CN111147284B - 一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，主要是设计以数据为中心的数据交换架构，包括选定适用的数据协议标准、构建仿真推进时钟同步机制和设计数据交换策略。其中，选用的数据协议标准为基于发布/订阅机制的数据交互协议；构建的仿真推进时钟同步机制是基于优先级调度的动态时钟同步机制；设计的数据交换策略为：将系统中的所有设备交互的数据进行数据块划分、主题划分，优化传输质量策略，限制数据传输格式。上述以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，满足了数据交互的实时性、同步性要求，适应多样的应用场景，降低网络负担，可应用于多种不同平台、不同工具之间进行高效、可靠的数据传输。

Description

一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略
技术领域
本发明属于仿真技术领域，具体为一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略。
背景技术
以数据为中心的分布式实时仿真系统，各仿真节点均需要将自身产生的仿真数据发送出去，并获取其他节点的数据，同时控制中心以指令数据形式控制整个仿真系统协调运行，整个仿真场景的构建是以大量复杂数据快速、实时、可靠地交换为基础。因此，其数据交换技术是直接影响系统可用性的关键技术之一。
如飞行模拟器战术对抗系统作为一种典型的以数据为中心的分布式实时仿真系统，其模拟器内部仿真、视景、座舱、航电等分系统之间的数据交互主要是采用基于UDP的C/S通讯模式或基于VMIC内存卡的实时网络通讯。通过实践发现，模拟器之间的数据交互若采用基于UDP的C/S通讯模式，则针对复杂的仿真数据流力不从心，数据不能高速、实时、可靠地交互传输，数据会出现剧烈跳动。若采用基于VMIC内存卡的实时网络通讯，则需加装VMIC内存卡，不仅价格昂贵，而且兼容性、适应性和扩展性较差。若采用基于高级体系结构（HLA）的通讯机制，则缺少对标准化互操作协议的支持，不能满足大规模情况下低延迟实时数据分享需求，而且不支持动态单元的即插即用。
数据交互对数据实时性、数据流复杂性、数据传输能力、数据松耦合、平台兼容性等需求有极高要求，因此，设计一种满足这种要求的数据交互策略对构建以数据为中心的分布式实时仿真系统十分必要。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，本发明所解决的技术问题是设计一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，以满足上述数据交互需求。
为解决上述技术问题，本发明所设计的一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，主要是设计以数据为中心的数据交换架构，包括选定适用的数据协议标准、构建仿真推进时钟同步机制和设计数据交换策略。
根据系统实时性和复杂数据特征，所选定适用的数据协议标准为基于发布/订阅机制的数据交互协议；
仿真推进时钟同步机制采用的是基于优先级调度的动态时钟同步机制，每个实时系统均具备实时时钟并预定义时钟优先级，在每个仿真周期起始时刻检查网内时钟优先级，拥有最高优先级的时钟作为同步服务器向网内发送时钟推进信号，低优先级实时系统在进行优先级判断后处于就绪等待状态，待获取到来自于服务器的同步信号后推进一个仿真步长。
进一步地，当任意一个高优先级实时时钟接入网内，各系统进行优先级检查并动态调整定时机制，所有低优先级实时系统服从高优先级时钟推进策略，使整个系统按最高优先级实时系统的步调协调运行。
另外，若网内存在不止一个最高优先级时钟的冲突情况时，服从时间序列上最先到达的。
所设计的数据交换策略为：将系统中的所有设备交互的数据进行数据块划分、主题划分，优化传输质量策略，限制数据传输格式。
进一步地，所述的数据块划分方法为：将所有数据划入一个数据域，然后根据数据来源进行依次分区。
进一步地，所述的主题划分方法为：将各块数据中不同的主题数据按用途和发送时机要求分为ABCD四类。
进一步地，所述的ABCD四类的分类规则依次为：
A类主题为需要以最高速度、可靠地按固定周期传输的核心数据；
B类主题为需要固定周期传递的重要数据；
C类主题为需要周期传递的一般数据；
D类主题为非周期数据，按条件传递的数据。
为保证数据通讯的有效性和正确性，所述的优化传输质量策略为通过传输周期、触发条件和QOS策略配置的方法来优化传输质量，具体方法是：
A类主题以与仿真相同的频率发布，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
B类主题以低于仿真频率发布，但应不小于10赫兹，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
C类主题以远低于仿真频率发布，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
D类主题以人员操作和状态改变为触发条件发布，采用可靠优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略。
进一步地，为提高传输效率，降低通讯数据量，最大限度的降低网络带宽占用率，对数据传输格式进行如下限制：
除个别高精度数据使用双精度浮点型外，其他连续参数均采用单精度浮点型数据；
指令类、状态类参数等数据均采用ID加值的数据格式；
除指令和状态类数据外，其他数据均采用约定接口以固定格式传输。
在上述技术方案中，所设计的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，满足了数据交互的实时性、同步性要求，适应多样的应用场景，降低网络负担，可应用于多种不同平台、不同工具之间进行高效、可靠的数据传输。
附图说明
图1为飞机飞行模拟对抗训练器通讯架构图。
图2为飞机飞行模拟对抗训练器数据划分及分类表。
图3为无同步状态下的数据差仿真结果图。
图4为同步状态下的数据差仿真结果图。
具体实施方式
下面将结合图1至图4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明某一种具体实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以飞机飞行模拟对抗训练器为例，如图1，为飞机飞行模拟对抗训练器通讯架构图。具体如下：
1、实施环境部署
该模拟对抗技术实施环境包括了三台不同型号的模拟器，组网的三台模拟器具有完全不同的技术状态，分别为：
模拟器A为基于Vxworks嵌入式操作系统飞行训练模拟器；
模拟器B为基于Windows系统飞行训练装置；
模拟器C为基于Linux系统飞行品质模拟器。
2、数据交互协议安装
三台模拟器均采用OpenSplice DDS作为底层数据交换平台。在模拟器的飞机仿真计算机中分别安装OpenSpliceDDS。
VxWorks系统：在Windows系统上位机环境中运行VxWorks，在Tornado的开发环境中使用VxWorks系统的组件和函数，重新编译VxWorks镜像，下载至飞机仿真计算机中。
Windows系统：进入安装文件所在目录，运行Windows版本的.exe进行安装。
Linux系统：打开控制终端，进入安装文件所在目录，在控制终端运行Linux版本的.bin进行安装。
3、时钟同步配置
三台模拟器均采用10毫秒的仿真周期，数据更新频率为100赫兹。由于模拟器C具有最好的实时性，因此以模拟器C为最高优先级的同步服务器，模拟器A次之，模拟器B最低。在DDS同步模块中以ID定义优先级，ID越高，优先级越高，配置模拟器C的ID为200，模拟器A的ID的为100，模拟器B的ID为50。
4、数据交换策略制定
根据战术对抗系统中需要交互的数据所代表的物理意义，将数据划分为11个主题。其中，对抗系统中最核心的数据飞机位置和姿态参数划分为A类主题，飞机舵面、灯光、外挂、外挂位置姿态划分为B类主题，外挂弹载传感器、目标位置参数、状态监视数据等划为C类主题，飞机状态、武器状态、目标状态和控制指令划为D类主题。如图2所示。将各个主题根据约定的数据格式封装在DDS数据通讯模块中，并根据传输质量策略不同发送各个主题。
5、数据交互网络配置
将VxWorks、Windows、Linux系统的飞机仿真计算机IP地址设置在同一网段内。
6、系统运行
完成上述配置后，运行三台模拟器，保证各系统正常工作。各模拟器之间的网络通讯如图1所示，三台飞机仿真计算机将发送本机DDS同步模块的优先级信息，同时接收其他模拟器优先级信息，通过优先级判断后，模拟器C优先级最高，将时钟推进信号发送至网络，模拟A和模拟器B等待接收同步信号，待获取后推进一个仿真周期。另外三台仿真计算机将本机DDS数据通讯模块中所有训练信息，同时接收其他模拟器训练信息，实现战术对抗系统训练。
7、结论
通过运行验证，基于DDS的数据交互协议能成功的嵌入上述平台，各系统能正常、稳定的工作。经测试，该时钟同步算法的作用是非常明显和有效的，如图3和4。针对出现的数次跳变，原因在于基于通知推进的时钟同步方式，被同步方属于被动同步，服务器只负责发出同步信号，而不对被同步方的同步结果进行检查。该机制稳定可靠，且同步成功率较高，对于保证整个系统的实时性具有非常重要的意义。

Claims (7)

1.一种以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，主要是以数据为中心的数据交换架构，其特征是：所述的策略包括选定适用的数据协议标准、构建仿真推进时钟同步机制和设计数据交换策略，所述的数据协议标准为基于发布/订阅机制的数据交互协议；
所述的仿真推进时钟同步机制为基于优先级调度的动态时钟同步机制，即：
每个实时系统均具备实时时钟并预定义时钟优先级，在每个仿真周期起始时刻检查网内时钟优先级，拥有最高优先级的时钟作为同步服务器向网内发送时钟推进信号，低优先级实时系统在进行优先级判断后处于就绪等待状态，待获取到来自于服务器的同步信号后推进一个仿真步长；
所述的基于优先级调度的动态时钟同步机制，还包括当任意一个高优先级实时时钟接入网内，各系统进行优先级检查并动态调整定时机制，所有低优先级实时系统服从高优先级时钟推进策略，使整个系统按最高优先级实时系统的步调协调运行；
当所述的基于优先级调度的动态时钟同步机制，还包括当网内存在不止一个最高优先级时钟的冲突情况时，服从时间序列上最先到达的。
2.根据权利要求1所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的数据交换策略具体为：将系统中的所有设备交互的数据进行数据块划分、主题划分，优化传输质量策略，限制数据传输格式。
3.根据权利要求2所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的数据块划分方法为：将所有数据划入一个数据域，然后根据数据来源进行依次分区。
4.根据权利要求2所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的主题划分方法为：将各块数据中不同的主题数据按用途和发送时机要求分为ABCD四类。
5.根据权利要求4所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的ABCD四类的分类规则依次为：
A类主题为需要以最高速度、可靠地按固定周期传输的核心数据；
B类主题为需要固定周期传递的重要数据；
C类主题为需要周期传递的一般数据；
D类主题为非周期数据，按条件传递的数据。
6.根据权利要求2所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的优化传输质量策略为通过传输周期、触发条件和QOS策略配置的方法来优化传输质量，具体方法是：
A类主题以与仿真相同的频率发布，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
B类主题以低于仿真频率发布，但应不小于10赫兹，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
C类主题以远低于仿真频率发布，采用效率优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略；
D类主题以人员操作和状态改变为触发条件发布，采用可靠优先/使用最新数据覆盖旧数据QOS策略。
7.根据权利要求2所述的以数据为中心的分布式实时仿真系统数据交互策略，其特征在于：所述的限制数据传输格式，具体限制规则如下：
除个别高精度数据使用双精度浮点型外，其他连续参数均采用单精度浮点型数据；
指令类、状态类参数等数据均采用ID加值的数据格式；
除指令和状态类数据外，其他数据均采用约定接口以固定格式传输。
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