CN105677443A - 一种异构仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异构仿真系统，用于大规模空军战役的仿真训练，该仿真系统包括模型开发分系统、信息支撑服务分系统、系统监控与管理分系统；所述的模型开发分系统提供模型开发环境，用于开发仿真训练过程用到的战场环境模型、作战实体模型和作战行为规则模型；所述的信息支撑服务分系统采用数据分发服务的方式和时间管理机制来实现仿真系统内部信息的交互；所述的系统监控与管理分系统用于仿真台位状态监控及仿真运行情况监控，并对仿真训练过程中的数据进行管理。异构超大规模空军战役仿真系统的实现，不仅可以用于空军武器装备发展需求的论证，而且可以用于大规模联合空军战法的推演、红蓝双方或多方对抗训练。

Description

一种异构仿真系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体涉及一种用于大规模空军战役的异构仿真系统。

背景技术

从网络或相应的国家信息机构查阅的资料来看，对于空军的战役仿真我国已经有大量的研究。研究的机构主要集中在空军指挥学院、国防科技大学和国防大学等科研教学单位，研究的成果主要公开发表在《系统仿真学报》、《计算机仿真》、《火力与指挥控制》、《战术导弹技术》等杂志上。

上述成果主要表现在仿真想定的描述、编队级作战过程的推演、智能决策模型的构建和空军指挥信息系统过程的建模仿真，从整体看，基本处于战术层次小规模(从查到资料看，当前最多的仿真实体不大于2000个)的仿真系统。这主要是由于空军作战的复杂性，空军作战行为或作战规则的描述十分困难，因此大规模的空军战役仿真系统的实现具有相当大的难度。

但随着基于信息系统体系作战样式的变化，急需建立大规模的战役仿真系统，才更有利于武器装备发展需求论证、战技战法研究和模拟对抗训练的要求。尤其是对于空军而言，空军作战的空域和作战半径很大，作战过程也往往是要进行陆、海、空、天的联合作战。因此要在大规模的陆、海、空、天一体的作战环境下来研究论证新的空军装备发展，也更有意义，并能保障论证结论的准确性和有效性。

为了能够进行大规模空军战役仿真，必须有一套能够规范化、标准化、工程化用于描述战役仿真的模型规范和开发软件。由于随着作战模式的变化，为了更加贴近实战状态下进行武器装备的发展论证，仿真系统中不仅会涉及到计算机数字仿真系统、而且还会涉及到半实物模拟系统或实际装备间的互联、互通。因此解决通信问题是系统的运行的基本支撑。另外该系统不仅要适应人在回路的推演、模拟训练等实时性应用模式，而且还要适应超实时性的装备论证仿真分析应用模式，因此通信实时性问题也非常关键。由于系统的主要目的是进行空军武器装备发展论证的，因此不仅要有大量的数据分析结果，还要能更自然的将装备的战术动作细致的展现处理，便于快速、科学理解与判读装备的结构与性能。由于系统比较庞大，准备一次仿真运行或模拟训练需要大量的准备精力，如果允许过程出现问题和故障，就会对系统造成很大影响，因此对于系统的稳定性和可靠性对于该系统至关重要。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种异构仿真系统，用以解决大规模的空军战役仿真。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

用于大规模空军战役的仿真训练，该仿真系统包括模型开发分系统、信息支撑服务分系统、系统监控与管理分系统；

所述的模型开发分系统提供模型开发环境，用于开发仿真训练过程用到的战场环境模型、作战实体模型和作战行为规则模型；

所述的信息支撑服务分系统采用数据分发服务的方式和时间管理机制来实现仿真系统内部信息的交互；

所述的系统监控与管理分系统用于仿真台位状态监控及仿真运行情况监控，并对仿真训练过程中的数据进行管理。

进一步，所述的模型开发分系统包括战场环境模型开发模块、实体模型开发模块和作战规则开发模块；所述的战场环境模型开发模块用于开发仿真训练过程的环境模型，所述的环境包括地理环境、大气环境、电磁环境、空情状态与海洋环境；所述的实体模型开发模块通过组件的方式构建装备级、平台级和编队级的实体模型；

所述的作战规则开发模块用于构建实体模型之间的各种作战规则模型。

进一步，所述的装备级模型包括导航、传感器、指控、武器组件；平台级模型包括机动模型、打击模型、防护模型、信息模型和指挥系统模型；编队级模型主包括飞机编队的机动模型、打击模型、指控协同模型。

进一步，所述的各种作战规则模型具体为交战规则模型、信息攻防模型、指挥活动模型、战法运用模型和谋略对抗模型。

进一步，所述的信息支撑服务分系统包括传输服务模块、订阅分发服务模块、时统服务模块和模型解算服务模块；所述的传输服务模块提供不同节点间数据传输的中间件，各节点间的信息通过中间件进行传输、交互；所述的订阅分发服务模块对仿真系统中的数据进行流转控制，并行支撑不同类型系统服务信息的批量推送；所述的时统服务模块用于统一仿真授时来源，提供统一的时间信息；所述的模型解算服务模块，在仿真过程中，对解算服务器的物理硬件资源统一进行虚拟化，提供虚拟化资源管理手段，完成仿真模型解算任务管理。

进一步，所述的系统监控与管理分系统包括系统监控模块、显示模块和系统管理模块；所述的系统监控模块用于监控包括参训装备、训练台位的通信连接状态、初始化状态、运行状态和错误情况在内的状态信息；所述的显示模块用于将系统监控的状态信息进行显示；所述的系统管理模块用于对仿真过程中参训人员、训练方案、训练态势、训练日志、训练科目、评估数据和成绩报告的编辑、修改、存储、查询的管理。

进一步，所述的显示模块为可视化显示模块。

进一步，所述的可视化显示模块采用多变比系数法进行可视化显示，具体为：根据显示的分辨率，确定一下显示的最小值；根据最大的飞行距离和可见范围，将视距分成多个区间；在每个区间内确定一个变比系数。

进一步，仿真实体个数不少于5000个。

本发明有益效果如下：

(1)异构超大规模空军战役仿真系统的实现，不仅可以用于空军武器装备发展需求的论证，而且可以用于大规模联合空军战法的推演、红蓝双方或多方对抗训练。

(2)对于空军武器装备的发展论证，运行仿真系统，并将仿真结果反馈给装备研讨系统为专家们对空军新的作战理论研究、武器装备体系优化军事需求研究、武器装备作战效能需求研究、武器装备重大型号需求研究、主要武器装备作战运用原则等提供定量分析的参考依据并提高论证的效率.

(3)大规模联合空军战法的推演，可以研究作战的战技战法，使装备的战技指标能更大的发挥作用；对于红蓝双方或多方对抗训练，可以使指挥人员快速掌握指挥流程，作战人员快速掌握装备的使用流程，使装备和部队迅速形成战斗力。

(4)采用具有时间管理机制的数据分发服务技术，解决了异构仿真系统间的实时通信和超实时管理技术。

(5)采用多变比系数解决了可视化显示的技术问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明系统结构示意图；

图2为模型组件开发示意图；

图3为运动平台类接口设计示意图

图4为航空兵作战规则决策模型；

图5为一种飞行平台运动规则流程；

图6为信息支撑服务分系统的交互过程；

图7为通信配置图；

图8为多变比系数示意图；

图9为监测相关台位的运行状态流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，异构超大规模空军战役仿真系统包括模型开发分系统、信息支撑服务分系统和系统监控与管理分系统。

(1)模型开发分系统为仿真准备人员提供模型开发环境，用于开发仿真过程用到的战场环境模型、作战实体模型和作战行为规则模型。开发模型时，用户能够在模型定义区对模型的名称、标识、功能、描述等基本信息进行设置，采用规范化方法描述模型输入、输出等接口信息，并可将经过验证的用户代码自动生成DLL库，存储到模型库中，供系统调用。

模型开发分系统由战场环境模型开发模块、实体模型开发模块和作战规则开发模块组成。

战场环境模型开发模块用于开发大规模空军战役仿真过程的环境模型，包括地理环境、大气环境、电磁环境、空情状态、海洋环境模型的构建。

实体模型开发模块主要是通过组件的方式构建装备级、平台级和编队级的模型，装备级模型包括导航、传感器、指控、武器组件，其中武器模型包括弹道(运动)轨迹模型、位置误差模型、目标捕获概率模型、目标锁定概率模型、目标跟踪概率模型、战斗部威力模型、被拦截概率模型、故障模型；平台级模型主要构建像直升机、歼击机、轰炸机、加油机、运输机和侦察机等军机的机动模型、打击模型、防护模型、信息模型和指挥系统模型；编队级模型主要用于构建飞机编队的机动模型、打击模型、指控协同模型。

模型按照统一的方式进行构建，每个模型包括实体模型接口、行为模型接口、平台服务接口和仿真引擎四个接口。模型组件开发示意图如图2所示。

模型的组件分类如表1所示，所需装备的模型通过不同的组件进行组装，再赋予不同的装备参数。

表1实体组件模型分类

在设计接口的时候，有以下几个需要遵守的原则：

需要向模型设置参数的，以“Set_”开头。需要从模型获取参数的，以“Get_”开头；

输入参数为单值的，使用传值；输入参数为数组的，使用指针.输出参数为单值的，使用指针；输出参数为字符串的，使用双重指针char**；输出参数为数组的，使用双重指针**

体坐标系方向为东(x)-北(y)-天(z)。

基本数据采用同一定义，明确字节长度：

float→float32；

double→float64；

unsignedint→uint32；

unsignedshort→uint16

int→int32；

short→int16；

boolean→int16；

enum→uint16

实体模型的接口函数通过ID来确定访问哪个实例，因此以下所有函数都默认有两个输入参数：1)VehicleID：平台级对象的ID；2)ComponentID：组成平台的部件ID，例如探测器ID。这两个参数分别是第一和第二个参数，下面讨论时并没有明确列出。如图3为运动平台类接口设计示意图。

作战规则开发模块主要用于构建实体之间的交战规则模型、信息攻防模型、指挥活动模型、战法运用模型和谋略对抗模型。

作战规则开发模块开发的作战行为规则模型采用异构有限状态机的决策算法。

有限状态机原理是：某一实体在不同的条件下[c1,c2,c3…….]，会做出不同的判断和行为的跳转[b1,b2,b3……]。即实体当判断外部条件为c1时，立即跳转执行b1。仿真过程中，如果实体按照这种方式进行行为决策，就会在不同状态间跳来跳去，有时不自然，有时不符合常规逻辑，或比较突兀。

异构有限状态机原理是：当实体在执行b1时，当外部条件达到c2时，不是立即跳转为b2,而是合成b1与b2，再进一步判断是如何执行更为合理，有时是先再执行一定时间的b1,然后在执行b2，有一个自然过渡；或者b1与b2合成后符合执行b3。

有限状态机，主要是指将某一物体的行为分为关键的几个状态，每个状态的激活有一定的条件，物体主要通过一定的逻辑判断，来确定执行那个状态。

而提出异构有限状态机的目的是为了使物体的状态转换更加自然、真实，不是直接从某个状态直接跳转到另一状态，而是在执行下一个状态时，根据当前状态和外部多个信息判断，缓冲后，再执行新的状态。如图4所示为航空兵作战规则决策模型。图5给出了一种飞行平台运动规则流程。

(2)信息支撑服务分系统采用了数据分发服务的方式(DDS)加时间管理机制来实现仿真系统内部信息的交互。信息支撑服务分系统的交互过程，如图6所示。通信配置，如图7所示。

信息支撑分系统为异构仿真系统进行信息的收集、协议适配、传输、汇总、时间同步和模型的公共计算提供支撑，满足仿真训练对各类模型和数据资源的多样化使用需求。信息支撑服务分系统应用订阅分发、传输服务来解决系统大规模通信问题，并用时统服务来标定不同异构系统之间的传输时刻。

信息支撑分系统由传输服务模块、订阅分发服务模块、时统服务模块和模型解算服务模块组成。

传输服务模块提供不同节点间数据传输中间件，不同实体间或不同仿真平台间的信息通过中间件进行传输、交互，实现异构、异类、异地系统间数据的获取与发布。

订阅分发服务模块自动实现高效动态组网，按照订阅分发关系、数据类型、数据优先级、实时性、推送方式等，对大规模数据进行流转控制，可并行支撑不同类型系统服务信息的批量推送。订阅分发后台程序根据订阅分发的时机调用传输服务模块返回需要订阅分发的数据，通过调用数据发送程序来实现依次调用传输服务模块、时统服务模块来完成数据的订阅分发。

时统服务模块用于统一仿真授时来源，提供统一的时间信息。

模型解算服务模块在仿真过程中，对解算服务器的物理硬件资源统一进行虚拟化，提供虚拟化资源管理手段，完成仿真模型解算任务管理，提供全天候运行维护管理手段，为仿真系统提供仿真模型解算服务。

(3)系统监控与管理分系统

用于仿真台位状态监控及仿真运行情况监控，并对仿真数据进行管理。

系统监控与管理分系统一方面用于监控参训装备、训练台位的通信连接状态、初始化状态、运行状态和错误情况等状态信息，并以可视化图形的方式展示出来；另一方面用于对参训人员、训练方案、训练态势、训练日志、训练科目、评估数据和成绩报告等信息的编辑、修改、存储、查询等管理功能。

系统监控与管理分系统包括系统监控模块、可视化显示模块和系统管理模块组成。

系统监控模块用于监控参训装备、训练台位的通信连接状态、初始化状态、运行状态和错误情况等状态信息。

可视化显示模块是用表格、曲线、饼图等可视化方式将系统监控的状态显示出来，以便于系统管理员监控使用。根据需要，系统提出了多变比系数法来解决上述可视化显示问题。如图8所示。

第一步：根据显示的分辨率，确定一下显示的最小值，比如10个像素。

第二步：根据最大的飞行距离和可见范围，对视距分成几个区间。

第三步：在每个视距区间内确定一个变比系数

系统管理模块用于对参训人员、训练方案、训练态势、训练日志、训练科目、评估数据和成绩报告等信息的编辑、修改、存储、查询等管理。

系统的稳定十分重要，因为组织一次大规模的仿真十分不容易，一旦在运行过程中出现问题，就会影响到整个仿真分析的进程与效果。为了保证系统的稳定，需要做以下要求：

a.在系统开发过程中，需要边开发边测试，尽量保证系统不会存在异常，保证可靠性连续工作无故障达到30天以上。

b.建立冗余备份，在系统运行过程中，用系统监控软件监控所有节点的系统运行状态，若发现某一节点操作系统出现异常，则可远程启动备份设备，继续进行训练。

c.在软件设计时，人机交互界面与系统运行分开，用后台监控软件监控训练软件运行进程状态，若出现异常，人机交互界面可以正常显示，后台将异常进程终断，重新启动仿真软件进程。

系统监视分为台位状态监视和仿真运行监视两种。

a.台位状态监视

监视各台位成员的运行状态，在仿真开始前的准备过程中，由控制台远程启动系统内相关台位并监视启动状态，当较长时间未监测到设备连接时，人工检查相关台位的启动情况。

如图9所示，在仿真进行过程中，实时监测系统内相关台位的运行状态，记录并视情况提示并重启相关台位。

b.仿真运行监视

监视各台位成员仿真训练的运行状态，是否退出、停滞等。

c.系统异常恢复

出现异常后，监视系统记录异常信息，并提示用户出现异常，发送重启报文，由异常台位的守护进程重启台位软件。

异常恢复主要内容包括：恢复系统仿真时间；恢复系统运行数据。

仿真运行时，实时将关键数据缓冲到硬盘上并通过数据采集设备保存到数据库，保证系统异常时能恢复数据。

当出现异常以恢复模式启动后，首先将正常运行时记录下来的数据恢复到模型中；然后将仿真时间恢复到当前系统的逻辑时间。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种异构仿真系统，用于大规模空军战役的仿真训练，其特征在于：该仿真系统包括模型开发分系统、信息支撑服务分系统、系统监控与管理分系统；

所述的模型开发分系统提供模型开发环境，用于开发仿真训练过程用到的战场环境模型、作战实体模型和作战行为规则模型；

所述的信息支撑服务分系统采用数据分发服务的方式和时间管理机制来实现仿真系统内部信息的交互；

所述的系统监控与管理分系统用于仿真台位状态监控及仿真运行情况监控，并对仿真训练过程中的数据进行管理。

2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述的模型开发分系统包括战场环境模型开发模块、实体模型开发模块和作战规则开发模块；

所述的战场环境模型开发模块用于开发仿真训练过程的环境模型，所述的环境包括地理环境、大气环境、电磁环境、空情状态与海洋环境；

所述的实体模型开发模块通过组件的方式构建装备级、平台级和编队级的实体模型；

所述的作战规则开发模块用于构建实体模型之间的各种作战规则模型。

3.根据权利要求2所述的仿真系统，其特征在于：所述的装备级模型包括导航、传感器、指控和武器组件；平台级模型包括机动模型、打击模型、防护模型、信息模型和指挥系统模型；编队级模型主包括飞机编队的机动模型、打击模型和指控协同模型。

4.根据权利要求2所述的仿真系统，其特征在于：所述的各种作战规则模型具体为交战规则模型、信息攻防模型、指挥活动模型、战法运用模型和谋略对抗模型。

5.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述的信息支撑服务分系统包括传输服务模块、订阅分发服务模块、时统服务模块和模型解算服务模块；

所述的传输服务模块提供不同节点间数据传输的中间件，各节点间的信息通过中间件进行传输、交互；

所述的订阅分发服务模块对仿真系统中的数据进行流转控制，并行支撑不同类型系统信息的批量推送；

所述的时统服务模块用于统一仿真授时来源，提供统一的时间信息；

所述的模型解算服务模块，在仿真过程中，对解算服务器的物理硬件资源统一进行虚拟化，提供虚拟化资源管理手段，完成仿真模型解算任务管理。

6.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，所述的系统监控与管理分系统包括系统监控模块、显示模块和系统管理模块；

所述的系统监控模块用于监控包括参训装备、训练台位的通信连接状态、初始化状态、运行状态和错误情况在内的状态信息；

所述的显示模块用于将系统监控的状态信息进行显示；

所述的系统管理模块用于对仿真过程中参训人员、训练方案、训练态势、训练日志、训练科目、评估数据和成绩报告的编辑、修改、存储、查询的管理。

7.根据权利要求6所述的仿真系统，其特征在于，所述的显示模块为可视化显示模块。

8.根据权利要求7所述的仿真系统，其特征在于，所述的可视化显示模块采用多变比系数法进行可视化显示，具体为：根据显示的分辨率，确定显示的最小值；根据最大的飞行距离和可见范围，将视距分成多个区间；在每个区间内确定一个变比系数。

9.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于，仿真实体个数不少于5000个。