基于HLA的异构仿真系统的快速集成方法综述
第21卷第20期 系
统 仿 真 学 报? V ol. 21 No. 20
2009年10月 Journal of System Simulation Oct., 2009
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基于HLA 的异构仿真系统的快速集成方法综述
龚建兴，黄 健，郝建国，黄柯棣
（国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙 410073）
摘 要：仿真应用需求从过去的单系统仿真，发展到今天的多系统仿真和复杂系统联合仿真，且仿
真系统对各自仿真平台的需求也有所差异，实现这些仿真系统尤其异构仿真系统的快速集成具有实际意义。主要论述基于HLA 的异构仿真系统的快速集成方法，首先描述异构仿真系统实现快速集成的三种相关支持技术：代理技术、中间件技术和Web 技术；接着详细讨论基于这些技术的不同实现方法，包括利用桥接成员实现多联邦互联，通过仿真系统框架中间件使仿真系统在异构仿真平台上实现快速集成，使用基于Web 技术的XMSF 使仿真系统成为松散耦合、面向组件和跨平台实现；最后总结这些方法的研究现状和各自特点。
关键词：基于HLA 的异构仿真系统；集成；代理；中间件；可扩展建模与仿真框架
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 20-6504-06
Research on Approaches to Integrate Rapidly HLA-based Heterogeneous Simulation Systems
GONG Jian-xing, HUANG Jian, HAO Jian-guo, HUANG Ke-di
(School of Mechatronics and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: The requirements of simulation applications have evolved from a single system simulation to multiple systems simulation and complex and joint systems simulation, which differently demand on their owned simulation platform. So that it is useful to integrate rapidly simulation systems especially heterogeneous simulation systems. The approaches to integrate rapidly HLA-based heterogeneous simulation systems were focused on. There are three support techniques to be proposed to enable the current simulation systems rapidly integrated, including the proxy technique, the middleware technique and the Web technique, on which there are separately different approaches based to be addressed in detail. The bridge federate approach makes multiple federates connected each other. The simulation system framework middleware approach integrates rapidly simulation systems and helps them running on heterogeneous simulation platforms. The Web-based XMSF (Extensible Modeling and Simulation Framework) approach improves simulation systems in the implementation of loosely coupling, oriented-components and striding platforms. The features and the research findings of these approaches were discussed.
Key words: HLA-based heterogeneous simulation system; integration; proxy; middleware; XMSF
引 言
仿真应用需求从过去的设备仿真、单系统仿真，发展到今天的多系统仿真和复杂系统联合仿真，计算机仿真技术也从单一的纯数字仿真、半实物仿真、人回路仿真发展到集面向对象、客户/服务器、分布计算、多媒体、专家系统及虚拟现实等多种仿真手段为一体的综合仿真系统。应用领域和分工的不同造成仿真系统天然的异构性，由于参与仿真的各实体充当的角色和效能参数不同，对各自仿真平台的需求也有所差异，应该采用各种配有面向对象仿真软件的高性能微机、工作站及并行机构成分布仿真计算机平台，而且各节点并非孤立，相互之间还有协同关系。
HLA 已经成为分布仿真系统体系结构的一个事实标准，利用标准规范、运行支撑软件（RTI ）和对象模型模板将实
收稿日期：2008-05-14 修回日期：2008-11-14
作者简介：龚建兴(1976-)，男，福建莆田人，讲师，博士，研究方向为分布式仿真、仿真系统框架技术研究等；黄健(1971-)，女，江西九江人，副教授，博士，研究方向为分布式仿真支撑框架和通用仿真软件；郝建国(1974-)，男，山东潍坊人，副教授，博士，研究方向为先进分布仿真技术，软件体系结构等；黄柯棣(1940-)，男，湖南长沙人，教授，博导，研究方向为系统仿真、虚拟现实、控制理论与控制工程。
现某种特定仿真目的的仿真系统（即联邦成员）通过 RTI 提供的服务实现各个仿真系统之间的互操作，为分布仿真提供一个与平台和地理位置无关的信息处理环境，
从而降低了分布式应用系统开发的复杂性，提高了互操作性、可移植性和代码的可重用性。但是HLA 只为分布仿真提供一个高层的体系结构，不对具体的仿真应用系统的设计和实现进行规范，因此目前出现了基于不同应用领域、不同仿真平台和不同地域等特点的各种异构仿真系统，由于缺乏统一的通信协议标准、规范的仿真平台框架，使这些仿真系统难以直接进行互联，限制和降低了分布仿真的重用性和互操作性。
如何实现各种异构的仿真系统进行快速集成成为目前的热门研究课题之一，也是本文所要探讨的内容。首先介绍目前已有的相关支持技术，接着深入讨论基于这些技术实现异构仿真系统快速集成的三种方法，最后总结这些方法的特点。
1 相关支持技术
1.1 代理技术
在设计模式[1]中，代理（Proxy ）是为其他对象提供一个代理以控制对这个对象的访问，限制外部环境对对象内部的
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访问权限，尽量减少外部环境的变化对对象本身的影响，同时隐藏对象内部的实现细节。目前，仿真系统越来越呈现出规模化、分布化、多样化等特点，包含了大量的动态、多种类型并具有层次结构的实体，仿真实验通常不在一个单一的仿真系统内完成，需要多种不同的仿真系统进行联合参与，正因此分布式仿真成为一个理想的选择技术。美军的几个大型的仿真系统如JMASS [2]和JSIMS [3]等都对外提供了HLA 的接口实现与外部基于HLA 的仿真环境进行互联。显然，代理技术是一个比较容易实现且不会对原有系统带来更大影响的理想技术，能够使不同领域、基于不同体系的仿真系统快速地进行互联和互操作。桥接成员就是利用代理技术使基于HLA 的不同联邦实现互联和互操作的一个典型例子。
1.2 中间件技术
各种应用软件需要在多种平台之间进行移植，各个平台也需要支持多种应用软件，这要求软、硬件平台和应用系统之间能够进行可靠和高效的数据传递或转换，以保证各系统之间的协同性，在不同的技术之间共享资源。实现这一要求的独立软件，称为中间件[4]
。通常，中间件应具有以下特点：满足大量应用的需要；运行于多种硬件和操作系统平台；支持分布计算，提供跨网络、硬件和操作系统平台的交互功能；支持标准的协议和接口。
仿真系统框架的仿真中间件（如图1所示）是一种狭义上的软件中间件，在仿真应用系统和仿真运行支撑平台（以下简称仿真平台）之间起桥梁作用，使仿真平台的实现技术与具体的仿真应用系统相隔离，使基于仿真系统框架的不同仿真系统应用软件能够运行于多种异构的仿真平台，如RTI1.3、RTI1516、基于Web 的新一代RTI 和HPC-RTI [5]
（High Performance Computing RTI ，高性能计算RTI ）等，在只需少量的修改或不需修改甚至不重新编译的情况下，实现仿真模型组件和仿真系统的跨平台移植。
图1 仿真系统框架中间件的应用结构
1.3 Web 服务技术
Web 服务是描述一些操作（利用标准化的XML 消息传递机制可以通过网络访问这些操作）的接口。Web 服务是用标准的、规范的XML 概念描述的，称为Web 服务的服务描述[6]。这一描述包括了与服务交互需要的全部细节，包括消息格式（详细描述操作）、传输协议和位置。该接口隐藏了实现服务的细节，允许独立于实现服务基于的硬件或软件平台和编写服务所用的编程语言使用服务。这允许并支持基于Web 服务的应用程序成为松散耦合、面向组件和跨平台实现。
从图2的Web 服务的交互模型中可以看出，Web 服务机制基于三种基本的操作，即查找（find ）、绑定（bind ）、发布（publish ）。为了建立不同应用程序之间松耦合的互操作机制，不管应用程序是用什么语言实现的，也不管它的运行平台等等。因此，应用Web 服务技术，使得计算机系统之间能够真正摒除平台差异，依靠预先达成一致的Web 服务规范，完成无缝的系统对话，把Web 服务技术引入到目前的仿真应用领域中，可以解决传统仿真系统所存在的问题，带来以下几方面的优势[7]：
图2 Web 服务的交互模型
基于Internet 的共享平台：模型和仿真系统的共享使用问题是仿真技术发展面临的重要问题，而Web 是当前使用最广泛的信息资源共享平台。基于Web 的仿真技术，将使用户通过Web 方式对仿真系统进行访问，Web 成为模型和仿真系统发布和使用的平台。
仿真系统的跨平台使用：Web 系统本身具有跨平台性，其浏览器在不同平台都有实现。因此基于Web 的仿真系统可以实现跨平台的访问，摆脱特定操作系统和硬件平台的局限。
仿真模型的透明访问：用户访问基于Web 的仿真系统时，只需要知道仿真系统所在的URL ，而不需要知道仿真系统所在的机器、操作平台等。
2 基于桥接技术的集成方法
2.1 桥接成员的基本原理
HLA 已经成为目前分布式仿真系统体系结构的事实标
准，但是由于它是一个高层的体系结构，没有对联邦中联邦成员的设计和实现提供一个约束规范，也没有对RTI 的数据通信协议格式进行严格定义，使得不同的联邦很难不需要任何的修改就能快速地集成，同时这种基于FOM 为中心的联邦之间可能因数据定义的不一致性使得多个联邦之间很难实现直接的互联。
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HLA 成员接口规范允许一个仿真应用同时加入多个并发的联邦执行。这样可以构造一个桥接成员同时加入多个联邦，并在联邦间进行数据转发，如图3所示。桥接成员为每一联邦实现一个代理，因此桥接成员也可称为成员代理（Federate Proxy ）[8]。当使用桥接成员时，多联邦互操作的完成只需使用HLA 成员接口规范定义的服务，桥接成员作为成员加入每一联邦执行，并将远程联邦的对象映射到本地联邦中。桥接成员可以执行许多通用的功能，例如执行数据置换、数据合成、数据分解或其它的数据转换操作。
图3 桥接成员的应用结构 2.2 桥接成员的逻辑结构
桥接成员允许物理/地理上分离的且使用不同的联邦对象模型（FOM ）的两个联邦进行“无缝地”相互作用，即桥接成员的存在对任一联邦中的其它成员是不可见的。而且，桥接成员应能执行各种事件处理行为，如数据过滤和在不同的FOM 间映射(即重命名)对象属性和交互[5]。桥接成员逻辑结构[8]如图4所示，其主要由代理部件(Surrogate)与转换部件(Transformation Manager)两部分组成。代理部件主要完成联邦内联邦成员之间的交互数据并转发给转换部件，同时还从转换部件获取其它联邦的数据并通过RTI 分发给联邦内其它的联邦成员。转换部件提供了多个代理间的消息通道及消息转换功能，并自动根据预定义的FOM 映射规则完成联邦之间数据的转换，有效地实现了多联邦之间的互操作。
图4 桥接成员的逻辑结构
通常，每一个联邦代表一种仿真应用系统或不同结构的仿真系统，为了它们之间能够进行互联，又不对联邦内部进行重大修改，则需要在每一个联邦内驻留一个相应的代理成员。这些代理成员各自负责收集所属联邦内部的交互信息，还负责与其他联邦种的代理成员进行数据交换。因此，联邦之间没有发生直接的交互作用，通过成员代理有效地屏蔽了相互之间的异构性，能够实现联邦之间的互联、互通和快速集成。
2.3 实现异构多联邦的集成
图5是通过桥接成员实现各军种仿真系统的互联示意图。每一个节点都是独立的基于HLA 的单联邦系统，都由标准的指挥系统、模型系统和导控系统组成，只是相关的具
体应用功能更加符合直接应用的需要。所有单联邦系统使用由桥接成员软件创建的桥接成员进行基于广域网的多联邦互联，以便能够进行大规模的异地、远程训练。这种互联结构既可以实现不同军兵种单独训练，也可以通过桥接成员快速集成各军种的不同联邦实现一体化联合作战指挥训练。
广域网
D
模型系统常规导弹作战营图5 基于桥接成员的多联邦集成
3 基于仿真系统框架中间件的集成方法
3.1 仿真系统框架的中间件结构
图6描述了一种基于组件式仿真系统中间件的分层结构，可以为不同应用领域的仿真系统提供一个通用的仿真系统框架。这种仿真系统框架是以数据为中心，数据的流动推动整个仿真系统框架的运行过程[9]。因此，根据对数据的不同需求，仿真系统框架中间件的结构分为四层：数据提供层（data providing layer ）、数据管理层（data managing layer ）、数据处理层（data processing layer ）和数据通信层（data communicating layer ）。根据软件设计的分层原则，各层只能通过接口访问相邻层提供的服务，不能越级访问。这样有利于整个体系结构的层次化管理，使各层之间的耦合性减少到最低程度，使各层之间的变化不会影响到整个体系结构，使局部变化影响仅限于某几个层次。
图6 仿真系统框架的中间件结构
联邦 F 联邦 G
桥接成员
f 1
f 2 f m
RTI F
g 1 g 2g n
RTI G
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数据提供层：即仿真系统框架的应用层，该层主要由用户开发的不同功能的仿真模型组件构成，它们是整个仿真系统数据的主要来源。从设计角度上，该层应不属于仿真系统框架中间件的一部分，但是从应用逻辑角度上，如果没有该层，仿真系统框架中间件就没有存在的意义，因此本文仍把它作为仿真系统框架中间件的一部分。
数据管理层：该层主要提供三个模块包含仿真适配器、仿真模型组件管理器和仿真调度器，分别实现了仿真服务的调用，仿真模型组件数据的过滤、缓存和分发，仿真模型组件状态的控制、调度和仿真系统的时间推进等功能。
数据处理层：仿真系统框架提供的各种仿真服务都在该层，在数据提供层中仿真模型组件不能直接访问仿真服务模块，而是发送各种不同类型的仿真事件，由数据管理层的仿真适配器根据事件的不同类型，把相应的事件适配到数据处理层提供的不同服务模块。仿真模型组件产生的仿真事件包含了仿真服务模块完成服务调用所需的数据。
数据通信层：该层可以是不同版本的仿真平台（如RTI1.3和RTI1516），也可以是不同商家提供的仿真平台（如DMSO RTI 、Pitch RTI 和KD-RTI ），甚至是未来出现的仿真平台（如基于Web 的RTI 和高性能计算的RTI ）等。
层次化结构使各层之间只能与相邻层相互作用，使顶层的仿真应用系统能够在不需要修改代码或重新编译的情况下，通过替换底层的仿真平台实现仿真系统的快速集成。
3.2 仿真系统框架的逻辑结构
仿真系统框架的逻辑结构[9]如图7所示，主要包含仿真系统的可变部分和不变部分。最低层是仿真系统的仿真平台，可以是不同版本、不同商家或不同技术的运行平台。仿真系统的可变部分是直接面向用户，属于仿真系统的应用层，主要由不同功能的仿真模型组件及其它应用组件组成。仿真系统框架的仿真中间件组成仿真系统不变部分，是所有基于仿真系统框架的仿真系统公共部分，为仿真系统提供的通用功能模块。仿真系统框架提供的仿真引擎是仿真系统不
图7 仿真系统框架的逻辑结构
变部分的核心模块之一，控制仿真系统的数据过滤、缓存和分发，根据仿真模型组件描述信息调度仿真模型组件的仿真活动，驱动仿真系统中仿真模型组件协调一致地推进。仿真引擎就是仿真系统框架的调度器，好比仿真系统的心脏，通过仿真适配器调用仿真系统框架提供的仿真服务模块。
3.3 基于异构仿真平台的仿真系统集成
仿真系统框架是一个通用的仿真中间件，与传统的仿真系统相比，它可以根据应用需求，通过重用和组合不同的仿真模型组件快速构建仿真系统，屏蔽了应用层的仿真模型组件与底层的仿真平台的设计细节，使仿真系统一次开发可以在各种异构的仿真平台上运行。因此，基于这种结构的仿真系统不再是一个单一的应用程序，而是可以灵活定制和扩展的动态构建的模块化系统，能够自适应不同的仿真平台，提高了仿真系统的重用性。
4 基于XMSF 的集成方法
4.1 XMSF 概述
Web 服务技术代表了分布式计算的下一个阶段。可扩展建模与仿真框架（XMSF ）[10]定义为一组基于web 的建模与仿真的标准、描述（Profiles ）以及推荐准则的集合。基于XML 的标记语言、Internet 技术与Web 服务将促进新一代分布式建模与仿真应用的出现、发展与互操作。
可扩展建模与仿真框架（XMSF ）并不是单一的体系结构，而是诸多Profiles 的集合。仿真互操作标准组织（SISO ）在2003年9月建立了XMSF Profiles 研究小组（XMSF Profiles SG ），讨论确立了XMSF Profiles 的需求范围、定义、目标等。XMSF Profiles 是描述基于可互操作web 应用的正式技术规范，能够促进建模与仿真的可组合性以及可重用性，有利于企业应用的集成。XMSF Profiles 包括可应用的Web 技术、协议规范、数据与元数据标准，经选择的现有标准的裁剪集合，以及关于应用实现的建议和指导等。XMSF Profiles 的目标是[10]：
提供对框架组件以及组件间接口的明确的功能说明；
确保在建模与仿真及其相关领域内已经存在的和新出现的Web 使能（Web Enabled ）技术的互操作性；
提供有利于促进组件在诸多建模与仿真应用领域可组合性及可重用性的必要的元数据；
促进能够与现存的应用与服务互换的新应用与服务的发展；
促进功能持续增强的新应用与服务的发展。
4.2 基于Web 的RTI 逻辑结构
美国SAIC 的Katherine L. Morse 博士等利用Web 服务
对HLA 仿真系统进行扩展，实现了Web 使能RTI （WE-RTI ）
[12]
。所谓“Web 使能”的应用，就是能够在Internet 环境下运
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行，且能够利用Web 技术支持其运行的应用。一般而言，方式是在现有的系统上增加一层以便使用Web 技术，系统的设计和结构仍是原来的，其层次比“基于Web”的应用低。WE-RTI 的结构[8]如图8所示。
图8 WE-RTI 逻辑结构
WE-RTI 采用SOAP （Simple Object Access Protocol ，简单对象访问协议）作为远程调用的协议。SOAP 是Web 服务技术的核心之一，是一种基于XML 的、用于在计算机之间交换信息的协议。WE-RTI 建立了SOAP 格式的RTI 接口，并通过BEEP （Blocks Extensible Exchange Protocol ，块可扩展交换协议）来传输SOAP 消息。此项目短期目的是为了使HLA 联邦成员能通过基于Web 的服务与RTI 进行通信；长期目的是为了使HLA 联邦成员能够作为Web 服务驻留在Internet 上，终端用户可以通过浏览器根据需要组建HLA 联邦。为满足长期目标，终端用户必须能够对联邦成员进行配置、初始化与监控，这超出了目前RTI 正常的操作能力，需要附加的Web 服务层来控制这些管理行为。Web 技术提高了HLA 的互操作性与可扩展性，这正是XMSF 追求的目标之一。
4.3 异构仿真系统的互联
遵循XMSF 的思想，可以利用Web 技术对分布式仿真环境进行扩展，建立一个统一的可扩展分布仿真框架，支持不同的语言、操作系统和硬件平台，既可以实现已有HLA 仿真系统基于Internet 的互联，也可以实现HLA 仿真系统与异构仿真系统基于Internet 的互联。如果能够解决XMSF 涉及的诸多关键技术，满足其各个领域的功能需求，则未来可以利用XMSF 实现异构仿真系统基于广域网的互联。目前国外已经开发了符合XMSF 的思想的许多应用系统，例如美国海军研究生院（NPS ）开发的可扩展3D 图形系统（Extensible 3D Graphics ），成功的将XML 应用到了3D 可视化中；SAIC 开发的Web 使能RTI （WE-RTI ），成功的利用Web 服务实现了HLA 联邦成员的互联；乔治-梅森大学（GMU ）、弗吉尼亚大学（ODU ）等联合研究开发的可扩展
作战管理语言（Extensible Battle Management Language ）
[13]
，其主要焦点在于实现C4I 与仿真系统的互联。
5 结论
异构分布仿真系统的快速集成可能存在多种方法，本文主要讨论了基于代理技术、中间件技术和Web 技术的三种比较典型方法，介绍它们各自实现异构仿真系统快速集成的过程。以下就这些技术的研究现状及其在集成应用上的各自特点进行总结：
基于代理的桥接技术（如，国防科学技术大学军用仿真技术研究室开发的KD-FBT ）已经比较成熟，美国Wesley Braudaway 、Juergen Dingel 、韩国Jong Sik Lee 等学者分别在文献中[14, 15, 16]对桥接技术的特征、可行的解决方案和实现原理进行了研究。在国内本实验室的郝建国博士和韩超博士分别在文献[8, 17, 18, 19, 20]分析了桥接成员的实现结构并使桥接技术得到了应用，设计和实现了具有独立版权的KD-FBT 工具，该工具在国内大规模军事作战仿真系统的互联中得到了应用，实现了不同军兵种的仿真应用系统的联合、远程异地仿真系统和模拟器的互联。代理技术的优点是能够使异构的多联邦甚至非基于HLA 的仿真系统不需要作重大修改，只需要设计相应的代理就能快速集成实现互联和互通；其缺点是每个联邦都需要开发一个相应的代理，代理的设计和开发工作量较大，而且异构联邦中的联邦成员很难在不同的联邦中重用。
中间件技术是通过通用的仿真系统框架中间件屏蔽了仿真应用层与仿真平台的实现细节，使仿真应用层的仿真模型组件能够在异构的仿真平台上运行，提高了仿真系统的重用性和互操作性。国外有澳大利亚Calytrix Technologies 公司研制的面向工程的HLA 应用的可视化开发平台—SIMplicity 和加拿大Computer Soferware 公司开发的SimBuilder 等，国内有哈尔滨工业大学的基于组件扩展的HLA 仿真框架[21]和国防科学技术大学系统工程研究所开发的Sim2000[22]等，
这些系统基本都是对HLA 提供的各种API 进行封装，简化了HLA 的使用。KD-SmartSim 是本实验室近年来研发的基于这种技术的原型系统，不仅仅是简单地封装HLA 的仿真服务，更重要的是引入了BOM （Base Object Model ，基本对象模型）[23]组件化设计思想和独立的仿真引擎，使异构的仿真平台对仿真应用层是透明的，也使仿真系统在不需要修改任何代码甚至不需要编译就能够适应在不同的仿真平台，构建仿真系统的仿真模型组件能够在不同的仿真系统中得到最大的重用，也不需要增加额外的工作量（如设计一个代理程序等）。目前KD-SmartSim 在国内某电子对抗仿真系统中得到了验证，成为未来异构仿真系统快速集成的一个重要方向。但这种基于中间件的仿真系统在运行中通常一次只能相同的仿真平台上进行互操作，无法实现更大规模的多联邦互联。
Web 技术目前成为多个领域的研究热点，相关的研究在国内外已经如火如荼地展开，虽然Web 技术在分布仿真系统的应用研究还处于实验室阶段，但是相关的支持技术如XMSF 已经出现，也是未来异构仿真系统快速集成的重要研究课题之一。Web 技术使基于Web 服务的仿真系统成
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为松散耦合、面向组件和跨平台实现，为其提供统一的可扩展分布仿真框架，使其支持不同的语言、操作系统和硬件平台，使终端用户可以通过浏览器根据需要快速集成HLA 联邦。但是Web 技术在分布仿真的应用还只处于初步阶段，目前还无法满足仿真实时性和大量、频繁的数据交换等性能要求。
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