高层体系结构HLA仿真技术与应用研究

高层体系结构HLA仿真技术与应用研究

罗红英 陶英歌

空军工程大学导弹学院，陕西三原 713800

摘 要 介绍了高层体系结构（HLA）的基本思想和主要内容，并对该仿真系统设计进行了研

究。最后，将联邦开发和执行过程模型（FEDEP），模型应用于实战仿真系统中。

关键词 分布交互式仿真（DIS） 高层体系结构（HLA） 运行支撑框架（RTI）

Simulation and Application of High Level of Architecture

Luo Hong-ying, Tao Ying-ge

Missile Institute，Air Force Engineering University，Sanyuan 713800，China

Abstract: The fundamental idea of high level of architecture and its main content are introduced, and the design of such simulation system is researched. Then the model of FEDEP is applied to war simulation system in practice.

Keywords: Distributed Interactive Simulation (DIS)，High Level of Architecture (HLA)，RTI，FEDEP.

1 引言

在美国国防建模与仿真办公室DMSO（Defense Modeling & Simulation Office）1995年10月制定的建模与仿真主计划MSMP（Modeling and Simulation Master Plan）中，提出了未来建模/仿真的共同技术框架。它包括三个方面：高层体系结构HLA（High Level of Architecture）、任务空间概念模型CMMS（Conceptual Model of the Mission Space）和数据标准DS（Data Standard）。它们的共同目标是实现仿真间的互操作，并促进仿真资源的重用。

其中，HLA用于解决仿真系统的集成问题，为构造大规模仿真应用提供了一种应用集成方法，是实现DMSO建模/仿真的关键。美国国防部DoD（Department of Defense）已规定HLA为美国国防部所有仿真的标准技术结构，指出DoD将取消在1999财政年度前没有达到与HLA相容仿真的进一步支持，并在2001财政年度前清除

所有非HLA相容的仿真。目前，HLA已被正式接受为IEEE标准，成为新一代分布交互式仿真体系结构的标准。

在我国，从1996年起就有不少专家学者积极追踪这方面的研究情况，开展对它的概念研究，对分布交互仿真技术从DIS（Distributed Interactive Simulation）发展到HLA提出了自己的见解。许多院校和科研机构也开展了相关技术的研究，而且有的还开发出了相应的软件系统,并在实际的作战仿真中取得了很好的效果。

2 HLA的基本思想

2.1 规范化的应用层接口

一个HLA系统的开发可分为网络开发和仿真应用开发这两个相对独立的部分。在HLA系统中，仿真应用称为联邦成员，参与交互的联邦成员一起构成联邦，整个演练过程称为联邦执行，联邦和联邦成员都应符合一定的规则；在联邦执行过程中，联邦成员通过运行时间支撑基础

罗红英：(1980年~)，女，空军工程大学导弹学院防空指挥系研究生三队在读博士研究生，研究方向为智能信息处理。E-mail：lhy7692@163.com

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·论文与报告· 《战术导弹控制技术》 2007年No.1（总56期）

RTI进行交互，联邦成员与RTI之间的软件接口应符合HLA接口规范要求；在联邦成员应用程序的开发过程中，应采用面向对象的方法，建立统一的对象模型模板。

在HLA中，RTI可以看作一个分布式的操作系统，它在每个联邦成员的主机中都有驻留程序，联邦成员在开发过程中秩序遵循相应的规则与RTI接口规范，在运行过程中叶至于本纪的RTI驻留程序进行直接交互，其余的交互任务全部由RTI来完成。 2.2 星型逻辑结构

在DIS中，仿真网络从逻辑上是一种网状连接，每个仿真应用向网络上其它仿真应用广播自身的状态信息，同时又接收其它仿真应用的信息，这种结构不能支持大规模的合成战场环境的建模与仿真。

在HLA的结构下，仿真网络呈现出一种星型的逻辑拓扑结构。在HLA中，所有仿真应用都通过RTI进行通讯，这种结构是仿真应用更加有序，仿真网络的规模扩展成为可能。

仿真应用 仿真应用 仿真应用 仿真应用 仿真应用 仿真应用 图1 DIS的逻辑拓扑结构 仿真应用 仿真应用 仿真应用 运行时间支撑基础(RTI) 仿真应用 仿真应用 仿真应用

图2 HLA的逻辑拓扑结构 2.3 客户/服务器结构

在DIS中，仿真网络是一种严格对等网络，仿真应用随时向其它仿真应用广播状态信息。

在HLA中，采用客户/服务器结构，联邦成

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员和RTI之间通过和请求提供一系列服务的方式来实现交互，服务包括联邦管理、联邦声明、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理。每个联邦成员都可以指明自己能发布的信息、想要接收的信息、数据的传输形式、传输机制等。由此，严格保证只传输变化的信息，只传送接收放需要的信息。 2.4 冗余数据大大减少

在DIS中，网络传输的对象是PDU，每个PDU都包含了一系列信息，即使其中一个数据发生变化，也要发送整个PDU。而HLA中，网络传输的数据来源于联邦成员与RTI之间的各种服务和应答。当实体的参数发生变化时，就传送这些参数的数值。 协议版本 DIS 联邦执行名 演练标识 PDU PDU类型 协议族 联邦时间 头部时间戳 PDU长度 实体实体标识 对象实体标识 … 属性名 参数X，Y，Z … 属性值 DIS的实体状态 PDU HLA的更新属性值服务 图 3 DIS与HLA数据间的对应关系对于同一个仿真演练来说，无论是DIS还是HLA，其仿真目的和演练内容都是相同的。因此，仿真过程重要传递的信息流也是相同的。从图3可以看出，HLA各项接口服务的内容实际上就是将原来PDU中的内容提炼出来，而不必传送实体的全部数据。

3 HLA的主要内容

HLA是一个通用的仿真技术框架，它定义了构成分布交互仿真各部分的功能和相互关系，主要包括三部分内容：①规则；②接口规范；③对象模型模板OMT。 3.1 规则

HLA共定义了10条规则，表达了对HLA兼容的联邦成员和联邦的设计目标和限制，以确保

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一个联邦内仿真的正确交互，总结了HLA如何应用的方式。其中，前5条规则规定一个联邦必须满足的要求，而后5条规则则是一个联邦成员必须满足的条件。 3.2 接口规范

高层体系结构HLA是一个开放的、支持面向对象的体系结构。它采用面向对象的方法学来分析系统，建立不同层次和粒度的对象模型，从而促进了仿真系统和仿真部件的重用；同时能适应不断发展中的新技术，来满足复杂大系统的仿真需要。HLA的关键组成部分是接口规范，它定义了在一个联邦演练中，支持联邦成员通过运行支撑系统RTI实现成员之间的相互交互、协调和协同作业的标准服务。

RTI作为联邦执行的核心，其功能类似于某种特殊目的的分布式操作系统，跨计算机平台、操作系统和网络系统，为联邦成员提供运行所需的服务。RTI提供6种服务，即联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理和数据分布管理等服务。

(1) 联邦管理：联邦管理是指创建、动态控制、修改和删除一个联邦运行。在一个联邦成员能够加入联邦运行之前，联邦运行必须存在。一旦联邦运行存在，联邦成员能够以任何次序加入和退出联邦。

(2) 声明管理：HLA声明管理方法要求联邦成员向RTI声明他们的愿望，以产生和接收对象状态信息。这些声明必须与FOM一致。除对象状态信息外，由联邦成员产生和接收的交互信息也必须加以说明。

(3) 对象管理：RTI的对象管理服务是在声明管理的基础上，实现对象实例的注册/发现、属性值的更新/反射、交互实例的发送/接收，以及对象实例的删除等功能。

(4) 所有权管理：所有权管理服务允许联邦成员传递对象属性的所有权。

(5) 时间管理：时间管理是关于在联邦运行期间沿联邦时轴控制联邦成员进程的一种机制。通常来讲，时间进程必须与对象管理服务协调一致，以便将信息及时按顺序要求传递给联邦成员，进而使联邦成员满足在所建模型的系统中，重新产生因果行为的要求。

(6) 数据分配管理：为支持联邦内数据的有

效分配，RTI提供了一套服务机制，该机制使数据分配的明确管理更便利。 3.3 对象模型模板OMT

HLA对象模型是由一组相关部件组成，这些相关部件定义了对象类、对象属性和对象交互的有关信息。这些部件的信息内容可以用多种方式来表示，但HLA要求这些部件以表格的形式来表示。模板作为HLA对象模型的核心应采用表格形式，它由以下几个部件组成：

——对象模型识别表：将重要的识别信息与HLA

对象模型联系起来；

——对象类结构表：记录所有仿真或联邦对象类

的空间名，并描述它的类-子类关系； ——交互类结构表：记录所有仿真或联邦交互类

的空间名，并描述它们的类-子类关系； ——属性表：定义一个仿真或联邦中对象属性的

特征；

——参数表：定义一个仿真或联邦中交互参数的

特征；

——进程空间表：定义一个联邦中对象属性和交

互的进程空间；

——FOM/SOM字典：定义表中所用的所有条目。

在某些情况下，尽管一些表是空的，但当提供一个HLA对象模型时，联邦和个体仿真(联邦成员)都得使用OMT中的所有7个表格。然而，所有HLA对象模型都应至少包含一个对象类或一个交互类表格。

4 基于HLA的仿真系统设计

基于HLA的分布式交互仿真应用的开发和执行过程是一项复杂的系统工程。包括需求分析、总体设计、详细设计、编程和测试、软件维护等主要阶段。美国DMSO提出了开发分布交互仿真系统的软件工程方法，即联邦开发和执行过程模型——FEDEP模型，是指导HLA分布仿真系统设计开发的基本方法。

FEDEP为联邦开发提供了一个一般的、通用的步骤，即规定了联邦开发过程中所有必须的活动和过程，以及每一个活动和过程需要的前提条件和输出结果。从而有利于联邦开发的需求分析、设计、实现和测试，以便于联邦开发的管理和组织，并可最大程度地避免在联邦开发过程中由于失误而耽误了开发的进程。

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FEDEP将联邦开发和执行过程抽象为六个基本步骤，即：

(1) 定义联邦目标，即定义联邦开发所有达到的目标。

(2) 开发联邦概念模型，即对所要仿真的真实世界进行抽象性的描述。

(3) 设计联邦，这一过程确定联邦组成，并

测试评估标准 可重用的产品联邦目标描述联邦需求联邦概念模型联邦成员剧情实例 修改后的联邦成员项目目标 可得资源 定义联邦目标初始计划文档 联邦剧情开发联邦概念模型设计联邦开发联邦集成和测试测试数据 联邦开发计划FOM FED文件RTI文件 给各个联邦分配功能。

(4) 开发联邦，这一阶段的目的是开发联邦对象模型（FOM）。

(5) 集成和测试联邦，即检查和测试联邦对象是否达到了仿真的目标。

(6) 运行联邦和分析结果。

下面给出FEDEP模型的顶层视图（如图4）。

反馈用户 测试过的联邦成员运行联邦和准备结果图4 FEDEP模型的顶层视图 图4描述了每一步之间的关系，以及每一步

用性，开发人员可以通过重用或适当修改已有的产品，就可以满足用户的新要求，从而节省资源。否则，所有的活动都需要从头开始。总之，FEDEP模型只是提供了一个通用的、一般的联邦开发过程，联邦开发者需要根据具体的应用领域特点，进行相应的调整和修改。

FEDEP为联邦的开发和执行描述了一个高层次框架，其目的是指导联邦开发者进行联邦的开发。下面给出FEDEP模型中各步的活动内容。

所需的初始条件和输出结果。以上六个步骤是一个反复迭代和修改的过程，而且根据不同应用的特点，表现出明显的不同性。首先，六个步骤根据不同的应用可能采用不同的方法实现，而且所需的时间和精力也不一样。第二，所需要的开发人员数量依据联邦涉及的范围不同变化而变化。第三，完成六个步骤所需的主要资源，包括人力、时间、费用等，与已有联邦产品的可重用程度不同而不同。如果已有的联邦产品具有较好的可重

FEDEP模型的步骤

活 动 内 容

1 定义联邦目标 1.1 鉴别联邦发起人需要 1.2开发联邦目标

2 开发联邦概念模型 2.1 开发剧情 2.2 进行概念性分析 2.3 开发联邦需求 3 设计联邦 3.1选择联邦成员 3.2 分配功能 3.3 制定计划

4 开发联邦 4.1开发FOM 4.2 建立联邦协定 4.3 实现联邦成员的修改5 集成并测试联邦 5.1 制定运行计划 5.2 集成联邦 5.3 测试联邦 6 运行联邦并分析结果 6.1 运行联邦 6.2 处理结果 6.3 输出结果

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·论文与报告· 《战术导弹控制技术》 2007年No.1（总56期） 5 HLA应用系统实例

根据DMSO公布的HLA联邦开发和运行过程FEDEP（Federation Development and Execution Process）1.4版中确定的模型，HLA仿真系统的开发和运行过程包括6个步骤。FEDEP虽然不是HLA标准的组成部分，但它对于确定在联邦开发过程中的关键任务具有重要的指导意义。

以此为指导，将FEDEP模型运用于某型仿真系统，通过上面对FEDEP模型的分析，我们确定了仿真系统结构组成。该结构组成主要由下列

图5 演示仿真系统结构组成示意图

向。我们在这方面开展了大量的工作，对于后续开发研究工作有一定的借鉴作用；但仍需要进一步研究相关理论，并开发完善相应的工具软件，以推动我国仿真技术的发展。

红方 预警卫星仿真平台 数据(接收)传输 仿真 平台 信息处理仿真平台应用信息分发仿真平台管理控制系统仿真平台地基雷达预警系统仿真平台地空拦截 武器系统 仿真平台RTIRTI 运行支撑环境蓝方 进攻导弹仿真平台白方仿真管理控制系统数据库管理系统 音响视景系统显示评估系统 构成，如图5所示。

白方：仿真管理控制系统、数据库管理系统、

音响视景系统、显示评估系统。 蓝方：进攻导弹仿真平台。 红方：卫星导弹预警系统仿真平台、地基雷

达导弹预警系统仿真平台、地空拦截武器系统仿真平台组成。

其中，卫星导弹预警系统仿真平台又由预警卫星仿真平台、数据（接收）传输仿真平台、信息处理仿真平台、应用信息分发仿真平台、管理控制系统仿真平台组成。

卫星导弹预警系统仿真平台6 小结

HLA是新一代分布式交互仿真体系结构，它代表着当今分布式交互仿真技术领域的发展方

参考文献

[1] DMSO. High Level Architecture Interface Specification. Version 1.3，http://www.dmso.mil [2] DMSO. High-Level Architecture Object Model Template Specification. Version 1.3，http://www.dmso.mil [3] DMSO. High-Level Architecture Rules. Version 1.3， http://www.dmso.mil

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[7] 金伟新. 大型仿真系统[M]. 电子工业出版社，2004.8. （2005-12-01日收）

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