分布式交互仿真

第8章分布式交互仿真

分布式交互仿真(Distributed Interactive Simulations，DIS)是近年来发展起来的一种先进仿真技术，是一种基于计算机网络的仿真，多用于军事领域，可以支持作战人员训练、战术演练和武器装备论证等。它将地理上分布的训练模拟器和参训人员合成为一个逻辑上的整体，在逼真的视景和操作模拟环境中，进行人机交互度很高的仿真实验和演练。

分布式交互仿真是当今仿真技术研究的重要领域之一，其较高的工程应用价值，尤其在军事领域的应用价值，已引起世界各国的广泛重视。

8.1 分布式交互仿真的起源及发展历程

分布式交互仿真技术的发展主要经历了三个阶段：DIS阶段、ALSP阶段和目前的HLA 阶段。

1978年，美国一空军基地的空军上尉J. A. Thorpe发表了一篇论文“Future Views: Aircrew Training 1980-200”，提出了联网仿真的思想，首次系统地阐述了联网仿真技术的功能要求，希望实现受训人员在分布虚拟战场环境中分辨不出训练系统和真实系统。虽然当时联网仿真所需的技术还未成熟，但美国国防部接受了此思想。1981年，Thorpe被调到美国国防部高级研究计划局（DARPA：现在的ARPA）。

1983年，DARPA制定了一项称为SIMNET(Simulation Networking)的计划，希望将各军兵种单兵使用的仿真器连接到网络上，形成一个共享的仿真环境，进行各种复杂任务的综合训练，这项研究计划得到了美国陆军的支持。到20世纪80年代末，SIMNET计划结束时，已形成了约260个地面车辆仿真器和飞机仿真器以及指挥中心和数据处理设备等的综合仿真网。SIMNET的成功应用使美国军方充分认识到这一技术的潜在作用。

到1989年，DARPA建成了分布于美国和德国的11个基地，包括260个M1A1坦克和布雷德利战车等的仿真器、指挥控制中心和数据处理设备的综合仿真网络。SIMNET是同构型的广域网系统，它第一次实现了作战单元之间的直接对抗，并能在其所提供的虚拟作战环境中进行营以下规模的联合兵种协同训练以及战术对抗研究，其基本技术原则被ADS(Advanced Distributed Simulation)以后的发展所继承。SIMNET形成了新的分布仿真概念：将多种仿真应用集中到同一个时空环境中。在SIMNET成功的基础上，分布式交互仿真技术得以发展，从仅支持基于同构网络的分布交互仿真发展为对基于异构网络分布式交互

仿真的支持，从概念性研究到人员训练、武器研究、战术演练和空中交通管制仿真等军事和非军事方面的成功应用，分布式交互仿真技术已经逐步走向实用。如今，分布交互仿真技术已应用于交通运输、医疗、娱乐、互联网商业、制造业等其他领域。

在美国陆军、国防建模与仿真办公室DMSO和DARPA的共同倡导和支持下，1989年正式提出了分布交互仿真的概念，并制定了一套面向分布式仿真的标准文件，以使这一技术向规范化、标准化、开放化的方向发展。美国陆军的CATT计划、WARSIM2000计划、NPSNET 计划、STOW计划等都采用了DIS标准。基于DIS标准的分布交互仿真系统的基本思想是通过建立一致的标准通信接口来规范异构的仿真系统间的信息交换，通过计算机网络将位于不同地理位置上的仿真系统联接起来，构成一个异构的综合作战仿真环境，满足武器性能评估、战术原则的开发和演练以及人员训练等的需要。异构的仿真系统间的互操作是建立在标准的协议数据单元(PDU)基础上的。

20世纪80年代末，美国国防部开始研究使用聚合级作战仿真为联合演习提供支持。所谓聚合级仿真是指挥团、营、连等部队单元级的构造仿真，而不是单个作战人员和实体的仿真。按DIS标准构成的仿真系统用于平台级实时连续系统的描述，聚合级仿真协议ALSP(Aggregate Level Simulation Protocol)用于分布的聚合级以离散事件为主的作战仿真系统，它实质上是“构造仿真”。构造仿真的时间管理不同于DIS系统，它不一定与实际时钟直接联系，而是采用时间步长、事件驱动等方法，只要保证聚合级的分布构造仿真系统的体系结构、标准和相应的关键技术，并将基于ALSP标准的分布交互仿真系统应用于1992年、1994年和1996年的军事演习，使ALSP标准得到了改进和完善。

在DIS和ALSP的基础上，为消除DIS在体系结构、标准和协议等方面的局限和不足，又发展了新的分布式交互仿真体系结构HLA(High Level Architecture)，它能提供更大规模的、将构造仿真、虚拟仿真、实况仿真集成在一起的综合环境，实现各类仿真系统间的互操作、动态管理、一点对多点的通讯、系统和部件的重用以及建立不同层次的对象模型。1995年美国国防部发布了针对建模与仿真领域的通用技术框架，该框架由任务空间概念模型(CMMS，Conceptual Model of Mission Space)、高层体系结构HLA和一系列的数据标准三部分组成，其中高层体系结构是通用框架的核心内容。美国国防部已宣布不再支持非HLA标准的仿真系统，HLA已经成为目前分布交互仿真系统普遍采用的标准。

随着分布式交互仿真技术的不断发展，各类标准的开发、制定与完善，相应的支撑软件的研究开发，分布式交互仿真技术已经引起各个研究机构的高度重视，并且逐渐应用于实际的系统。

8.2 DIS系统

DIS以计算机网络作为支撑，将分散于不同地域的相对独立的各类仿真器互联起来，通过仿真实体间的实时数据交换来营造一个大范围的虚拟环境(Large scale virtual environment，简称LSVE)，以实现含人平台、不含人平台间的交互以及平台与环境间的交互。

DIS支持三种实体的混合仿真，即虚拟实体（如人在回路仿真器）、实际实体（如操作平台和仪表，测试和评估系统等）和构造实体（如军事演习等）。DIS还有其他的名称，如先进分布仿真、综合环境、虚拟战场等。DIS除了在军事方面的应用外，在教育、城市交通管理仿真、娱乐、医疗等诸多领域都有着广泛的应用前景。分布式交互仿真技术的发展是基于两个主要因素：一是网络技术的发展；二是军事技术的需求，要求借助仿真技术来训练作战人员，使其能在现代战场环境条件下使用各自武器装备并互相配合作战。因而该项技术在最近20多年中得到迅速发展。

从DIS系统的物理构成来看：它由仿真节点和计算机网络组成。仿真节点除了负责解算本节点上的仿真实体模型、图像生成、网络信息接收与发送、人机交互等功能外，还要负责维护网络上其他节点的状态信息。计算机网络包括局域网、广域网、网桥、路由器、网关等。

DIS的基本任务是定义一个层次化结构，主要提供接口标准、通信结构、管理结构、置信度指标、技术规范，并将异构仿真器加到一个统一的、无缝的综合环境中所必需的要素。基于这种层次化的结构，可将现有的不同用途、不同技术水平以及不同生产商提供的仿真设备集成一体，并实现交互作用。

8.2.1 DIS系统的基础结构概念

DIS系统的基础结构概念包括以下几个方面：

1.采用对象/事件结构

组成DIS系统的一个主要原则是把所研究的实物用对象模型的集合来描述，对象可以是人或设备；这些对象之间通过一系列的事件产生交互作用，一个事件可以对几个对象产生影响。

2.仿真节点的自治性