篇三：系统仿真论文
《系统仿真》结课作业
二零一二年四月
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分布式交互仿真的三大特性及在军事领域的应用
【摘 要】：作为一项高新技术和战略技术，分布交互作战仿真技术受到美英等各大国政府和军界的高度重视及广泛应用。我国从1990年开始这方面的理论和体系结构研究工作，至今已取得了阶段性成果。本文主要分析了分布式交互仿真三大特性的关键技术，并简要阐述了分布式交互仿真在军事上的应用。
【关键词】：DIS 仿真 军事
一 DIS系统介绍
分布式交互仿真（Distributed Interactive Simulation）起源于美国国防高级研究计划局(DARPA，现更名为ARPA)和美国陆军在1983年共同制定的SIMNET计划。它是对具有时空一致性、互操作性、可伸缩性的综合环境的表达。DIS采用一致的结构、标准和算法，通过网络将分散在不同地理位置的不同类型的仿真应用和真实世界互联、互操作，建立一种人可以参与、交互的综合环境。
从体系结构上说，DIS的基础结构和实现方式有如下几个特点：
1． 没有控制整个仿真演练的中心计算机
一些仿真系统（如网络MUD）使用一台中心计算机维持整体的状态，并计算每一实体动作对其他实体和环境的影响,这样的系统必须根据其最大可能负载来确定资源配置，以便能够处理极端情况下的运算负载。DIS采用分布式仿真的方法，把仿真实体状态的任务留给通过网络相连的相互独立的仿真计算机。
2． 使用一个标准协议传输底层真实数据
每一个仿真应用都将它所控制(测量)的实体的状态(位置、方向、速度、铰链部件的位置等被称为底层真实数据)传递给网络中的其他仿真应用，接收方负责接收并进行计算，以确定发送方所代表的实体是否可通过视觉或电子装置所感知，被感知到的实体状态将会按单个仿真的要求展现给用户。
3． 平台级的大系统仿真
DIS充分利用现代计算机网络提供的强大的分布计算能力实现对复杂大系统的仿真，这和以往采用单计算机实现大系统仿真的策略不一样。比如对一次作战过程进行仿真，如果采用单计算机进行，则由于计算能力的局限，只能采用概率模型（比较典型的是兰彻斯特方程）进行大粒度建模仿真，在缺乏足够的试验数据支持下，这种概率模型的仿真结果可信度比较低。而DIS则提供基于武器平台粒度级的仿真，通过大规模联网实现对大系统的仿真。显然，单个武器平台的仿真模型要比一次作战过程的模型容易建立，且具有更高的可信度。因此DIS 的仿真结果更加真实地模拟了实际系统。
从技术特点上看，DIS还具有互操作性（Interoperability）、可伸缩性（Scalability）和仿真的时空一致性（Time-Space Coherence）等三大特性。下面我们分别介绍DIS在这三方面的技术方法。
二 布式交互仿真三大特性
（一）互操作性
互操作性指多个仿真模型相互协调工作的能力，它在DIS中主要体现为实体间数据的交互能力。显然，互操作性是DIS的最基本要求，相对于其他二者，这是研究得最深入的一个方面。这一点主要体现在以下2个方面：
1． 标准的数据结构
在DIS中，将分布仿真模型交互的数据分为若干标准的类型，分别对这些交互数据定义一系列标准的数据结构，即IEEE1278-1995标准。这一标准构成DIS的核心，通过遵循这种统一的数据结构标准，任何分布仿真模型都可以处理这些统一结构的数据，从而实现互操作。
2． TCP/IP的广播通信
结合标准的PDU（协议数据单元）定义，并采用基于TCP/IP的广播（组播）这种最常用的通信模式，构成了一个“软总线”，仿真应用程序只要挂接在计算机网络上就可接收到任何交换的数据，同时也可将数据发送给任何一个其他的仿真应用程序。因此DIS提供的互操作是相当彻底的，虽然不能满足所有条件下的互操作需求，但也已足够实现广泛和相当规模的仿真应用了，这便是DIS能在较短时间内迅速发展的根本原因。其中1997年年底举行的STOW-97是较为典型的大规模DIS演练，包含了分布于美欧几十个城市的各军兵种在内的约3万个作战实体，其中DIS网络上同时活动的实体最多达6500个左右
（二） 可伸缩性
的通用框架可以有效地适应一个数目不断增长的并发动态实体的仿真，并且数目的增长不会引入对该体系的结构性修改，我们所说的“有效地适应”是指对应仿真实体个数的增长而要求计算资源的线性或常数的增长。在DIS中，可伸缩性的困难同时体现在网络资源和计算机的处理能力两个方面，目前，DIS采用的最有效的方法是引入DR（Dead Reckoning）推算和PDU过滤两种方法，在一定仿真规模和仿真品质下，这两种方法是卓有成效的，因此目前DIS技术能够实现诸如STOW-97这样大规模的仿真演练。
（三）时空一致性
和前二者相比，时空一致性是由人的感觉和行为来衡量的，因此较为抽象一些，在实现中也复杂得多。简单地说，时空一致性主要包括空间表达一致和分布仿真时间一致两个方面：
1．空间一致性
相容的环境数据库 。为实现空间表达的一致，首先要求采用统一的环境模型，参加DIS演练的实体只能在统一的虚拟战场环境中才能进行有效的对抗和协同，因此，相容的环境数据库是至关重要的。由于分布仿真的各个节点对仿真环境所需要的粒度不一样，所采用的地形数据库也必定不一样。如仿真地面车辆的节点可能需要高分辨率的地形数据，但由于车辆
活动范围有限，因此只需要小范围的地形数据;而仿真空中飞机的节点可能就需要大范围的地形数据，但分辨率却不一定要太高。如何使这两种规格的地形数据库共存于同一个仿真中，又维护其数据的相容性，从而保证仿真的公平和一致性，这是DIS环境模型研究和解决的一个主要问题。这一点和普通网络游戏是不一样的，网络游戏虽然也是一种分布系统，但都采用统一的数据库拷贝，即完全采用同样的数据库，因此普通游戏软件很难支持不同粒度或不同游戏软件之间的协同操作。
统一的坐标系统 。有了一致的环境模型，如何描述仿真实体在环境中的位置，则需要采用相应的参考坐标系，不幸的是由于研究领域的差异，不同的仿真模型建模和仿真常采用不同的坐标系，即使采用完全相同的环境模型，同一空间点在不同坐标系下的坐标表达可能不一致，为了解决这个矛盾，DIS提出了一个标准的参考坐标系统，包括世界坐标系和实体坐标系。
2．时间一致性
仿真实际上是在真实的时空中构造出一个虚拟的时空，并将仿真模型置于该虚拟时空环境中运行的过程。因此，时间是仿真中的一个基本概念。仿真时间的一致性是仿真时空一致性问题中不可缺少的一环，是决定仿真品质的重要因素。在DIS中，时间管理在两个方面比较有特色，即时间的表达方式和分布时间的同步技术。
三 分布式交互仿真的军事应用
高技术条件下的战争，是武器装备体系之间的对抗。因此，已有的针对单一武器对抗的仿真或试验无法用来描述其在高技术战争中的实际对抗效果，需要开发一种考虑了多种武器和多种战术的综合运用、适应未来作战环境下武器体系对抗的仿真手段。随着计算机网络技术、大规模分布处理技术、多媒体技术和面向对象技术的发展，分布式交互仿真技术应运而生。分布式交互仿真主要可用于军事训练、武器系统设计与开发过程的评估、作战仿真和采办等。
（一）联合作战训练
训练仿真器，在军事领域中应用最早、最广、收效最为突出。分布式交互仿真用于军事训练有4个优点：一是可以在求真的'“战争实验室里，进行未来战争的“预实践”；二是能够在网络对抗训练中，提高指挥员和参谋人员的科技素质和谋略水平；三是有利于在诸军兵种联合的虚拟环境中，提高受训者指挥联合作战的能力；四是有很高的训练质量和训练“效费比”。
江主席高瞻远瞩地指出，利用计算机技术进行模拟训练，是发达国家军队训练的一个突出特点，也是我军训练的发展方向。近些年来，我军在这方面进行了许多大胆的尝试。1999年，兰州军区进行了“西部—99”演习，在演习地域开通了多个网络。演习中，整个网络系统存贮处理各类文字、图形、图像信息数十类、几百项、数万条，有效地保障了战役演习的进行。
2000年10月，总参谋部组织了网上练兵交流，利用计算机模拟系统组织网上异地大规模诸军兵种首长机关联合对抗演习、参谋“六会作业和远程教学。
（二）武器系统评估
在被仿真的系统中嵌入实际使用的作战系统和武器系统，从而可以在近似实战的情况下，对作战系统进行技术和效能的评估。特别是像C4I这样复杂的系统，以往采用的建模评估方法很难取得好的效果。美军扩展的防空系统试验台(EADT B)，就是一种战区级的多对多的双边模型，可以仿真多国联合的、多武器平台的、敌我双方攻防对抗。EADTB连接了北约欧洲盟军最高司令部技术中心、亚特兰大空间基地、国家试验设施和海军的一个试验场地。它以西南亚地区为作战背景，用30个专用系统和分系统表示对抗双方的性能数据，可以为用户提供一个完整的试验环境，可对武器作战效能和成本提供评估。
(三)作战研究
在分布式交互仿真的支持下，受训人员可以熟练地掌握联合作战战术和作战原则，研究和发展新的作战方式和方法，提高战场指挥能力。美军建在柯特兰空军基地的“战区防空指挥和控制仿真设施”，是世界上最大的防空仿真设施。其任务是给防空系统的研制和使用单位提供逼真的仿真环境，以完善作战计划和作战概念的研究。它所产生的空战仿真环境能为用户提供全球任何一处2048×2048平方英里的战场和600多种空中和地面部队的作战行动。1993年，美国空军空战司令部利用它进行了第一次战区导弹防御(TMD)作战概念的研制试验。（四）作战模拟
自建立作战实验室和进行“路易斯安娜”演习以来，美军为建设各级数字化部队已经进行了多次“高级作战试验”演习，并且这种演习一直进行到2000年。美军已经进行了数字化部队与非数字化部队的对抗演习，并通过实验确定了数字化师的合理编成，检验数字化军的编成和指挥结构，演示了快速投送部队使用的高技术兵器和先进运送设备的性能。（五）武器系统
采办将建模和仿真用于武器系统采办的各个阶段，已经成为负担得起的采办策略的有机组成部分。在方案探索与确定阶段，作战性能建模用来检验各种不同的设计方案，确保系统设计性能。采用虚拟样机设计，保证系统设计的首次制造的正确性，降低研制费用，缩短研制周期。虚拟试验可以模拟地形、可能出现的各种情况和环境因素，可以缩短试验时间和降低试验费用。虚拟制造用于精确模拟计划的生产设施和过程，保证可生产性，降低制造成本，减少生产时间。例如，美军改进型M1坦克作战试验，采用实物仿真需要2年，耗资4000万美元，而采用分布式交互仿真技术，只需3个月，花费640万美元。美国霍尼韦尔公司采用虚拟样机技术开发新型飞机电子座舱，使设计周期从2年半缩短到2个半月。虚拟样机在设计过程初期，就能够提供飞行员直接体验新设计优点的“虚拟”系统，并能随时按照定货方要求，现场修改设计，美军用这一技术成功地设计了“阿帕奇”和“科曼奇”武装直升机的
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