方立新 陳海飛 邵東青

（63892部隊 洛陽 471003）

1 引言

新研裝備在正式交付最終使用用戶前，需要專業(yè)部門進(jìn)行大量的試驗(yàn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)積累的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是后續(xù)裝備鑒定試驗(yàn)非常寶貴的資源，對新的試驗(yàn)方案設(shè)計、試驗(yàn)仿真系統(tǒng)建設(shè)具有極為重要的作用。有鑒于此，試驗(yàn)實(shí)施單位都非常重視收集并保存試驗(yàn)過程所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)信息，包括被試裝備、配試裝備數(shù)據(jù)，試驗(yàn)指揮控制過程信息，空中平臺飛行軌跡，以及試驗(yàn)現(xiàn)場監(jiān)控視頻等，并利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對這些試驗(yàn)信息實(shí)施管理。本文探討基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過將靜態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)活化，復(fù)現(xiàn)原來的試驗(yàn)過程，從而為試驗(yàn)觀摩、演示匯報以及試驗(yàn)技術(shù)研討等提供實(shí)用手段。同時，系統(tǒng)應(yīng)能從動態(tài)過程和全局上將試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，為檢驗(yàn)和提高數(shù)據(jù)入庫質(zhì)量提供一種選擇思路。另外，系統(tǒng)還可以加入數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深層次分析及試驗(yàn)評估功能，增強(qiáng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合利用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析，是指利用采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，逼真復(fù)現(xiàn)原始試驗(yàn)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程，并以此展開對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對分析。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)包括內(nèi)容有：1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間及內(nèi)在邏輯關(guān)系；2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程的環(huán)境信息及指揮控制信息；3）試驗(yàn)概況及動態(tài)過程的表現(xiàn)，包括虛擬的戰(zhàn)場態(tài)勢圖、主要裝備工作及交互狀態(tài)模擬，各類數(shù)據(jù)輸出圖、表等畫面。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)一致性分析的基礎(chǔ)手段，可進(jìn)行時間點(diǎn)控制與比對，并能夠使用不同的數(shù)據(jù)分析模型達(dá)到多種分析目的[1]。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能與特點(diǎn)：1）復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程，并體現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境和指揮控制對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，形象直觀地表現(xiàn)試驗(yàn)概況；2）易于加入試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模塊，提供數(shù)據(jù)可視化分析手段；3）有較強(qiáng)的適應(yīng)性、可重用性、可擴(kuò)展性。

隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的分布式仿真技術(shù)，具備了較成熟的框架和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前應(yīng)用廣泛的是HLA標(biāo)準(zhǔn)。在基于HLA的分布式仿真中，仿真系統(tǒng)由分布在多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的仿真應(yīng)用單元組成，通過 RTI（Run－Time Infrastructure）進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互[2]。該體系具備組件的互操作性、可擴(kuò)展性、可重用性，適合大規(guī)模的仿真應(yīng)用開發(fā)，能很好滿足試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)的建設(shè)需求。

因此，試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)的設(shè)計采用分布式仿真體系，運(yùn)行在交換式網(wǎng)絡(luò)平臺上。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，在系統(tǒng)設(shè)計上使用兩種工作模式。一種是在HLA／RTI基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)與分析。通過設(shè)備復(fù)現(xiàn)成員調(diào)用經(jīng)過處理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)RTI控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有序復(fù)現(xiàn)，與此相應(yīng)，數(shù)據(jù)分析成員完成對數(shù)據(jù)的分析要求。在該模式下，成員之間通過HLA／RTI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[3]。另一種是重演工作模式，不使用RTI，系統(tǒng)中心控制臺利用TCP／IP協(xié)議調(diào)度所有成員，成員之間不發(fā)生交互，成員按照中心控制臺發(fā)送的時間節(jié)點(diǎn)自主讀取重演數(shù)據(jù)以及音視頻數(shù)據(jù)并予以表現(xiàn)。重演具備選時、變速回放等靈活控制功能。此模式適合試驗(yàn)過程的匯報演示。

系統(tǒng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用時，需要滿足以下要求，一是從數(shù)據(jù)庫或者文件中查詢數(shù)據(jù)的反應(yīng)時間滿足試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)最小時間間隔要求。二是滿足時間一致性要求，即數(shù)據(jù)的時間標(biāo)識應(yīng)和仿真的時間推進(jìn)步長相一致。據(jù)此要求，很多數(shù)據(jù)要用線性插值或曲線擬合的方法預(yù)處理。對于多媒體類型數(shù)據(jù)，由于主要是用來展示效果，可降低時間一致性的精度要求（一般滿足仿真推進(jìn)時間點(diǎn)0.1s以內(nèi)）。多媒體數(shù)據(jù)一般轉(zhuǎn)換為流媒體格式，存儲到流媒體服務(wù)器或仿真主機(jī)本地。所有數(shù)據(jù)的使用需考慮對網(wǎng)絡(luò)資源占用以及服務(wù)器反應(yīng)時間等因素[4]。

試驗(yàn)概況顯示是系統(tǒng)的重要組成部分。其作用是將試驗(yàn)過程以圖形化方式直觀呈現(xiàn)給用戶，包括在電子地圖上顯示各試驗(yàn)要素，如地形地貌、各類裝備配置信息以及電磁環(huán)境復(fù)雜度情況等。試驗(yàn)概況顯示可以使用二維或三維的視景仿真，通過在視景仿真上疊加圖標(biāo)、圖表、數(shù)據(jù)等方式來表現(xiàn)[5]。

圖1 試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)建立在千兆局域網(wǎng)平臺上，運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境包括HLA／RTI軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等。在平臺和運(yùn)行開發(fā)環(huán)境之上，系統(tǒng)共包括試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)及分析數(shù)據(jù)庫、試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析聯(lián)邦以及系統(tǒng)主控模塊三大部分。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)及分析數(shù)據(jù)庫提供系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)支持。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析聯(lián)邦包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)、綜合態(tài)勢表現(xiàn)、音視頻復(fù)現(xiàn)、試驗(yàn)評估和仿真計算等邦員，它們是數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和使用者。系統(tǒng)主控模塊負(fù)責(zé)聯(lián)邦的啟動／停止等控制功能。為保證系統(tǒng)開發(fā)的一致性、可重用性，需要建立系統(tǒng)應(yīng)用集成規(guī)范。系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

體系支撐和運(yùn)行環(huán)境是整個系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)平臺及信息加工源。系統(tǒng)其他各部分主要功能詳述如下：

·試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析數(shù)據(jù)庫：通過復(fù)現(xiàn)成員內(nèi)部或外部的數(shù)據(jù)處理模塊，將采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理，生成文件或者結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫形式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以備復(fù)現(xiàn)聯(lián)邦使用；音視頻數(shù)據(jù)具有特殊性，一般經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后存儲在音視頻流媒體服務(wù)器中提供服務(wù)；數(shù)據(jù)重演文件由復(fù)現(xiàn)成員內(nèi)部的重演文件生成模塊或者專門的重演文件生成成員在復(fù)現(xiàn)過程中生成；地理環(huán)境數(shù)據(jù)由綜合態(tài)勢表現(xiàn)邦員調(diào)用并顯示；試驗(yàn)評估數(shù)據(jù)由試驗(yàn)評估邦員產(chǎn)生并記錄。

·試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析聯(lián)邦：包括了所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)、音視頻復(fù)現(xiàn)、綜合態(tài)勢表現(xiàn)、仿真計算和試驗(yàn)評估邦員等。每個試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)邦員通常代表一個被試或配試裝備，或用于完成指揮控制數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等復(fù)現(xiàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)與分析各邦員之間的數(shù)據(jù)交互和邏輯驅(qū)動，共同表現(xiàn)試驗(yàn)過程；這些邦員可以運(yùn)行在多個主機(jī)上，也可以多個邦員運(yùn)行在一個主機(jī)上，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)模及邦員的不同特點(diǎn)具體配置。音視頻復(fù)現(xiàn)邦員預(yù)讀取音視頻流媒體服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)時間一致性要求實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)；仿真計算邦員能夠構(gòu)造參試裝備，利用仿真模型推算試驗(yàn)結(jié)果，支持與實(shí)測數(shù)據(jù)在線比對，以滿足系統(tǒng)分析和試驗(yàn)評估的需要；試驗(yàn)評估成員是為試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析或者評估的目的所構(gòu)建的虛擬分析單元，以幫助完成在線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析或者結(jié)果評估。綜合態(tài)勢顯示邦員利用地理環(huán)境數(shù)據(jù)以及各邦員發(fā)送的實(shí)體屬性數(shù)據(jù)驅(qū)動二維態(tài)勢圖和圖表的顯示，給出圖形化、形象化的試驗(yàn)表現(xiàn)。

·系統(tǒng)主控部分：包括試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)／重演控制模塊和試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)表現(xiàn)腳本。試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)／重演控制模塊即系統(tǒng)運(yùn)行控制臺，是試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)驅(qū)動的核心，控制聯(lián)邦的啟動、停止和退出，下發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)計劃配置文件給各聯(lián)邦成員。其與各聯(lián)邦成員的交互是通過TCP／IP方式。試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)時，系統(tǒng)主控模塊通過TCP／IP協(xié)議啟動RTI和各復(fù)現(xiàn)邦員。試驗(yàn)過程重演時，系統(tǒng)主控模塊不啟動RTI，通過TCP／IP方式向各復(fù)現(xiàn)邦員發(fā)送控制信息，直接控制復(fù)現(xiàn)邦員讀取重演數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)來重演試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)，協(xié)調(diào)重演過程的各種推進(jìn)方式。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)表現(xiàn)腳本用于試驗(yàn)表現(xiàn)中圖形要素及過程的組織。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)中需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，如：系統(tǒng)成員自動生成技術(shù)、重演數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、音視頻數(shù)據(jù)流控制技術(shù)、系統(tǒng)時間控制技術(shù)、通用集成支撐平臺技術(shù)等。

4.1 系統(tǒng)成員自動生成技術(shù)

試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)建立在分布式仿真體系之上，系統(tǒng)開發(fā)人員需要掌握網(wǎng)絡(luò)通信編程、HLA規(guī)范等知識，學(xué)習(xí)周期長，開發(fā)方法難以統(tǒng)一。由于歷年試驗(yàn)中有很多數(shù)據(jù)類型相似，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)回放邦員具有較一致的屬性和數(shù)據(jù)操作方法，這為研究系統(tǒng)成員自動生成技術(shù)提供了現(xiàn)實(shí)的需求及可能性。利用該技術(shù)可極大地提高系統(tǒng)的開發(fā)效率和可靠性。其具體方法是首先設(shè)計出數(shù)據(jù)回放邦員自動生成的組件框架。它不僅是可重用的“半成品”組件，能夠支持用戶程序的定制，開發(fā)者通過繼承組織框架的類，將組件框架定制為一個具體的應(yīng)用，同時它還屏蔽了底層的細(xì)節(jié)，使得開發(fā)人員不需要掌握HLA和復(fù)雜的通信程序開發(fā)技術(shù)，從而專注于試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)的組織及分析成員的開發(fā)。數(shù)據(jù)回放邦員自動生成組件框架類，主要是提供通信中間件和數(shù)據(jù)訪問中間件功能，開發(fā)人員在組件框架類基礎(chǔ)上去編制用戶定義模型部分的內(nèi)容。

圖2 事件調(diào)度程序結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問中間件需要完成數(shù)據(jù)管理、解析／注冊程序以及事件調(diào)度程序三個部分功能。數(shù)據(jù)管理功能提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)符合數(shù)據(jù)通信格式并提供打包／解包服務(wù)，數(shù)據(jù)管理為通信中間件提供接口。解析／注冊程序解析從外部來的指令和數(shù)據(jù)，進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的注冊，并調(diào)用事件調(diào)度程序操作用戶定義模型。在用戶定義模型中，開發(fā)人員使用注冊程序啟動和結(jié)束解析程序，啟動和結(jié)束周期或非周期性的函數(shù)調(diào)用，以及實(shí)現(xiàn)事件調(diào)度程序中的事件安排。事件調(diào)度程序控制事件的運(yùn)行。圖2描述了事件調(diào)度程序結(jié)構(gòu)。

事件是指系統(tǒng)運(yùn)行時定義（已注冊）的功能，回調(diào)函數(shù)能夠通過注冊程序接口，在事件調(diào)度程序中注冊和注銷。事件調(diào)度程序基于系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)時鐘的推進(jìn)，調(diào)用用戶定義的回調(diào)函數(shù)。已注冊用戶定義的回調(diào)函數(shù)按時間次序排成列表，回調(diào)函數(shù)管理程序可按回調(diào)函數(shù)的優(yōu)先級決定是否調(diào)用這些回調(diào)函數(shù)。

圖3 通信中間件結(jié)構(gòu)

通信中間件結(jié)構(gòu)如圖3所示。通信中間件需遵循HLA規(guī)則同時支持TCP／IP協(xié)議，其支持HLA規(guī)則時功能包括：1）發(fā)布和訂閱；2）傳輸HLA消息；3）發(fā)送和接收應(yīng)用程序消息。支持TCP／UDP協(xié)議時功能包括：1）生成通信服務(wù)器端和客戶端；2）傳輸TCP／UDP消息；3）監(jiān)視并傳輸（發(fā)送／接收）應(yīng)用程序消息。通信中間件詳細(xì)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收機(jī)制如圖4和圖5所示。

圖4 通信中間件分發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)制

通信中間件的網(wǎng)絡(luò)代理用于響應(yīng)基于TCP／IP或者RTI消息的發(fā)送或接收。對于發(fā)送請求，消息處理程序查詢連接配置數(shù)據(jù)庫做通信方式識別，再調(diào)用網(wǎng)絡(luò)代理按不同的消息類型發(fā)送；對網(wǎng)絡(luò)代理傳來的消息進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的查詢并發(fā)出回調(diào)。

4.2 重演數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

圖5 通信中間件接收數(shù)據(jù)機(jī)制

系統(tǒng)的重演模式用于試驗(yàn)過程的匯報演示。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)中，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的時間統(tǒng)一和邏輯相關(guān)處理，并產(chǎn)生了相應(yīng)的交互數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等新的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后能夠支持重演，可簡化重演的邏輯處理過程。試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)中，成員通過RTI完成數(shù)據(jù)交互，邏輯過程復(fù)雜，耗費(fèi)資源大，難以實(shí)現(xiàn)靈活的時間控制，無法取代重演模式。系統(tǒng)在重演時，通過簡化數(shù)據(jù)處理邏輯和數(shù)據(jù)交互，可降低平臺負(fù)荷，支持重演時間控制。

為在試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)中實(shí)現(xiàn)重演數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并使重演數(shù)據(jù)更好支持重演過程控制，采用類似于文獻(xiàn)[3]中對象序列化的方法，利用復(fù)現(xiàn)成員的重演數(shù)據(jù)生成模塊記錄成員生成的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝為數(shù)據(jù)對象并柵格化和序列化，將與數(shù)據(jù)自身相關(guān)的操作封裝為數(shù)據(jù)對象的接口。柵格化是指在整個復(fù)現(xiàn)過程中，以仿真時間步長為間距，存貯每個時刻成員的快照，在時間快照上，包括成員在該時刻的所有信息。序列化是指將內(nèi)存中生成的數(shù)據(jù)對象按二進(jìn)制方式存儲到文件，使用時通過反序列化過程，將二進(jìn)制的數(shù)據(jù)對象文件讀入內(nèi)存，直接完成數(shù)據(jù)對象的初始化。將數(shù)據(jù)按對象形式存儲，可實(shí)現(xiàn)重演執(zhí)行邏輯與數(shù)據(jù)文件的分離，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多態(tài)操作，增加數(shù)據(jù)處理的靈活性。數(shù)據(jù)對象的序列化存儲方式，可方便按時序排列或重組，便于查詢和篩選，易于實(shí)現(xiàn)跳進(jìn)、變速和變步長等操作。由于重演執(zhí)行邏輯簡化后只負(fù)責(zé)成員控制相關(guān)的操作，可極大降低系統(tǒng)運(yùn)行時的資源消耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。試驗(yàn)過程成功復(fù)現(xiàn)后，數(shù)據(jù)的重演活動僅需要所生成的數(shù)據(jù)對象文件。

5 結(jié)語

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布式試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)與分析系統(tǒng)，能夠復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)原始過程，并將試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)、分析和評估以及試驗(yàn)概況展現(xiàn)有機(jī)結(jié)合在一起。建立該系統(tǒng)，將具有以下幾個方面的重要作用：

1）通過試驗(yàn)過程復(fù)現(xiàn)展示，便于組織事后試驗(yàn)技術(shù)研討，支持試驗(yàn)觀摩演示匯報；

2）通過過程復(fù)現(xiàn)支持試驗(yàn)過程的講解，提供有關(guān)科研試驗(yàn)人員的技術(shù)指導(dǎo)和培訓(xùn)；

3）利用系統(tǒng)分析和評估模型，可以開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化分析、在線效能評估；

4）在試驗(yàn)結(jié)束后，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性復(fù)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)入庫時的數(shù)據(jù)完整性、一致性等質(zhì)量檢驗(yàn)，以及支持對試驗(yàn)中的存在問題進(jìn)行深層次技術(shù)分析。

系統(tǒng)在研發(fā)、試用中逐步成熟后，還將起到以下重要作用：支持對后續(xù)試驗(yàn)任務(wù)的試驗(yàn)方案檢驗(yàn)及優(yōu)化；支持試驗(yàn)過程中產(chǎn)生問題的輔助分析、診斷和調(diào)試；能夠與其他數(shù)學(xué)仿真模型互聯(lián)，以模型或組件的方式支持?jǐn)?shù)學(xué)仿真系統(tǒng)的建設(shè)。

就系統(tǒng)建設(shè)來說，目前尚有多項技術(shù)難題需要研究攻克。本文僅給出了系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)思路，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成功能進(jìn)行了規(guī)劃描述，并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)中的復(fù)現(xiàn)成員自動生成技術(shù)和重演數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了探討，希望以此引起對試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合利用問題的更多關(guān)注，促進(jìn)共同研究，使系統(tǒng)建設(shè)順利開展并不斷完善，發(fā)揮試驗(yàn)數(shù)據(jù)資源的寶貴價值。

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