Design and Development of Simulation
Directing & Control Software Based on Stand-Alone
Front-End and Back-End
Xuelong HOU1
, Dengan CHEN1, Wenyun WANG2
1the Fifth Department, Naval Aeronautic and Astronautical University, Yantai, China, 264001
2
Research Department, Naval Aeronautic and Astronautical University, Yantai, China, 264001
Email :
Abstract: Simulation directing & control software (SDCS was important in warfare simulation system. First, in order to reduce degree of coupling in model, view and control of simulation system, a design method of simulation system based on stand-alone front-end (GUI and back-end(simulation engine was introduced; Second, according to the method based on stand-alone front-end and back-end, the external interface, internal hierarchical structure and main function of SDCS were described; Finally, two key technologies such as high level simulation framework based on memory reflection and operational plan interface description based on entity task modeling were solved. As a
result of application, the method was feasible and effective, and it was of good reference value for the design and development of SDCS.
Keywords: Simulation directing & control; front-end(GUI; back-end(simulation engine;warfare simulation; high level simulation framework; task modeling; operational plan
基于前后台分离的仿真导调控制软件设计与开发
侯学隆 1
,陈邓安 1,王文恽 2
1海军航空工程学院五系,烟台,中国, 264001
2
海军航空工程学院科研部,烟台,中国, 264001
Email:
摘要:导调控制在作战仿真中具有重要作用。首先,为了减少仿真系统中模型、视图和控制间的耦合程度,介绍了一种基于前后台分离的仿真系统设计思想;其次,根据前后台分离设计思想,论述了仿真导调控制软件的外部接口、内部分层结构和主要功能;最后,对仿真导调控制软件中的高层仿真框架设计、基于任务建模的作战计划描述和兵力指控接口设计进行了分析,解决了基于前后台分离设计的仿真导调控制软件中的两个关键技术。仿真应用表明,本文所述方法具有较强的实用价值,对于仿真导调控制系统的开发具有一定的指导意义。
关键词:导调控制;前台(GUI ;后台(仿真引擎;高层仿真框架;任务建模;作战行动计划
1 引言
对于分布式仿真系统而言,为了将对抗双方、各分系统及各种资源连接成一个有机整体,使整个系统有序、高效、合理运行,运行期的导调、监视与控制就显得尤为重要。结合航空装备体系对抗仿真系统研制工程背景,本文介绍一种基于前后台分离的仿真导调控制软件的设计方法。在该方法的指导下,仿真导调控制软件可以进行定制化裁剪与加强,形成新的前
台应用控制软件(典型的如兵力指挥软件、武器平台指控软件,最大程度实现了前台软件的复用性与可扩展性,并可将模型、视图与控制有效分离,减少系统间的耦合性,增强系统的可控性。
2 基于前后台分离的仿真系统设计思想
从应用领域和功能划分, 仿真系统可以划分成三种类型:训练型、分析型和采办型。三类仿真系统对导调控制系统的功能需求有差异, 因此必须对这三类仿真系统体系结构及运行机制进行分析, 提炼出导调控制系统
作者简介 : 侯学隆 (1979-,男 , 江西樟树 , 汉,硕士 , 讲师 , 主要研究方向为分布作战仿真、虚拟战场环境。
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共同之处与差异之处, 进而可以归纳总结出导调控制的全部功能,从而使导调控制具有更强的生命力及适应性。采用前后台分离设计的思想, 可以有机统一三种类型仿真系统的体系结构, 使得在该体系结构下的仿真系统可以满足训练、分析、论证等不同仿真需求。基于前后台分离的仿真系统结构如图 1所示。
Figure 1. Simulation System Structure Based on seperate front-end and back-end 图 1. 基于前后台分离的仿真系统结构
2.1 后台(仿真引擎
后台是在分布仿真运行调度框架约束与控制下执行仿真模型的解算、交互、调度与管理的环境,并对外提供仿真模型的控制接口,也称为仿真引擎。根据仿真模型复杂度、计算机解算能力、用户运行速度需求,可以启动多个后台实例运行,以满足复杂大系统仿真的快速解算。由于从一个后台应用产生多个运行实例,每个运行实例的功能、处理逻辑和接口都是一致的。
2.2 前台(GUI
前台是为仿真控制人员(包括红蓝方指挥员,兵力、武器设备操作控制人员,导调控制人员指挥控制兵力、控制仿真运行、调度仿真资源提供前端服务 (收集兵力及仿真信息、下达控制命令的应用软件, 通常带有显控界面。前台按使用人员可分为红方操控 (指控前台、蓝方操控(指控前台、仿真导调控制前台三种类型。根据指控及导控需求,这三种类型的前台可以部署多个运行实例。就兵力的指控和武器设备的操控而言,红蓝方前台与仿真导调控制前台的功能、处理逻辑和接口是一致的,这为后台的对外接口归一化设计奠定了基础。
2.3 高层仿真框架
HLSF :高层仿真框架(High Level Simulation Framework , HLSF , 提供数据传
输、数据分发管理和时间管理等服务,协调各前台、后台之间的分布运行。在前后分离设计的结构模式下,通过对仿真导调控制软件的个性化定制,可以开发出红、蓝方指挥台位,一是可最大程度实现前台软件的复用性与可扩展性;二是可将模型、
视图与控制有效分离,提高仿真模型的可重用性, 减少系统不同组成部分间的耦合性, 增强系统的可控性。
3 仿真导调控制软件设计
3.1 外部接口设计
根据实际应用情况,由于对分两种情况讨论:一是针对人在回路的仿真器进行导控的外部接口(图 2;二是针对 CGF 进行导控的外部接口(图 3。
Figure 2. External Interface between Simulation Directing&Control Software and Man-in-loop Simulator 图
2. 仿真导调控制软件与人在回路模拟器之间的接口
Figure 3. External Interface between Simulation Directing&Control Software and CGF
图 3. 仿真导调控制软件与 CGF 之间的接口
其中仿真控制软件通过远程控制器发送控制命令,包括仿真应用命令和兵力指控命令;通过事件截获器收集其他成员发出远程控制命令;通过远程监视器反射作战实体的内部状态信息。对于人在回路的模拟器,导调控制人员不能直接操控其兵力或武器,只能间接通过给回路中的人下达语音命令、控制命令字或作战文书,回路中的人接收到命令信息后,操控受控兵力,考虑到人与人交互的自然性,仿真导调控制软件与人在回来的模拟器均内置语音通信接口。
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3.2 内部分层结构
仿真导调控制软件分四层进行设计, 如图 4所示。
Figure 4. Internal Hierarchical Structure of Simulation
Directing&Control Software
图 4. 仿真导调控制软件内部分层结构
(1 界面层:提供信息显示与导调控制界面, 包括战场综合信息显示视图、海图与态势显示视图、文书语音通信视图、实体控制界面、环境调整界面、兵力树状显示界面、想定文件操作菜单、运行管理菜单、数据过滤设置对话框。
(2 功能层:主要包括远程监视和导调控制功能, 分别由远程监视器和控制器完成。远程监视为导调控制提供信息支持,监视内容包括成员信息(获取各成员 IP 、
hostname 等信息, 为文书语音提供基础信息 , 环境信息,实体详细信息,战场综合信息;远程控制器主要完成想定远程加载、切换与断点保存,仿真运行控制,兵力动态创建、删除,兵力属性动态更改, 兵力作战任务与作战计划下达等。
(3网络接口层:包括 TCP/IP网络通信接口和 HLSF 网络通信接口,为监视与导控提供底层支撑。
(4 数据层:提供软件运行所需的各种数据, 包括想定文件数据,海图数据、军标库、装备型号库。
3.3 主要功能分析
仿真导调控制软件主要包含运行管理与控制功能、仿真实体监控功能、仿真导调功能、战场综合信息显示功能和无线语音通信仿真等主要功能 [1-6], 如图 5所示。
3.4 应用模式与运行流程
仿真导调控制软件有两种应用模式:
Figure 5. The Function of Simulation Directing&Control
Software
图 5. 仿真导调控制软件功能
Figure 6. The Runing Flow Process Directing&Control
Software
图 6. 仿真导调控制软件运行流程
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(1 单次推演模式:在此模式下, 可以选择使用角色(红方、蓝方和白方;如果使用角色是红方或者蓝方的话,则本软件充当红方指控台位或者蓝方指控台位,可以对己方特定兵力的指挥与控制;如果选择的使用角色是白方,则本软件可以干预、控制所有兵力的作战行为,并且还可后台的运行情况进行监视与控制。
(2 大样本仿真实验模式:在此模式下, 本软件加载批想定(n 个想定,每个想定运行 m 次,自动控制系统仿真运行,当欲仿真的想定全部运行完,控制后台自动退出。软件运行的整体过程如图 6所示。
4 主要关键技术
4.1 基于 HLA 的 HLSF 设计
分布交互仿真中的导调控制的核心是获取网络上仿真实体信息,控制仿真实体的属性及行为、动态增加或删除仿真实体,并且实体交互、执行与调度框架必须能响应导调控制命令。虽然 HLA 已成为当前分布交互仿真的国际标准(IEEE 1516,
在 HLA 基础上开发分布交互仿真系统已成为仿真业界共识。但 HLA 也有局限性:
一是 HLA/RTI的在一定程度上的互操作是建立在联邦对象模型 (FOM 的基础上, FOM 必须在仿真系统开发前确定,对 FOM 的任何疏忽和考虑不周导致 FOM
增加、删除和修改将为仿真应用的开发带来巨大的工作量,并且由 FOM 转存的FED 文件由客户端(仿真成员加载,当修改 FOM 后,不得不重新生成 FED 并将它分发到各个仿真成员,非常麻烦; 二是 HLA/RTI重点更多在于关注数据细节, 粒度过细,还没有延伸到实体的面向对象建模领域,也就是说 HLA/RTI是纯粹为如何正确有效的进行网络通信而设计,而没有有机结合实体的物理建模和行为建模,仿真应用开发者为了分布交互不得不重新设计一套用于网络通信的对象模型(HLA OM;
三是 HLA/RTI解决了同一操作系统下跨进程的网络通信问题,但没有为同进程的对象间的通信提供消息机制。
因此, 单纯从 HLA 上添加外部交互控制接口, 很显然这是与应用相关的,不具
有通用性。因此,必须在充分考虑导调控制接口的基础上, 基于 HLA 设计更通用的高层仿真框架(High Level Simulation Frame-work , HLSF ,并对仿真实体运行、交互与调度设计完善的运行机制,同时留有外部控制接口,这是解决
分布仿真的通用导调控制接口的关键。
高层仿真框架 HLSM ,它继承了 HLA/RTI的优点,同时又具有以下特点:
●采用客户机 /服务器模式, 用于通信的对象模型只需在服务器加载;
●建立在面向对象基础上,最小通信实体为对象实例(指类的实例,并非 RTI 中的对象实例,对象类能够有机结合物理模型、行为模型的开发; ●支持远程异地(跨平台、跨进程与本地实例、远程与远程实例、本地与本地实例间的交互,让用户感觉到与远程实体的通信就和本地的实体一样; ●参与交互的对象实例在系统设计时就考虑了多线程的安全性(数据干预输入、输出二维三维显示、截取分流、人机交互,用户不必为线程安全性操心。
在面向对象的高层仿真框架下,对象模型的设计真正做到面向对象,即网络通信对象模型的设计就是物理模型的设计, 能将网络交互与物理建模 (如探测、机动等有机结合,有效支持仿真实体的远程控制, 实现更大力度的导调所需。
4.2 基于任务建模的兵力指控接口设计
仿真导调控制软件要远程更改兵力实体的行为, 必须将控制数据接口描述清楚,且按一定的逻辑表达式进行组合, 形成作战行动计划表, 将该表通过 HLSL 发送给后台计划管理器,调度实体执行作战计划,这样便可达到远程随意控制实体作战行为的目的,完成对兵力的导调控制。
4.2.1 任务建模
实体要执行的任务包括两大类:一是事件性的数据设置命令,其执行不需要一个仿真过程,实体接收到此设置命令,立即更改内部状态即可完成;二是过程性的作战任务命令,其执行是通过运行仿真模型达到任务完成的目的。建立任务模型的原则是在对作战过程最小任务抽象的基础建立,尽可能增强系统任务可逻辑组合的能力,提高前台的可控性和后台的适应性。
航空装备体系对抗仿真系统中数据设置命令包括:(1实体的运动状态; (2实体附加属性; (3 实体能力; (4实体通信、探测、选择与开火;(5 任务与计划; (6战场情况报告请求。根据需要,数据设置命令可以从基类派生进行扩展。
航空装备体系对抗仿真系统中主要作战任务命令 462
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包括:(1待命任务;(2跟随实体任务;(3机动任务;(4搭载任务;(5巡逻任务;(6对海突击任务; (7航空反潜任务; (8文本消息任务; (9 用户消息任务; (10 无线消息任务。根据需要, 作战任务命令可以从基类派生进行扩展。 4.2.2 作战行动计划描述
作战行动计划是将数据设置命令集、作战任务命令集按一定的逻辑关系进行组合形成的复杂逻辑描述表达式。如果任务间没有条件关系,单个任务按照要执行的顺序线性排列。如果任务之间存在因果关系、时间顺序关系、条件触发关系, 需要用到条件表达式。设计 If 、 While 和 When 三种条件表达式, 并且这三种条件表达式可以嵌套 [7]。
Figure 8. The User Interface of SDCS
图 8. 仿真导调控制软件用户界面
该软件可根据应用模式和登录角色,可以充当白方的导控台位或者红蓝方的指挥台位,提高了仿真导调控制软件的应用价值。同时,由于采用基于任务建模方法的作战计划描述,使得仿真导调控制软件具有灵活的强大调控能力。
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Figure 7. Operation plan description
图 7. 作战计划描述
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If 条件表达式表示满足某个条件时, 执行该任务, 否则执行其他任务,是一个顺序执行流程; While 表示周期性监视某一条件,如果某条件满足,则执行该任务; When 表示一个条件触发器,该语句在后台的执行的时候有较高的优先级,会周期性判定条件是否满足, 如果满足则中断当前执行的任务, 再执行 When 语句内的任务, When 语句内的任务执行完毕再恢复原有任务的执行。条件表达式中提供 AND 、OR 和 NOT 三种逻辑组合方式,以及“>” 、“ ” ≧、“=” 、“<” 、“ ” ≧比较操作符。
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5 结论
基于前后台分离的设计思想,开发了仿真导调控制软件,已经应用在航空装备体系对抗仿真系统中, 取得了比较好的仿真效益,图 8为该软件界面。 [7]
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