评估仿真网格系统结构指挥自动化系统效能

摘 要:根据网格思想提出一种基于HLA的仿真体系框架,整个框架分为应用层、HLA层、模糊层三层:应用层放置各种作战方案,由军事人员操作;HLA层由RTI支撑,邦元完成作战方案对模型的调用;模型层则是各种模型及其管理的集合。该框架利用DCOM技术对仿真模型资源进行管理及任务调度。RTI则负责邦元的通信及时间管理,这样将仿真模型与HLA体系分离,为大规模军事仿真提供了一种有效的方法。介绍了仿真网格系统原型,最后以潜舰作战为例,具体研究了系统实现方法。

关键词:网格 HLA  DCOM 模型容器

Abstract:In this thesis,on the basis of grid conception bring forward a simulation architecture which isseparated into three layers:the application layer,the top layer,includes all kinds of battle scenariosoperated by military personnels;the HLA layer,the middle layer,which surported by RTI is due to invokecomponent module;the model layer,the bottom layer,http://www.51lunwen.com/junshi/includes all models and management of thems.Thisarchitecture is based on HLA,using DCOM to manage resource and task,and the responsibility of RTI isonly communication and time management,then the simulation model is aparted from HLA architecture,which give a effective method for large scale military simulation.The system prototype of simulation grid isdescribed in this article.At last,particularly research into the realization of the submarine-warship rivalryas a example.

Key words:grid,HLA,DCOM,model-container

引 言

最近几场高技术局部战争显示,指挥自动化系统在支持远程精确打击、军兵种联合作战和夺取战场信息优势方面具有不可替代的作用。指挥自动化系统作为一类新型的高技术装备,其作战效能评估与分析问题是亟待解决的重要课题。而仿真是对其作战效能进行评估的一个最经济、有效、重要的手段。国外对各类指挥自动化系统效能评估工作都很重视。HLA(High Level Architecture)仿真体系结构已成为军事仿真的标准,美军在HLA仿真方面的研究成果较多。尤其是现在,将网格技术引入HLA仿真方面作了很多的工作,提出了许多应用方案的原型。例如将富有“弹性”的网格中间件集合Globus用于HLA大规模军事仿真的原型[1]。就在去年初, Globus提出了OGSA ( Open Grid ServiceArchitecture)开辟了网格技术的一个新局面[2]。在国内这方面的工作相对较少。清华大学都志辉对OGSA进行了很多研究并提出一些网格原型[3],刘鹏在把Globus应用于SFEXPRESS大规模军事仿真中做出许多探索[4]。

1 仿真网格系统结构指挥自动化系统效能评估

仿真需要通过把模型分成并行执行的、多个逻辑进程来减少大规模离散事件仿真应用的执行时间。同时实现重用、互操作和地理分布:一个大规模系统仿真,可以通过把现存的仿真模型(邦元)可能地理上不同位置有选择地链接在一起,以形成整个系统仿真(联邦)。HLA与网格结合正满足了这一需求。网格是利用因特网更进一步利用分布在各地理位置不同的信息资源组成网络计算机,是为人们提供各种服务活动的一种设施,如美国的全球信息栅格,完成气象预报网格设施,是不成熟的待发展的思想。网格一词来源于电力网格的类推,二者具有许多相似之处(如表1)。网格具备有三种基本功能(任务管理、任务调度和资源管理),在个体和公共机构上的动态收集形式的资源共享成为可能,称为“虚拟组织”。在这种组织形式上具有共同目的,而在地理上分布的资源可以共享及通信。

HLA-RTI具有六大功能:联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理、数据分发管理。HLA通过它的规则、接口定义和对象模型模板被设计用来支持仿真模型的重用和互操作。基于HLA标准的仿真平台与系统和网格思想十分接近,有很多概念与网格中的概念相似,只是表述不一样见表2。 ·

RTI中的联邦与网格概念中的虚拟组织就基本一致,网格计算着眼于大型应用项目,按照网格的观点,大型应用项目应该由许多组织协同完成，它们形成一个“虚拟组织”,各组织拥有的计算资源在虚拟组织里共享,协同完成项目,同时组织需要具有动态加入的能力。RTI的联邦正是一种“虚拟组织”,而众多的邦元正是用于完成大型应用项目的各种组织。·网格中的虚拟组织需要的是一个非常富有弹性的共享关系。共享的时间、权限、资源的数量都会不断发生变化。RTI则利用声明管理、对象管理、所有权管理、数据分发管理等达到相同的目的,实现“弹性的”共享。

·根据网格观点,所有用于共享的实体都是资源,计算机、存储器、数据、软件等是资源,分布式文件系统、缓冲池等也是资源。对于仿真而言,无论是模型服务还是实物,RTI将所有参加仿真的资源均视为邦元。·对于共享而言,网格中有价值的不是设备本身而是实体的接口或界面。HLA则将所有参加仿真的实体抽取特征并加以量化从而进行共享。·从技术的角度看,网格共享是资源或实体间的互操作。而RTI共享数据也是通过RTI的操作实现的。·另外,网格要求外部实体不关心组织内部的数据和信息,RTI通过多层次的RTI提供不同联邦间的数据保护。这些相似性决定了HLA可以较好地与网格服务结合,从而满足大规模仿真的需要。根据上述思想,提出了基于网格服务的仿真体系框架如图1(见下页)。整个框架共分三层:应用层,HLA层,模型层。应用层:完成对仿真的控制,包括远程启动邦元,暂停,结束,存储,打开及仿真表现等,主要面向军事人员。HLA层:负责模型的调用及各仿真实体间的通信。模型层:存储各种用于仿真的服务。这些服务可以用COM组件形式提供给用户。在该仿真环境中,每个并行计算机上安装了资源分配管理器GRAM(Grid Resource AllocationManager)。GRAM负责管理本地资源,并把资源的动态情况反映给网格信息服务GIS (GridInformation Service)。这样,网格中资源的动态变化情况,可以及时反映到GIS上。使用仿真任务管理器STM(Simulation Task Manager)资源协同分配,它负责与所有的GRAM打交到。网格安全框架GSI(Grid Information Infrastructure)则负责信息安

全。申请到足够的软硬件资源之后,就可以利用文件传输服务GFTS(Grid File Transport Service)模块把初始数据自动传送到每一台并行计算机上,并为它们设置不同的初始参数。由于GIS是动态更新的,就使得应用程序在运行过程中,可以根据资源的变化自动调整运行状态,如果个别并行计算机出现性能下降的情况,仿真程序可以将一些运行任务转移到其他计算机上,从而保障了全局的正常运行。仿真程序的输出数据及运行过程中产生的日志,则可通过RTI,记录在指定的位置,进行分析和重演。

2 关键技术

2.1 DCOM技术Microsoft的分布式COM(DCOM)是世界上领先的组件技术COM的无缝扩展,可以将基于COM的应用、组件、工具以及知识转移到标准化的分布式计算领域中来。它具有很多优点:组件可复用,位置独立性,语言独立性,可扩展性,对称的多进程处理(SMP),配置灵活,负载平衡,优化网络的来回旋程,Windows NT扩展的安全框架,容错支持,平台无关,协议无关。用元组件搭建方案所需的仿真实体,这对于指挥自动化效能仿真中各种实体的相似性是一个很好的适应。模型重用有两种方式:包容和聚合。我们编写了可视化开发环境,这些组件以“拖拽-属性设定”形式添加,这对于仿真实体的开发是非常便利的。仿真组件需要位置透明。作为一个负载平衡系统,客户不是被分配到某台特定的服务器。相反,用户通过STM(仿真任务管理器)找出它们应该使用哪一个分布式对象,获取相关的信息。因为每一个客户在连接到服务器进程前都询问STM,所以STM能够根据登记的资源列表以一种使负载在各个机器上平衡的方式自由地将客户分配给服务器。

2.2 邦元设计邦元是RTI与仿真模型之间通信的中间层:它负责模型与RTI的对话,同时邦元是模型的容器。这样将组件服务从邦元中剥离的好处是:可以提供独立于HLA仿真语法的组件服务,这大大有利于服务的重用;也可以将各邦元需要用到的服务集中起来建立集中服务器进行有效的管理。

2.2.1 模型容器对于实体模型而言邦元是容器,它是分布式邦元间所有需要交换的变量的集合,是输入集、输出集及服务调用控制的并集,而输入集到输出集的映射关系则封装在模型服务中。邦元通过公布/定购方式在地理分布的邦元间进行数据的传递。通过公布/定购这些变量实现邦元通信,而这些变量与仿真中需要用到的实体模型中的属性相对应,任何模型中属性的变化都会引起相应邦元中变量的改变。当邦元定购的变量发生改变时,RTI会通过回调函数通知邦元,邦元在这些回调函数中实现邦元变量值的更改,并向模型服务器发送更新模型实体实例的相应属性值的消息。服务器的位置是对用户完全透明的。用户无需知道模型服务器的位置,分配工作均由STM完成。STM根据GIS提供的网格中软硬件资源的信息来均衡负载,当某服务器忙时,STM会将模型服务代码传送到空闲服务器并注册执行。正是由于网格服务的支持,仿真才具备了适应网格环境变化的“弹性”,大大增强了其实用性。

2.2.2 通信中介邦元负责与RTI通信。一个HLA应用运行包括两个RTI执行进程,即RTI执行进程rtiexec和联邦执行进程fedexec,成员通过调用RTI库函数将HLA服务扩展到成员。其中,rtiexec运行于一个平台上, 通过预置端口的数据,负责创建和取消联邦执行,可管理多个联邦的执行;每个联邦一个fedexec进程,由fedexec管理该联邦的运行和交互。RTI库定义的两个类: RTIambassador和federate Ambassador,其中RTIambassor定义和实现了federate所需的与RTI通讯的接口,是成员主动调用的;federateAmbassador则定义和实现RTI所需的与federate通讯的接口,由RTI回调。HLA应用的交互模型,实际上就是定义和实现仿真对象的RTIambassador和federateAmbassador,如何正确地实现也正是交互模型实现所要完成的功能。邦元通过RTIAmb更新变量,发送消息;RTI通过FedAmb回调函数给邦元发消息。邦元负责实体模型与RTI的通信。

2.3 服务信息收集与管理仿真模型服务器是仿真组件的物理运行环境,大量的计算集中于此,因此由一些高性能的计算机组成。模型服务器只需在加入网格时在GIS服务器上进行资源登记即可。

2.3.1 注册与资源信息收集随着模型的数目增多,每增加一个模型,如果在各个模型服务器上手动注册,这是一项费时而又易出差错的工作。此时如果把众多的模型可执行文件和注册信息由STM分配管理和自动注册,这样在模型数目较为庞大时就是一个很好的管理策略。采用这种形式管理模型的最大好处是不需作任何手动改动,避免出错且提高效率。当远程机器安装了新的服务后,会将与服务相关的信息及本地机器的可利用资源信息发送给GIS服务器,GIS将信息记录在数据库中,为想定及其它应用提供信息。在GIS中记录的信息有硬件信息及模型服务信息,模型服务主要有模型描述(包括名称、功能描述等以供查询)、接口参数、模型定位等,硬件信息包括CPU占有率、存储空间、网络带宽占用情况等。当想定需要使用模型时向STM发出资源申请,STM从GIS获取相关模型信息及硬件信息,均衡负载后将模型信息提供给应用程序,应用程序根据获取的信息到相关的模型服务器上寻找所需的服务。

2.3.2 模型管理根据GIS提供的信息,还可以通过可视化的方式对模型进行管理。根据各机器提供的可利用资源信息,在资源丰富的机器上安装服务以均衡负载。另一方面,当某并行服务器服务较多、负载过大时,可以从该服务器上注销部分服务,以减轻其负担。另外,在仿真中常常需要将很多元模型组合成一个模型来提供服务,对于组件来说这也很容易实现。将各子组件以聚合或包容的方式组合在一起,生成一个新的组件和依存关系信息并在GIS中进行登记,这样就可以提供给应用程序使用。

3 仿真网格原型系统设计

3.1 试验环境设计并实现的系统基于Windows 2000,带DCOM库并需要相应网络协议的支持。所使用的RTI支撑环境是pitch RTI1.3(10节点版)。仿真系统应用支持软件主要有三个部分:网络资源探测器、注册中心、模型服务组合与应用。</P>

3.2 应用实例现以假想的潜艇作战为例,研究系统具体实现过程。该想定用到四个邦元,分别放置侦察系统、指挥所、舰艇、潜艇实体,如果需要可增加管理邦元、环境邦元等。由于使用的pRTI1.3有结点数量限制,在实体数量很多的仿真中,必须在一个邦元中放置多个实体,并将模型置于模型服务器使仿真计算由模型服务器来承担,从而平衡负载来适应大规模仿真。否则,RTI限制必将成为仿真的瓶颈,使仿真规模无法进一步扩大。潜舰作战仿真的各实体由可重用的元组件搭建而成,这些元组件则是各种模型的实现。如图2,舰艇模型可分解为平台系统、武器系统、通信系统、电子设备系统、导航控制等模型,平台系统模型又可进一步分解为显示、驾驶、救生等模型。

整个交战过程想定如下:侦察系统将侦察到的舰艇图像信息传递给指挥所和潜艇,指挥所进行判读,如发现目标则做出决策进行攻击,若潜艇收到攻击指令则舰艇开火,进行交战。其中舰艇的移动过程中被潜艇击毁的具体过程如图3舰艇组件Move()改变属性Position的值,舰艇邦元的相应环境变量值Xposition和Yposition相应更新,而此二值被潜艇邦元定购。潜艇发动攻击,若被击中则RTI回调舰艇邦元的Destroyed(),该函数调用舰艇组件的Destroy()方法,舰艇组件实例被销毁。其它作战过程的实现与此相似,不再一一详述。

如果大量的计算装载在同一个服务器上完成则会拖慢整个联邦仿真,将负载平衡是必须要做的工作。在添加服务器的时候,服务器端软件GRAM会向GIS发送相关信息,并在将本地服务器资源及负载情况发生变化时在资源管理服务器上登记。登记的服务器情况供调度进程进行任务调度之用,从而实现负载平衡及弹性服务。另外,如果在程序运行过程中,有并行计算机出现异常情况(比如硬件故障或停电),或者连接某台并行机的网络出现拥塞或根本不通,或者加入网格的并行计算机因为有更重要的任务,要求提前退出模型服务的执行,就可以将服务转移到其它空闲机器执行。这种“弹性”在未加入网格技术的时候是不可能的。对于仿真组件的管理,我们开发了仿真组件管理器,提供组件注册、浏览、相似组件的组合等功能,以支持可视化的管理。

4 结束语

本文中将仿真分为应用层、HLA层、模型层三层的体系框架经过我们利用已有的模型实验证明,能较好地适应指挥自动化效能仿真的需要,其它类似的大规模仿真也可采用。模型组件在模型服务器上进行注册,只负责模型的管理工作,不用做任何改动就可对不同仿真方案提供服务。邦元是仿真实体模型与RTI进行通信的接口。应用层则专门负责整个仿真方案的进度及各种效果显示,它是直接面向军事人员的。这样就将军事指挥员、系统管理员与方案设计人员完全分开了。这三个层次互有分工,层次分明,构成了整个仿真体系结构。但是该系统资源管理的功能还比较弱,需要在以后的研究中进一步强化,探索更有效的方法。

参考文献:

[1] 徐学文,王寿云.现代作战模拟[M].北京:科学出版社,2001.·