摘 要：为了适应未来作战环境的不可预知性，降低国防经费的不必要开支，对基于 HLA 的通用防空作战仿真框架进行了研究，并提出了一种可扩展的防空作战仿真体系结构(EAADSP)用于辅助构建健壮的，可扩展的虚拟或构造分布式仿真应用系统。该体系结构的设计综合和优化了虚拟仿真和构造仿真的思想。利用可扩展的防空作战仿真体系结构，为防空作战仿真与建模、分析提供了有效的方法和途径。
关键词：防空作战仿真；实时分布式仿真；HLA/RTI；基于组件开发
引 言目前，空袭与反空袭作战已成为高技术条件下的主要作战样式，空防对抗的效果对战争的进程和结局不仅具有重大影响，从某种意义上来讲甚至具有决定性的作用。因此，就防空一方而言，如何通过研究新的防空战法，研制和改进防空武器装备系统以及有效地训练各类防空作战人员，来提高防空作战能力，已成为防空作战研究面临的一项紧迫课题[1-3]。随着系统仿真技术日益成熟和分布式仿真标准的日益规范，利用仿真试验进行防空作战研究已成为当前最主要的防空作战分析手段，通过对防空作战进行仿真，可以模拟防空体系或防空武器装备系统的反空袭作战过程，评估防空系统的作战效能，以便发现和改进防空体系或防空武器装备体系中的薄弱环节。
但由于防空作战是一个复杂的大系统，随机因素众多，约束关系复杂，尤其要体现大规模的体系对抗仿真，是一项非常困难的工作。本文立足我防空武器装备所面临的现代化条件下空袭与反空袭作战的现实需求，基于 HLA 和组件开发的技术体制，研究了基于 HLA 的通用防空作战仿真框架，并提出了一种可扩展的防空作战仿真体系结构，用于辅助开发满足不同需求的防空作战分布式仿真应用系统。
1 基于 HLA 的防空作战仿真框架
防空作战是指防空部队抗击来自空中威胁所采取的各种措施和战斗行动。防空作战仿真就是对防空部队实施防空作战行动的过程进行仿真。
1.1 基于 HLA 防空作战仿真系统功能描述
基于 HLA 的防空作战仿真系统是一个分布式的防空对抗仿真系统，用于模拟防空体系或防空武器系统的反空袭作战过程，评估防空系统的作战效能，为防空武器装备体系论证发展、防空武器系统的研制和开发、战法研究、作战操作人员的训练模拟提供有效的手段。基于 HLA 的防空作战仿真系统主要功能包括：
(1) 能够模拟红方、蓝方、中立方和友方多种兵力模型，支持新增兵力模型的开发；(2) 提供易于扩展的仿真框架和运行机制，以增强仿真开发应用的灵活性；(3) 与构造仿真、虚拟仿真系统的有效集成；(4) 基于 HLA 技术和仿真组件技术集成不同粒度的仿真模型；(5) 能够提供友好的人机交互功能，便于仿真用户参与仿真，实现二维态势和三维局部/全景的可视化；(6) 方便有效的模型管理；
(7) 提供仿真结果分析工具，为防空作战课题研究提供准确的科学依据。1.2 可扩展的防空作战代写论文仿真软件体 系结构针对以上需求和分布式仿真标准和规范，本文提出了一种可扩展的防空作战仿真框架（EAADSP），其体系结构如图 1 所示，包括网络通讯层、基础数据层、仿真服务层、仿真模型层、仿真支撑层和仿真应用层。
网络通讯层包含了多种分布式仿真的数据通讯协议，如 HLA/RTI，TCP/IP 和串口通讯等；基础数据层为分布式防空作战仿真提供数据资源，包括想定数据、装备数据、地形数据、气象数据、二维图标和三维模型数据、仿真结果数据等，EAADSP 为用户提供访问这些基础数据的 API；仿真服务层是 EAADSP 框架的核心，为系统运行提供了各类仿真服务，包括时间管理服务、事件调度服务、数据通讯服务、插件管理服务、模型管理服务、数据记录服务、仿真日志服务等。仿真模型层按照系统的模型结构与外部接口划分，包括装备模型、作战模型、评估模型、地形环境模型等；仿真支撑层为仿真应用的开发提供了多种支撑工具，包括想定编辑工具、运行管理工具、数据记录和回放工具、仿真评估工具和图形显示库等；仿真应用层是根据仿真系统的应用范围来划分，用户能够在上述五层的支撑下开发防空体系对抗仿真及效能评估，能够将仿真应用与武器装备训练模拟器或实装集成起来进行装备性能评估研究。
2 EAADSP 仿真模型开发
2.1 可重组的装备元素模型
作战装备元素是层次化的可组配的对象实体，即一个装备对象由多个子装备组件组合而成。根据面向对象的分析方法和基于组件开发的思想，EAADSP 中所有的作战装备元素都视为“组件”，它可以作为独立的元件使用，也可以作为由若干装备组件组合而成的聚合体使用。EAADSP中装备元素模型如图 2 所示。
从图中可看出，Eaadsp_Component 类是 EAADSP 中的所有作战装备元素类的基类，Eaadsp_Component 类定义了EAADSP 系统的消息机制，用于处理组件间的消息发送；另外，Eaadsp_Component 类定义了载体装备组件和子部件列表，当仿真线程调用某 Eaadsp_Component 类的更新函数UpdateTC 时，Eaadsp_Component 将按子部件的优先权顺序依次调用其 UpdateTC 函数来更新子部件。
Eaadsp_PhysicalEntity 类是作战实体的基类，包含与作战实体相关的模型信息，如动力学模型、任务管理模型、路径规划模型等，Eaadsp_PhysicalEntity 实现如图 3 所示，其中，Eaadsp_DynamicalModel 封装了作战实体动力学模型接口；Eaadsp_DataLink 封装了作战实体与外部数据通讯的接口，在本系统中采用将消息机制，由仿真引擎的消息处理机完成转发；Eaadsp_TaskManager 实现对作战实体的作战任务的管理，以体现作战实体在作战过程中的行为和动作，本文将在 2.2 节中对实体行为建模进行详细讲述；Eaadsp_NavManager 负责实现作战实体根据数据高程地形的信息进行路径规划任务。
EAADSP 对装备元素建模体现了装备平台的可重组性，用户通过创建和修改装备平台配置文件(.xml)，可动态修改武器装备平台装备编配，而无需编码创建新的装备元素类，大大提高了开发效率。
2.2 实体行为模型
实体行为建模的目的是能够准确反映动态实体的活动变化以及与周围环境和其他实体间的动态关系。行为模型描述了实体对象内在规律和能力在外部干扰下的表现，行为模型使得虚拟实体智能化，可以根据当前环境状态做出反应，判断虚拟环境的变化趋势。行为模型具有自治性(Autonomy)、适应性(Adaptation)和交互性(Interaction)等特点。实体的行为多数是不可预见的，一般需根据一定的规则进行行为处理。在本系统中，我们将实体行为视为任务集及任务间交互的组合，任务可能又划分成多个子任务，形成一个层次结构。在处理任务间的交互时，可采用 PAC(Presentation- Abstraction-Controller)设计模式的思想[4]。PAC是层次化的系统模型，通过消息传递进行交互，能有效地将模型接口与实现分离，利于模型代码的修改与测试。实体任务的 PAC 模型（见图 4），表示层(Presentation)负责收集外部输入；抽象层(Abstraction)负责任务对象对外界环境的感知，即任务的实施；控制层(Controller)不仅负责表示层与抽象层间的通讯，同时也完成不同层次间的通讯。
在实体行为模型中，我们认为只有顶层任务具有表示层，也就是说只有顶层任务才能与外部环境进行交互，底层任务只能与其它任务模型进行交互。当顶层任务的表示层接口接收到外部的交互信息，将交互信息解析成内部可识别的任务信息通告给控制层接口，由控制层的 FSM(Finite StateMachine)出发抽象层的任务数学模型，数学模型收集并处理相关信息，作出决策和反应并向其控制层发送反馈事件。当顶层任务的控制层接收到其抽象层传来的反馈事件，便将该事件发布，订购该事件的子任务即可接收并触发相应的任务模型。为了保证逻辑的正确性，当子任务处理其任务模型时，顶层的任务模型处于空闲状态，子任务完成后，必须向顶层任务发送消息，请求顶层的任务模型对实体行为重新决策。
2.3 网络接口模型
EAADSP 是基于 HLA 的分布式仿真框架，按照基于组件开发的思想，本框架实现了接口数据与仿真模型相分离，将仿真模型需发布或订购的数据抽取出来单独封装，保证了模型算法与数据、底层通讯与仿真应用之间的相互独立。EAADSP 采用自主研发的基于组件的联邦成员框架生成工具 FedKit[5]生成与 HLA 相关的网络数据接口，其接口对象模型如图 5 所示。
EAADSP 还提供了支持 TCP/IP 和串口通讯方式的网络接口，用于与实装设备的连接，并实现了 HLA 与 TCP/IP 及串口通讯之间数据转换的中间件，充分保证了系统的耦合度更低，集成度更高。
2.4 其他模型
为支持仿真数据的可视化分析、校验和验证，EAADSP为用户提供了人机界面接口模型、数据记录、回防和分析模型等，辅助用户在仿真运行过程中对作战过程和行为进行有效干预，为分析和评估防空作战能力提供数学模型的支持。人机界面接口模型与装备元素模型及其行为模型相关联可以实现对作战单元的状态和属性数据的显示和控制，EAADSP 提供了数据的二维和三维可视化模型包，如曲线图、饼图、直方图、雷达威力图等，EAADSP 还实现了与GL Studio 的集成，可辅助实装操作人员的模拟训练。数据记录、回放和分析模型可以在仿真执行过程中收集和分析数据，可以定义回放记录，用于回放演习的任一部分，支持训练、分析、基于仿真的获取、测试和评估试验，是作战仿真分析人员的有效辅助工具。
3 EAADSP 系统的集成与运行
利用 EAADSP 构建仿真应用系统后，由想定管理服务从想定数据库中读取联邦成员规划表以及成员对象描述表，从装备库中动态加载装备元素类，装备元素类读取其装备编配文件(.xml)和任务脚本文件(.xml)，动态装载其子部件（如传感器，武器装备等）和任务列表，作战装备元素初始化后，加载到仿真引擎中的实体列表中，由仿真引擎在仿真运行过程中更新装载实体的信息。
系统基于 HLA/RTI 和 TCP/IP 网络通讯协议运行，仿真引擎利用 EAADSP 的时间管理服务、事件调度服务、数据通讯服务等进行调度运行。系统中，时间管理服务是按照HLA 的标准进行的，仿真引擎通过 HLA 接口收到运行管理工具的仿真时间管理信息对本地成员的仿真对象时间进行管理。在 EAADSP 中，仿真引擎将实体的更新函数 UpdateTC拆分成四个阶段依次调用：
动力学模型更新：更新作战实体及其子部件的动力学属性，包括位置、速度、角速度、传感器位置和天线方位角等；消息发送：处理实体对外消息的发布，如传感器或电台的对外信息公布；消息接收：处理从传感器或电台接收到的外部信息，转换成内部可识别的消息参数，提交到作战实体行为的PAC 模型中进行决策；消息处理：处理外部消息，实时改变自身的作战行为。
在仿真运行过程中，仿真引擎通过调用数据记录服务和仿真日志服务将仿真过程中实体的状态信息和事件记录到数据库或本地文件中，以便事后回放和事后分析。仿真运行结束后，利用 EAADSP 的仿真评估工具，对作战效果进行评估和分析，为防空作战课题研究提供准确的科学依据。
4 EAADSP 的应用
采用 EAADSP 开发了复杂电磁环境下防空武器装备体系对抗仿真系统，通过利用防空兵制空效能理论和相应的数学、军事模型，对防空兵侦察预警、指挥控制、火力拦截等在复杂电磁环境的作战环节进行仿真，为分析在复杂电磁环境下防空作战的综合作战效能提供参考依据和有效方法。图6 所示为利用 EAADSP 开发的基于 HLA 的复杂电磁环境下防空武器装备体系对抗仿真系统的运行截图。
5 结论和展望
本文立足我防空武器装备所面临的现代化条件下空袭与反空袭作战的现实需求，基于 HLA 和组件开发的技术体制，研究了基于 HLA 的通用防空作战仿真框架，并提出了一种可扩展的防空作战仿真体系结构，为构建健壮的，可扩展的分布式虚拟或构造防空作战仿真提供了有效支持。EAADSP 已成功应用于防空武器装备体系对抗研究、作战效能评估等领域。
下一步工作重点是将 EAADSP 与防空装备模拟训练器集成，使得装备操作人员通过模拟训练器参与攻防对抗，即能检验装备性能，又能考核操作手的技能熟练程度，有效地为作战操作人员的训练模拟提供了支持。
参考文献：
[1] 倪忠仁, 王月平, 等. 地面防空作战模拟[M]. 北京: 解放军出版社, 2001.
[2] 张耀先, 武文军, 张涛, 等. 美军地面防空作战[M]. 北京: 军事科学出版社, 2001.
[3] 何晶, 娄寿春, 王刚, 等. 防空作战一体化仿真环境研究[J]. 系统仿真学报, 2004, 16(11): 2442-2444.
[4] Patrick Ilunga. Design Patterns within Distributed Virtual WorldSimulation Applications [EB/OL]. 02F-SIW-059, (2002)[2008-06-20].http://www.sisostds.org./index.php?tg=articles&idx=More&article=378&topics=59.
[5] 甘斌, 王月平, 等. 基于组件的联邦成员生成框架设计与实现[J].系统仿真学报, 2007, 19(11): 2622-2624.
[6] High Level Architecture Run-Time Infrastructure Programmer'sGuide RTI 1.3, Version 6 [K]. Defense Modeling and SimulationOffice, 12-March-1999.
[7] High Level Architecture Interface Specification, Version 1.3 [K].Defense Modeling and Simulation Office, 21-April-1998.
[8] Noriaki Kitahara. A Multi-Purpose Configurable and Scalable AirDefense Simulation Architecture [EB/OL]. (05F-SIW-003, 2005)[2008-06-20].http://www.sisostds.org./index.php?tg=articles&idx=More&article=328&topics=3.
[9] Susan Harkrider. JVB Federation Design [EB/OL], (02F-SIW-061,2002)[2008-06-20],http://www.sisostds.org./index.php?tg=articles&idx=More&article=312&topics=61.
[10] Radeski Alex. Towards a Simulation Component Model for HLA[EB/OL],(02F-SIW-079,2002)[2008-06-20].http://www.sisostds.org./index.php?tg=articles&idx=More&article=378&topics=59.
[11] 周严, 戴剑伟. HLA 仿真程序设计[M]. 北京: 电子工业出版社,2002.
