分布交互仿真

分布交互仿真技术分布交互仿真技术（Distributed Interactive Simulation Technology）是一种将分布在不同地点的、自治的单一仿真系统，通过计算机网络连接成一个集数学仿真、半实物仿真和人在回路中仿真为一体的、交互式的仿真的技术。分布交互仿真技术以计算机网络为基础，把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员联系起来，生成人工合成的多武器平台这样一种电子环境，从而形成了一种虚拟的作战环境。它是研究并建立系统的硬件或软件的有效模型，通过模型在实验系统上的运行来研究真实的或假想的动态系统在其所处的环境中的性能的技术。这一技术的核心是分布、交互和仿真。分布是指分布交互仿真系统中没有中央计算机，计算能力是分布的，而且，在地理位置上也是分布的，系统各个单元之间可以相隔很远的距离。交互是指分布交互仿真系统中不同结点之间具有交互作用，人在回路中的仿真系统的互操作性，比如在武器仿真系统中的武器平台（飞机、导弹舰艇等）之间、武器平台与各种环境（地形、大气、海洋等）之间的交互作用。仿真是指分布交互仿真系统以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机为工具，建立系统的计算机模型，对系统进行实验研究。分布交互仿真技术的发展： 1.>早期的分布交互仿真SIMNET。80年代初，美国国防高级研究计划局和美国陆军共同制定了一项合作研究计划，即开发一个称为SIMNET的大规模交互战斗仿真网络，将分散在各地的多个地面车辆（坦克、装甲车）仿真器用计算机网络联系起来，用于对坦克乘员（以后推广到包括固定翼飞机和直升机驾驶员）和分队指挥员进行战术训练，也可以对单个武器系统的性能进行研究和评估，从而开创了分布交互仿真技术发展的新阶段。SIMNET的特征是以分布式交互仿真、计算机综合形成的三维环境和虚拟战斗把成千上万的战斗人员“浸入”到一种由计算机产生的灵镜电子战场。到1990年，这个系统包括了约260个地面装甲车辆仿真器和飞机飞行模拟器，以及通讯网络、指挥所和数据处理设备，这些设备分布在美国和德国的11个城市 2.>分布交互仿真的标志Digital Information System（DIS）将现代化测量技术和计算机结合，可以直接测量多种物理量（如距离、位移、瞬时速度、平均速度、力、温度、压强、电压、电流强度）的现代化测量仪器。DIS系统通过规范异构的仿真节点间进行信息交换的格式和内容，以及通信规则来实现分布的仿真系统间的交互操作。建立在数据交换标准之上的体系结构是一种低层次的随意的体系结构。这种体系结构对于处理较复杂的逻辑层次关系的系统是不完备的，自治的仿真结点不仅要完成自身的仿真功能，还要完成信息的发送，接收，理解等处理，而不同的仿真结点间的逻辑和功能的层次关系，只是通过PDU中增加某些信息

来实现，不同的系统和不同的结点间或许采用不同的约定。因此，在系统的逻辑结构上采用的是一种非对称的体系结构。如下图：

3.>分布交互仿真的进一步发展ALSP。1991年一月，美国国防高级研究规划局（DARPA）提出了ALSP，并与1992年七月开发了第一个正式投入使用的ALSP系统，并用于支持军事演习。ALSP的设计目标是使用多个已有的作战仿真组件能通过局域网或广域网交互。“聚合”指的是ALSP的操作层次，即ALSP的对象通常是聚合实体而DIS协议中的对象时平台级实体。聚合实体的一个例子是包含作战武器，人员，补给等作战单位。因而ALSP与DIS的主要区别是对被仿真系统分解的层次不同，DIS分解的更深一些，相对的粒度细一些。与DIS协议类型相似，ALSP也是一组允许仿真应用之间能共享信息和交互的协议，同时提供了一组系统软件来帮助用户使用协议。基于ALSP的仿真系统逻辑结构如下图：

4.>高级分布交互仿真技术HLA。HLA采用对称的体系结构。所谓对称的体系结构是指在整个仿真系统中，所有的应用程

序都是通过一个标准的接口形式进行交互作用。共享服务和资源是实现互操作的基础。HLA 正式将分布仿真的开发，执行同相应的支撑环境分开，这样可以使仿真设计人员将重点放在仿真模型及交互模型的设计上，在模型中描述对象间所要完成的交互动作和所需交换的数据，而不必关心交互动作和数据交换是如何完成的；另一方面，RTI为联邦中的仿真提供一系列的标准的接口（API）服务，满足仿真所要求的数据和交互动作的完成，同时还要负责协调各方面各个层次上的信息流的交互，使各联邦能够协调执行，提供一个中和的环境进行分布仿真实验。HLA是建立在DIS和ALSP经验基础之上，在新的技术发展之前提下提出来的，只从体系结构上对 DIS的不足进行完善，而不是简单的对DIS进行协议和接口层次上的修改。

分布交互仿真技术的关键技术：体系结构——介绍面向对象技术及其在分布交互仿真技术中的应用，分布交互仿真系统的特性。各种分布交互仿真的结构形式、系统框架、软件层次等。DIS体系结构的基本概念、结构层次和实现途径。特性：1>互操作性：不同的方针应用通过异构的网络，协调工作;2>网络层次：公共的操作环境 3>数据层次：约定的数据格式； 4>软件层次：满足逼真度要求，分装了差异 5>可伸缩性：系统规模上的弹性。带宽和计算能力,新的算法、新的网络技术、新的数据过滤方法 6>时间一致性：按照事件发生的顺序或时刻处理事件，或在允许的延迟范围内处理事件;7>空间一致：统一的空间描述形式。体系结构的分类：首先，网络体系结构：规定物理上的流通和网络协议（网络拓扑结构和硬件环境）在网络体系结构上，采用了各时期的先进网络技术实现大规模、大范围的远程网络，如：国防专网DSI、Ti_LINK，MBONE虚拟组播网、ATM，各种路由和交换技术、近期的基于internet的虚拟专网技术；然后，数据体系结构：解释网络上流通的数据内容（协议、标准）在数据体系结构上，产生了三种具有代表性的分布交互仿真协议：SIMNET、DIS2.x、HLA的OMT。由于SIMNET的局限性较大，已停止发展，虽然HLA发展势头强劲，但其还处于发展初期，只有一些规范，没有详细的标准和实现方法，因此DIS还将继续发展下去；其次，软件体系结构：规范使用网络和产生数据的应用软件（支撑环境和应用模型）在软件体系结构上，已经从单纯、独立的结构化的软件结构（CCTT），发展到基于单机的面向对象的应用框架（BDS —D）、基于分布对象的客户机/服务器应用框架（STOW）。时空一致性——介绍分布交互仿真时空一致性中的网络通讯、时钟同步、时间管理、坐标转换、DR及平滑算法等的具体技术内涵、特点和解决方案。时空一致性是时间一致性和空间一致性的统称。所谓时间一致性，是指分布式交互仿真系统中的某一仿真实体在任一时刻发生的事件或过程信息，能被与之相关的所有仿真实体在一允许的时间范围内获得；所谓时间一致性是指某一仿真实体的空间状态及其地理环境，在系统的各个节点上应该有统一的空间描述形式

软件应用框架——从软件体系结构的实现的角度，介绍实现分布交互仿真特性和功能的底层支持软件平台的概念、功能、类型、结构和实现方法。软件体系结构（软件构件及其相互关系）软件应用框架是一种可重复使用的软件设计方案，是软件体系结构的具体实现。按照面向对象的思想，它是由一组抽象类的实例所构成的软件设计骨架。采用框架技术比低层次的软件构件类库能提供更高层次的软件重用。软件体系结构：1>“管道和过滤”型：构件有输入和输出管道，数据由过滤器处理;2> 面向对象结构型：将构件抽象成对象，每个对象都有标识;3>对象/事件型：对象向系统通告事件，系统激活已注册的对象去处理事件;4>分层型：将软件构件按层次进行组织管理，每层为上层提供服务，层间通过协议连接;5> 知识库型：中心数据库构件和处理构件。建模技术——介绍分布交互仿真环境下模型的概念、分类，概念模型及其相关技术，各种虚拟环境实体的建模方式。以制导武器系统导弹实体为例介绍面向对象的建模方法及其实现技术。概念模型：分为物理模型和数学模型两种，其中物理模

型是对客观世界真实系统的物理性质的相似，数学模型是对真实系统的内部物理变量之间的关系的数学抽象；仿真模型：是概念模型的实现，通过仿真模型的运行可以得到真实系统的仿真结果。环境实体建模：地形实体建模（几何模型）（分层与分割：数据组织和细节表示）（图形学表示：二维和三维图形学表示）（外观属性：颜色、材质）气候的建模（多层空间模型：上透明区、上过渡区、云层、下过渡区、下透明区和贴地雾；属性：高度和明暗度）特殊现象的建模（雨、雪、雾和爆炸烟火等：微粒子（物理和运动特性））声音的建模（正弦波：频率、幅值和相位（付氏变换））（声音数据库：声音文件和声音合成）显示实体建模：显示空间坐标转换模型（客体坐标系向屏幕坐标系的转换）外表纹理映射模型（纹理生成：软件生成和图像扫描）（纹理映射：纹理坐标和物体坐标相对关系）光照模型（阳光光照：点光源、漫反射）（局部光照：火光、月光和灯光等）分割显示（细节显示处理策略：利用显示算法、计算模型细节）数据管理技术——介绍分布交互仿真系统各种实体的模型和数据的类型、特征，数据管理方法和数据库实现技术。介绍采用语义对象模型的地形数据库建模和管理方法。