基于HLA的想定推演仿真系统分析与研究

【摘要】针对想定推演仿真系统的分布式需求，深入分析研究了HLA的模型模板，提出了基于HLA想定推演仿真系统的结构设计、联邦设计的思路和方法；并提出了以MAKRTI为平台、利用C++语言编程的HLA仿真系统的网络拓扑结构。

【关键词】高层体系结构；联邦开发；想定推演

1.引言

当前，计算机仿真凭借其可控性、安全性、无破坏性、可重复性和经济性等特点，已广泛应用于国防、交通、经济、天气预报等诸多行业的重要领域，进行大型系统分析、评估、测试、研究、研制和技术训练等工作。由于需要仿真系统解决的问题越来越复杂，靠单个仿真系统已无法解决，所以需要依靠多个仿真系统联合起来进行协同仿真。

高层体系结构HLA（High Level Architec-ture）是最新发展的先进分布仿真技术（Advanced Distributed Simulation，ADS），用来构建仿真通用技术框架，支持不同仿真应用间的互操作和仿真部件的可重用。它的特点是通过支撑环境（Run Time Infrastructure，RTI）提供通用的、相互独立的支撑服务程序，将仿真应用层同底层支撑环境功能分离开，隐蔽各自的实现细节。实现各种类型的仿真系统间的互操作、仿真系统及其部件的重用，从而将构造仿真、虚拟仿真和实况仿真集成到一个综合环境中，以满足各种类型仿真的需要[1]。

2.高层体系结构HLA分析

HLA是以标准化、规范化的对像模型模板OMT（Object Model Template）的形式定义和描述仿真实体的对象信息和交互信息，为完成复杂的不同类型特征的综合仿真应用任务，提供了比较好的互操作性和资源的可重用性。

HLA通过支撑环境RTI提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分离，从而实现仿真应用同底层的支撑环境分开，隐藏各自的实现细节，使各部分可以相对独立地进行开发，并能充分利用各自领域的先进技术实现标准的功能和服务，适应新技术的发展[2]。同时，HLA可实现应用系统的即插即用，有利于新的仿真系统的集成和管理，并能根据不同的用户需求和应用目的，实现联邦的快速组合和重新配置，为联邦范围内的互操作和重用提供了保障。

联邦（Federation）是指用于达到某一特定仿真目的的分布式仿真系统，它由若干相互作用的联邦成员（简称成员）构成。联邦成员是指所有参与联邦运行的应用程序都可以称为联邦成员。联邦中的成员有多种类型，如用于联邦数据采集的数据记录器，用于和实物接口的实物仿真成员，用于管理联邦的联邦管理器等等[3]。

2.1 HLA的对象模型模板功能

HLA采用对象模型（OM Object Model）来描述联邦及联邦中的每一个联邦成员，它描述了联邦在运行过程中需要交换的各种数据及相关信息。对象模型模版（OMT）采用一种统一的表格来规范对象模型的描述。

在HLA OMT中定义了两类对象模型：一类是描述仿真联邦的联邦对象模型（FOM，Federation Object Model）；另一类是描述联邦成员的成员对象模型（SOM，Simulation Object Model）。这两种对象模型的主要目的都是促进仿真系统间的互操作和仿真部件的重用。

联邦对象模型FOM主要提供联邦成员之间用公共的、标准的格式进行数据交换的规范，它描述了在仿真运行过程中将参与联邦成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性。HLA FOM的所有部件共同建立了一个实现联邦成员间互操作所必须的“信息模型协议”。

成员对象模型SOM是单一联邦成员的对象模型，它描述了联邦成员可以对外或需要定购的对象类、对象类属性、交互类、交互参数的特性，这些特性反映了成员在参与联邦运行时所具有的能力。基于OMT的SOM开发是一种规范的建模技术和方法，它便于模型的建立、修改、生成和管理，便于对已开发的仿真资源的再利用，能够促使建模走向标准化[4]。

2.2 HLA的对象模型模板组成

HLA对象模型是由一组以表的形式进行规范化描述的部件组成的。HLA OMT由对象模型标识表、对象类结构表等九个表组成。其中：（1）对象模型标识表：记录与HLA对象模型相关的重要标识信息；（2）对象类结构表：记录所有联邦或联邦成员对象类的名称，并且描述了类与子类的关系；（3）交互类结构表：记录所有联邦或联邦成员交互类的名称，描述了类与子类的关系；（4）属性表：记录联邦或联邦成员中对象属性特性；（5）参数表：记录联邦或联邦成员中交互参数的特性；（6）枚举数据类型表：用来对出现在属性表/参数表中枚举数据类型进行说明；（7）复杂数据类型表：用来对出现在属性表/参数表中的复杂数据类型进行说明；（8）路径空间表：用来指定联邦中对象类属性和交互类的路径空间；（9）FOM/SOM术语词典：用来记录上述各表中使用的所有术语的定义[5]。

3.基于HLA的想定推演仿真系统分析与设计

3.1 想定推演模型分析

想定推演就是通过计算机提供直观逼真的任务环境，模拟在一定任务背景下，针对未来可能发生的情况进行模拟应对。使指挥人员能够熟悉任务环境，检验和完善想定预案，并对预案进行论证评估和补充完善，从而不断启发新的应对指挥思想，通过仿真训练，进一步提高应对实际突况的能力。

在整个仿真系统的开发中涉及到多种模型，其中想定推演的建模过程如图1所示。

概念模型是对真实世界的第一次抽象，其目的主要是为本领域专家和仿真开发技术人员提供一个沟通的桥梁。借助概念模型，仿真开发技术人员可以获取所仿真的真实世界系统的细节信息。

仿真模型和具体的仿真应用有关，是联邦运行的基本元素，负责仿真的运行管理、实体的处理以及对外信息交换等。按照一定原则，从仿真想定中抽取想定推演所需要的信息并加以规范化的描述，就形成了想定推演模型。

想定推演模型是对仿真模型某种程度上的简化。从集合的观点来看，想定推演模型包含的信息是仿真模型中包含信息的子集。

3.2 系统体系结构设计

系统体系结构提供和支援想定推演仿真系统各个功能模块的互联，目的是描述系统的内部结构关系与运行机制。基于HLA的想定推演仿真系统主要由数据层、功能层、用户层以及底层通信系统组成，如图2所示。

数据层：此系统主要用到MapX地图数据，想定数据库，仿真运行数据库以及推演模型库。

功能层：

想定生成模块：根据用户的实际需求生成多个想定方案，供用户选择使用。

想定管理模块：将生成的想定方案存入数据库中，生成管理列表对想定方案进行管理，方便用户操作使用。

想定加载模块：从想定数据库里取出想定编辑的具体内容。

想定推演模块：根据仿真想定选择推演模型，对态势进行推算演绎。

数据采集与回放模块：按一定的步长抽取存储态势的中间状态，并支持推演态势的回放演播。

联邦管理模块：实现对RTI支撑下的分布式运行联邦成员的管理。

视图层：视图层直接面向用户，本系统包括想定编辑界面，二维态势显示界面和联邦管理界面。

系统整体结构如图3所示。

其中想定生成系统负责想定的生成与管理，将想定数据存储在数据库中。想定推演成员主要是负责加载已有想定方案，进行推演仿真，态势数据；数据采集成员按一定的步长抽取存储推演态势的中间状态，并支持推演态势的回放演播；态势显示成员负责订购态势数据，反射对象属性值，更新状态，将最新态势通过二维地图显示出来。

3.3 联邦设计

根据总体结构设计，该仿真系统的联邦主要有想定推演邦员、数据采集邦员、态势显示邦员等组成，参与想定推演者为想定推演成员，数据采集模块为数据采集成员，二维显示模块为态势显示成员。当联邦成员之间需要交流时，将会发送通信交互，因此想定推演成员需要和订购这个交互类；数据采集成员同样在推演时订购，在回放时此类；move机动交互是想定推演的一种，想定推演成员必须要这个交互，其他成员为了接收到这个交互需要订购此类，不同的想定推演成员间也需要订购此类。

4.基于HLA的想定推演系统联邦开发

本系统是在VC++6.0环境下基于MAKRTI支撑平台编程实现联邦及联邦成员的交互。

4.1 联邦执行文件的设计

联邦执行文件（FED文件）是联邦对象模型（FOM）开发的结果，是为实现所有联邦成员间交互目的而达成的“协议”。FED文件记录了联邦执行期间所有参加联邦交互的对象类＼交互类及其属性＼参数、传输的类型、传输顺序以及路径空间信息[6]。本仿真系统的FED文件重点内容如下所示：

（FED

（Federation FederationName）

（FEDversion v1.3）

（spaces）

（objects

（class ObjectRoot

（attribute privilege To Delete reliable timestamp）

（class RTIprivate）

（class Member_RP

（attribute id reliable receive）

（attribute name reliable receive）

（attribute respect reliable receive）

（attribute isin reliable receive）

）

（class Forces

（attribute department_id reliable receive）

（attribute forces_status reliable receive）

（attribute number reliable receive）

（attribute equipment reliable receive）

（attribute attachment reliable receive）

（attribute memberships reliable receive）

（attribute location reliable receive）

）

（class Environment

（attribute ET_id reliable receive）

（attribute Weather reliable receive）

（attribute DayorNight reliable receive）

（attribute Traffic reliable receive）

（attribute Temperature reliable receive）

）

……

）

）

4.2 系统的实现

在系统开发中，软硬件优化配置是建立并实现仿真系统的重要环节。

基于HLA的想定推演仿真系统的基本硬件配置为PC终端机、电子显示屏、100Mb/s自适应以太网络等；软件配置：采用WindowsXP操作系统、VC++.NET开发平台、SQLSever2000数据库开发工具、MAKRTI支撑环境。基于HLA的想定推演仿真系统的网络拓扑结构如图4所示。

5.结束语

HLA是分布交互仿真的高层体系结构，它采用面向对象的思想和方法建立对象模型并分析系统，它所具有的良好的重用性和互操作能力，满足了用户多方面的需求，作为一门在计算机技术、仿真技术和网络技术基础上发展起来的新技术，一直受到仿真研究的广泛重视。

参考文献

[1]付正军，王永红.计算机仿真中的HLA技术[M].国防工业出版社，2003，6：32-41.

[2]冯润明，黄柯棣.HLA联邦成员软件开发环境研究[J].系统仿真学报，2001（3）：1-4.

[3]魏明.基于HLA的城市道路交通仿真系统研究[D].中国农业大学，2004，5.

[4]周龙龙，姜鹏飞.韩文超.基于仿真想定的推演技术研究[J].计算机仿真，2006（2）：18-22.

[5]刘利浦.HLA在扩频通信仿真系统中关键技术的研究[D].沈阳理工大学，2010.

[6]王皓.基于HLA的分布式仿真系统集成和交互关键技术研究[D].电子科技大学，2011.

作者简介：高红霞（1978―），女，河南开封人，硕士，河南工程学院计算机学院讲师，研究方向：计算机应用。