人在回路合成训练仿真云服务架构研究

人在回路合成训练仿真云服务架构研究

安全隐患、组织实施难度作为提高军队战斗力的主要途径，军事训练主要有两种类型：实训和模拟训。实装训练效果好，但是“实”的形式代价高、安全隐患大、组织实施难度大，效费比较低；模拟训练应用范围广，能以低成本、高安全性获得良好的训练效果，倍受世界各军事大国重视本文开展“人在回路”合成训练仿真总体架构设计及相关关键技术研究，旨在解决大规模分布式合成训练仿真服务化架构、分布交互实时性、分布异构战场一致性、模型重组等技术问题，为合成部队多军种训练、战术对抗演练、研究性演习等提供技术支撑。1建设国外的联合培训环境1.1积极参加目研发，为陆军交通美军合成训练环境建设由美国陆军未来司令部直接领导、陆军部总协调。2017年9月，美军成立STE跨职能团队，聚焦高新技术领域，为陆军六大现代化优先事项提供综合支持。2019年STE进入实质性研制阶段，通过多阶段竞赛性招标，先后与VTMAK公司、Vricon系统有限责任公司、科尔工程服务公司等签订了累计超过2亿7千万美元的研发合同。STE最初计划于2025年开始部署，但技术的快速发展和美陆军领导层的全力支持使得项目进度远超预期，预计将在2021年形成初始作战能力。1.2多层级/多领域学习环境的整合美军在STE建设中突破了一系列使能技术，以基于开放式体系架构的通用合成环境为基础支撑，通过提供共用支撑平台和服务，支持专业技能训练的开展，系统架构如图1所示。STE开发了包括可重构虚拟集体训练系统、士兵/班组虚拟训练系统、一体化视觉增强系统、下一代实况训练环境在内的多个专业训练系统。STE通过把各系统聚合为一个统一的训练环境，使陆军部队和指挥员实现真正的多层级/多领域战术和指挥训练，通过在逼近真实的训练环境中反复训练提升作战能力。美军在STE项目开展过程中使用了统一的LVC仿真集成架构，以网络为中心通过通用协议、规范标准和接口将实况环境(Live)、虚拟环(Virtual)、构造环境(Construct)中的各类实体结合起来，完成数据收集、管理、检索和实时交换等2系统建模方法和粒度不一致“人在回路”合成训练仿真涉及的兵种专业多、单位数量多、地域分布广，包含了大量的模拟器、虚拟兵力、仿真系统、指控系统，存在模拟器形态多、建设年代不同，仿真系统技术体制多样，兵力模型构建方法和粒度不一致2.1统一架构，互联互通“人在回路”合成训练仿真架构应该能够合理继承已有建设成果，同时具备拓展升级能力，通过综合集成可以实现异构系统互联互通。应当遵循的集成原则包括：(1)统标准、统协议。首先要构建“人在回路”合成训练仿真的标准规范体系，统一技术体制和接口规范协议，统领各专业模拟训练建设集成。(2)松耦合、服务化。按照“网﹣云﹣端”架构构建模拟训练云，服务化挂接训练资源、按需求定制应用，实现柔性重组；可根据不同需求，使用统一架构之下具备互操作性、重用性的各类训练资源，灵活、快速的构建虚拟战场。(3)可重用、可组合。按照规定标准和服务化架构，统筹建设训练资源，满足不同场景、不同语境下共同理解和互操作，实现训练资源的重用性；同时这些可重用资源具备灵活组装，进行快速初始化、测试和执行的能力，并可服务化框架下互联互通互操作，真正实现资源的可重用、可组合。(4)互联互通互操作。采用中间件架构和异步调度机制，实现异构异地互联互通互操作，实现真正的大联合。基于一个统一的体系架构，对资源进行标准化封装，从而构建一个具有统一时间、空间和战场环境的虚拟战场。2.2层位设计及规范标准系统架构采用“五层两翼”布局，“五层”分别为环境支撑层、资源层、中间层、服务层、应用层，“两翼”是指标准规范和安全保密。体系结构如图2所示。环境支撑层主要按照“网﹣云﹣端”架构，采用虚拟桌面云的方式对基础软硬件载体进行封装，实现各类物理资源的软件化管理，满足柔性重组、灵活调度要求资源层主要按照“可重用、可组合”的服务化封装原则，对模拟器、虚拟兵力和部分半实物、实装等训练资源进行封装，各类异构资源通过虚拟专网互联，为虚拟战场、导调管理等提供基础支撑。中间层主要按照“互联互通互操作”要求，构建可持续演进的试验训练一体化仿真体系架构(TestandTrainingIntegratedSimulationArchitecture,TISA)，研制开发自主可控的中间件，提供互联互通和云服务能力。服务层主要按照“松耦合、服务化”理念，在仿真服务云架构下，服务化封装各类训练资源，为应用层提供资源服务、集成服务、仿真服务和各类信息。应用层主要是在服务支撑下形成技能训练、协同训练、指挥训练和合成训练等各种训练仿真应用功能，为模拟训练活动提供支撑。标准规范主要包括训练仿真领域的架构、模型、数据、交互、规则和描述等规范，形成支撑系统建设、运用的系列工程标准。安全保密主要包括网络安全、防火墙、密钥保密等，用来保障数据、模型和网络的安全。2.3虚拟地面云服务合成训练仿真云服务(图3)是一个复杂的仿真资源网络，TISA中间件维护仿真与控制信息交互，虚拟桌面云可以支持模拟器、虚拟兵力、指控系统软件等柔性分布式部署，经过对象模型封装接入仿真网络，虚拟战场服务、毁伤计算服务、战术互联网仿真服务等公共服务可部署在不同地点，维护不同域的虚拟战场信息，技术体制异构的仿真系统可以通过不同的网关协议进行信息交互维护虚拟战场信息完整性2.4合成部分队战术对抗模拟训练以合成部队模拟训练为牵引，在分布式合成训练仿真云服务架构基础上，以中间件为核心综合集成LVC训练仿真资源。首先在专业技能训练模拟器层面，构建车、炮、驾等分业模拟器，支持相关专业开展技能训练；其次将这些分业模拟器组装成整装模拟器，支持整装协同训练；再将多套装备模拟器互联起来，支持兵种专业分队战术训练；再加上分队指挥训练模拟器以及炮兵、防空和直升机等装备模拟器和虚拟兵力支持，就能实现合成部(分)队战术对抗模拟训练。这种利用有限的“人在回路”模拟器和虚拟兵力，采用可组合、可重用的技术手段，“一材多用”，能够实现专业技能模拟训练和战术模拟训练的有机结合，展开全任务、多层级训练，提高模拟训练整体效益，图4为合成部队多层级组合重用应用模式示意图。2.5训练仿真生态为了适应个性化的不同的模拟训练需求，合成训练仿真需要构建标准规范体系(图5)来维护一种开放且不断演化的训练仿真生态。其应当遵循、借鉴已有相关国际标准、国家军用标准、大型工程标准，构建相对完备、可扩展的训练仿真标准规范体系，主要服务于异地异构训练系统互联互通，促进模拟训练资源共享以及互操作，涵盖模拟训练基本术语、体系结构、数据交换格式等基础标准，及技能训练模拟器、战术训练模拟系统、指挥训练模拟系统等应用标准。3中熟技术的实现3.1间件结构组成实装、模拟器和构造仿真三类资源的实时互联互通互操作能力是实现合成训练仿真所必须的基本条件。以训练使能体系架构为基础、按照TISA架构开发的试验训练一体化仿真中间件是一组支撑LVC仿真运行的软件集合，可为和合成训练仿真提供集中管理、数据传输、调度服务和时间服务，用于在不对现有模型进行改动的约束下，实现各类LVC模型、仿真对象和仿真资源的互联互通互操作。试验训练一体化仿真中间件的组成结构如图6所示，包括模型运行、发布订购、消息处理、实时组件、时间管理、资源动态监控、跨异种网络大带宽非实时通信等7部分模型运行组件由命名服务模块和试验域管理模块组成，用于试验域创建、内部结构划分及组织管理，是仿真过程中数据服务的基础。发布订购组件主要负责维护整个分布式系统中的对象交互，保证对象的正确交互并提供远程方法调用。消息处理组件负责仿真对象进程、代理进程和监控进程等各种进程之间的消息传递、交互和管理。实时组件为通知通道和多事件通道提供可靠QoS(QualityofService,QoS)传输服务。时间管理组件分为时间管理客户端和时间管理服务端2部分，使各仿真节点能够按照正确的顺序处理消息，保证仿真能够正确有序的进行。资源动态监控组件为整个虚拟仿真场景提供了实时监控功能，监测仿真应用信息并发布至仿真监控管理系统。跨异种网络大带宽非实时通信组件通过NFS服务器挂载共享文件的方式，实现分布式仿真系统中大文件的共享与传输试验训练一体化中间件技术实现了在有限带宽条件下仿真系统间近实时发送和接收数据，确保了仿真节点间导控指令、仿真态势等数据的可靠、高效传输，为合成训练仿真奠定了基础。3.2数据库构建与实现合成训练仿真各节点分布地域广，各分布式仿真节点保持时空一致性对于仿真逻辑的准确性至关重要。时间一致性通过试验训练一体化仿真中间件中时间管理组件的两级时钟同步机制实现“人在回路”合成训练仿真参照综合环境数据表示与交互规范制定了仿真环境标准并构建了统一的综合战场环境数据库，对战场仿真环境资源进行统筹建设与集中管控，明确各类资源建设主体和用途用法。采用注册机制入库管理，联演联训时各中心使用统一提供的战场仿真环境资源，确保各类兵力(包括“人在回路”和虚拟兵力)能够在统一的战场环境中进行交战，有效规避使用异构数据出现的空间不一致问题，保证异地互联互操作顺利组织与实施。综合战场环境仿真数据库结构及其服务方法如图7所示。“人在回路”合成训练仿真虚拟战场环境服务包括综合战场环境数据库(含战场地理数据、气象水文数据、电磁环境数据、地物模型、军标模型、装备模型等)3.3复杂试验训练资源服务化技术模型可组合是指用户可以根据不同需求，使用统一架构之下具备互操作性、可重用性的各类仿真训练资源，灵活快速完成合成训练仿真逻辑靶场的构建，加速初始化和测试工作进程，提高逻辑靶场运行效率。模型可重用即按照“人在回路”合成训练仿真体系架构整合各类资源，实现在不同仿真节点与不同训练资源之间的互联互通互操作；对于其他异构仿真体系资源，通过服务化封装的方式适应统一体系架构，使其具备“三互”能力为实现将不同地域不同类型的训练仿真资源进行统一的调度管理和有效利用，需将其进行服务化，即忽略各类训练仿真资源内部各类功能实现的过程机制原理，按照统一标准的输入输出、调用规范和系统结构将资源虚拟化为服务，在云服务器上完成注册，达到对异地分布的试验资源统一精确的描述，实现简洁高效的分类和管理。资源服务化技术的基础是共用资源服务化描述框架，旨在为共用的复杂试验训练资源提供统一的建模和描述机制。服务化描述框架由服务描述语言实现，作为一种跨平台、跨语言的服务描述方法，能够对仿真资源的数据结构(基本类型、容器类型和自定义数据类型)和服务接口(API接口、基础数据查询接口、复杂数据结构)进行定义。资源服务化技术针对不同资源不同的访问需求，通过资源多类服务化封装方法和工具，支撑复杂试验训练服务化资源的开发与灵活部署。合成训练仿真活动涉及两类靶场资源：第一类资源是满足TISA中间件规范的各类资源应用，这些资源应用参与逻辑靶场的运行，称为在线资源，通过基于hadoop的在线资源管理技术进行描述和服务化；第二类是基础软件、标准规范、操作手册等基础性资源，称为离线资源，通过基于“门户+云”离线资源管理技术的TISA资源库进行管理3.4基于saas的系统服务化技术仿真即服务(SimulationasaService,SaaS)从数据资源服务化理念出发，综合运用云计算技术、服务化技术等构建仿真体系架构和运行支撑环境，部署合成训练仿真云服务资源网络，通过将执行仿真任务所需的仿真功能和资源构建或转化为服务，注册存储后按需运用服务来完成训练仿真任务，以此提高系统运行效率、仿真资源使用率和重复利用率，构建概念图如图8所示。SaaS技术可细分为资源服务化技术、系统服务化技术和系统柔性集成技术资源服务化技术在上文进行了论述，系统服务化技术包括虚拟化技术、服务仿真环境技术和服务组合编排技术。虚拟化技术将各仿真任务所需硬件资源进行重新分配，通过容器技术形成不同虚拟机，将仿真服务及其运行环境进行整体迁徙，实现仿真资源的按需提供SaaS柔性系统集成技术主要有3各方面：一是面向任务的服务重组，即依照任务需求进行仿真服务调用，形成完成任务所需服务合集，利用服务的模块化、重用性特点按需组合匹配为新的服务；二是面向推理的服务匹配，通过对比数据资源端存储的仿真实例经验，类比推断出最适合当前任务的服务功能并匹配给使用人员，降低人员能力经验要求的同时，使仿真系统集成随着实例和数据资源的增长和完善愈加