第五章-分布交互仿真技术

12在上世纪80年代，由于对复杂大系统的分析与设计的需要，以及计算机技术的突飞猛进和周边学科的某些理论与技术问题的突破，使得计算机仿真这一学科得以迅速发展，其应用领域也在日益拓宽和加深。为使读者能更好地了解仿真技术的一些最新发展，以及今后能在仿真领域做进一步的研究，或将仿真技术应用于一些比较复杂的系统之中，本章将向读者介绍仿真这一学科的新思想﹑新概念和新方法。由于篇幅有限，涉及问题均是基本的，有兴趣的可以参考有关文献。第五章分布交互仿真技术3分布式交互仿真产生的背景分布交互仿真技术分布式交互仿真技术产生于军事领域的迫切需求，军事领域的仿真技术一直代表仿真技术发展的最高水平。分布式交互仿真技术之所以发展迅速有两方面的重要因素，即应用需求和相关技术的发展。4分布式交互仿真产生的背景分布交互仿真技术5分布式交互仿真应用分布交互仿真技术6分布式交互仿真应用分布交互仿真技术7分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术1983年美国国防部高级研究计划局(DAPAR)正式提出了SIMNET(SimulationNetworking)研究计划，并得到美国陆军的支持，该计划的最初目的是希望将分散于各地的多个地面车辆(坦克、装甲车等)训练模拟器用计算机网络联接起来，进行各种复杂任务的综合训练。到80年代末，SIMNET计划结束时，已形成了约260个地面车辆仿真器和飞机仿真器以及指挥中心和数据处理设备等的综合仿真网。SIMNET的成功应用使美国军方充分认识到这一技术的潜在作用。分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术1989年在美国陆军、建模与仿真办公室DMSO和DARPA的共同倡导和支持下，正式提出了分布交互仿真的概念，并制订了一套面向分布式仿真的标准文件，以使这一技术向规范化、标准化、开放化的方向发展。美国陆军的CATT计划、WARSIM2000计划、NPSNET计划、STOW计划等都采用了DIS标准。基于DIS标准的分布交互仿真系统的基本思想是通过建立一致的标准通信接口来规范异构的仿真系统间的信息交换，通过计算机网络将位于不同地理位置上的仿真系统联接起来，构成一个异构的综合作战仿真环境，满足武器性能评估、战术原则的开发和演练以及人员训练等的需要。异构的仿真系统间的互操作是建立在标准的协议数据单元(PDU)基础上的。10分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术ALSP(AggregateLevelSimulationProtocol)是用于分布的聚合级以离散事件为主的作战仿真系统。1990年1月，美国高级研究计划署提出了聚合级仿真协议的概念，主要研究聚合级的分布构造仿真系统的体系结构、标准和相应的关键技术，并将基于ALSP标准的分布交互仿真系统应用于1992年、1994年和1996年的军事演习，使ALSP标准得到了改进和完善。11分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术仿真应用间的互操作性(Interoperability)仿真软件的可重用性(Reuseability)仿真系统规模的可扩展性(Sealability)12分布式交互仿真技术发展分布交互仿真技术13仿真节点的自治性时空一致性信息传输的真实性采用对象/事件结构实时性互操作性可靠性和安全性系统可扩展性设计原则分布交互仿真技术DIS系统设计原则与关键技术14合理的分布式结构信息交换标准DR机制时钟同步机制坐标变换技术接口处理机制虚拟环境技术建模与仿真的VVA技术运行管理技术关键技术分布交互仿真技术DIS系统设计原则与关键技术15DIS中的仿真节点分布交互仿真技术DIS系统体系结构网络连接器仿真计算机仿真计算机仿真计算机连接其他仿真节点（NIU）仿真节点1仿真节点n16网络接口单元NIU基本功能分布交互仿真技术DIS系统体系结构物理上：NIU完成各仿真器的不同标准数据接口与网络系统的互连数据流上：实现了不同数据集到PDU（PtotocolDataUnit)的互换仿真环境上：实现了局部仿真到统一的综合虚拟环境的互通应用软件局部数据接口驱动数据接口数据接口驱动数据接口PDU网络协议网络接口局部数据通道网络SimulatorNIUNIU数据转换示意图17网络接口单元NIU辅助功能分布交互仿真技术DIS系统体系结构数据过滤功能：NIU中保留一长本仿真器感兴趣的实体的ID表，NIU根据该表格进行数据过滤；DR模型解算：NIU采用DR递推算法对网络延时进行补偿；表示仿真器正常运转的“心跳”数据发送：NIU每隔固定时间段向外发送一数据帧，表示该仿真器仍处于正常状态；18分布交互仿真技术DIS系统组成物理上ROUTERSimulatorNIULANSimulatorNIUSimulatorNIUWANHUBSimulatorNIUSimulatorNIUSimulatorNIUNetworking19分布交互仿真技术DIS系统组成逻辑角度DIS的核心是一系列标准；这些标准规定了仿真器互连时网络底层协议应提供的服务、网络系统数据传输应具备的指标、仿真器间的数据交换内容和格式、数据通信的辅助算法等；层次化角度DIS实际上定义了一个分布的异构仿真器互连的开放式层次化模型，思想来源于ISO/OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel)；层次ISO/OSIRMDIS标准具体内容7应用层IEEE1278.1DR算法、数据交换类型6表示层IEEE1278.1PDU格式及其交互形式5会话层IEEE1278.1通信服务类型，TCP连接建立4传输层IEEE1278.2寻址模式、端端通信、通信可靠性3网络层IEEE1278.2主机之间寻址2链路层AnyprotocolsSupportLayer3帧格式、冲突解决1物理层AnyprotocolsSupportLayer2电缆、光纤，无线传输20分布交互仿真技术DIS标准—标准分类DIS标准的草稿由美国军方仿真、训练与装备司令部（STRICOM）和国防建模与仿真办公室（DMSO）负责，并由美国佛罗里达大学的仿真与训练研究所具体完成，最终有IEEE组织批准成为正式标准，主要包括：DIS应用协议；DIS通信协议；DIS演练管理和反馈协议；DISVVA协议；DIS逼真度描述协议和DIS环境标准；21分布交互仿真技术DIS标准—PDU的类型、结构组成和格式设计标准IEEEStd1278.1定义了27种PDU，能够传送实体的信息/交互、交战、后勤支援、电磁发射、无线电通信等方面信息；实体信息/交互类1)实体状态PDU;2)碰撞PDU交战类1)开火PDU2)爆炸PDU仿真管理类1)服务请求PDU;2)补给提供PDU;3)补给收到PDU;4)补给取消PDU;5)维修完成PDU;6)维修响应PDU;后勤支援类1)创建实体PDU;2)删除实体PDU;3)启动/重启PDU;4)终止/冻结PDU;5)应答PDU;6)动作请求PDU;7)动作响应PDU;8)数据查询PDU;9)设置数据PDU;10)数据PDU;11)事件报告PDU;12)注释PDU;分布式发射还原类1)电磁发射PDU;2)指示器PDU;无线电通信类1)发射机PDU;2)信号PDU;3)接收机PDU22分布交互仿真技术DIS标准—结构组成及设计描述PDU所表示相关方面的全部信息；标头主体变长体协议版本、演练标识符、相应的PDU类型、PDU所属的议族、时间戳及PDU的长度；PDU的数据域或与实体相关的附属部件；typedefstruct{//标头部分StPduHeaderstHeader;//标头结构体//主体部分//实体标识结构体StEntityIdentifierstOriginatingEntityID；StEntityIdentifierstReceiveingEntityID；unsignedlonguRequestID;unsignedlonguActionID;unsignedlonguNumfixedDatum;//定长数据个数unsignedlonguVarDatum;//变长数据个数//变长体部分StFixedDatumstaFixedDatum[uNumfixedDatum];StVarDatumstaVarDatum[uNumVarDatum];}StAvtionRequestPdu；动作请求PDU定义23分布交互仿真技术DIS标准—通信层及应用层的标准化DIS及其标准与OSI模型的关系层次OSI模型DIS标准7应用层应用层IEEE1278.1-19956表示层5会话层4传输层通信层IEEE1278.-19953网络层2链路层1物理层24分布交互仿真技术DIS时空一致性形成时空不一致的原因仿真实际上是在真实的时空中构造出一个虚拟的时空，并将仿真模型置于该虚拟时空环境中运行的过程；时空一致性是由人的感觉和行为来衡量的，因此较为抽象一些，在实现中也复杂得多。简单地说，时空一致性主要包括空间表达一致和分布仿真时间一致两个方面。DIS系统中，由于仿真节点之间的时钟不同步以及节点之间的信息传输延时造成节点之间在时间处理上的差异，导致时间不一致；各节点对于仿真实体的空间位置和姿态的描述方法的不同导致节点之间在空间处理上的不一致；25分布交互仿真技术DIS时空一致性时间一致性时间同步就是通过一定的算法将各点的逻辑时钟趋于一个共同的时间基准，使各节点的逻辑时钟与该时间基准的偏差小于给定的误差范围；保证时钟同步的方法有：时间戳机制：由于DIS是一个分布系统，仿真节点间的时间同步误差不可避免，同时仿真实体间交换的PDU在网络传输上有延迟，因此为了标记PDU的发送时刻，每个PDU都带有一个时间戳。以标准时钟为基准发出的时间戳基准来修正每个节点时钟误差，保证运行时有统一的时间坐标；时间修正机制：各节点定时接收一外部标准时钟来修正现有的时钟值；时钟跟随同步方法：在实时性要求高、有严格迭代周期要求的仿真系统中，可以采用网络中某台计算机的时钟作为同步节点时钟，保证在下一个迭代周期内其他节点时钟跟随推进；26分布交互仿真技术DIS时空一致性空间一致性为实现空间表达的一致，首先要求采用统一的环境模型，参加DIS演练的实体只能在统一的虚拟战场环境中才能进行有效的对抗和协同，因此，相容的环境数据库是至关重要的。目前在DIS中环境模型方面研究比较系统、有代表性的项目有DoD支持的SEDRIS（SyntheticEnvironmentDataRepresentationandInterchangeSpecification），这是旨在提供一个包括陆地、海洋、大气和外层空间的完整的物理环境模型以及相关的标准化数据的存取和交换方法。它提出了综合环境的数据模型，于1998年11月发布了第一个正式版V2.0，而后又陆续发布了V2.5和V3.0版。相容的环境数据库27分布交互仿真技术DIS时空一致性空间一致性统一的坐标系系统DIS提出了一个标准的参考坐标系统，包括世界坐标系和实体坐标系。世界坐标系是一个右手地心笛卡尔坐标系，原点是地心，X的正半轴在赤道通过子午线，Y的正半轴在赤道通过东径90°线，Z的正半轴通过北极；实体坐标系也是一个右手笛卡尔坐标系。原点是实体的中心，X正半轴指向实体正面，Y正半轴指向实体右侧，Z正半轴指向实体底部；28分布交互仿真技术DIS时空一致性经纬度转地心坐标坐标系之间的转换地心坐标转经纬度地平坐标转经纬度地心坐标转地平坐标29分布交互仿真技术DR技术—基本思路DIS系统中每个仿真节点内除了保存其内部仿真实体动力学模型外,还保存该动力学模型的DR模型及有可能与其交互的其他仿真节点的DR模型。仿真节点不必在每个仿真帧周期均将各自的状态传送给与其交互的其他仿真节点;在DIS仿真进程中，仿真节点只是在实际运动状态与DR模型推算出来的运动状态之间的误差超过设定的误差限时，才将自己的运动状态打包发送给其它节点，同时更新其DR模型参数；其他节点接收到更新后的状态信息后，