引言

傳統(tǒng)的試驗存在著試驗組織過程復雜、試驗成本代價高昂、試驗易受自然客觀條件限制等問題。利用通用體系結構（如DIS，HLA，TENA）構建仿真試驗系統(tǒng)來模擬現(xiàn)實中的靶場試驗，可以解決部分傳統(tǒng)靶場試驗中存在的問題。HIT-GPTA平臺即是基于HLA體系結構建立的通用仿真實驗平臺，該平臺可提高試驗資源的互操作性、重用性和組合應用能力，可以根據(jù)具體的任務需要將分布在各靶場、設施中的試驗、仿真及高性能計算能力集成起來，構成一個用于試驗的開放式環(huán)境。

仿真試驗系統(tǒng)存在著對高速、實時性等相關性能指標的要求，而HIT-GPTA平臺為方便資源的集成與可重復利用，采用了Windows+以太網(wǎng)的模式進行設計，為提高HIT-GPTA平臺在仿真試驗領域的應用，需要提高平臺的實時性。Windows+以太網(wǎng)的模式的優(yōu)點在于資源的重復利用及系統(tǒng)構建方便，不足在于實時性受限于Windows系統(tǒng)的性能和以太網(wǎng)的傳輸速率。為擴展平臺在實時仿真領域的應用，需要擴展一個實時的仿真支撐系統(tǒng)以提高仿真平臺的整體實時性。RTX是美國Ardence公司開發(fā)的基于Windows操作系統(tǒng)的實時解決方案。RTX 向Windows 添加一個實時子系統(tǒng)（RTSS），實時性能由RTX 子系統(tǒng)提供，具有完全自己獨立的實時性能強大的調度器。反射內存網(wǎng)內每個節(jié)點上的反射內存卡存儲器中都有其他節(jié)點的共享數(shù)據(jù)拷貝，相較于仿真系統(tǒng)的仿真步長而言，反射內存網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸延遲可以忽略。為提高HIT-GPTA平臺的實時性，本設計采用了RTX與Windows相結合的機制，將實時性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸接口及處理算法在RTX 內實現(xiàn)，提高仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及調度的實時性，采用反射內存網(wǎng)替代以太網(wǎng)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。該仿真模式在武器裝備的半實物仿真、調試、高覆蓋率測試等領域，具有廣闊的應用前景。

1 實時仿真系統(tǒng)簡介

本設計中采用RTX+Windows的設計方式改進了仿真系統(tǒng)算法及調度的實時性，采用了反射內存網(wǎng)提高了節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，并為各種總線接口設計了RTX系統(tǒng)下的驅動程序，提高設備接入的實時性。改進后的設計如圖1所示，該實時系統(tǒng)包含以下幾個組成部分：平臺接口模塊、實時仿真組件、實時流程控制、設備驅動接口、反射內存網(wǎng)絡。平臺接口模塊承擔定義仿真類型、配置仿真參數(shù)、處理非實時數(shù)據(jù)、顯示仿真結果等任務。實時仿真組件運行實時仿真算法，是實時仿真系統(tǒng)的主體。實時流程控制是仿真系統(tǒng)的控制中樞，用于控制仿真系統(tǒng)的執(zhí)行流程。設備驅動接口用于向仿真系統(tǒng)接入實物設備，使仿真系統(tǒng)具有了半實物仿真的能力。反射內存網(wǎng)絡用于完成各仿真節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)的實時仿真部分采用Windows+RTX的設計模式，Windows部分對應Win32進程，為非實時進程，完成非實時的仿真任務；RTX部分對應RTSS進程，為實時進程，完成實時仿真運算，通過共享內存與Win32進程通信，獲取配置數(shù)據(jù)并更新發(fā)布數(shù)據(jù)，通過反射內存操作，完成與實時組件之間的訂購發(fā)布，同時接受流程控制組件的調度的推進。

對該系統(tǒng)各組成部分的功能進行分析可以發(fā)現(xiàn)，可以從兩個方面保證仿真系統(tǒng)實時性：一是建立一個完成實時仿真運算的實時仿真子系統(tǒng)；二是構建實時數(shù)據(jù)傳輸鏈路，包括數(shù)據(jù)的傳輸、設備的接入等。

2 實時仿真子系統(tǒng)設計

實時仿真子系統(tǒng)包括仿真平臺接口、實時仿真設備、實時流程控制等幾個部分。

2.1 平臺接口

模塊圖1 中非實時組件、本地通信代理、信息傳輸管理平臺等部分屬于仿真平臺接口模塊。仿真平臺接口提供參數(shù)的配置用戶接口界面，由用戶對仿真系統(tǒng)進行配置，配置完成后生成仿真接口文件，供實時仿真組件加載和使用。此外，仿真平臺接口還承擔實時系統(tǒng)與非實時系統(tǒng)的交互任務，完成系統(tǒng)內實時設備與非實時設備的交互。

仿真平臺的參數(shù)配置主要包含表1中的內容。

仿真優(yōu)先級規(guī)定了各仿真節(jié)點的執(zhí)行次序。優(yōu)先級設定如下：不同設備可以處于同一優(yōu)先級，執(zhí)行權限相同，無先后順序要求，但是低優(yōu)先級的設備要等待高優(yōu)先級設備全部執(zhí)行完成后才能獲得執(zhí)行權限。本地仿真時采用共享內存作為仿真系統(tǒng)各節(jié)點交互數(shù)據(jù)的中介，分布式仿真時采用反射內存作為各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸途徑。兩種方式的配置方式類似，可做統(tǒng)一處理。反射內存結構設計如圖2所示。

2.2 實時仿真組件

實時仿真組件包含兩個進程，該模板的Win32進程為平臺組件，繼承自組件基類，提供與平臺的接口，RTSS進程為實時進程，運行實時仿真算法，并讀寫反射內存完成實時訂購發(fā)布。靜態(tài)建模完成后，由Win32進程創(chuàng)建RTSS進程，RTSS初始化完成后仿真組件準備就緒，根據(jù)推進命令及流程控制命令進行相關仿真。實時仿真組件運行流程如圖3所示。

仿真開始后RTSS進程根據(jù)仿真節(jié)拍的順序進行仿真，節(jié)拍開始時查詢仿真標識，當所有高優(yōu)先級的組件仿真完成后，從共享內存（本地仿真）或反射內存（分布式仿真）中取出訂購數(shù)據(jù)，進行仿真計算；完成后將發(fā)布數(shù)據(jù)寫入反射內存，根據(jù)抽樣間隔將數(shù)據(jù)抽點寫入共享內存，交由Win32 進程發(fā)布；設置組件相關的仿真標識。Win32進程檢測共享內存的更新狀態(tài)，有數(shù)據(jù)更新時將所更新的數(shù)據(jù)發(fā)布到平臺，供其他非實時組件訂購。

實時仿真組件的兩個進程之間通過共享內存通信，并通過互斥信號量來保證讀寫的正確進行。每個仿真組件分別創(chuàng)建發(fā)布區(qū)和訂購區(qū)共享內存，為發(fā)布區(qū)創(chuàng)建“雙事件”進行互鎖，確保共享內存的讀/寫安全與及時；為訂購區(qū)創(chuàng)建互斥信號量確保讀/寫統(tǒng)一。

2.3 實時流程控制

實時流程控制是仿真系統(tǒng)的控制中樞，通過分析系統(tǒng)各組成部分的運行狀態(tài)決定下一步的仿真動作?；镜姆抡婷钣虚_始、初始化、同步、暫停、運行、停止等命令，實時流程控制設計了開放式的接口，便于擴展仿真控制命令。

靜態(tài)建模完成后，啟動流程控制組件的實時進程，讀取仿真信息文件，組件自身完成初始化并設置相關寄存器。然后按照流程控制的各個步驟完成發(fā)布流程控制命令，各設備根據(jù)具體的流程控制命令執(zhí)行相應操作。實時流程控制組件運行流程圖如圖4所示。

3 實時數(shù)據(jù)傳輸鏈路構建

提高仿真系統(tǒng)實時性的另一個途徑是提高數(shù)據(jù)傳輸鏈路的實時性，這主要從兩個方面來提高，一是提高仿真實物設備接入的實時性；另一個是提高系統(tǒng)內各節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3.1 實時設備驅動

一般的實時仿真系統(tǒng)都會有實物設備接入系統(tǒng)，為提高仿真系統(tǒng)的實時性，必須提高設備接入的實時性。

實物設備是通過驅動程序接入到仿真系統(tǒng)中的，Win-dows的實時性由于系統(tǒng)本身的調度機制難以達到實時系統(tǒng)的需求，必須為實物設備設計在RTX 系統(tǒng)中的驅動程序。如圖1中所示，實物設備通過各種總線接口接入到上位機的系統(tǒng)中，仿真組件的RTSS進程通過訪問設備驅動程序完成對設備的控制。RTX設備驅動可直使用Visual Studio開發(fā)工具開發(fā)，工程向導直接生成驅動框架程序，開發(fā)簡單且開發(fā)周期較短。

3.2 實時數(shù)據(jù)傳輸

實時支撐子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用反射內存網(wǎng)完成。反射內存網(wǎng)內每個節(jié)點的存儲器中都有其他節(jié)點的共享數(shù)據(jù)拷貝，相較于上位機的仿真節(jié)拍，數(shù)據(jù)的傳輸延遲可以忽略。通過反射內存，各個仿真系統(tǒng)可以及時地獲取仿真控制命令和仿真數(shù)據(jù)。使用反射內存進行仿真節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸可以極大地縮小數(shù)據(jù)鏈路的延遲，保證仿真系統(tǒng)的整體實時性。

4 測試結果及分析

為對比改進的結果，對含有實時支撐平臺和不含實時支撐平臺的仿真系統(tǒng)進行了測試，測試流程按照仿真周期遞減開始測試，結果如表2所示。

從測試結果可知，仿真系統(tǒng)中加入實時支撐子系統(tǒng)后可以極大地提高仿真系統(tǒng)整體的實時性，彌補了HIT-GPTA平臺的一個缺陷。

5 結語

本文對組成仿真系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的實時性進行了分析，從軟件、驅動、硬件三個層次改進仿真系統(tǒng)的各組成部分，縮小了仿真延遲的最大瓶頸，提高了仿真系統(tǒng)的整體實時性。