基于实况-虚拟-构造分布式...真中间件架构及其可靠性问题_邓雅文.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02059-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-09-19;修订日期:2022-12-01基金项目:中国科学院国防科技重点实验室基金(CXJJ-21S032);国防科技创新特区基金(CX2022-05-02-01)第一作者:邓雅文(1995)，女，汉族，北京人，硕士，助理研究员。研究方向:网络信息体系总体架构、LVC 仿真、数据安全等。E-mail:dengyw aircas ac cn。*通信作者:李肖赫(1996)，男，汉族，北京人，硕士，助理研究员。研究方向:过程挖掘与图学习、航天模拟仿真训练等。E-mail:lixiaoheaircas ac cn。引用格式:邓雅文，朱可卿，韩中生，等 基于实况-虚拟-构造分布式仿真中间件架构及其可靠性问题J 科学技术与工程，2023，23(5):2059-2064Deng Yawen，Zhu Keqing，Han Zhongsheng，et al Distributed simulation middleware architecture based on live-virtual-constructive and itsreliability J Science Technology and Engineering，2023，23(5):2059-2064基于实况-虚拟-构造分布式仿真中间件架构及其可靠性问题邓雅文1，朱可卿1，韩中生2，樊子德1，王磊1，耿莹1，李肖赫1*(1 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094;2 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100048)摘要实况-虚拟-构造(live-virtual-constructive，LVC)仿真技术为构建数字化的模拟训练仿真体系带来新的思路。针对 LVC仿真中间件异构资源整合难的问题，开发了分布式联合训练仿真中间件架构，包括资源虚拟、应用管控、服务调度、通信链路等工作模块。该架构通过内部仿真引擎适配器打破信息屏障，能够实现仿真资源和实装资源的弹性调用与动态集成，为仿真应用提供稳定的支撑环境。在此基础上，进一步开展该分布式仿真架构的可靠性问题研究，设计了分布式仿真系统一致性共识算法，最终实现了 LVC 仿真异构资源互联、互通、互操作等功能。通过真实的仿真算例验证了该仿真中间件架构的可靠性、有效性与一致性。所设计的中间件架构有望对未来训练仿真系统建设与发展产生较高的参考价值。关键词实况-虚拟-构造(LVC);分布式中间件;仿真引擎;共识算法中图法分类号TP391.9;文献标志码ADistributed Simulation Middleware Architecture Based onLive-Virtual-Constructive and Its eliabilityDENG Ya-wen1，ZHU Ke-qing1，HAN Zhong-sheng2，FAN Zi-de1，WANG Lei1，GENG Ying1，LI Xiao-he1*(1 Aerospace Information esearch Institute，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China;2 Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100048，China)Abstract Live-virtual-constructive(LVC)brings new ideas for constructing digital simulation training system In order to solve theproblem of heterogeneous resource integration existing in LVC simulation middleware，a distributed joint training simulation middlewarearchitecture consisting of resource virtualization，application control，service scheduling，and communication links module wasdeveloped The information barrier can be broken via the internal simulation engine adapter，which can realize the flexible invocationand the dynamic integration of the simulation resources and the physical resources，thus providing a stable supporting environment forreal simulation applications In addition，the reliability of the distributed simulation architecture was studied，the consensus algorithmof distributed simulation system was designed，and finally the interconnection，interoperability and interoperability of heterogeneous re-sources in LVC simulation were realized A real simulation example was employed to verify the validity，consistency and the reliabilityof the simulation middleware architecture The middleware architecture designed is expected to have a high reference value for the con-struction and development of future training simulation system Keywords LVC;distributed middleware;simulation engine;consensus algorithm真实-虚拟-构造(live-virtual-constructive，LVC)仿真技术是在虚实结合的训练条件下，开展复杂环境体系试验的有效探索1。LVC 仿真技术的提出为实现各种训练要素耦合、构建数字化的模拟训练仿真体系带来新的思路。因 LVC 在训练领域的独特优势，国内外开展了一系列的研究。美国率先启动并发展了一系列的仿真协议和标准，包括仿真网络(simulation networ-投稿网址:www stae com cnking，SIMNET)、数字系统(digital information system，DIS)、高层体系结构(high level architecture，HLA)、试验与训练使能体系结构(test and training enablingarchitecture，TENA)等2。前两种仿真协议都只包含构造仿真或者虚拟仿真两种类型，真正能涵盖LVC 技术，具有平台级和聚合级建模的是 HLA3 和TENA4 架构。LVC 体系试验存在大量交互复杂的仿真资源对象，难点是需要对模拟器、仿真模型等异构资源进行统一架构下的封装，解决异构资源的互连、互通、互操作问题5-8。中间件作为能提供实时服务、适用不同的底层通信机制的关键技术，得到广泛重视9-13。目前，中国训练领域也在积极探索基于 LVC 的中间件架构14。西北工业大学提出了针对虚拟试验系统运行方式的分布式中间件;国防科技大学提出了针对联合仿真试验的“中间件+代理”的一体化方案。受限于分布式的训练环境，仿真中间件面临着资源协调难、管理调度难、跨网跨域难等诸多问题，难以满足虚实联动的训练体系快速响应的试验任务需求。现通过分析基于 LVC 的模拟训练分布式仿真中间件架构实现与运用中需要解决的可靠性问题，以高层体系结构 HLA 为基础开发分布式联合训练仿真中间件，通过内部的仿真引擎适配器打破信息屏障，解决异构系统互联、互通、互操作难的问题，实现仿真资源和实装资源弹性调用及动态集成，驱动所需资源进行规划调度和统一管理。在此基础上，开展该分布式仿真架构的可靠性问题研究，设计分布式仿真系统一致性共识算法，最终实现 LVC 仿真异构资源互联、互通、互操作等功能，通过真实的仿真算例验证该仿真中间件架构的可靠性、有效性与一致性。1分布式仿真中间件架构研究分布式联合仿真中间件架构是分布式仿真体系中间件层的实现方式15-17，通过内部的仿真引擎适配器打破信息屏障，解决异构系统互联、互通、互操作难的问题，从而实现资源要素层仿真资源和实装资源弹性调用及动态集成。中间件总体架构如图 1 所示，它是仿真应用系统之间互操作的基础，通过统一服务调用，屏蔽LVC 仿真资源通信协议的差异，提供了基础运行环境，使得上层应用能够透明地使用各类 LVC 仿真资源，系统主要包括以下模块。(1)资源虚拟模块。通过在容器云组件内部署仿真引擎软件服务，使其能够使用虚拟化环境、大数图 1通用仿真中间件设计图Fig.1Diagram of general simulation middleware据环境及虚拟资源中心管理能力，能够在服务定义包格式、认证授权、服务实例化方面实现完全兼容，在功能、接口等方面保持一致。(2)应用管控模块。在其中设计了管控接口，使得上层业务系统可以通过仿真中间件，对所需资源进行管控。由于各个仿真引擎软件运行时对外界暴露的接口不统一，可以根据配置文件定制容器在通用中间件中进行消息传输时的接口格式，需要各接入软件满足基本接口标准要求(例如想定编辑相关接口、导调控制相关接口等)。(3)服务调度模块。支持将仿真软件整体封装到同一容器中，也支持根据需求将仿真软件各模块拆解，按照组件模板定制微服务。同时，为用户提供多租户、资源隔离、高可用的运行环境，为仿真引擎软件的安装部署、运行和弹性伸缩提供合理的资源调配策略，确保服务高可用。(4)通信链路模块。实现多通信介质、多协议资源接入扩展能力，支持有线网络和无线链路，可运行于多种硬件平台;总线以及平台支持基于广域网的分布式仿真，由专用信息通信网络提供所需的通信资源，其中包括了 3 种通信总线，分别是时间总线、指令总线、数据总线。实现系统调用、协作、支撑等功能接口的连通，通信形式上支持一对一、一对多、多对多。分布式联合训练仿真中间件架构以通用仿真中间件为通信基础，通过仿真引擎适配器将异构仿真系统或引擎软件接入，具有模块化、标准化以及一体化的特点。可实现资源分配、任务协同，完成集中与分布相结合的监视、控制和管理功能，将各个分布式仿真系统的能力进行整合升级，实现其管理调度与互联互通。该支撑系统对上能够为训练提供分布式仿真能力支持，对下能够驱动所需资源进行规划调度和统一管理。通用仿真中间件为分布式仿真提供运行过程中所需的通信资源，在 HLA TI 基础上实现了 3 种通信总线(基于消息队列实现)，分别是时间总线、指令总线、数据总线。时间总线主要为仿真引擎软0602科学技术与工程Science Technology and Engineering2023，23(5)投稿网址:www stae com cn件传输统一的时间同步信号;指令总线向各仿真