

实时仿真分系统整体结构如下页图4 所示，由开发主机和实时仿真机组成，上位机是系统仿真集成开发环境，下位机是硬件解算板卡和高速I/O 接口。上位机提供人机交互的控制界面，下位机用来仿真计算，接入实际被控设备，以便形成闭环仿真测控系统。

图4 实时仿真分系统整体结构Fig.4 Overall structure of real-time simulation subsystem

其中，上位机为安装windows 操作系统的普通电脑，在windows 平台上安装实时仿真管理软件，Matlab/Simulink，以及仿真建模可能会用到的第三方与matlab/simulink 相兼容的行业软件和可提供编译器的软件，比如C 或者C++编译器等。计算单元为单机或者多机组成的服务器，可以包含多个计算单元（CPU），计算单元和上位机之间通过TCP/IP 实现通信，上位机可以将预处理过的基于模型的代码下载部署到计算单元中，实现实时仿真和仿真过程的管理监控。仿真系统还能够根据实际I/O 使用类型和数量的需求配置一个或多个接口箱，计算单元和接口箱之间使用高速实时通信总线通信，对于其他总线类板卡，仿真系统可以通过预留标准PCIe/PCI插槽的形式予以支持，CAN、RS422、1553B、LVDS 等通信形式的板卡，可以直接根据需要插入预留的插槽中，而且当单机槽位不够的情况下，可以通过扩展多主机的方式实现槽位数量的扩展。

2.4 典型应用流程

复杂装备实时仿真支撑平台应用系统主要分准备、运行和分析3 个阶段进行。

2.4.1 准备阶段

准备阶段完成试验数据的准备，包括试验基础数据、想定数据和试验方案书的准备，借助想定编辑工具、装备体系和装备部件建模工具和试验设计工具软件完成。

根据试验任务规划的指导性文件，通过试验设计工具完成试验基础数据的录入，通过想定编辑工具进行想定编辑，通过想定编辑工具查询数据库中是否存在试验所需的模型。如果不存在，通知模型开发人员通过装备部件建模工具开发试验所需的模型，开发后的模型自动存入数据库中。如果存在，通过想定编辑工具直接从数据库中调用相关模型。

然后，软硬件设备进行初始化，各主机与导演台建立连接，导演台在整个系统中也是服务器的角色。加载相关的试验数据，把试验变量赋初值，形成作战试验的初始态势。

2.4.2 运行阶段

运行阶段完成作战过程的模拟推演和计算分析，其时间推进机制采用时间步长或事件步长，可以由计算机自动推进（人不在回路），也可以由导控人员控制推进（人在回路）。在一个时间步长内，先通过多体/多飞行器编队模型进行飞行器的编队控制，由导控台解析任务和命令，调度实兵模型运行，模拟作战行动和处理作战事件。记录模拟计算结果，并依据结果修改系统或者修改实体状态，把产生的新事件植入作战事件队列，更新态势显示信息。判断是否满足试验结束条件，如果满足，则进入试验分析评估阶段，否则试验时间推进新的时间步长。主要由试验导控软件，指挥作业软件和态势显示软件和仿真运行引擎组成。

2.4.3 分析阶段

分析阶段完成数据的分析处理，获得作战试验结论，形成试验分析报告。为了支持作战试验分析，可能调用态势显示工具，对模拟的作战过程有选择地进行倍速可调的重演，以对关注的问题进行精细分析，系统流程图如下页图5 所示。

图5 系统使用流程Fig.5 System operation process

3 典型案例

所谓多飞行器协同编队飞行就是将多架具有自主功能的飞行器，按照一定的结构形式进行三维空间排列，使其在飞行过程中保持稳定的队形，并能根据外部情况和任务需求进行动态调整，以体现整个机群的协同一致性，提高作战的时效性和成功率。

多飞行器协同编队飞行，涉及到空气动力、传感器、计算机控制、通信及人工智能等多个学科和技术领域，因而此研究存在很多关键性的技术问题。首先为了保持编队飞行的一致性和稳定性，需要保证各飞行单位在同一时空体系内，这就要求整个飞行器编队要高度地时间同步，同时还应能够实时快速通信，来确保每个单体飞行器能够准时准确地保持在自己应在的位置，以便形成有利于任务完成的编队队形。其次，为了研究出更多有效的飞行编队模型，除了借鉴鸟类常用的飞行队形、加强对空气动力学的研究之外，需要将“兵落实到纸”，这个“纸”则是指一个平台，它能够支持更多编队模型的创建和试验，能够支持实装飞行器装置的接入。最后，为了验证飞行编队的有效性，需要一套完整的评估体系，来辅助修正调整编队队形。

基于上述多飞行器协同编队飞行存在的一些关键性问题和需求，基于装备实时仿真支撑平台搭建了多飞行器编队的实时仿真支撑平台原型系统。如下页图6 所示，它由高精度时钟同步装置、实时仿真网络通信装置、智能接口适配，以及长线传输装置、实时建模仿真一体化集成开发环境和半实物仿真评估工具组成。其中，飞行器模拟机由实时建模仿真一体化集成开发环境部署生成，作为实装飞行器在仿真平台中的映射节点，通过智能接口适配及长线传输装置将实装飞行器的状态同步到平台之中。

多飞行器编队的实时仿真支撑平台原型系统的主要功能包括：支持对飞行编队半实物和纯数字仿真，具备体系仿真和部件仿真能力；具备对多飞行器编队体系构建，模型装配，单飞行器仿真实体构建和三维模型构建能力；具备对多飞行器编队实时控制及实时仿真能力，对多飞行器的实时数据通讯及模拟量、开关量进行超高速实时传输；能够依据多飞行器编队实际情况选取相应的指标对多飞行器编队进行实时仿真高效评估；具备对多飞行器编队实验过程进行想定编辑、试验设计、态势显示的能力；能够对多飞行器编队仿真部署方案进行规划与管理、通讯协议配置、模型资源部署及监控验证环境。

3.1 高精度时钟同步装置

高精度同步装置用于完成多台飞行器模拟机间的时钟同步。仿真时钟是实时仿真的一个重要因素，特别对多飞行器的编队飞行控制尤为重要，其机动性强、危险系数高，可谓“差之毫厘，失之千里”。

3.2 实时仿真网络通信装置

实时仿真系统中，各飞行器节点之间的数据传输主要包括：飞行高度、飞行方向、飞行速度、位置、敌情和飞机本身状态（剩余油料、剩余弹药等）。为了满足这些数据的实时传输，在物理上需要使用透传的方式加载适合高速实时仿真的自定义数据交互协议，以实现更高速度的要求，并且尽可能地将高速通信与时间同步在一套专属硬件系统中完成。

3.3 智能接口适配及长线传输装置

智能接口适配及长线传输装置作为实装飞行器装置和飞行器模型的纽带，将实装飞行器装置的状态同步到仿真平台中的飞行器模型之中。

3.4 实时建模仿真一体化集成开发环境

实时建模仿真一体化集成开发环境包括飞行器成体系建模和多飞行器仿真试验平台。其中，飞行器成体系建模用于创建和部署飞行器实体模型以及多飞行器编队飞行时的队形模型。多飞行器仿真试验平台则用于导调控制多飞行器的编队飞行、对飞行器航迹控制、状态及队形转换控制，可实时收集飞行器编队飞行状态，并支持将飞行器编队飞行的过程投影到导调演示屏幕中。

3.5 半实物仿真评估工具

借助半实物仿真评估工具所具备的功能模块，设计基于对整个飞行演习过程进行全方位的仿真评估案例，主要包括飞行过程中队形的保持、各单位飞行器是否能够按照航迹飞行、队形状态调整后提高了多大的飞行效能，以及飞行任务的完成情况等；重点分析了影响分布式实时仿真系统实时性的主要因素，经过敏感性分析模块分析出6 个关键指标来评估其实时性，包括激励响应精度、帧溢出数、帧同步相对误差时间同步精度、时间同步精确度；同时给出各指标的定量计算模型，所提出的指标结合综合评估模型，可以判断具体系统是否满足实时性要求及满足实时性要求的程度。

4 结论

本文从实时仿真平台、复杂装备可视化建模、实时仿真高效评估3 个方面开展研究，构建了实时仿真支撑平台原型系统，设计了实时建模仿真一体化集成开发环境、半实物仿真评估工具和半实物仿真装置3 个主要模块，从准备、运行和分析3 个阶段，描述了复杂装备开展实时仿真评估的应用流程，并以多飞行器协同编队飞行为案例，介绍了多飞行器编队如何基于实时仿真平台验证飞行编队的有效性。本文的研究成果可从武器装备论证、武器装备设计、武器装备试验3 个方面进行推广应用：1）通过仿真推演与评估手段，支持武器装备的作战需求论证、性能指标论证、体系论证的验证评估及优化改进；2）具备复杂装备可视化建模能力，能够对仿真模型通过人机交互界面进行实时控制，应用于装备体系仿真和装备部件仿真，支持武器装备的总体架构设计、部件设计、体系运用设计等验证评估及优化改进；3）通过仿真推演与评估手段，支持武器装备的功能试验、性能试验、作战试验等验证评估及优化改进。