2012-11-29 09:00:53
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1 先進分布仿真標準
先進分布仿真標準化工作起源于20世紀80年代初美國的仿真器聯網（SIMNET，Simulator Networking）計劃，為了將大量分散在各地的仿真器聯網，構造一個人可以交互的虛擬戰場，提供一個群體協同訓練的環境，制定了仿真器的聯網標準和協議，即"SIMNET網絡和協議"。
SIMNET主要適用于同構類型的仿真器，隨著仿真規模的擴大和仿真應用類型的增加，發展了更為普遍適用的分布式交互仿真（DIS，Distributed Interactive Simulation）。分布式交互仿真采用一致的結構、標準和算法，通過網絡將分散在各地不同類型的仿真系統互聯，建立一種人可以參與交互作用、時空一致的綜合環境。DIS標準化的結果為IEEE1278.X系列標準。
DIS是定位于平臺級的實時仿真，適用于戰術級仿真，對于戰役、戰略級仿真，美軍定義了聚合級仿真協議（ALSP，Aggregated Level Simulation ）。
為了在更高層次上通過保證建模與仿真的可重用性和互操作性，最大限度地共享建模和仿真技術及其成果，滿足國防領域對建模與仿真的需求，1995年美國國防部公布了建模與仿真主計劃，提出了6大目標，其核心是為建模與仿真提供一個通用的技術框架，它由任務空間概念模型（CMMS，Conceptual Model of Mission Space）、高層體系結構（HLA，High Level Architecture）和數據標準（DS，Data Standard）組成。其中HLA的標準為IEEE1516.X系列。
2 建模與仿真標準體系的組成及開發流程
美國國防部公布了建模與仿真主計劃后，美國三軍以及北約也提出了類似的建模與仿真主計劃，為建模與仿真標準化提供了基本的發展方向，這些方向涉及仿真開發、數據、模型、算法、環境表述、信息獲取、可信度增強等各個方面。在主計劃中提出的6大目標經美國陸軍的發展，形成了19個建模與仿真標準的種類。
建模與仿真標準化的開發流程主要包括組隊、需求定義、開發標準、達成共識、發布標準和教育等7個步驟。
3 DIS標準的基礎框架
DIS的核心在于連接各個獨立的計算節點，建立一種與人的感覺和行為相容、時空一致的綜合環境。這種連接必須遵循共同的網絡通信服務、數據交換協議、算法和數據庫。
DIS標準開發的四個主要領域：互聯、綜合環境組件、支撐環境和演練組織與管理。與數據交換的互聯標準同樣重要的是對組織分布式仿真系統、運行仿真演練和建立支撐環境的過程進行標準化。如圖2所示，演練組織與管理、支撐環境這兩個領域也包括在運行結構中，為了取得互操作性，它們必須與核心標準同步開發，以保證標準的一致性和高效性。
4 DIS標準介紹
4.1 DIS應用協議
DIS應用協議定義了仿真應用和仿真管理之間交換的數據信息，即PDU，定義的主要內容包括：數據項標記、數據項的公共表示、數據項的PDU裝配、PDU發送的時機和場合、對PDU的接收處理和必須實現的關鍵算法（如DR算法）等。
IEEE1278.1－1995版本定義的27個PDU分為6大類，即實體信息與交互類PDU、作戰類PDU、后勤類PDU、仿真管理類PDU、電磁發射與激光導引PDU和無線電通信類PDU。由于DIS應用協議提供了各種基本的數據結構，可以方便地根據用戶需求擴充和定義新PDU，其后續版本陸續增加了聚合級類PDU、環境類PDU、水聲類PDU、實驗類PDU等。
與此標準相配套的另一個標準為EBV－DOC（Enumeration and Bit Encoded Values），它給出了應用協議標準中所有枚舉類型和編碼的定義。
4.2 DIS通信協議
PDU定義了仿真應用之間計劃的信息，而通信協議確保所用的介質、服務種類和協議滿足性能要求。DIS通信服務定義于IEEE1278.2－1995標準之中，它充分利用了現有的網絡協議，并同時提出DIS的特殊要求：
● 通信要求
包括PDU的服務要求和多點通信要求：PDU的服務要求包括最佳效果的多點通信和可靠的單點通信，多點通信要求包括廣播式通信、多點通信和其他一些推薦的通信服務。
● 性能要求
包括網絡帶寬要求和通信服務質量（QoS）要求。
● 錯誤檢測要求
4.3 DIS演練管理和反饋協議
大型、多地演練的規劃、運行和監控是一個十分復雜的過程，遠遠難于網絡通信自身的管理。在演練之前，需要采用電視會議和其他手段進行大量的人與人之間的通信，以確保所有參與者理解并同意演練目標，而且確保所要求的仿真應用、人員、通信帶寬等資源可以及時到位。另一個費力的問題是配置管理，特別是包含異構仿真的情形。每個仿真應用都有各自的可調參數，如果要求重復演練，則必須記錄下每一個參數。IEEE1278.3－1996標準為DIS演練的規則、設置、執行、管理與評估提供了指南。
4.4 DIS校驗、驗證和確認協議(VVA)
形成、采用并實現DIS適用的VVA方法和流程是定義支撐環境成分的焦點，同時建立逼真度特征和描述的標準分類也是VVA過程的有機組成部分。開發過程要確定模型、仿真應用和仿真器是否兼容的原則，也要根據DIS目的和目標來考察模型、仿真應用和仿真器的功能表示。IEEE1278.4－1998標準定義了DIS演練各個階段的VVA過程。
4.5 DIS逼真度描述協議
IEEE1278.5標準為DIS潛在用戶定義了一種方法來描述建模和仿真組件的逼真度。使用這種方法，建模和仿真組件能夠連入實時仿真應用并達到應用目標所要求的逼真度。它采用面向對象分析和結構化分析/設計技術，將逼真度劃分為DIS資源、逼真度領域、能力、實現、特征和描述六個層次。
4.6 DIS環境標準
仿真環境標準是在空軍2851項目（仿真器數據庫設施）下開發出來的，它提供了描述地形、紋理和動態模型的數據庫格式軍用標準SIF。
SIF標準包括三種數據格式：SIF/HDI、SIF/DP和GTDB（Generic Transformed Data Base）。SIF/HDI是用于在仿真器數據庫設施（SDBF， Simulator Data Base Facility）和外部數據庫生成系統或變換系統之間進行仿真器數據庫交換的一套綜合格式；SIF/DP 是用于采用SDBF內部二進制格式進行數據庫交換的場合；GTDB是一個從SDBF輸出產品的格式。
SIF標準實際上由美國軍標1820和1821兩個標準組成，它實際上定義了不用數據庫系統之間格式變換的一種中間標準，它在使用過程中還要用到另一個美國軍標2500，即國家圖像傳輸格式標準（NITF， National Imagery Transmission Format Standard）。
4.7任務空間的概念模型CMMS
任務空間的概念模型（CMMS）是對真實世界權威性的第一次抽象，它對特定任務領域實體間的活動和交互給出了層次化的描述，同時它提供了知識獲取的通用框架。CMMS用于解決各種真實世界中系統在建模與仿真中的表示問題，它是實體和交互描述的標準。任務空間概念模型為作戰人員、條令開發人員、教練員、C4I開發人員、分析人員和仿真開發人員提供了通用的視點，是他們之間進行通信的媒介。
美國國防部1997年2月發布的"任務空間概念模型技術框架"詳細定義了任務空間概念模型的組成部分、技術框架、知識存儲和相關的開發支持及應用工具。
5 HLA標準
HLA的核心由3個互相關聯的部分組成：HLA框架與規則、運行時間支撐系統RTI(Run Time Infrastructure)接口規范和對象模型樣板OMT(Object Model Template)。2000年9月生效的IEEE1516系列標準分別對這三部分進行了標準化。
5.1 HLA框架和規則
HLA框架和規則定義于IEEE1516標準中，它給出了HLA采用的術語、系統的組成和一套規則。HLA規則分為五條聯邦（Federation）規則和五條聯邦成員(federate)規則。
5.2 HLA接口規范
IEEE1516.1標準定義了聯邦成員和RTI之間的功能接口。RTI類似于分布式操作系統，它通過130個調用接口把聯邦成員有機地連接起來。這些調用功能可以劃分為六類：聯邦管理、聲明管理、對象管理、所有權管理、時間管理和數據分發管理，另外，還包括支持這六類管理的其他服務。聯邦管理用于對聯邦執行的整個生命周期的活動進行協調。聲明管理用來建立聯邦成員要公布和訂購的對象屬性和交互。對象管理支持對對象的屬性以及對象產生的交互進行建立、修改和刪除。所有權管理允許聯邦成員動態地轉移對象屬性的所有權。時間管理用于控制聯邦時間和聯邦成員時間的推進，它支持具有不同時間推進機制的聯邦成員，它與對象管理服務一起保證聯邦內信息按因果關系提交給各聯邦成員。數據分發管理允許聯邦成員規定它發送或接收數據的分發條件，以便更有效地分發數據。
5.3 對象模型樣板
IEEE1516.2標準定義了仿真中的對象、對象屬性和對象間信息交互的格式和內容。HLA中的聯邦對象模型FOM和仿真對象模型SOM就是通過OMT來描述的，FOM對HLA聯邦中聯邦成員之間的共享信息及其交換條件進行了描述，它包括被共享的對象、屬性和交互作用。SOM是單個聯邦成員中的對象模型，它描述了聯邦成員中所有對象的屬性和關系，從而提供了判斷聯邦成員是否適合聯邦的方便而標準的方法。FOM/SOM是一種建模的標準化技術和方法，它便于模型的建立、修改、生成與管理，便于仿真資源的重用。
6 數據標準
模型與仿真的有效性和適用性是建立在標準的、經認證的數據基礎之上的，數據的標準化有助于提高和促進國防部門之間的信息交換。數據標準用于建模、仿真和C4I領域共享數據的標準化，它要給出權威的數據源、建立標準的數據交換格式（DIFs，Data Interchange Formats）、提供VVA過程和工具并建立數據安全政策。
數據標準種類的定義包括建立數據元、數據庫結構、訪問程序、系統通信、數據維護與控制等標準。該標準種類包括：開發與維護命名標準、數據元表述標準、數據VVA過程標準、數據建模標準、標準查詢語言和其他相關的數據庫及數據可視化工具的軟件標準，以及數據轉化方法的標準等。
美國國防部在1997年2月發布的"建模與仿真數據工程技術框架"用于指導建模與仿真領域中的數據工程實踐。
7 自然環境標準SEDRIS
仿真與建模主計劃中第二個目標是為自然環境提供及時和權威的表示。它包括地形、海洋、大氣和天空的三維表示。SEDRIS為綜合環境數據庫之間進行確定而損失最小的數據交換提供了統一和有效的機制。SEDRIS由數據模型、API接口和相應的軟件工具組成。
數據模型提供了一種手段來定義建立綜合環境所必需的數據元素及其關系，它采用了面向對象的方法來表示真實環境。SEDRIS數據模型可劃分為幾何、特征、圖像、拓撲和數據表五個基類，目前包括332個數據類；API接口提供了對數據模型的訪問，它將數據庫產生系統與數據交換介質的數據結構分開；軟件工具通過SEDRIS API接口來檢查、校核和瀏覽SEDRIS傳輸。
SEDRIS標準包括數據表示模型和數據編碼標準。數據表示模型給出了數據模型的描述，數據編碼標準給出了數據的編碼和枚舉類型，為HLA對象模型數據字典的擴展提供了堅實的基礎。
