分布式仿真技术十篇

分布式仿真技术篇1

关键词：运行支撑框架组件；虚拟维修训练；云仿真； 云计算

0 引言

虚拟维修训练仿真以其经济、安全和不受天气场地限制[1]等优点，已成为提高装备维修训练水平和保障能力的重要手段。高层体系结构（High Level Architecture，HLA）是美国国防部于1996年提出的新一代分布式仿真框架，它针对现有仿真技术的不足，通过运行时间支撑框架（Run Time Infrastructure，RTI）软件管理各仿真应用，提供较好的重用性和互操作性，以保证不同类型的仿真应用能够协调工作，完成复杂的仿真。目前，现有基于HLA/RTI的大型复杂装备分布式虚拟维修训练仿真系统受自身局限性制约，仿真任务和仿真设备耦合紧密，系统仿真效率低下，维护困难；另外，仿真资源仅限于小范围的共享，利用率不高。如何突破系统开放性、灵活性、使用性等制约，丰富虚拟维修训练仿真技术内涵与应用模式，促进大范围仿真资源共享和协同互操作，拓展分布式仿真的范围和层次，满足多样化的仿真训练需求，是亟须解决的问题。

当前兴起的云计算[2]技术使用相对集中的计算资源为各种应用提供服务，它充分利用网络和计算机技术实现大范围的资源共享和服务，能够极大提高资源利用效率，扩展仿真应用范围，是解决装备分布式虚拟维修训练仿真所面临问题的有效途径之一。

将云计算应用于仿真领域，2009年李伯虎院士[3]提出了“云仿真”的概念并介绍了需要解决的关键技术，为云计算与虚拟现实仿真的结合指出了可行路径。杜瑾[4]在分析现阶段我军训练模拟仿真系统不足之处基础上，将云计算理念融入到训练模拟仿真系统之中，提出了一种新的训练模拟云仿真平台的体系结构，对构建军事训练云仿真平台的必要性和可行性进行了有益的探索。张雅彬等[5-6]研究了基于虚拟化技术的云仿真运行环境动态构建技术和云仿真资源迁移技术，并论证了各项技术的可行性和有效性。华翔等[7]和杨晨等[8]分别在可视化仿真和云制造领域引入云仿真思想，提出了可视化仿真的私有云框架和面向云制造的云仿真支撑框架，并对相关技术进行了研究。高武奇等[9]针对现有 HLA 仿真资源难以与 Internet 共享使用的问题，提出了一种基于 HLA Evolved 的云仿真体系结构和框架实现方案，并通过云仿真测试实验，证明了基于 HLA Evolved 的云仿真设计方法可行、有效。以上研究思路和内容为开展面向装备虚拟维修训练领域的云仿真研究打下了良好的基础。本文在云仿真思想的指导下，结合虚拟维修训练仿真特点，研究了装备分布式维修训练领域云仿真平台构建关键技术，包括交互模式、平台框架、基于云端的分布式交互仿真支撑、可视化仿真、多任务负载平衡策略和分布式存储等。

1 装备维修训练云仿真内涵

虚拟维修训练云仿真平台以装备虚拟维修训练应用需求为背景，以云计算及云仿真理念和技术为指导，综合应用虚拟现实和虚拟维修领域的建模仿真等相关技术，实现系统中各类资源安全地按需共享与重用、多用户按需协同互操作以及系统动态优化调度运行，进而支持虚拟维修训练系统的分布式开发与装备分布式协同维修和操作训练，是装备虚拟维修训练领域的仿真资源云计算模式共享平台。具体包括以下功能：1）支持各种软硬件资源，如CPU、内存、带宽、存储、操作系统、仿真软件等的共享与重用；2）提供类似于MFC的训练仿真系统基础框架，同时封装仿真功能模块以服务方式提供，用户可定制基础框架并使用仿真功能模块服务进行仿真系统的个性化构建，从而提高虚拟维修训练仿真系统的开发效率；3）构建基于Web的RTI服务，实现广域网条件下的仿真互操作，支持装备大范围分布式维修训练仿真。

虚拟维修训练云仿真平台的基本思想是将分散的武器装备训练资源、仿真资源等集中到一个或多个中心，对各种资源进行服务化封装，向网络终端提供服务并监控、调度其运行状态。受当前互联网传输速度和信息安全等制约，虚拟维修训练云仿真平台初步采用基于广域网的私有云仿真网络架构。根据仿真资源功能的不同，仿真中心的服务大体可分为训练服务和开发服务两类，前者提供武器装备的维修训练仿真，后者则提供开发环境用于虚拟维修训练系统的在线开发和测试。仿真平台的应用模式如图1所示。

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图1 虚拟维修训练云仿真应用模式

云仿真的终端用户可以是单个节点，也可以是局域网集群节点，通过广域网络与云仿真中心进行交互，同时，客户端可以是瘦客户端，配备显卡等基本显示部件和交互设备，不需要高性能的处理和存储能力，就可以基于云仿真平台实现复杂装备的虚拟维修训练与开发。

2 虚拟维修训练云仿真体系结构

虚拟维修训练云仿真是一种面向服务的装备维修训练仿真平台，具有层次化的体系结构，如图2所示。

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图2 虚拟维修训练云仿真框架

该体系结构包括五层：基础资源层、资源管理层、分布式交互支撑层、仿真平台层和应用管理层，同时构建完备的信息安全保障体系，确保军事信息及数据的安全传输和使用。

基础资源层

包括计算机、存储器、网络设备等，采用虚拟化技术，对若干物理资源进行抽象，根据用户的需求进行动态分配，实现内部流程自动化和资源管理优化，从而向外部提供动态、灵活的基础设施层服务。虚拟化技术分为服务器虚拟化技术和桌面虚拟化技术。基于Xen 的虚拟机（Virtual Machine，VM）可通过LibVirt 进行管理[10]，LibVirt 支持对包括Xen、KVM、QEMU在内的多种VM的管理。VMware 提供 VIX API（Vix）对 VMware Workstation 上运行的 VM进行管理[11]，Vix 简单易用，可以在脚本或应用程序中调用。为满足不同用户对虚拟化效果的不同要求，本文以 Xen+LibVirt 为基础实现服务器虚拟化，同时以VMware Workstation+Vix为用户提供较高质量的桌面虚拟化环境。

资源管理层

负责对对虚拟化的基础资源进行动态监控，对云仿真平台的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，确保资源的合理分配，使资源能够高效、安全地为仿真应用提供服务。

分布式交互支撑层

为广域网条件下的装备协同仿真提供功能支撑，是云仿真平台构建分布式虚拟环境并在其中进行自然交互的基础。通过设计分布式的体系结构，能够更好地满足仿真过程中多个用户之间的协同互操作。而传统HLA/RTI的分布式架构不具备跨平台功能，难以全面支持面向网络的分布式交互，无法满足云仿真模式对分布交互的需求。基于HLA最新标准HLA Evolved建立面向Web服务的分布式仿真环境以支持协同交互和仿真互操作，该仿真支撑框架与原有 HLA1.3 和 HLA1516 联邦仿真兼容，保证基于pRTI、MAKRTI的联邦仿真可以通过局域网实现仿真，同时通过Web组件与云仿真中心端进行交互，能够满足“云中心—训练终端”和“训练终端—云中心—训练终端”的交互模式。

仿真平台层 仿真平台层提供虚拟维修系统开发和训练功能支撑，其主要具有以下功能：1）提供并维护虚拟维修训练所需的模型和软件等仿真资源，包括可定制的仿真基础框架、分布式虚拟场景模块和通用维修工具等仿真资源服务，这些仿真资源用以快速构建虚拟维修训练仿真环境，同时还支持自主建模，模型资源上传开发等应用；2）在计算资源弹性可伸缩的基础上，提供场景绘制、碰撞检测等分布式算法服务模块，在资源虚拟化基础上通过分布式仿真算法提高仿真解算效率，从而为基于云仿真平台开发和运行的虚拟维修训练系统提供更高的实时性和更逼真的仿真效果。

应用管理层 为用户提供交互界面和服务选项，以直观的形式提供仿真服务，包括虚拟维修系统开发服务、训练服务，协同训练和开发服务等。使用网页浏览器进入门户，获得登录使用仿真任务开发和训练权限，用户就可以按其所需，通过相应仿真应用软件和平台工具获取需要的建模仿真服务。

信息安全保障体系采用各种有效措施，保证平台运行全过程的装备资源和用户数据等信息安全。

3 分布式虚拟维修训练云仿真关键技术

3.1 RTI平台服务化

3.1.1 分布式交互支撑RTI层次化框架

云仿真平台要求HLA/RTI要以服务的形式部署在云端，提供给用户使用。当前的解决方案是使用 Web 服务技术对 RTI 进行不完全扩展，使其满足云仿真平台分布式交互支撑的需求。文献[12]中讨论使用 Web 服务 API 对 HLA 进行扩展，并提出Web 服务RTI组件（Web Service Provider RTI Component，WSPRC）的概念。

面向Web服务的云仿真平台分布式交互支撑RTI层次化框架如图3所示。中心服务器管理和服务的对象是RTI，仿真过程中，它接受各个RTI的相关协调服务请求，并向单独的或所有的RTI发送服务请求的处理结果，具体功能如下：协同动态负载均衡调度；管理需要全局协调管理的服务；与各个RTI之间进行通信，将全局数据和服务的处理结果分发给各个RTI。负载均衡系统负责在RTI服务申请用户负载过大时将客户端的任务请求分发到不同的服务器，以达到资源的优化利用和快速反馈，从而增强云仿真平台分布式交互支撑的稳定性与伸缩性。CRC是中心 RTI 组件，进行集中式协调操作。Web服务API联邦成员通过Internet连接到WSPRC，创建联邦或加入已有可用联邦。 LRC是本地 RTI 组件，支持C++、Java等联邦成员。

3.1.2 仿真交互过程及邦员设计

WSPRC 位于云服务器端，提供了一个或多个端口，端口指向联邦成员，众多基于Web Services 开发的联邦成员可以连接到同一个WSPRC，就像多个网页浏览器可能会连接到相同的Web服务器。WSPRC采用会话（sesion）来维护成员的状态， 当一个 Web 服务成员通过一个指向 WSPRC 的 URL加邦时，WSPRC则为其创建并维护一个HTTP会话，以后 Web 联邦成员的访问都在此会话中进行，当 Web 联邦成员退出联邦执行时，会话被服务器销毁。当网络或者某一成员出现故障导致连接断开时，WSPRC会把该成员的会话保持一段时间，如果在允许的时间范围内恢复连接，则仿真应用继续运行；同时，WSPRC 会周期性地检查所有会话，并自动终止超时的会话，释放其占用的内存。

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图3 分布式交互支撑RTI层次化结构

在一个联邦中，为降低单个WSPRC的负载，可以使用多个WSPRC。受传入和传出更新率的限制，每个 WSPRC 最多只能连接5到10个联邦成员[9]。运行过程中，Web联邦成员利用中心节点提供的 RTI 服务实现客户端的服务请求，完成仿真过程中的交互。如图4所示。

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图4 基于WSPRC的仿真交互过程

同一个联邦中联邦成员可以使用不同开发语言API，某个特定的联邦成员使用哪个API对联邦和联邦成员是透明的。HLA Web 服务 API 是用 Web 服务描述语言描述的。它是对服务的精确描述而不是一个实际的编程 API，也称为WSDL API。支持直接将函数声明转化为WSDL的工具软件有很多，有IBM、Microsoft、Sun这样的公司提供的商业版工具，以及Apache Axis等开源社区提供的免费版工具。

3.2 分布式交互仿真训练过程监控

在云仿真过程中，需要对训练和开发的过程进行实时监控，监视仿真中各成员的状态信息，控制仿真的进度，确保仿真的正确运行。云仿真平台提供仿真联邦监控工具实现以上需求。仿真监控工具以仿真联邦成员的角色加入一个仿真联邦，成为监控联邦成员。监控联邦成员承担维修训练仿真教练机的角色，对联邦仿真过程进行监控，监控联邦成员也可以由某个联邦成员担任，赋予其联邦监控职能。监控联邦成员采集仿真联邦成员实时状态信息，上传并存储于云端数据库，各个联邦成员可以订购对其他成员感兴趣的信息，随时查看其他成员的实时状态。

监控联邦成员采集的监控数据包括管理对象模型（Management Object Model，MOM）信息，以及仿真过程中联邦成员通过服务化的RTI发生的交互数据信息。MOM信息包括联邦成员名称、句柄、类型等静态信息，成员更新/反射数据量、发送/接收交互次数等动态信息以及时间管理状态、前瞻量、逻辑时间等与仿真有关的时间信息，仿真成员间的交互数据信息包括成员/订购的信息，与仿真模型以及自身状态等有关的各类信息。

在管理对象模型中提供了详细的联邦和联邦成员的信息，可以通过订购管理对象模型对象类各个子类的属性来实现对联邦和联邦成员情况的监视。对对象类属性的订购遵循 HLA 的订购机制， RTI 对管理对象模型对象类属性值更新后，总控联邦成员反射其更新值并完成相应的操作。下面以订购联邦成员的 ID 号为例说明订购和反射的实现：

3.3 联邦成员动态迁移

云仿真中的联邦成员动态迁移，是指在基于云端RTI进行分布交互的仿真系统运行期间，远程WSDL联邦成员对应的实例由一个WSPRC迁移到另一个WSPRC，或者由一个会话迁移到另一个会话保持的过程。

联邦成员终端基于WSPRC组件与中心RTI 进行分布交互，远程联邦成员只负责与RTI 进行数据交互，本身无任何仿真逻辑，其状态信息主要是与HLA 相关的状态，如仿真时间、公布/订购内容、对象类实例情况等。远程联邦成员实例的迁移，关键是实现状态信息的中断、保存和迁移。

当某远程联邦成员需要迁移时，首先通知对应终端，终端收到通知后，在指定的WSPRC上创建与远程WSDL邦员的新连接。此时云端存在两个WSPRC分别维护同一个远程邦员的两个通信连接，相当于远程WSDL邦员在云端存在两个邦员。新的WSPRC完成与原WSPRC同样的公布/订购，获取仿真状态信息和维护的对象类实例所有权，并恢复到当前的状态。WSDL远程邦员在放弃原WSPRC维护的对象类实例所有权后，断开与原WSPRC的通信连接。完成上述操作后，新的WSPRC通知终端，校准与WSDL远程邦员的时间关系，最终完成迁移。迁移过程如图5所示。

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图5 联邦成员动态迁移过程

3.4 云仿真模式下的负载平衡

虚拟维修训练云仿真平台支持大量用户的仿真运行，众多的仿真实体分布在不同的节点，随着仿真的进行，各个节点上的负载会发生改变，出现个别节点的负载比其他一些节点的负载要多很多的情况，即节点负载不平衡。负载的失衡会使整个系统的运行效率下降和容错性能下降，并有可能对仿真运行结果产生不良影响。设计负载均衡器对平台节点性能进行动态调整和维护，对仿真任务进行动态平衡，体系结构如图6所示。

函数 F（L1，L2，E，λ）表明了在超载、轻载和负载适中三种情况下E与L1，L2之间的关系。函数中 λ（λ

在实际应用中，各个仿真节点具有基本相同的处理性能，可假设P值相同。采用最小连接的动态调度算法实现对静态负载进行节点的监控、邦员调度等，具体描述如下。

1）调度器记录各个服务器已建立连接的活跃节点数目，预估服务器的负载情况；

2）当一个请求被调度到某台服务器，其连接数加1；

3）当连接中止或超时，其连接数减1；

4）根据调度器记录得出此时连接数最小的服务器，将新的连接请求分配到当前连接数最小的服务器。

通过上述方式，把负载变化大的请求分布平滑到各个仿真节点上，从而提高节点利用率和保持仿真运行中负载的有效平衡。负载动态平衡前后的虚拟服务器利用情况如图7所示。未使用负载均衡时，1号和2号虚拟服务器节点利用率分别为95%和92%，处于超载状态，而3号虚拟服务器利用率仅有10%，利用率不足，属于轻载状态，负载严重不均衡。当仿真任务经由负载均衡器采用动态调度算法进行合适分发后，3台虚拟服务器节点的使用率分别约为70%，67%和60%，起到了平衡负载的效果。如图7所示。

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图7 动态负载平衡

3.5 仿真平台层可视化仿真

可视化仿真技术是实现仿真结果实时可视化的核心技术，为使用者提供2D/3D的仿真可视化服务。可视化仿真主要完成三维实体模型的渲染、驱动。这些模型可以划分为静态实体模型和动态实体模型。静态实体模型指地面上一些文化特征，如建筑物、树木等；动态实体模型是指各种仿真实体模型，如车辆、机械系统等。

云仿真可视化门户采用B/S多层体系结构，分为功能驱动层、应用支撑中间件层、资源服务中间件层和可视化资源层。其中功能驱动层提供地形导入、动态场景更新、导弹动力学可视化等视景仿真功能模块；应用支撑中间件层提供视景仿真程序开发包，支持仿真可视化应用的快速开发；资源服务中间件层提供可视化资源查找、动态调度、可视化服务的封装和调用等基本功能操作；可视化资源层主要包括虚拟场景地形、虚拟样机几何模型等可视化模型资源。

即使在云仿真平台下，图形生成的真实性和实时性事实上也是突出的矛盾，图形越真实，则描述它所需数据量越大，计算处理的时间就会相应增长，从而影响图形生成的实时性。在保证虚拟环境的真实感的基础上，现有图像简化等技术（动态或静态层次细节、消隐技术、虚拟全景空间技术等） 仍可以运用于云仿真平台，以提高场景绘制速度和虚拟仿真实时性。

3.6 仿真数据分布式存储

数据的存储和操作也以服务的形式提供，分布式存储要求存储资源能够被抽象表示和统一管理，并且能够保证数据读写操作的安全性、可靠性、使用性。Cassandra是一套高度可扩展、最终一致、分布式的结构化键值存储系统，它结合了Dynamo的分布技术和Google的Bigtable数据模型，能够满足海量数据存储的要求，解决了应用与关系数据库模型之间存在的非依赖关系。

Cassandra的存储机制[13]如图8所示。三个列族的Key值先记录在Commitlog中，Commitlog则保存在独立的磁盘上。和Bigtable一样，Cassandra的日志内容也同样需要按照键值进行序列化，然后将数据分别写入到三个CF所对应的Memtable中。Memtable满足一定条件后批量刷新到磁盘，存储在SSTable的块上并设置保存块位置信息的索引（Index），Index保存的是每个Key在数据文件中的偏移位置。当查找时，将Index加载到内存中，定位Key所属的块，从而实现快速查找。

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图8 Cassandra的存储机制

4 应用实例

综合运用云计算、虚拟化、虚拟现实仿真等技术初步构建网络化仿真平台，进行某型装备虚拟维修系统的开发和训练。该平台包括网上开发和训练集群、Web服务器和存储服务器等，这些共同构成了仿真平台的基础设施。网上开发集群提供底层硬件资源、平台和软件的虚拟现实开发支撑服务；网上训练集群为基于中心展开的装备模拟训练提供各种虚拟维修训练支撑服务，包括虚拟维修训练、RTI Web 服务和HLA 联邦管理服务等。项目开发人员可利用其中的 M&S 软件进行系统的开发；组织者可以统一管理开发资源，控制开发进程。网络化服务的资源使用方式避免了为每个项目单独配发硬件和软件工具环境，提高了资源的利用率，同时训练人员可以通过虚拟维修训练服务进行装备的协同仿真训练。某型装备的网上虚拟维修训练仿真过程如图9所示。

分布式仿真技术篇2

关键词：关键词：计算机技术 虚拟现实 计算机仿真技术

一、计算机仿真发展历史

仿真模拟方法可以追溯到1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。

与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。

二、仿真的定义和分类

1.仿真定义

计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。

三、需求牵引 技术推动

相互推动

计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。

“需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。

计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。

计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。

四、仿真软件

仿真软件的应用和定义

仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。

五、计算机仿真的基本理论

计算机仿真是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新型学科。

计算机仿真是一种科学方法，科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。

计算机与数学学科的相互作用促进了进算计技术的发展。在本质上数学是计算机的灵魂。

在计算机仿真技术中引入人工智能技术，能够优化系统，做到有优化机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，但在离散事件系统仿真重这种机制还处于研究阶段。

新技术的研究开发、利用，大大提高计算机的仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。随着以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化以及自然化、为标志的计算机仿真软件新技术的深入研究、开发、利用，不仅是仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实践，探讨软件理论，有可能从理论弄清楚软件开发的复杂度，进而采取有效的测试进行控制，从理论与实践两方面解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。

六、计算机仿真技术的支撑技术

计算机仿真技术的支撑技术主要有分布式计算机仿真技术、协同式计算机仿真技术、沉浸式计算机仿真技术、基于网络的环境计算机仿真技术。

计算机仿真技术分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示目的的重要手段，分布式计算平台有互联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC机机群系统。

来自不同地区、不同学科的学者过去式通过出差或开会等方式进行交流的，现在，随着高速网络投入使用，采用多媒体技术支持下是、的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。

计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境所装用的投影式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。

七、仿真系统的作用和意义

随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成各种复杂系统研制工作的一种比不可少的手段。尤其是在航空航天领域，仿真即使已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段。在研制、坚定、和定形全过程必须全面的应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。

计算机仿真技术在军事的应用是很广泛的，如运用交战模型进行的计算机仿真，新型武器装备发展过程中的仿真、部队作战训练方面的仿真、高层论证和规划计划中的仿真、军事作战理论和学术研究中的仿真、作战指挥和战争计划中的仿真，以及战后后勤保障的仿真等。

参考文献

分布式仿真技术篇3

一、EDA技术的定义及构成

所谓EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统。它是以计算机为工作平台，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以EDA工具软件为开发环境，以大规模可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)为设计载体，以专用集成电路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)、单片电子系统SOC(SystemOnaChip)芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程[J]。在此过程中，设计者只需利用硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionlanguage)，在EDA工具软件中完成对系统硬件功能的描述，EDA工具便会自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。

现代EDA技术的基本特征是采用高级语言描述，具有系统级仿真和综合能力。EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计。EDA技术研究的范畴相当广泛，从ASIC开发与应用角度看，包含以下子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块和布局布线子模块等。EDA主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，然后从系统设计入手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计，在方框图一级进行仿真、纠错，并用VHDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行验证，最后再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。

二、EDA技术的发展

EDA技术的发展至今经历了三个阶段：电子线路的CAD是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图。它可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。

EDA技术中级阶段已具备了设计自动化的功能。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。

高级EDA阶段，又称为ESDA(电子系统设计自动化)系统。过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom-UP)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念：自顶而下(TOP-Down)的设计程式和并行工程(ConcurrentEngineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所设计电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述。可进行系统级的仿真和综合。

三、基于EDA技术的电子系统设计方法

1.电子系统电路级设计

首先确定设计方案，同时要选择能实现该方案的合适元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图。接着进行第一次仿真，包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析和瞬态分析。系统在进行仿真时，必须要有元件模型库的支持，计算机上模拟的输入输出波形代替了实际电路调试中的信号源和示波器。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线。在制作PCB板之前还可以进行后分析，包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析和可靠性分析等，并且可以将分析后的结果参数反标回电路图，进行第二次仿真，也称为后仿真，这一次仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

可见，电路级的EDA技术使电子工程师在实际的电子系统产生之前，就可以全面了解系统的功能特性和物理特性，从而将开发过程中出现的缺陷消灭在设计阶段，不仅缩短了开发时间，也降低了开发成本。

2.系统级设计

系统级设计是一种“概念驱动式”设计，设计人员无须通过门级原理图描述电路，而是针对设计目标进行功能描述。由于摆脱了电路细节的束缚，设计人员可以把精力集中于创造性概念构思与方案上，一旦这些概念构思以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。

系统级设计的步骤如下：

第一步：按照“自顶向下”的设计方法进行系统划分。

第二步：输入VHDL代码，这是系统级设计中最为普遍的输入方式。此外，还可以采用图形输入方式(框图、状态图等)，这种输入方式具有直观、容易理解的优点。

第三步：将以上的设计输入编译成标准的VHDL文件。对于大型设计，还要进行代码级的功能仿真，主要是检验系统功能设计的正确性，因为对于大型设计，综合、适配要花费数小时，在综合前对源代码仿真，就可以大大减少设计重复的次数和时间，一般情况下，可略去这一仿真步骤。

第四步：利用综合器对VHDL源代码进行综合优化处理，生成门级描述的网表文件，这是将高层次描述转化为硬件电路的关键步骤。综合优化是针对ASIC芯片供应商的某一产品系列进行的，所以综合的过程要在相应的厂家综合库支持下才能完成。综合后，可利用产生的网表文件进行适配前的时序仿真，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，较为粗略。一般设计，这一仿真步骤也可略去。

第五步：利用适配器将综合后的网表文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化和布局布线。:

第六步：将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到目标芯片FPGA或CPLD中。如果是大批量产品开发，通过更换相应的厂家综合库，可以很容易转由ASIC形式实现。

四、前景展望

21世纪将是EDA技术的高速发展时期，EDA技术是现代电子设计技术的发展方向，并着眼于数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方向发展。EDA将会超越电子设计的范畴进入其他领域随着集成电路技术的高速发展，数字系统正朝着更高集成度、超小型化、高性能、高可靠性和低功耗的系统级芯片(SoC，SystemonChip)方向发展，借助于硬件描述语言的国际标准VHDL和强大的EDA工具，可减少设计风险并缩短周期，随着VHDL语言使用范围的日益扩大，必将给硬件设计领域带来巨大的变革。

参考文献：

[1]谭会生，张昌凡.EDA技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

分布式仿真技术篇4

关键词:骨架信息;仿真实体;实体建模

1 引言

分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)是当前虚拟现实领域的研究热点之一。它最初起源于军事仿真领域研究工作,IEEE在上世纪九十年代和本世纪初制定了IEEE 1278标准[1]和IEEE 1516标准[3-5]。

分布交互仿真技术的不断进步、相关标准的制订从理论上解决了大规模分布交互仿真系统的构建。但是由于其技术上的复杂性和专业性,使得实际构建一个仿真系统不仅需要相当长的时间周期而且局限于专业的仿真开发人员,从而限制了分布交互仿真技术推广应用。

在对以往传统分布交互仿真技术分析的基础上,本文通过研究和实践提出了一种基于骨架信息的面向三维平台级实体的自动化的建模与仿真方法。建模与仿真分离和自动化的系统构建方法使得用户不需精通专业的仿真技术也能够方便的对仿真实体进行三维建模,并且能够把精力集中于具体的仿真领域快速的构建自己的三维分布交互仿真系统。

2 基本概念

(1)实体

仿真实体是现实世界中的客观对象在计算机中的表示。在DIS标准中,其定义为:“An element of the synthetic environment that is created and controlled by a simulation application and effected by the exchange of DIS PDUs[1]”。按照实体是否具有主动对环境和其他实体进行影响的能力,可分为动态实体和静态实体;动态实体按照仿真运行中是否由人控制,又可分为人在回路控制的实体和计算机控制的实体。按照所模拟的组织和规模的大小,可以分为个体和群体两种,其中个体我们一般称为平台级实体。本文所提方法主要面向动态实体中人在回路的平台级实体。

实体:是分布虚拟环境中的基本元素,它由仿真应用程序创建、控制、取消并受虚拟环境中各种交互事件的控制。

实体可形式化表示为如下九元组:

Entity={Geo, Phy, Beh, Event, State, Skeleton, ,, }

其中:

Geo={GeometryAttr | GeometryAttr = },是实体几何属性的集合;

Phy={PhysicsAttr | PhysicsAttr = },是实体物理属性的集合;

Beh={BehaviorAttr|BehaviorAttr= },是实体行为属性的集合;

Event是环境中交互事件的集合;

State={create, run, delete},是实体内部状态集合;

Skeleton=,实体的的骨架信息,具体见下文;

为State×Event State的映射;

为State×Event Beh的映射;

为State Geo的映射;

其中不同类型实体函数的构建不同,本文所涉及的人在回路实体对应的函数是操作者的交互命令与行为之间的对应关系。

(2)实体的骨架信息

骨架信息是指多部件或多关节实体中内在的反映各个部件之间、部件与实体之间或不同关节之间的逻辑关系的一类数据。

实体的骨架信息可形式化的表示为骨架树如下:

Sk=

N={Root}∪Ns

Ns=N1∪N2∪…∪Nm且Ni∩Nj=Φ(i≠j,1≤i≤m,1≤j≤m)

R={,,…., i = 1,2,3…m}

其中Sk表示一个骨架系统(也称为骨架树),N为骨架树中部件或关节节点的集合,R为骨架树中节点之间关系的集合,表示部件之间以及部件与实体之间的关系,骨架树中的根节点表示实体本身。

(3)骨架信息举例

以人为例说明骨架信息及其表示,虚拟环境中虚拟士兵完整的骨架信息如下图1所示:

图1 虚拟士兵的骨架信息

分布式仿真技术篇5

利用计算机仿真与实兵训练相结合的方法进行综合训练是提高训练效果和节省训练经费的有效途径。近年来，世界发达国家十分重视这种综合训练方法和技术的发展和应用，美军从20世纪90年代开始采用LVC方法进行综合训练，并在随后的多次联合演习中证明了这种方法的有效性。2008年美军了LVC体系架构路线图(LVCAR)，用于指导未来的LVC体系结构建设［1－2］。LVC定义如下:L(Live)，实兵训练，真实的人操作真实的系统。表现为传统的实兵演习、首长机关的作业演习以及训练靶场的武器装备作战试验等。V(VirtualSimulation)，虚拟模拟，真实的人操作虚拟的系统。表现为决策指挥训练以及模拟器技能训练等。C(ConstructiveSimulation)，推演模拟，虚拟的人操纵虚拟的系统。表现为计算机兵棋推演、计算机作战模拟和武器装备系统仿真等［3－6］。LVC训练方法结合实兵训练、虚拟模拟和推演模拟三种训练样式的优势，是一种发挥不同训练样式优点的综合训练方法。为了支持LVC训练，美军联合作战司令部提出组建JLVC联邦作为LVC训练的技术支撑环境。JLVC联邦是由多个推演仿真系统、C4I系统、接口以及模拟器组成的分布式系统，可以将实兵训练系统、虚拟模拟系统和推演模拟系统互连起来运行，共同支持LVC训练。JLVC联邦采用了较为开放系统体系架构，兼容吸纳多种技术体系，并制定和遵从了一系列的数据交换标准，解决了一系列异构系统互连运行问题［7］。了解美军JLVC联邦构建的背景、发展过程和现状，剖析其组成和体系结构，总结其特点，对于我军发展训练仿真系统和探索大规模综合训练具有极其重要的借鉴价值。

2JLVC联邦的背景、发展和现状

自二十世纪七十年代美军采用计算机仿真进行训练以来，支持美军训练的仿真系统大致经历了以下几个阶段:1)独立的仿真系统阶段。20世纪70年代，出于节省经费、减少伤亡和保护环境等原因，计算机仿真技术开始大量应用于军事训练，美军各军种各部门针对自身的训练需要各自上马项目，建成了一系列的虚拟模拟和推演模拟系统［8］。2)DIS技术体系阶段。1983年美国国防部高级研究计划署制订了SIMNET计划，将分散在异地的地面装甲车辆仿真器通过网络连接起来，进行协同作战训练。在此基础上，美国国防部和工业部门共同发展建立在异构网络互连基础上的分布式交互仿真技术，形成了DIS2．X系列标准，随后DIS2．X标准被多个项目采用。3)ALSP技术体系阶段。20世纪90年代初，为了将聚合级兵力仿真系统互连起来，美军又推出了ALSP，后采用该协议将美军多个部门的仿真系统联合起来，组建了著名的JTC(JointTrainingConference)。4)HLA技术体系阶段。1995年，为了促进所有类型的模型与仿真之间，以及它们与C4I系统之间的互操作性，促进仿真与建模部件的可重用性，美国国防部提出了HLA规范，要求各军兵种开发的用于不同领域的仿真应用都必须遵循HLA规范，并且表示对于2001年以后研发的系统，将不再提供除HLA标准以外的经费支持。5)混合技术体系阶段。虽然美军一再强调采用HLA标准来规范所有的训练仿真系统，但实际发展情况却是部分系统继续使用原来的标准和协议，同时不断有新的技术标准产生，这些原因最终使得美军期望通过HLA来规范所有仿真系统这一目标无法实现，其中美军著名的JSIMS(JointSimu-lationSystem)项目也由于项目过于庞大且协调难度太大而中途叫停。20世纪90年代末，美军在靶场训练领域提出了TENA(TestandTrainingEnablingArchitecture)［9－12］，TENA针对特有的靶场试验和训练，支持DIS、HLA和CORBA等多种标准和协议，是一种较为开发的技术体系，灵活性和适用性都较强，通过美军多次联合试验和训练活动，证明了TENA为靶场试验和训练起到了重要的支撑作用。本世纪初，出于对训练效果和训练经费综合考虑，美军开始采用LVC训练方式来对联合作战人员进行训练。LVC训练方式对采用不同技术体系的实兵系统和仿真系统互连提出了要求，美军联合作战司令部借鉴TENA灵活开放的体系架构，通过搭建JLVC联邦来支持LVC训练。JLVC联邦采用混合技术体系，包括DIS、HLA和TENA等多种技术体系。2002年6月24日至8月15日，美军进行了具有里程碑意义的“千年挑战2002”(“MC2002”)演习。此次演习中，美军第一次采用了类JLVC联邦的环境来支撑演习，有9个地点采用实兵演习，17个地点采用计算机推演模拟。通过此次演习，美军发现在部队地域分散和演习经费有限的情况下，推演仿真系统能为组织大规模实兵演习起到粘合剂的作用，能消除各个实兵演习场所之间的存在的界限，肯定了LVC训练方法的效果。随后，JNTC(JointNationalTrainingCapa-bility)项目开始进一步推动LVC训练方式进行演习，大力支持JLVC联邦建设。为了达到此目的，JNTC开发团队开始设计一个可灵活裁剪、可升级改进的JLVC联邦，以适应不同的目的和需求。截止到2010年，美军联合作战司令部已经采用JLVC联邦支持军种和战斗司令部进行了近5年的训练。最初的JLVC联邦只是用于JNTC组织的一些展示性的演习中用于展示联合实兵演习、模拟器和推演仿真系统的能力，随后为了支持更多的演习，JLVC联邦做了大量的改造工作，包括:1)将真实的C4I系统作为联邦的一部分集成到JLVC联邦中，为联合战役指挥员提供战训一致的C4I系统。2)将各个军种使用的主要仿真系统加入到JLVC联邦，构建一个虚拟的综合战争空间，为联合作战训练提供后台模型计算支持。3)将各种武器装备的模拟器进行集成，包括激光交战系统、飞机模拟座舱等模拟器、推演仿真系统等，使得各种模拟器和模拟训练环境共同组成一个虚拟的综合战争空间。4)将各邦员建立在分布式的架构基础之上，邦员不仅能单独使用，而且能够统一集成联合应用，使得系统具有良好的灵活性和自由组合性。经过美军多次演习的应用证明，LVC训练方法在对各级联合作战人员训练上兼顾了训练效果和经费节约，取得了良好的效果。从目前的情况看，美军联合作战司令部将继续发展LVC训练方式，并且鼓励更多的推演仿真系统加入JLVC联邦。

3JLVC联邦系统体系结构

3．1JLVC联邦概念模型JLVC联邦概念模型是指导JLVC联邦开发的基础。在JLVC联邦概念模型中，描述了JLVC联邦与所依赖的数据服务、组织机构、各项标准以及认证的关系，也描述了JLVC联邦和各种数据消息标准与基础技术支撑体系之间的关系，另外还包括JLVC的各项组成部分，如图1所示。可以看出，JLVC联邦是由推演仿真系统、模拟器、基础设施、工具、接口、程序和文档共同组成的综合性训练支撑环境;在实现上依靠各种设计团队、开发团队、实施团队和学术团队的共同支持，参考了一系列的公共标准和领域认证，并遵循了DIS、HLA和TENA等技术体系标准。

3．2JLVC联邦的组成JLVC联邦主要由推演仿真系统、分布式仿真支撑技术体系、实兵演习环境、基础网络通信设施以及C4I系统接口组成，如图2所示。1)推演仿真系统。目前，JLVC联邦集成了美军各军种现有的部分推演仿真系统成果，包括:联合冲突与战术仿真系统(JCATS)，负责仿真地面作战和特种作战行动;空战仿真系统(AWSIM)，负责仿真空战行动;联合半自动兵力系统(JSAF)，负责仿真海战行动;空天信息作战推演仿真系统(ACEIOS)、战术仿真系统(TACSIM)和国家下一代兵棋仿真系统(NWARSNG)，负责仿真情报相关行动;联合部署后期模型系统(JDLM)，负责仿真后勤行动。通过这些模型的联合运行，构建一个虚拟综合战争空间，当指挥员在指挥所通过真实的C4I系统输入作战命令后，由这些仿真系统共同完成各种行动在虚拟战争空间中的计算，然后再将结果通过C4I系统反馈给指挥员。2)分布式仿真支撑技术体系。分布式仿真支撑技术体系为实兵训练、虚拟模拟和推演模拟之间进行互连互操作提供基础技术支撑、统一通信协议和一致的消息标准格式，是实现JLVC联邦运行的技术标准。为了将不同技术体系下的各种系统连接起来共同运行，JLVC联邦采取较为灵活开放的方式，吸纳了多种技术体系，包括HLA、DIS、TENA、Over－the－HorizonTargetingGOLD、Link16、USMTF(UnitedStatesMessageTextFormat)。JLVC联邦通过遵循这些协议和标，将分布在不同地方的推演仿真系统和虚拟模拟器连接起来，共同支持LVC训练。3)实兵演习环境。美军非常重视实兵演习在训练中的地位，包括联合战役指挥层面和战术行动层面的训练，认为这种实兵演习的地位是不可替代的。在JLVC联邦中，实兵演习环境备作为重要的组成部分被纳入到整个联邦之中，在指挥方面有全球联合指挥控制系统(GCCS)，在行动方面有陆、海、空各军种战术训练靶场和各种武器装备模拟器。4)基础网络通信设施。基础网络通信设施为LVC训练提供基础的网络通信硬件支撑环境，是JLVC联邦中重要的硬件组成部分。依靠基础网络通信设施，JLVC联邦将分布在异地的各仿真系统和指挥系统连接起来。目前，JLVC联邦网络通信依托的是联合训练实验网络(JTEN)。5)C4I系统接口。JLVC联邦中集成C4I系统，目的是为各级指挥员提供真实的指挥平台。通过与C4I系统的接口，JLVC联邦中的模型与C4I系统连接起来，共同支撑演习训练。与C4I系统的接口主要包括各种不同系统之间的数据转化接口、通信接口以及实现不同技术体系下各种系统之间交互的各种网关。

3．3JLVC联邦的模型体系结构JLVC联邦的模型体系是一个开放的可裁剪的体系，可以根据不同演习需要，面向不同的训练对象，灵活地组建训练联邦用于支撑不同的训练任务。因此，JLVC联邦的模型体系没有一个固定的结构，图3是一个由核心推演仿真系统组成的JLVC模型体系结构示意图。可以看出，JLVC联邦包括了美军诸军种多个层次的仿真系统，连接的方式也比较灵活，采用了HLA/RTI、DIS等多种方式连接。

3．4JLVC联邦的C4I系统体系结构在LVC训练中，战役层次的受训者一般位于司令部或指挥所，通过C4I系统来获取战场实时态势和进行战役指挥。JLVC联邦为了实现对指挥员和指挥机关人员的训练，要求推演模拟的结果与C4I系统进行无缝连接，将模拟推演的结果通过C4I系统以逼真的作战指挥方式发送给指挥员和机关参谋人员，同时指挥员也是通过C4I系统进行指挥命令下达，逻辑上指挥员和指挥机关人员感觉不到后台的仿真系统。对于美军来说，这些C4I系统包括实时战场态势信息系统、战术数据链信息情报收集系统、数据库系统、作战计划拟制系统、决策支持系统、后勤交通系统和指挥协同工具等。JLVC联邦采用接口来将仿真系统的数据转换到C4I系统中。对美军来说，GCCS是C4I系统的核心组成部分，也是通用战役视图(COP)的主要支持系统。COP的目标是让所有战役指挥人员能共享同一战场态势图，包括:各方海陆空以及水下目标的实时位置和状态;各方海陆空以及水下目标计划机动信息;可能对作战产生影响的自然环境状况;作战计划、作战区域和飞行轨迹描绘等各种作战要素和规划;其他可能对作战产生影响的政治信息、重大事件和财务信息等［13］。为了实现仿真系统和C4I系统共同对LVC训练进行支撑，JLVC联邦需要将各个仿真系统产生的数据转入COP和CTP，供指挥员训练使用。为此，JLVC要求各个仿真系统必须按照所指定的标准产生数据，并将数据通过网关或者转化器转入到COP中，包括一系列的数据协议和信息交换标准，其体系结构如图4所示。

3．5JLVC联邦的基础数据服务为了使得JLVC联邦中的各邦员能拥有统一的数据视图，JLVC联邦提供了联合训练数据服务(JointTrainingDataService，JTDS)服务。JTDS采用Web方式提供想定数据生成服务，主要提供三大类数据服务:作战力量编程数据服务(OrderofBattleService，OBS)，该项服务为所有加邦的仿真系统提供统一的权威的作战力量编程数据服务。它采用中间数据格式XML生成想定数据，支持数据分布式编辑、确认以及数据回滚，支持基于WebService的权威数据，也支持根据想定灵活地按需获取数据。地形数据生成服务(TerrainGenerationService，TGS)，该服务为所有加邦的仿真系统提供统一权威的地图数据服务，支持多种标准格式的地图数据导入，同时支持JCATS(JointConflictandTacticalSimulation)和JTLS(JointTheaterLevelSimulation)格式的地图数据库输出。在生成地图数据时，TGS根据地图数据量的大小，地图的处理时间不等，通常需要数小时，当数据准备好时，TGS会通知用户，然后用户可以通过JTDS的入口进入获取相应的文件。气象数据服务(WeatherService，WS)。JLVC通过环境想定生成器来生成想定中的环境数据，然后通过环境数据块支持系统将这些生成的数据按照各个联邦需要的格式分别发放。发放的方式一种是直接发放给各推演仿真系统，另一种是通过采用邦员的形式加邦，通过数据交互的形式进行间接发放［7］［14］。

4JLVC联邦的主要特点

1)一致性。LVC训练方式从发展之初就非常强调战训一致、贴近实战的理念，认为各级作战人员的训练必须以真实作战的方式来感知战场态势和采取行动措施，才能达到训练的效果，即对于战役指挥员来说，接入的C4I系统应该与实际作战时使用的C4I系统一致，而战术执行人员应该在近似于实战的战场环境中进行实兵训练，美军认为只有这样才能使得各级联合作战人员得到贴近实战的训练，从而真正达到训练联合作战人员的效果，否则训练将会是徒劳无用甚至会产生副作用。为此，JLVC联邦在设计实现上特别强调接入的C4I系统就是实际作战的C4I系统。

2)层次性。LVC训练强调不同层次训练重点不同，手段不同，也就是战役指挥员需要通过真实的传感器和C4I系统去感知战场态势和进行作战指挥，而战术执行人员应在真实作战环境中进行实兵训练，层次不同，使用的系统不同，训练的环境不同。对此，JLVC联邦在建立时，不仅考虑了战役指挥层次的C4I系统接入，也考虑到将实兵演习的环境、系统和设备接入，特别是陆、海、空各军种战术训练靶场和各种武器装备模拟器的接入。

3)灵活性。LVC是一种训练方法，可以针对不同的想定内容，用于各军种训练和大规模联合战役训练。JLVC联邦作为支持这种方法的技术环境，支持根据不同的想定加载不同的训练内容。为此，JLVC联邦的模型体系采用的是一个开放的可裁剪的结构，可以根据不同演习需要，面向不同的训练对象，灵活地组建训练联邦用于支撑不同的训练任务，是一个面向不同训练目标，灵活组构即插即用的通用技术框架，而不是只是针对某一次演习训练而开发的特定应用系统。4)开放性。从美军近三十年训练仿真系统的发展历史可以看出，具有开放体系架构是系统生存、延续和发展的关键因素。JLVC联邦从设计之初就借鉴了美军多个大型系统开发的经验教训，从实现上考虑采用开放的技术体系结构，不拘泥于具体技术体系，并且注重继承原有成果和吸纳新的工程技术成果，使得整个系统能够随着技术的发展而得到不停地改进和完善。

分布式仿真技术篇6

一场不见硝烟的战争

落日的余辉映红了西边彩霞，和平劳作了一天的人们纷纷踏上回家的路程。此时，在A国C市东郊的一幢神秘的大楼里，一群敲键盘的职业军人开始了他们的一项军事演练。与此同时，分布在A国境内的陆、海、空三军的仿真器纷纷启动，通过专用的计算机网络，也与他们一道开始了带有作战背景的试验演练。

参加演练的军人分成两组，一组代表己方的红军，一组代表假想敌的蓝军。蓝军以攻为守，企图偷袭红军战略导弹基地。他们先派出4架轰炸机、6架歼击机、2架电子战飞机朝红军的海军基地飞来，以给红军错觉形成要偷袭的态势。然后，由两架空中预警机担负空中指挥，指挥12架歼击机、4架电子战飞机、16架轰炸机、8架加油机朝红军的战略基地远程奔袭而来。红军的警戒雷达网探测到了蓝军多次起飞的异常空情后，及时向指挥部作了报告。与此同时，红军海军基地发现了前来袭击的敌机，防空部队随即进入一级战备状态，基地8架歼击机紧急升空。

红军在太空的侦察卫星及时侦察到了蓝军的两个飞行编队，经指挥部分析，蓝军是声东击西，真实的突击目标是战略导弹基地。因此，指挥员立即命令战略导弹基地进入一级战备状态，并命令沿海一线机场的16架歼击机紧急升空，以在战略基地的待机拦截敌机。此外，又特别命令在蓝军大编队机群必经海域的红军海军的4艘潜艇也进入一级战备状态，作好防空作战准备。

当蓝军突击编队飞过红军的第一道警戒线时，偷袭红军海军基地的飞行编队突然改变航向，也朝红军战略导弹基地飞来。面对几十架突击战略导弹基地的飞机，红军指挥员赶紧命令二线机场的24架歼击机紧急升空，并命令第一波次起飞的红军歼击机拦截敌轰炸机。蓝军轰炸机受到拦截，护航歼击机一马当先，准备迎战。红军指挥员立即命令拦截敌歼击机并将其引开。红军飞行员且战且退。蓝军飞行编队失去了护航歼击机的保护，又正好处于红军海军潜艇的上空，红军指挥员当即命令潜艇攻击敌编队中的预警机与加油机。潜艇启动防空武器系统，发现、跟踪目标，并向预警机发射了防空导弹。蓝军飞行编队发现受到攻击，电子战飞机紧急施放干扰，但为时已晚，1架预警机、2架加油机被击落，1架预警机、2架加油机、3架轰炸机被击伤。

蓝军的预警机被击落击伤后，一时间失去了空中指挥，飞行编队一下乱了套。此时，假如继续突击红军的战略导弹基地，非但不能完成任务，还会造成更大的损失，蓝军指挥员，决定中止突击返航。为使编队顺利返航，他命令蓝军大编队原路返回，原偷袭红军海军基地的飞行编队再次改变航向，杀个回马枪，又朝红军海军基地袭来。

此时，红军海军基地紧急升空的8架歼击机正返回机场加油，而担负保卫红军战略导弹基地的歼击机在海军基地，远水救不了近火，这是一个对蓝军非常有利的空档。蓝军飞行编队一靠近海军基地，指挥员首先就命令两架电子战飞机实施主动电子干扰。为此，两机同时把所携带的干扰箔条全部投放出去，在红军的地空导弹上空形成了一个巨大的箔条干扰“云”。红军的地空导弹由于受到强烈的电磁干扰，警戒雷达、制导雷达一时处于瘫痪状态，致使发射的防空导弹无一命中目标。蓝军轰炸机则轻而易举地用精确制导的激光制导炸弹将红军海军基地的三艘驱逐舰，一艘潜艇击沉，然后扬长而去。挨了这致命的一击，红军指挥员气得把指挥用的麦克风狠狠地摔到了地板上。

这是作战仿真试验室里演练的一场没有硝烟的战争，虽然见不到刀光剑影，血雨腥风，但却与战争紧密相关，而演练的这些战略战术，将来就可能用于战争。利用作战仿真试验室在虚拟战场上进行作战演练，是军队训练现代化的一种有效手段。

作战仿真试验室里的虚拟战场

长期以来，对作战样式、战术、战法的研究除一般理论探讨外，主要通过实兵对抗演练来进行研究。受安全、经费等条件限制，尤其是难以建立以主要作战对象的真实装备组成的“蓝军”，使“实兵对抗演练”的真实性、结果的可信性受到削弱，也难以体现现代战争系统对抗的特点。针对这种情况，利用现代仿真技术建立虚拟战场的方法应运而生。虚拟战场模拟作战双方的对抗行为和战场环境，如敌方飞机的种类、技术性能、战术动作，以及电子对抗、地面防空火力等作战环境等，增加了演练的逼真度，能达到真实操练部队的目的，而这些正是在以往常规飞行演练中难以实现的。

虚拟战场是利用仿真技术把已知的因素、敌我双方的主要关系等进行计算机仿真，以体现战争的对抗性与交战的随机性，可为战争的研究者提供一个作战仿真实验环境。为使作战仿真实验环境适合高技术条件下的特点，需要建立各种作战和训练模型，这些仿真模型也是构成虚拟战场的基础。在虚拟战场里，不同年代的技术，不同年代的武器和不同地点的军兵种作战仿真平台都能被集中在一起。为使虚拟战场逼真可信，各仿真平台采用相同的标准协议与信息接口，能形成统一的综合仿真环境。当仿真试验开始时，在虚拟战场里的各种仿真器能作到空间同步，时间同步，好象在一个环境中，从而达到逼真可信的目的。

由于虚拟战场对检验、研究未来作战理论，确定军队编制，发展武器装备等，提供了一个非常理想的试验环境所以美空军1992年组建了6个作战仿真试验室来进行仿真演练研究。例如，在海湾战争时期，美国利用防空作战仿真试验室曾对最初18小时的完整战斗过程进行仿真，以便通过对交战双方作战体系、系统及装备的仿真，来修改作战计划和进行“作战任务预演”。飞行员在作战前，能先在虚拟战场中经历作战任务的仿真飞行，熟悉通过多种情报侦察手段获得的目标情况、航线地形，以及可能遇到的敌方火力及电磁威胁。虚拟战场通过模拟可能出现的战场对抗条件，可对飞行员所采取的对策措施进行评估，检验其作战能力。在此基础上，就能保障更顺利地执行任务。

作战仿真试验室的核心技术

作战仿真试验室，是在军事作战理论、战役战术原则指导下，按照典型的军事对抗背景，利用现代计算机作战仿真技术，构造的动态战场对抗环境。分布式交互仿真、仿真的“可视化”、先进的建模方法是作战仿真试验室的核心技术，其中，分布式交互仿真（简称DIS）、仿真可视化在作战仿真试验室中运用最为广泛。

分布式交互仿真是80年代末兴起的一项新的仿真技术，它主要用于大规模仿真、作战开发和训练，使地域分散作战仿真单位，能同时在一个综合仿真环境下进行作战仿真。早期的仿真技术是以单一武器平台为研究对象，系集中式仿真技术，具有可控性、安全性、可重复性和经济性的特点。随着大规模并行处理技术、传感器技术、计算机多媒体技术、网络技术以及通信技术的发展，特别是多武器平台仿真任务的提出，单台仿真器的独立运行无法满足军事研究与训练的现实需求。应用分布交互式仿真技术，可以将分布在不同地点的训练设备（仿真器、实验设备等）、虚拟设备（计算机产生的兵力等）和训练人员连接起来，形成一个虚拟的战场环境。为此，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国陆军自1983年至1990年实施了模拟器联网计划，到80年代后期，该项计划可发展成能将200多个地面战车仿真器、飞机飞行仿真器、通信网络、指挥所和数据处理设备互联的网络。

作战仿真试验室广泛运用的另一项技术是仿真过程的可视化。人们接受信息，大部分是依靠视觉，所以利用图形、图像表示信息，可以迅速给人一个具体、直观的概貌。用它来反映错综复杂的关系，信息直观而又丰富。“可视化”（Visualization）是近期发展较为迅速的一项技术，它可利用图形来表现数据。仿真的广泛应用，会产生大量的数据，甚至形成“数据的海洋”。仿真的目的在于获得见解，而见解需要到数据中去总结，去寻找。而“数据的海洋”会限制人们认识的深入，用图形来表现数据，就可最大限度地分析与使用数据，从而获得见解。“可视化”仿真能将数据转换成几何图形，使研究者能直观地观察仿真过程与仿真结果。

可视化仿真已经应用机的研制与生产，如波音777，它是世界上第一架无图纸飞机。在波音777飞机的研制过程中，就充分利用了计算机可视化技术来进行仿真，通过建立起的十分逼真的飞机模型，对波音777飞机的部件，相互关系都有十分逼真的表现。这种三维的可视模型使设计师在飞机的研制过程中，能把飞行员、飞机维修工程师等方方面面的人才汇集到飞机的设计中来，集思广益，使飞机总体性能最优。

虚拟现实（VirtualReality）是“可视化”仿真的最新进展。目前大量使用的计算机，人与计算机进行交互对话是通过窗口管理系统的二维交互界面进行的，而现实生活是一个丰富多彩的三维空间，随着图形学、声学、光纤与传感技术的发展，使用计算机对现实世界进行仿真成为可能。虚拟现实就是在这种技术背景下发展起来的一种与现实世界高度逼真的人机界面技术。它借助于一个特制头盔中的立体显示器，可以观察到三维的仿真立体影像，听到仿真环境中各种声音，同时人的每一个动作也将引起环境的变化，能使人与仿真环境融为一个有机整体。

明天的作战仿真试验室

未来战争将是陆、海、空、天、电等多维一体的信息化、数字化的整体对抗。高技术武器装备的使用，使战场错综复杂，传统的和现代的攻防武器将构成一个庞大的系统。航天器早已飞越了大气层，电磁环境是从天到地，跨越了国界的限制，武器装备具有更为广大的使用空间与应用范围。空军的活动范围已不是一般意义上的领空，而是更为广阔的多维空间，并将承担“以空制地”、“以空制海”、“以空制空”、甚至“以空制天”的作战任务。

不难看出，对未来战争的研究，将使作战仿真试验室有更为广泛的应用领域。现代条件下，新技术、新装备、新的发展战略等，转化为实际装备作战能力的周期已明显缩短；对抗也超出了传统的单一武器装备的范畴，而是由多种武器装备构成的敌对双方武器系统的对抗；验证单项武器装备性能的优劣，只有将其置身于武器装备的体系之中才能全面地检验其性能的优劣。这些都离不开作战仿真试验室。

分布式仿真技术篇7

关键词：雷达电子对抗异构仿真系统；集成技术；反射内存网；信息技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0074-02

为了完善现代作战体系，满足作战训练系统的实际需求，应加强各种仿真技术的合理使用，实现雷达电子对抗异构仿真系统构建，使得仿真系统集成技术可以满足全要素、高逼真度的模拟需求，为作战理论的丰富及体系的完善提供可靠的参考依据。因此，需要加强对雷达电子对抗异构仿真系统功能特性的深入理解，灵活运用各种集成技术优化系统的服务功能，保持系统在现代作战体系及作战模拟训练中的应用良好性。因此，需要深入研究雷达电子对抗异构仿真系统的集成技术，扩大该仿真系统的实际应用范围。

1 雷达对抗的基本原理及方法

1.1 雷达对抗的基本原理

所谓的雷达是指通过运用测定目标对电磁波反射现象来找出目标位置的设备。雷达的工作过程为：雷达发射机安按照合理的方式像空中领域发射一定强度的电磁波，当电磁波遇到障碍物时将会散射，雷达接收机将会接收到经过调制后的反射回波，通过信号处理方式得出被测目标的相关信息。雷达对抗的基本原理是：性能可靠的雷达对抗设备通过侦察的方式接收到目标雷达发出的电磁信号，进而对这些电磁信号进行全面地分析与处理，获得目标雷_的各个参数，结合雷达信号处理专业知识，获取目标雷达的各种状态信息，最终将分析结果及时地传送给干扰机及相关设备的过程。雷达对抗的基本条件有[1]：（1）像空间领域发送电磁信号；（2）接收机在一定的时间内接收到强度高的电磁信号；（3）目标雷达的各个参数、状态信息处于雷达对抗设备能够处理的范围内。

1.2 雷达对抗的基本方法

结合雷达对抗的基本原理及条件，可以选择不同的雷达对抗方法，实现对目标雷达参数与状态信息的采集、处理。雷达对抗的基本方法主要包括[2]：（1）采取有效的措施及时地破坏目标雷达探测电磁波传播路径；（2）将产生的各种干扰信号发送到雷达接收即中，扰乱雷达对目标信号的实时检测，降低其获取信息的准确率；（3）减少目标雷达的截面积，确保其状态信息及参数收集的可靠性。

2 反射内存数据通信原理分析

作为一种可靠的实时网络，反射内存网的合理运用，可以快速地确定与分享各种实时数据，满足雷达对抗设备的实际需求。反射内存网的主要特点有：具有良好的传输确定性，可预测性能强；软硬件平台适用3范围广、传输纠错能力强；可以满足中断信号的实际需求。

反射内存网正常工作时内部的反射内存板卡对各种传输介质有着较强的依赖性，可以使反射卡的各个节点之间能够实现数据共享及数据拷贝。在多种总线的支持下，可以确定反射内存板所占有的内存地址，确保计算机向反射内存板输入数据时数据能够在相同内存地址的作用下存储到指定的位置，在满足安全访问条件的前提下其它的计算机在可以随时访问这些数据，优化反射内存版读写方式。同时，由于反射内存网数据传输依赖于硬件，不需要考虑各种通信协议，通过软件代码编写方式能够实现数据读、写，满足了实时系统快速反应周期的多样化需求[3]。与此同时，反射内存光纤网络设置中采用了先进特殊的技术，确保了分布实时系统数据传输的可靠性，保持了分布节点间数据通讯的良好性。因此，为了达到信息传送中断的实际需求，应注重反射内存光纤网络的合理使用。

3 雷达对抗系统建模与仿真技术

现代建模与仿真技术主要是指以相似的原理、模型理论、系统技术及建模与仿真应用领域相关的技术为基础，通过对计算机网络、专业仿真设备的合理使用，构建出已有的或者设想过的系统，进而进行分析、评估、维护等方面的综合性技术。

雷达对抗系统建模与仿真技术的主要特征有：（1）动态性。可以对事物的动态过程进行描述，实现连续事件与离散事件的有效分析；（2）分布性、系统性及实时性。复杂的仿真系统是由多个分布式计算机共同组成的；建模与仿真可视为一个完整的系统，是由多种关系共同组成的；仿真系统构建时需要充分考虑实时性需求，并将时间管理理念融入到系统构建中；（3）交互性、一致性及可行性。仿真系统构建中包含了多个模型，不同的信息之间交互性强；一个完整的仿真系统中包含了多个视图、帧速率、模型与数据，但需要保持这些组成部分的一致性；建模与仿真得到的结果是可信的，需要满足使用者的实际需求。

在构建可靠的雷达电子对抗异构系统过程中，需要注重建模与仿真技术体系的不断完善。该体系主要包括建模技术、建模与仿真支撑系统的各种技术、仿真应用技术。像数据可视化建模技术、多视图建模技术、模糊识别、连续系统建模技术等，可以为建模与仿真技术体系的不断健全提供可靠地保障[4]。同时，需要加强对武器装备仿真、作战仿真组成的军用仿真的深入分析，注重战役仿真、战术仿真、技术仿真、训练仿真等不同军用仿真技术的合理运用，扩大电子战建模技术的实际应用范围。

4 基于反射内网桥接的雷达电子对抗异构仿真系统集成架构技术要点分析

该仿真系统集成技术使用中的异构性具体表现在：（1）参考模型方面的异构。通过对不同集成技术及仿真系统实际作用的分析，可以结合不同颗粒度的建模方式实现建模分析；（2）仿真实现方式异构。通过对计算机模拟及其它模拟方式的适应，有利于实现联合试验仿真系统构建；（3）网络结构方面的异构，结合不同仿真试验对象的实际需求，应注重RTI以太网及系统时钟实时网络的合理运用，优化仿真系统通信机制，优化雷达对抗性能。基于反射内网构成的雷达电子对抗异构仿真系统集成架构技术要点具体表现在以下方面：

4.1 基于反射内存网异构桥接的相关机制

构建可靠的雷达电子对抗异构仿真系统，需要充分考虑作战效能层面的实时模拟及射频信号方面的实物模拟。作战效能层面的实时模拟有利于计算机仿真分系统，需要集合TCP/IP协议及RTI以太网通信体制的作用，构建出可靠的点对点通信模式，满足逼真度强、超实时仿真实验需求；视频信号层面的实物模拟仿真分系统依赖性系统时钟与射频电缆相结合的联结方式，增强了仿真系统模拟的实时性。体现了仿真系统模拟分析中的复杂性。

在可靠的系统集成技术支持下，雷达电子对抗异构仿真系统构建中需要充分地考虑模拟实时性、模拟粗粒度满足模拟细粒度等原则的要求，制定出完善的系统集成方案，并将系统开发成本控制在合理的范围内，促使半实物仿真分系统支持下异构仿真系统信息与运行方控制之间可以实现实时交互，保持不同体制下仿真方式的互通性，确保各种仿真方式的良好操作性。

4.2 基于反射内存网异构仿真系统集成架构技术要点

确定反射内存网桥接的具置，有利于实现雷达电子对抗异构、网络异构等不同异构形式的衔接，增强仿真系统内部各构件之间的互联互通性。同时，设置好的每个桥接席位都需要安装反射内存卡，并在光纤交换机及相关传输介质的作用下形成具有良好拓扑结构的放射内存网。通过对基于反射内存卡应用软件的合理使用，有利于实现系统内所有数据的读写交互，确保@些数据能够在最短的时间内被处理，保持数据与时间的同步性[5]。

在处理时钟数据的过程中主要依赖于半实物桥接席位，促使雷达能够将检测到的目标信息及时地写入发射内存卡，并在反射内存网的支持下使得其它的桥接席位能够实时地读取系统数据。在雷达电子对抗异构仿真控制系统运行过程中，通过对反射内存网原理的利用，可以对时钟信息进行实时的读取，提高不同节点时间推进过程中节拍信息获取效率，并在信息处理机制作用下优化雷达搜索目标、跟踪航迹数据工作性能。

4.3 雷达电子对抗异构仿真系统运行的不同方式

为了使雷达电子对抗异构仿真系统能够处于稳定的运行状态，需要在选择集成技术的过程中充分考虑系统运行的不同方式。系统的仿真设计阶段、试验运行阶段、综合效能评估阶段中各类仿真工具软件的合理使用，可以为系统运行方式的有效选择提供必要的参考依据[6]。雷达电子对抗异构仿真系统运行的不同方式主要包括：（1）时间受限方式；（2）时间控制方式；（3）时间控制与时间受限相结合方式；（4）时间控制与时间不受限方式。通过这些不同运行方式的合理使用，可以为雷达电子对抗异构仿真系统运行效率的提高及服务范围的扩大提供可靠地保障，促使效能仿真系统作用下的所有数据信息能够高效传递，实现对目标物的实时追踪与锁定。

5 结语

综上所述，这些不同的集成技术在现代雷达电子对抗异构仿真系统运行中起着重要的保障作用，最大限度地满足了现代战争战略计划制定与实施的实际需求。因此，需要结合当前部队深化改革及国防事业快速发展的要求，健全军队指挥管理体系，增强作战训练计划制定合理性，提高雷达电子对抗异构仿真系统的运行稳定性，在各种集成技术的作用下保持电子战场作战水平的了良好性，为部队电子对抗能力的全面提高打下坚实的基础。与此同时，需要在雷达电子对抗异构仿真系统集成技术优化中注重信息技术及计算机系统的合理使用，保持这些集成技术的先进性，充分地发挥出这种仿真系统在未来电子战场的各种优势，促使我国军队整体作战水平能够始终保持在更高的层面上。

参考文献

[1]吉峰.雷达电子干扰信号建模与仿真设计研究[D].大连理工大学，2013.

[2]朱峰.对有源电子扫描阵（AESA）综合射频系统的干扰技术研究[D].江苏科技大学，2014.

[3]彭春光.基于语义交互和动态重构的兵棋推演系统概念框架及其关键技术研究[D].国防科学技术大学，2010.

[4]彭勇.作战仿真模型体系分析及其模型设计与实现关键技术研究[D].国防科学技术大学，2011.

分布式仿真技术篇8

［关键词］仿真理论 仿真技术 仿真应用

随着计算机科学技术的高速发展，系统仿真技术和计算机技术紧密的融合在一起。目前，有的高校采用多媒体技术和虚拟现实技术进行系统仿真的教学。

仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点，是利用模型对系统进行研究的一门多学科综合性技术。

现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机技术则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。

一、仿真学科的理论体系

1.相似理论

相似理论是研究事物之间相似规律及其应用的科学，是仿真科学的基本理论。其基本内容包括相似定义、相似定理、相似类型和相似方法。

2.模型论

模型论是以各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真应用要求的、通用的、各领域专用的各种模型的理论和方法。

3.仿真系统理论

研究和论述构建符合应用需求的仿真系统理论和技术。包括仿真系统的体系结构和构成，仿真系统的设计及其公共关键技术，仿真系统的研制和运用仿真系统的规范、标准等。

4.仿真方法论

结合各应用领域的不同要求，研究仿真基本思想和方法，包括定量仿真方法和理论、面向对象仿真方法；智能仿真方法等。

5.仿真的可信性理论

表述仿真过程及结果评价、控制的概念和方法的基本理论、研究仿真环境和真实环境的相似性理论和方法，研究提高仿真可信性的各种方法、技术和规范。

6.仿真科学和技术的应用理论

论述仿真运行实验设计、仿真管理、仿真过程的可视化、仿真及其结果综合分析的理论。

二、几种主要的仿真技术

1. 仿真建模

仿真建模是一门建立仿真模型并进行仿真实验的技术。建模活动是在忽略次要因素及不可测量变量的基础上，用物理或数学的方法对实际系统进行描述，从而获得实际系统的简化或近似反映。

2.面向对象的仿真

面向对象仿真是当前仿真研究领域中最引人关注的研究方向之一，面向对象仿真就是将面向对象的方法应用到计算机仿真领域中，以产生面向对象的仿真系统。

3.智能仿真

智能仿真是把以知识为核心、人类思维行为作背景的智能技术引入整个建模与仿真过程，构造智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能与仿真技术的集成化。仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真；仿真模型中知识的表达。

4.虚拟现实技术

虚拟现实技术是现代仿真技术的一个重要研究领域，是在综合仿真技术、计算机图形技术、传感技术等多种学科技术的基础之上发展起来的，其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现。

5.分布仿真技术

分布仿真技术作为仿真技术的最新发展成果，它在高层体系结构上(HLA，high level architecture)，建立了一个在广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统之间实现互操作和重用的框架及规范。HLA的基本思想就是使用面向对象的方法设计，开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件和仿真系统高层次上的互操作性与可重用性。

三、仿真的一般步骤

仿真过程的三个主要活动是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”，而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实验来达到研究的目的。

要对一个系统或对象实施计算机仿真，首先必须把握系统的基本特征，抓住主要的因素，引入必要的参量，提出合理的假设，进行科学的抽象，分析各参量间的相互关系，选择恰当的数学工具，然后在此基础上建立相应的数学模型。仿真建模的过程是在已有的一些先验知识的基础上，试探地写出研究对象所满足的或近似满足的数学规律，再结合实际的研究目的，对猜测性的数学关系进行反复修改和优化，从而得到既符合客观实际又易于在计算机上实现的数学模型。

四、仿真技术的应用及发展

仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的训练仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估；工业领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练；农业领域中的农业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护；在交通领域中的驾驶模拟训练和交通管理中的应用；医学领域中的临床诊断及医用图像识别等。

随着现代信息技术的高速发展，仿真技术也得到了飞速的发展，在军用和民用领域中更深更广的应用也促进了仿真技术的进步。分布仿真技术作为仿真技术发展的最新成果，在国民经济建设和国防建设中发挥了更大的作用。目前，国际上许多国家在“仿真是迄今为止最有效的综合集成方法，是推动科技进步的战略性技术”这一观点上已达成了共识。21世纪仿真技术的研究与应用将取得更大的发展。

参考文献:

［1]贾连兴:仿真技术与软件[M].北京:国防国业出版社,2006

［2]康凤举:现代仿真技术与应用[M].北京:国防国业出版社,2006

分布式仿真技术篇9

摘要：

针对传统电子信息系统面向任务的定制开发模式导致异构资源集成困难和重用率低的问题，提出基于面向服务网络化的仿真应用软件构建方法。利用信息注册、、订阅、分发等网络中心化核心服务构建的全局服务总线对服务进行动态调度，可提高信息资源共享能力；对业务应用软件服务制定标准描述规范，业务服务可灵活重组，服务提供者与服务请求者之间以松散耦合的方式实现系统集成，形成面向服务的系统开发平台，并为相关课题成果的集成与试验验证提供支撑。

关键词：

网络中心化；面向服务；作战仿真；软件架构

随着电子信息指挥作战系统所承担的使命任务的不断发展，系统规模越来越庞大，结构越来越复杂，对系统的研制要求也越来越高。而传统的系统研发模式是面向任务、各军兵种独立开发的定制模式，系统设计开发资源尚未能充分地共享和重用[1]，研发质量和效率较低。另一方面，由于缺乏标准统一的描述规范，以及各仿真硬件平台、网络环境的差异，导致采用不同技术标准的异构仿真资源之间难以集成，无法满足针对不同任务进行灵活组合、高效运作的要求。针对新一代大系统的建设要求，迫切需要构建新一代综合电子信息系统顶层设计、集成试验与测试评估的总体研发环境，适应电子信息系统转型发展和系统集成设计与试验验证的需要。随着网络中心化、SOA[2-3](ServiceOrientedArchitecture的简称，即面向服务的体系架构)等信息技术的发展，利用通信系统和计算机系统，把分散的各作战资源、数据资源、计算资源连接起来，采用服务化软件技术统一软件形态，软件按照服务化规范相互协同运作，以松散耦合的方式实现服务资源的调用，形成面向服务的大系统开发试验平台，支持新一代大系统的概念研究、顶层设计、开发、集成联试和测试评估等研制的全过程。

目前广泛采用的网络运行支撑平台是基于HLA/RTI的，在资源动态共享和C4ISR系统的集成和互操作方面存在不足。文献[4]介绍了一种面向服务的组合仿真技术，支持异构资源灵活重用，构建了面向服务的结构体系仿真环境，但它不适用部署在栅格网分布式的C4ISR的作战仿真应用场景。文献[5]提到从仿真体系结构角度入手，开发面向服务的仿真体系结构。该文虽提到利用信息栅格技术和面向服务技术，但对作战仿真服务方面未进行深入探讨。文献[6]提出了一种面向服务的战场环境保障信息集成框架，并实现了原型系统，但主要涉及卫星信息保障方面，信息集成的系统框架并非建立在栅格网基础之上，无法用于分布式大规模的系统资源节点的部署，并不具有即插即用、资源柔性重组的特性。本文针对网络化电子信息战的作战需求和新一代大系统的建设需求，利用网络中心化和面向服务的技术，将指控业务应用进行功能要素服务化，通过信息栅格与核心服务机制可快速构建面向服务的系统软件开发平台。

1概述

1.1网络中心化网络中心化[7]在军事领域是指通过栅格化网络，将战场上的传感器、武器平台、指控系统、作战部队等作战要素和资源之间实现资源共享和协同作战，形成体系作战能力的过程[8]。网络中心化仿真采用以网络为中心、面向服务的体系结构，建立在统一的信息栅格基础设施之上，使用标准体系结构和组件模型。网络化不仅仅是通过网络将C4ISR系统各部分连接起来，更重要的是建立一体化的信息获取、传输、处理、分发和利用的过程，形成具有军事行动价值的传递链，实现信息优势-决策优势=作战行动优势的转变。网络中心化系统具有如下特征[9]：1)柔性重组能够通过通用化、构件化、组合化以及分布式的结构形态，达到高度的可塑性、柔韧性和适应性，使各个相对独立、分散配置的功能构件相互连接在一起。2)按需服务利用共用的通信网络基础设施和信息注册、、订阅和分发服务，系统各组成部分可根据任务需要订阅和分发信息，共享战场态势。3)即插即用能够利用通信网络基础设施和接入、注册、等服务，各功能域的系统及装备可以快速接入，系统自动识别，无需繁琐的配置。4)协同运用与同步基于共享战场态势，形成系统间交互的协同工作环境，实现系统资源和要素之间的动态协同。在时间域、空间域和功能域的同步，支持分布式联合决策与指挥控制，最终实现作战单元的行动同步。

1.2面向服务美军全球信息栅格(GIG)采用面向服务的体系结构，通过开发网络中心机构服务(NCES)，对上层的各种军事业务应用提供支持，并最终实现跨系统的信息共享、军事应用的快速建立和综合集成[10]。SOA架构能够适应信息系统规模大、应用背景复杂、组织结构分散等特点，是美军GIG提供核心服务和领域应用服务能力的基础。目前SOA技术通常称为服务计算技术，其技术体系为服务计算解决动态、多变、复杂的系统设计、软件应用开发、多业务整合等解决方案。SOA主要包括3个组成部分：服务提供者(ServiceProvider)，服务(ServiceBroker)和服务请求者(ServiceRequester)[4]。服务提供者将其服务功能的描述信息向服务并注册，同时控制服务的访问和维护。服务则是管理服务目录信息，便于服务请求者的查找。服务使用者通过在服务的目录中进行查询操作确定服务。一旦绑定确定其可获得的服务，立即激活服务。SOA的主要特点有[11]：1)松散耦合；2)粗粒度；3)标准化接口。按照不同功能粒度[12]进行划分封装成不同服务，通过定义标准的描述规范，使得异构平台可进行灵活快速组合，有利于应用系统的组织和开发。本文主要研究对预警探测、情报处理、指控决策等仿真软件的服务化开发、集成、调用的技术，按照指挥控制系统组成要素，实现作战态势、作战筹划、指挥协同、辅助决策、分析评估等指控服务功能的注册、、搜索、调用，支持各种指控软件不同层次的服务化集成要求，统一指控软件服务构建环境标准规范，搭建基于服务的指控软件构建环境。

2作战仿真应用软件架构设计

作战仿真验证平台服务于系统仿真实验和验证方法，通过构建较为逼真的仿真系统及其运行环境，建立相应的系统资源仿真模型及其交互模型，在系统实验和验证过程中，加载系统典型作战应用案例，为相关课题提供仿真实验环境。

2.1系统体系结构如图1系统结构框架图所示，系统软件体系结构由软件环境和硬件环境组成，由下至上分别描述如下：硬件环境包括计算机设备、计算机外设、计算机辅助设备、网络设备、综合显示设备、话音设备、通信设备等硬件平台；基础环境包括操作系统、数据库等等基础软件，是应用系统运行的基础和前提条件；运行环境包括MSVC++6.0，MSOffice2003，地图与态势信息处理平台等；数据平台包括地图显示专用数据、平台软件专用数据、非实时海量数据、装备性能数据、试验配置数据、试验档案数据等，其为仿真软件的开发、运行与应用提供完备的底层数据支持；核心服务包括注册发现服务、接入服务、订阅分发服务、资源监视服务、时钟服务和数据传输服务等。基于网络中心化核心服务将分布在网上各节点的作战业务软件、作战模型、作战数据、作战规则等指挥业务功能与相关数据进行服务化组织，形成共享和服务能力，是构建网络中心化信息共享和服务体系的关键环节；共性支撑提供构建仿真实验系统所需的仿真共，包括仿真控制、剧情产生、资源管理、数据访问、图形显示、数据管理等；应用软件包括专用仿真组件模型和通过动态调用服务组件形成可独立运行组合应用软件。专用仿真组件模型一般包含情报处理模型、威胁估计、目标分配、态势生成等。

2.2服务集成框架业务服务利用面向服务网络化的基础支撑功能，通过集成网上各类服务资源，按照作战任务和流程进行组织运用，使系统具有高度灵活性和可扩展性。业务服务以标准的服务形式对外提供。服务是一个自足的、完成某项业务功能、接口标准的软件，接受一个或多个请求，返回一个或多个应答。业务应用软件根据功能要求和业务流程提供基础业务服务和组合业务服务，这些服务建立在核心服务的集成运行框架内，各类网络化应用使用这些基本或组合业务服务来实现其网络中心化的作战需求。服务集成框架如图2所示，按面向服务的建模方法把各个作战业务功能封装成服务，并通过全局服务总线集成、动态调度，达到服务提供者和服务请求者关系松耦合，可灵活重组。服务容器中集中了服务提供者的服务功能，仿真作战应用服务主要包括引导计算、目标分配、威胁估计、情报处理、态势生成等专用仿真组件，以及动态调用的组合应用软件。全局服务总线，使服务调用者能够调用服务。在服务调用者发起服务调用时，负责将服务调用传递到对应的服务，然后把服务结果回传到服务调用者。全局服务总线包括服务运行平台以及资源注册、资源发现、资源目录、资源监视等核心全局服务。

2.3仿真运行流程作战仿真验证平台建立相应的仿真资源模型及其交互模型，构建系统仿真运行环境进行实验验证等流程图如图3所示。仿真资源节点首先通过注册服务录入目录存储在数据库中。仿真运行环境准备就绪之后，资源节点通过接入服务首先依据注册在数据库中的目录信息进行资源合法性校验，若通过校验，则成功接入系统成为仿真资源实体，并将该资源提供的服务按照服务描述规范封装成标准服务模块，录入服务资源池(服务容器)。同时，系统支持仿真资源节点随时快速接入和退出，满足即插即用的要求。用户端通过需求描述提取服务请求，通过订阅服务在服务器的数据库中建立信息交互关系，并进一步将订阅请求上报至发现服务。发现服务解析订阅请求报中的订阅相关条件(典型的订阅条件包括服务类型、服务提供者、服务名称等)，通过服务总线调用服务资源池中的服务进行匹配运算。若查找到符合条件的服务，则返回服务定位结果到分发服务。分发服务读取数据库中的信息交互关系表，将对应的服务结果或者服务地址反馈给用户端。核心服务中的时钟管理服务部署在分布式大规模的仿真平台中资源和用户端，保证信息服务在时间轴上的逻辑推进的时钟同步，从而确保信息的准确和即时性。

2.4服务仿真试验仿真实验界面如图4核心服务信息中心所示，左侧树控件显示的接入系统的服务节点和仿真实体，右侧上面列表显示的是各服务节点提供的服务名称、编号、服务状态、服务调用者等信息。右侧下方以文本形式显示各节点、仿真实体状态，以及分别可提供的服务和调用的服务。

3关键技术分析

3.1建立服务标准规范SOA技术把业务逻辑与具体技术分离开来，将功能模块封装为服务，通过网络中心服务架构对服务、数据等资源实现调度集成。建立起面向服务的作战仿真应用软件架构有如下几个问题需要解决：1)明确服务的多种形态及描述方法[13]；2)确定服务的粒度划分原则；3)梳理指控系统核心业务流程；4)建立服务分类体系。此外，基于通用指挥控制模型研究分析作战筹划的要素组成，对作战任务、作战计划要素、作战能力、作战辅助计算等进行服务化建模也是研究的重点。在建立各种计算模型的同时，还要注重理清各种要素模型之间的关联关系，实现作战筹划全过程的服务化表示，为情况掌握、作战筹划、作战指挥各阶段提供通用的服务化支撑能力。

3.2服务资源的调用管理建立起服务标准规范以后，网络中心化仿真环境中的仿真资源可以利用信息栅格基础设施的注册服务、发现服务和元数据目录服务，实现以服务方式注册、和共享资源。在统一的信息栅格基础设施支撑下，指控系统与服务提供者通过服务调用的方式实现互操作。当指控系统需要通过仿真实现某些关键能力时，例如作战计划仿真推演评估，可以服务的方式提出请求，该请求信息包括仿真推演服务的特征信息；基础服务层通过服务发现和服务调度功能，为指控系统定位具体调用的仿真推演服务资源，并通过仿真服务调用实现对该仿真资源的使用，最后该仿真推演服务返回推演结果。

3.3时间同步管理时间同步管理提供了仿真平台中各资源、用户在时间轴上的逻辑推进方法，保证各节点收到情报的正确性、即时性。由于栅格网上具有分布式的大规模仿真资源节点，需要开发分布式的时间管理工具，保证各节点与服务器保持时钟同步的同时，有效避免死锁和提高仿真服务推进的效率。用户可通过订阅中心订阅栅格网上接入的资源提供的服务，在时钟管理机制的保障下确保多个服务请求正确有序的反馈。

4结论

本文介绍了网络中心化仿真环境中，将指控业务应用进行功能划分形成标准统一软件形态，利用信息栅格基础设施与核心服务进行资源动态调度，各应用服务灵活重组，可以快速构建面向服务的系统软件开发平台，支持新一代大系统设计开发研制全过程。

参考文献:

[1]张书锋.软件架构复用研究与设计[J].电脑开发与应用,2013,12(26):67-69.

[2]陆俊良.基于SOA模式专家系统集成的概述[J].电脑知识与技术,2013,9(10):2452-2454.

[3]别晓峰,李为民,张雅舰,等.事件驱动的面向服务作战仿真集成平台架构[J].空军工程大学学报,2013,4(14):38-41.

[4]宋莉莉,张灿,李群,等.基于面向服务架构的组合仿真方法研究[J].系统仿真学报,2009,21(12):3626-3630.(SongLili,Zhangcan,Liqun.SOA-basedApproachforComposableSimulation[J].JournalofSystemSimulation,2009,21(12):3626-3630.)

[5]孙黎阳,毛少杰,林剑柠,等.网络中心化仿真运行支撑平台研究[J].指挥信息系统与技术,2010,1(6):30-35.

[6]干哲,汤晓安,李欢,等.面向服务的战场环境保障信息集成框架[J].系统仿真学报,2010,22(5):1125-1130.(Service-orientedFrameworkofInformationIntegrationforBattlefieldEnvironmentSupport[J],JournalofSystemSimulation,2010,22(5):1125-1130.)

[7]曾安里,孟庆虎,张锰,等.网络中心化指挥信息系统云计算架构软件技术[J].指挥信息系统与技术,2011,2(6):15-22.

[8]毛少杰,居真奇,李玉萍,等.C4ISR系统仿真试验技术[M].北京:军事科学出版社,2011.

[9]周晓磊,张燕琴,孙金海,等.网络中心化指挥信息系统的信息共享策略[J].指挥信息系统与技术,2011,3(2):14-18.

[10]王守礼,名世京,邱瑞波.基于SOA技术的炮兵作战指挥信息系统应用软件架构[J].活力与指挥控制,2013,9(38):95-96.

[11]王维平,王超,李群.基于面向服务架构的模型可移植性规范建模仿真框架[J].计算机集成制造系统,2011,17(12):2723-2731.

[12]郎炯,刘宴兵,熊仕勇.基于SOA软件架构的数据集成方法[J].计算机应用,2010,30(9):2370-2373.

分布式仿真技术篇10

1ProtelDXP仿真软件进行电路仿真

1.1进行原理图绘制ProtelDXP仿真软件进行运行，在主窗口菜单中点击【File】菜单选项，进行项目文件与原理图文件的建立与保存。在两个图建立之后，在元件库中找到需要的元件，同时对相关元件的属性进行编辑，之后用连线工作进行原理图的绘制工作。原理图如图1所示。

1.2负反馈对电路的影响在图1中的引入了电流串联负反馈，其反馈电阻为R，对电路的影响主要包括两个方面：第一，使电路放大电压的放大倍数有所降低，引入负反馈之后，电压放大倍数表示。其中，AuF代表未引入反馈的电压放大倍数，Au代表引入反馈以后的电压放大倍数，F代表反馈电路的反馈系数。第二，在引入负反馈之后，电路的通频带变得更宽。

2ProtelDXP仿真软件仿真分析

2.1ProtelDXP仿真软件瞬态分析对式（2）与式（3）进行对比之后可以验证：引入负反馈之后，电路电压放大倍数有所降低。

2.2ProtelDXP仿真软件交流小信号分析对交流小信号进行分析，可以得到电路的频率响应特性曲线。在仿真的过程中，假设三极管各级之间的电容与导线的电容忽略不计，得到电路的上限频率fH为无穷大，fL值就是通频带宽度。通过计算可知，引入负反馈之后放大电路的通频带变宽。

3模拟电子技术教学体会

3.1调整好学生的学习心态ProtelDXP仿真软件是ProtelTechnology公司推出的电子CAD软件，该软件是的界面语言为英文，导致很多学生在运用的过程中存在一定的困难，而该软件界面语言转化为中文之后，会对其中的某些功能造成不良影响。因此，在运用的过程中要明确ProtelDXP仿真软件中的功能。在进行教学的过程中，首先让学生对一些比较基础的教学内容进行学习，让学生在学习的过程中产生轻松感与成就感，从而消除学生学习ProtelDXP仿真软件过程中出现的畏难情绪。在此基础上实现教学内容与教学难度的增加。

3.2ProtelDXP仿真软件绘图方法的掌握在ProtelDXP仿真软件运用的过程中要常用常练，对实际产品的电路原理图进行分析，从而更好地掌握ProtelDXP仿真软件的相关操作知识与技巧，提高学生理论联系实际的能力。在模拟电子技术教学的过程中，要选取能够运用ProtelDXP仿真软件的教学内容，让学生能够通过ProtelDXP仿真更好地掌握模拟电子教学内容与知识。在将PCB导入数据的过程中，应该采用手动布局的方式，依据原理图将相同的元件归到一起，在布局的过程中应该将元件在多个方向进行尝试，选择创造线路较为简单的元件布局方向。在布置的过程中应该先选择比较重要的、多管脚、连线较多的元件。

3.3教学理论联系实际在教学活动中，学生处于主体地位，教师应该尊重与引导学生的思维活动，对教学内容进行精心设计，对教学方法进行用心选择，为学生创造更多的动手机会，提高学生的学习兴趣与积极性，促进学生的全面发展。

4结语