Программные продукты и системы

Образование и подготовка военных специалистов, особенно для ВМФ, сегодня приобретают особую актуальность. С принятием Государственной программы развития вооружения возрастает потребность в учебно-тренировочных средствах (УТС) для подготовки экипажей конкретных проектов кораблей и подводных лодок, учитывающих особенности эксплуатации и боевого использования конкретных образцов вооружения и военной техники (ВВТ). Это определяет интеграционные процессы, направленные на объединение отдельных специализированных и тактических тренажеров в тренажерные комплексы (ТК), функционирующие под единым управлением на единой тактической обстановке.

Требуется переход от производства отдельных УТС к созданию интегрированных учебно-тренировочных комплексов, которые позволяли бы обеспечивать все этапы обучения и виды боевой подготовки (специальная, общая, тактическая, борьба за живучесть), начиная с теоретического обучения с использованием автоматизированных систем обучения (АСО) и практической (операторская, техническое обслуживание) подготовки на специализированных тренажерах и заканчивая обучением на тактических тренажерах по отработке слаженности боевых расчетов (в том числе и корабельного боевого расчета (КБР)) и экипажа в целом при решении как тактических задач, так и задач борьбы за живучесть. Особенно остро данная проблема стоит при обеспечении подготовки экипажей надводных кораблей.

Обретая и совершенствуя опыт в тренажеростроении, НИИ «Центрпрограммсистем» (НИИ ЦПС), г. Тверь, за последние пятнадцать лет самостоятельно, а также совместно с предприятиями ОПК в Санкт-Петербурге (например, ЦКБ МТ «Рубин», СПМБМ «Малахит», концерн «НПО «Аврора», концерн «Океанприбор», «Транзас», фирма «Пассат» и др.) и в Москве (в частности, концерн «Моринфорсистема–Агат») разработано большое количество УТС различного назначения как для ВМФ России по Гособоронзаказу, так и для подготовки экипажей военно-морских сил дружественных государств (Китай, Индия, Вьетнам, Алжир) по линии военно-технического сотрудничества. Все УТС приняты заказчиком и введены в эксплуатацию, большинство приняты на снабжение. Помимо опытных образцов, на флоты и в военно-морские учебные заведения поставлено 76 серийных образцов УТС различного функционального назначения.

НИИ ЦПС имеет богатый опыт разработки и ввода в эксплуатацию как тактических и специализированных тренажеров, так и ТК. Специалистами предприятия разработан общий подход к построению архитектуры распределенного моделирования таких систем, как программные ими- таторы средств ВВТ, специализированные и тактические тренажеры, и к их интеграции в ТК. В отдельных случаях данный подход позволяет организовывать тактические тренажеры в рамках ТК за счет объединения различных АРМ обучающихся (АРМО) из состава специализированных тренажеров с целью формирования командных пунктов и боевых постов для отработки тактических задач в составе боевого расчета. В основе этого подхода лежат модульная организация ПО и строгая структуризация построения каждого имитатора, как и тренажера в целом, с максимальной унификацией компонентов.

При разработке систем распределенного моделирования всегда встает вопрос выбора метода информационного обмена: централизованного с выделением сервера или децентрализованного, при котором функции моделирования распределены по сети. Поскольку создать полностью распределенную систему моделирования в режиме реального времени для тренажера практически невозможно, на практике используются комбинации различных методов обмена. Так, например, моделирование и синхронизация тактической обстановки, службы времени, управление ходом тренировки выполняются централизованно на вычислительно-моделирующем комплексе (ВМК), а задачи имитационного моделирования, присущие конкретным средствам ВВТ, на АРМО при распределении организации их взаимодействия [1].

Построение единой информационно-модели­рующей среды и обеспечение единого управления на основе архитектуры распределенного моделирования – главная проблема при интеграции в ТК УТС различного функционального назначения.

Центральным звеном ТК является аппаратно-программный комплекс руководства обучением и комплексирования (АПК РОК) УТС (разработка НИИ ЦПС). В состав АПК РОК входят центральные пост руководства обучением (ЦПРО) и ВМК (ЦВМК). Основные проблемы при создании ТК связаны с разработкой и выполнением проектных решений по ВМК. Архитектура ВМК составных частей ТК должна строиться по тем же правилам (стандартам), что и архитектура ЦВМК.

ВМК – основной компонент АПК РОК, который определяет архитектуру распределенной системы имитационного моделирования для построения единой информационно-моделирующей среды ТК.

ВМК предназначен для выполнения следующих функций:

–      инициализация системы моделирования, загрузка задания на тренировку;

–      имитационное моделирование объектов, процессов и явлений тактической обстановки с использованием информации, полученной из других УТС;

–      предоставление сведений о результатах моделирования на различные узлы вычислительной сети, в том числе на интегрируемые УТС;

–      управление процессом моделирования (пуск, останов, скачок, ускоренный масштаб времени);

–      протоколирование процесса моделирова­ния;

–      сохранение информации, необходимой для воспроизведения тактической обстановки;

–      воспроизведение тактической обстановки в ходе разбора.

Часть функций ВМК связаны с моделированием объектов, процессов, явлений, другая часть – с обеспечением управления и документирования тренировочного процесса.

В состав ВМК (рис. 1) входят исполнительная система и библиотека имитационных моделей.

Исполнительная система, состоящая из диспетчера и набора сервисов, обеспечивает загрузку моделей из библиотеки и их инициализацию, синхронизацию времени, взаимодействие моделей, загрузку/сохранение состояния моделей.

Диспетчер реализует цикл имитации в ходе проведения тренировки, то есть определяет основной такт моделирования. Значение такта моделирования конкретной модели может значительно отличаться от величины такта диспетчера. Моделирование скоростных объектов (самолет, ракета, торпеда и т.п.) может потребовать выполнения с тактом, равным такту диспетчера, а для других объектов (корабль, судно, подводная лодка т.п.) интервал моделирования может быть значительно увеличен. Время начала (продолжения, окончания) выполнения конкретной модели определяет диспетчер в ходе такта моделирования. В процессе имитации модель имеет возможность менять значение требуемого такта моделирования.

За одну итерацию цикла диспетчер выполняет следующие действия:

–      определяет текущее время моделирования обстановки и интервал времени, прошедшего с момента последнего расчета;

–      обрабатывает сетевые команды, поступившие с момента предыдущей итерации;

–      осуществляет имитацию моделей, временной интервал для которых с момента последнего моделирования достиг значения, указанного самой моделью при регистрации функции, или превысил его;

–      синхронизирует состояние времени и моделей с другими сетевыми узлами ТК.

Сервисы ВМК, предоставляющие функции двух видов – информационные и управляющие (функции-команды), образуют группы сервисов моделей, состава тренажера, времени, тактической обстановки, картографической информации, сетевого взаимодействия моделей.

С помощью информационных функций можно получать текущие данные самого разного рода (время и его состояние, состояние тактической обстановки, состав комплекса, набор моделей, доступных к добавлению в тактическую обстановку, и т.д.). С помощью функций-команд можно изменять тактическую обстановку, параметры тренировки или обеспечивать сетевое взаимодействие.

Функционирование ВМК организовано по принципу «клиент-сервер».

Сервер ВМК решает следующие задачи:

–      инициализация системы моделирования (на основе задания на тренировку);

–      управление единым временем;

–      добавление и удаление имитационных моделей.

Клиенты ВМК по запросу или по рассылке получают необходимую информацию от сервера. Сервер и клиенты ВМК реализуются в виде динамической библиотеки (DLL), которая используется различными приложениями (ПРО, АРМО или ВМК низшего уровня). Приложение получает право доступа ко всем сервисам ВМК, которые предоставляют ему информационные и управляющие функции. С использованием информационных функций приложение может получать различные текущие данные (время и его состояние, состояние тактической обстановки, состав тренажера, набор моделей, доступных к добавлению в тактическую обстановку, и т.д.). С помощью функций-команд приложение может изменять тактическую обстановку или параметры тренировки. Для этого клиент ВМК формирует функцию-команду и отправляет запрос на сервер ВМК. На сервере выполняются соответствующие запросу действия, после чего результат выполнения рассылается всем клиентам ВМК. Приложение взаимодействует с ВМК через сервисы, благодаря чему оно избавлено от деталей сетевого обмена.

На рисунке 2 изображена схема взаимодействия ЦВМК и ЦПРО, входящих в состав АПК РОК, с составными частями ТК, которые представлены на рисунке как АРМО и ВМК.

Библиотека имитационных моделей предназначена для обеспечения системы моделирования и состоит из модулей, в которых реализованы модели объектов тактической обстановки (ОТО), физических полей, формирований, процессов, явлений и т.п.

ВМК должен обеспечить централизованное моделирование тактической обстановки на едином информационном поле и предоставить интегрируемым УТС необходимые данные по тактической обстановке и состоянию тренировки.

Моделирование тактической обстановки предполагает имитацию широкого спектра разнородных объектов, процессов и явлений. Перечень объектов моделирования нестабилен и может быть расширен в процессе разработки, сопровождения или модернизации. Требования к адекватности моделей могут уточняться, что влечет за собой доработку моделей. Некоторые объекты могут выступать в роли как активных (модель предназначена для объединения АРМО тренажера для конкретного проекта), так и пассивных ОТО (надводный корабль, подводная лодка, самолет, вертолет), следовательно, им необходимо несколько отдельных реализаций моделей. Некоторые модели требуют значительных вычислительных ресурсов и могут располагаться на отдельных выделенных серверах, а не на сервере ВМК.

К системе моделирования выдвигаются следующие требования:

–      масштабирование (возможность расширения номенклатуры моделируемых ОТО);

–      гибкость (возможность модификации отдельных моделей, не затрагивая другие компоненты системы);

–      эффективно распределенное моделирование (возможность моделирования различных объектов на разных машинах сети);

–      существование альтернативных моделей одного объекта.

Система моделирования предполагает максимальное отделение моделей от остальных компонентов системы и формализацию способов взаимодействия моделей. Исполнительная система располагает минимальным объемом информации о моделях (фактически только имя), благодаря чему может работать с произвольным составом моделей (за счет этого возможно масштабирование системы). Моделирование тактической обстановки с точки зрения ВМК – это процесс взаимодействия моделей, причем способ взаимодействия определяется самими моделями.

Модели организованы в единую иерархическую структуру с произвольным числом уровней. Вершиной иерархии является модель тактической обстановки, в которую в качестве дочерних элементов включаются модели ОТО и групповых формирований. Дочерние элементы модели объектов – это модели отдельных средств обнаружения, комплексов вооружения. Иерархическая структура моделей обеспечивает механизм построения сложных моделей ОТО с использованием набора более простых, при этом количество уровней структуры определяет глубину моделирования.

На рисунке 3 показана иерархическая структура модели тактической обстановки, которая включает модели ОТО, формирований, физических полей.

Каждая модель строится по принципу «клиент-сервер», то есть реализует возможность функционирования в двух режимах, за счет чего достигается гибкое конфигурирование процесса моделирования. Сервер модели может располагаться на любом узле сети, а на остальных узлах размещаются клиенты модели, которые предоставляют пользователям (приложениям) возможность получения результатов моделирования и право передавать запросы (функции-команды) серверу модели. Назначение сервера и размещение клиентов модели определяются при инициализации системы моделирования на основе задания на тренировку. Назначения серверов моделей конкретным узлам записываются в отдельный конфигурационный файл.

Система моделирования позволяет распределять модели между вычислительными узлами сети. Таким образом, ВМК может распределять нагрузку, а также работать с объектами, которые моделируются на АРМО или других УТС.

Рассмотрим пример реализации модели активного ОТО – подводной лодки [2]. АРМО реализуют соответствующие пульты управления систем ВВТ и технических средств конкретного проекта. Сервер модели активного объекта обычно размещается на одном из АРМО или отдельном сервере. Сервер модели осуществляет взаимодействие с АРМО, которое может быть реализовано любым способом на усмотрение разработчика модели. Взаимодействие сервера с АРМО может быть аналогично его взаимодействию с ВМК и ПРО. Для реализации необходимо только использование клиента ВМК на АРМО. Клиент ВМК, расположенный на АРМО, будет содержать в себе клиента модели активного объекта. Модель активного объекта предоставляет данные о параметрах движения подводной лодки, состоянии и режимах функционирования ее технических средств и систем ВВТ, данные об обнаруженных целях, о параметрах гидроакустических и радиолокационных полей и другие посредством реализации соответствующих интерфейсов. В целом модель активного объекта должна реализовывать все интерфейсы пассивного объекта, а также и свои специфические.

Отдельное решение связано с моделями групповых формирований. Модель формирования управляет группой объектов на протяжении всей тренировки, обеспечивая решение задач перестроений, совместного маневрирования, использования оружия, средств ВВТ, противоракетной и противолодочной обороны и т.п. Для этого модели предоставляется пользовательский интерфейс управления формированием с ПРО.

Все модели регистрируются в БД моделей, которая предназначена для хранения перечня моделей и значений их редактируемых параметров. Параметры модели, конкретизирующие модель, передаются модели при их добавлении в тактическую обстановку. Поскольку параметры каждой модели специфичны и определяются разработ- чиком, функция редактирования параметров возлагается на сами модели. Для этого модели предоставляется пользовательский интерфейс редактирования параметров с ПРО. Интерфейсы позволяют

–      получать данные о состоянии модели (например текущие параметры движения);

–      передавать модели команды для исполнения (например изменить режим работы средств ВВТ);

–      получать оконный пользовательский интерфейс модели для просмотра текущих параметров и управления моделью.

Комплексирование УТС ТК в случае, когда ПО ВМК и ПРО УТС построены идентично ПО АПК РОК, осуществляется достаточно просто. Это должно происходить, когда ТК разрабатывается по единому техническому заданию и нет необходимости интегрировать УТС, созданные различными предприятиями по отдельному техническому заданию.

При комплексировании УТС ТК необходимо решить следующие задачи:

–      синхронизация модельного и астрономического времени комплексируемых тренажеров;

–      передача данных о состоянии тренировки;

–      формирование задания на тренировку и передача информации о состоянии тактической обстановки на тренажеры;

–      задание параметров начального состояния АРМО тренажеров;

–      передача данных о состоянии АРМО на ЦВМК.

На рисунке 4 представлена схема комплексирования УТС ТК.

ЦВМК работает в серверном режиме (сервер ВМК), ведет модельное и астрономическое время, отрабатывает команды управления тренировкой и транслирует всю необходимую информацию на ВМК УТС, которые взаимодействуют с АПК РОК в клиентском режиме (клиент ВМК).

Для обеспечения возможности задания исходного состояния моделируемых отдельными тренажерами активных объектов (на схеме подводной лодки) в состав библиотеки ЦВМК помещается полный комплект моделей активных объектов. Сервер активного объекта запускается на том УТС (на схеме УТС 1), которое его моделирует. На всех прочих узлах сети (АПК РОК и других УТС) запускаются клиенты этой модели. Серверы моделей пассивных ОТО (взаимодействующие силы, силы противника и др.) запускаются на АПК РОК, а все УТС, имеющие копии этих моделей, работают в режиме клиента модели. Работая в единой информационно-моделирующей среде, серверы моделей синхронизируют данные со своими клиентами посредством сервиса, предоставляемого ВМК. С помощью окна, которое предоставляет клиентская копия модели активного объекта, обеспечиваются возможность задания параметров начального состояния АРМО и отображение текущего состояния АРМО (УТС 1) на ЦПРО.

В случае необходимости комплексирования с ТК УТС (тренажеры, ТК и др.), разработанные с отличающимися от рассмотренных выше архитектурой и принципами моделирования, требуют дополнительного программного приложения (условное наименование «шлюз»), для размещения которого обычно необходима отдельная ПЭВМ.

Для организации обмена между шлюзом и центральным ВМК АПК РОК в состав шлюза включается клиент ВМК АПК РОК, а для организации обмена между шлюзом и ВМК комплексируемого УТС – клиент ВМК УТС.

Клиент ВМК АПК РОК получает информацию от центрального ВМК АПК РОК, преобразует ее и передает клиенту ВМК УТС. От него информация уходит на ВМК УТС, который работает в серверном режиме, а затем рассылается на составные части УТС.

Дополнительно для АПК РОК разрабатывается модель активного объекта комплексируемого УТС. При формировании задания на совместную с УТС тренировку с использованием этой модели на ТК будет задаваться исходное состояние активного объекта. Во время тренировки такая модель обеспечит мониторинг на ТК состояния данного активного объекта, сервер этой модели активного объекта должен входить в состав шлюза. На узлах АПК РОК, а также на других составляющих ТК располагаются клиентские копии модели. Сервер модели будет получать информацию о состоянии активного объекта из комплексированного УТС и рассылать ее своим клиентам.

Таким образом, ТК и УТС будут функционировать под общим управлением в единой информационно-моделирующей среде.

Опыт разработки различных УТС, в том числе и ТК для подготовки подводников, позволил НИИ ЦПС выработать общие принципы и подходы к решению задач как создания новых ТК по единому техническому заданию, так и интеграции ранее разработанных УТС в ТК. Специалисты предприятия также осуществляют интеграцию в единую информационно-моделирующую среду и функциональное ПО образцов ВВТ (изделие «Лесоруб-11430», совместная с ЗАО «Фирма «Пассат» и НПО «Марс» разработка УТС для подготовки экипажа корабля проекта 11430 для военно-морских сил Индии).

При интеграции необходимо решить проблему урегулирования отношений различного типа и уровня в области создания ТК. На нижнем уровне это касается отдельных программ, каждая из которых должна быть понятной другой. На верхнем – вопрос взаимоотношений предприятий-разработ­чиков различных УТС. Интеграция должна предполагать добрую волю, взаимную заинтересованность и потребность во взаимодействии.

Литература

1.    Рисунков В.Б. Разработка учебно-тренировочных средств радиоэлектронного вооружения и средств радиоэлектронной борьбы ВМФ // Оборонный заказ. 2007. № 15.

2.    Шорин А.Б., Новиков И.В. Варианты взаимодействия рабочих мест тактического тренажера // Программные продукты и системы. 2009. № 1. С. 111–113.

References

1.  Risunkov V.B.,  Oboronny zakaz  [Defence order], 2007, no. 15.

2.  Shorin A.B., Novikov I.V.,  Programmnye produkty i sistemy [Software and Systems], 2009, no. 1, pp. 111–113.