基于HLA的一体化仿真训练平台

基于HLA的一体化仿真训练平台
李卿
【摘要】对于工作在海洋环境下的某大型测量装备,其特点是数量多、体积大、造价高、分布零散、工作环境特殊,日常的操作难以展开.基于高层体系结构(HLA)联邦仿真思想,针对特殊测量装备的任务需求和装备特点,建立了基于HLA的分布式仿真训练平台,实现了虚拟环境下测量装备的分布式多人实操训练.根据HLA联邦仿真开发步骤,设计了一体化仿真训练体系框架,并对联邦仿真训练平台开发步骤、剧情设计、RTI软件设计及联邦成员的实现方法进行了初步研究.实际应用结果表明,设计的仿真体系符合HLA标准和离散事件动态系统标准,具有层次化和模块化的特点;建立的仿真平台符合实际训练过程和训练场景,具有较好的实时性和交互性.
【期刊名称】《大连工业大学学报》
【年(卷),期】2010(029)006
【总页数】4页(P465-468)
【关键词】高层体系结构(HLA);测量装备;训练;仿真
【作者】李卿
【作者单位】大连91550部队,辽宁大连,116023
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
0 引言
某大型测量任务由多套测量系统共同完成。

这些测量系统涵盖了光学、声学、机械、电子以及数据处理等多项技术，技术密集度高，操作使用过程复杂，装备之间协同交互性强，要求操作手对装备基本操作规程熟练掌握，并能够在紧急情况下对装备故障迅速排除。

由于实际装备只能工作在海洋环境下，日常的实操训练难以展开，迫切需要一种贴近实战、易操作的训练方法来提高装备训练工作的真实性和有效性。

解决这一训练突出矛盾的方法是建立扩展性好、成本低、可多次重复和无风险的分布交互式仿真训练平台[1]。

目前，开发分布交互式仿真平台通常采用3种仿真支
撑环境[2]：(1)自定义数据传输标准的共享内存方式；(2)基于DIS标准的仿真体系；
(3)基于HLA标准的仿真体系。

第1种方法简便易行，但系统扩展性差，主要用于代理人数目较少的系统；第2种和第3种方法实现复杂，但扩展性好，适合建立
多代理人的复杂仿真系统。

尤其是HLA/RTI仿真体系框架，不但可以对仿真系统
进行调度管理，还可以实时对仿真数据进行管理和分发。

HLA已经成为IEEE建模与仿真的标准，并逐步取代DIS协议和ALSP协议，成为分布式交互仿真的通用
技术框架[3-5]。

HLA强调仿真资源的可重用性、仿真模型可扩展性和联邦成员的
互操作性，能够提供大规模、多系统间的构造仿真、虚拟仿真和实况仿真。

HLA良好的可重用性使得仿真联邦可以进行不断扩展，在装备更新和改造后仍然
能够满足要求，而互操作性则加强了仿真子系统(联邦成员)的交流和信息的共享，能够更好地发挥测量装备的协同优势，并可为装备的二次开发提供平台。

为此，从测量装备分布式的特点和日常训练的实际需要出发，尝试建立基于HLA联邦仿真
机制的训练软件环境，把测量装备以分布的方式组合在一起，搭建分布式训练仿真平台，并对关键性技术问题作初步研究。

1 基于HLA的虚拟训练平台工作原理
1.1 联邦成员的逻辑结构
HLA规定多个仿真应用通过网络的联合称为联邦(Federation)。

联邦是由若干相
互交互的联邦成员构成的集合。

参与联邦的所有应用都称为联邦成员，简称邦员。

如图1所示，虚拟训练平台由若干联邦成员组成，这些联邦成员包括观察员邦员、海洋水体邦员和测试装备邦员，作为分布在不同计算机上的虚拟仿真器，这些邦员仿真器相互之间进行信息的交互仿真，从而构成分布式仿真系统。

HLA的特点是
支持仿真系统的可重用和可扩展，正如图1所示，联邦成员通过联邦接口模块与RTI软件进行交互，而不是直接与底层通信网络进行交互，当有新的联邦成员加入到联邦中时，不必作任何的改动，只需对接口模块进行编辑，从而提高仿真器的可重用和联邦的可扩展，降低开发成本，提高仿真效率。

图1 多个测量装备仿真联邦逻辑结构Fig.1 The logical frame of simulation federation for the measuring systems
1.2 仿真训练平台开发的步骤和关键技术
按照HLA规范，联邦开发的一般步骤是：首先开发联邦概念模型(Federation Concept Model，FCM)，对所研究的问题进行空间描述和界定，包括开发联邦剧情，对联邦主要实体的数量、能力、行为及相互间随时间变化关系作功能性描述；然后是开发联邦对象模型(Federation Object Model，FOM)，保证联邦运行时各成员之间正确的数据交换；最后是根据所开发的联邦对象，设计分布式支撑框架RTI软件，完成对时间管理、步长推进等关键性软件开发[9]。

2 建立联邦概念模型(FCM)
2.1 仿真剧情设计
根据装备的操作规程要求，结合被测目标运动的实际情况，对联邦训练系统仿真剧情设计如下：由多套装备完成对被测目标运动姿态的记录，这些装备有各自的独立性，能够独立完成各自的测量任务，彼此之间又有一定的关联性，所以可以把它们分别视为联邦成员，装备联邦成员的任务是对被测目标运行姿态进行记录，包括声学测量、光学测量和姿态测量等。

建立视景联邦成员，该联邦成员应真实反映航行
器、水体、被测目标等可视化信息，同时对被测目标运行姿态进行真实数值模拟和再现。

视景联邦成员相当于观察员，不仅对仿真过程进行观察，对仿真结果进行再现，同时对训练效果进行考评。

视景观察员接收联邦中其他成员的仿真数据，记录这些数据，并驱动视景，把仿真过程用视景实时仿真的形式再现给仿真组织者，记录的数据则用于事后分析和过程再现。

为清楚再现测量环境，将海洋水体作为单独的联邦成员进行描述，其仿真的真实性可以增强观察员的逼真度，并且该联邦成员向光学测量装备发布照度、透明度等海洋环境参数信息。

2.2 联邦成员的交互
结合装备的实际情况，设计了具有7个联邦成员的仿真联邦，包括观察员、水体、被测目标、航行器和3个装备邦员，其交互关系如图2所示。

在联邦运行过程中，由被测目标将其动力学参数和图像资料信息分别传递给声学和光学测量装
图2 联邦成员的逻辑关系Fig.2 Logical relationship of the federation members
备，水体参数将海洋环境参数传递给光测装备，光测装备将按照相应的参数信息进行数据采集。

航行器将运动状态传递给姿态测量装备，姿态测量装备获取姿态数据后，将其结果传递给声学测量装备进行数据采集。

观察员接收各个联邦的数据，生成动态的三维视景仿真图像。

3 联邦对象开发
联邦对象模型(Federation Object Model，FOM)定义了联邦和联邦成员的交互数据，是HLA应用系统进行数据交互的基础，也是开发HLA系统的关键技术之一。

FOM的主要目的是为联邦成员之间的数据交换提供一个通用的、标准的格式说明。

数据内容包括所有对象类和交互类以及这些类的属性和参数。

如图3所示，利用UML语言描述方法[6]，每个单元是一个类，箭头指向为其父类，类成员数据为交互类参数，以及交互类的参与状态是发布(publish)还是订购(subscribe)，为建立
一个完全开放的联邦对象交互类，数据成员的状态都是PS状态，即既可发布也可订购。

图3 部分联邦运行交互类结构图Fig.3 Federation running interactive classes
4 RTI软件设计
HLA的核心思想是通过仿真支撑软件RTI将联邦成员与底层网络通信分隔开来，
从而实现仿真系统的可重用、可扩展。

RTI是HLA仿真系统的支撑框架，它为分
布式仿真提供所需的软件环境，并集成了分布仿真所需的功能(联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理等)。

RTI软件包括3个组件：rtiExec、FedExec和LibRTI。

其中rtiExec管理联邦的创建和撤销，并指示成员加入正确的联邦执行。

FedExec管理联邦中成员的加入和退出。

LibRTI是一个C++(或Java)库，为联邦成员开发者提供了HLA接口规范定义的一系列服务。

邦员通过libRTI
调用HLA的服务，并同rtiExec、FedExec和其他邦员通信。

利用C++编程工具，创建训练仿真平台邦员RTI接口程序的流程如图4所示。

图4 HLA接口实现流程Fig.4 The flow chart for the HLA interface realization 5 装备联邦成员的实现
对于装备联邦成员，其开发程度的好坏将直接影响整个仿真系统的伸缩性和可扩展性。

根据面向对象的思想，对装备联邦成员统一建立模型模板，即开发用C++实
现的面向对象的、图形化的、集成的底层建模、仿真工具。

装备邦员的具体开发过程如下：通过建立基本的装备对象库、组件库，按照模块化、层次化的方法，建立装备的仿真模型，模拟装备的组装、连线和控制，以及装备的操作界面。

对象库(Object Library)包含基本对象(Basic Object)和各种应用对象(Application Object)。

基本对象分为物理对象和信息流对象，应用对象是通过基本对象产生的，它可以任意放到对象库中，以备将来使用。

一个应用对象可能是一个基本对象的框架，或者一个完整的模型，或者一个模型的一部分，或者是几个基
本模型的组合。

利用基本对象，任何测量装备都能够通过图形化和交互的方法产生。

应用模板(Application Templates)包含了基本对象和构造应用对象，根据需要，
可以用应用模板来更新基本装备模板。

6 结论
对装备操作使用和维修保障的熟练程度是影响测量装备工作能力发挥的重要因素。

通过建立测量装备训练仿真系统，可以独立于各测量装备的硬件系统开展基于分布式计算机仿真的训练工作。

所建立的HLA标准分布式平台具有较好的实时性和交
互性。

如何对联邦成员进行软件开发，进一步提高仿真剧情实效性是本文进一步的研究方向。

参考文献:
[1] 刘鹏远,张锡恩. 基于HLA某型装备虚拟操作训练系统[J]. 系统仿真学报, 2004, 16(6):1280-1283.
[2] 董光波,张锡恩. 联邦式操作训练仿真系统对象模型设计方法[J]. 计算机仿真, 2004, 21(10):201-205.
[3] 孙柏林,靳大安. 外军建模与仿真综述[J]. 计算机仿真, 2002, 19(1):4-8.
[4] 黄柯棣. 略论军用仿真技术面临的需求与发展的方向[J]. 系统仿真学报, 2001,
13(1):6-10.
[5] 迟刚. HLA仿真技术综述[J]. 计算机仿真, 2004, 21(7):1-3.
[6] 卢键,齐欢,代建民. 基于UML的HLA/RTI联邦执行管理的可视化建模[J]. 计算
机仿真, 2005, 22(6):170-173.。