一种基于云平台的飞行模拟器仿真框架的制作方法

本发明属于云计算应用、模拟仿真系统，涉及一种基于云平台的飞行模拟器仿真框架。

背景技术：

1、随着航空科学技术的发展，各类军用以及民用飞行器逐渐向系统化、集成化、复杂化方向发展，对飞行人员训练使用的成本大幅上升。而使用飞行模拟器进行飞行训练可以大幅降低训练时间，降低实装飞机的损耗。它可以实时仿真的方式为飞行人员提供逼真的座舱、飞行仿真、视景、运动感觉、航电系统、综合环境、声音模拟环境，并为受训人员提供各类机型的飞行科目、战术科目、武器操作等方面的训练。

2、有飞行模拟器整体可分为两种体系架构，一是以飞机仿真为中心的方式，整体数据网络以飞机仿真分系统为中心，采用udp等网络协议，根据各系统特点使用点对点或者组播方式进行数据通信，数据发送方式采用固定周期发送方式，数据接收方采用阻塞/非阻塞接收方式。根据业务需求进行调整匹配，系统架构及网络原理如图1所示。

3、二是基于基础仿真框架的分布式仿真方式

4、各系统的仿真软件多采用模块化的建模方式，每个仿真实体完成特定的仿真功能。并配置统一的api对外接口。为了实现实时仿真的要求和协调各仿真模块协调运行，为模拟器各实时仿真系统配置统一的基础仿真平台。基础仿真平台采用插件化、面向服务的架构，实现仿真实体集成、仿真运行调度、网络数据通信、数据存储管理和时钟同步控制功能，具备支撑多节点协同实时仿真能力，为模拟器仿真业务提供流程控制框架和底层计算服务。网络通信多采用udp/或各类通信中间件的形式，保证全系统网络架构统一。

5、其中，仿真实体集成负责将各仿真软件按统一的规范进行接口统一和模型集成；运行调度根据一定周期按一定顺序调用各模块的方法；时钟同步控制根据实时仿真训练的功能要求，分为时钟同步和周期同步两种同步方式，时钟同步是通过统一的时钟服务器实现系统时间的同步；周期同步是通过选取某一节点充当节拍器，向其他节点发出心跳信号驱动各仿真节点推进一步来实现数据周期同步功能；数据存储管理存储训练过程产生的数据和仿真软件计算所需要的数据信息；网络数据通信封装了udp/tcp/dds等通信协议，供上层应用使用。

6、相比前一种系统架构，使用通用基础仿真平台的方式可以使上层仿真应用与底层调度平台充分解耦，具备良好的适应性，和可扩展性，仿真软件升级时只需要更改软件业务部分，不需要改变底层仿真框架，系统整体架构可以保持不变。基于统一的基础仿真平台的仿真架构设计如图2所示。

7、现有飞行模拟器仿真架构的不足之处主要包括四点：

8、(1)运维复杂度高。需要配置多台不同功能的仿真计算机，包括飞行仿真计算机、航电仿真计算机、座舱采集计算机、航电显控仿真计算机。教员台计算机、视景仿真计算机、数据库存储服务计算机等。需要分别部署在数台机架式机柜中，连线较为复杂，需配置kvm设备对各个仿真节点进行管理、维护。系统连线关系较为复杂，需要集中整理各类标准的接口(包括rj45网络接口、串行通信接口、usb、各类音视频接口等)。连线较为复杂，安装，搬运不便。

9、(2)设备利用率低。运行于环境仿真计算机中的环境仿真软件作为系统公共服务，需要不断接收来自飞行仿真、航电仿真、视景仿真计算机的对于电磁背景噪声、红外背景辐射、地理气象信息的查询服务请求。系统公共/通用服务对硬件资源的需求会随仿真规模及复杂度的变化而变化。例如仿真模型越复杂、仿真规模越大，对公共/通用服务器的复杂处理能力、并行计算能力的要求也越高。飞行模拟器在设计实现时，通常会充分评估系统仿真的设计规模及复杂度，按最高设计要求一次性部署完成硬件资源。由于计算资源需求的潮汐效应，当系统低负荷运行时，部分服务器会存在大量空闲资源。理论上，在低载或空载服务器上部署、调度多个应用软件分时错峰运行可以充分利用计算资源。但是在实际使用中，一方面由于同一运行环境下的不同应用可能存在无法预见的影响或干扰，另一方面由于人工的资源调度过程复杂繁琐且无法适应计算资源需求的动态变化，这些空闲资源通常会被浪费掉。

10、(3)基础仿真框架架构过于复杂，扩展性差。基础仿真平台需要与承担各类仿真功能的仿真节点适配，需集成的软硬件接口、网络协议标准较为庞杂，且由于仿真终端节点运算和后台通用服务软件的仿真周期、耗费计算资源差别较大，难以集成在同一套基础仿真框架中。

11、(4)无法实现训练场景再次介入功能，再次介入相当于仿真场景再次启动，用于训练中的关键事件复盘。而现有各机型软件模型成果所支持设置的初始状态参数并不包括仿真模型运行过程中的全部状态量，同时也无法支持对仿真模型运行过程中的全部状态量进行记录。如仿真模型中部分积分环节的积分值、传感器模型中的目标处理过程信息等。因此以训练记录数据的某一时刻数据作为再次介入的场景时，无法完全复现该时刻的各类模型软件的运行状态。

技术实现思路

1、本发明的目的：本发明将传统的基础仿真平台拆分成应用端和服务端，并结合云化部署的方式使得应用代码不发生结构变化前提下，将非功能特性委托给基础仿真平台服务端，实现基于云平台的飞行模拟器仿真框架。并利用虚拟化云平台的虚拟机快照功能，实现任意训练场景的再次介入功能。

2、本发明的技术方案：一种基于云平台的飞行模拟器仿真框架，结合现有模拟器的两种总体架构进行改造，基于云平台搭建飞行模拟器仿真框架，采用虚拟化方式将相关仿真应用和服务迁移上云，并将原基础仿真平台拆分为基础仿真平台服务端和基础仿真平台应用端，依据与云平台的硬件设备兼容能力分为物理机部署和云主机部署；基础仿真平台应用端为上层仿真应用提供统一的时钟同步、数据通信、仿真运行以及数据存储接口，部署于各类云上和云下仿真节点；基础仿真平台服务端接收基础仿真平台应用端的服务访问请求，为系统提供高可用的时统、网络数据通信、仿真运行调度、仿真实体集成以及数据存储管理服务，部署于虚拟化云平台；

3、物理机部署：与硬件设备有直接io交互的航电显控计算机、座舱采集计算机、座舱模拟分系统、视景分系统、教员台分系统、运动平台分系统仍部署于云下物理机；航电显控计算机、座舱采集计算机与基础仿真平台应用端适配，集成在基础仿真平台应用端中；座舱模拟分系统、视景分系统、教员台分系统、运动平台分系统通过dds或udp方式接入统一网络交互协议；

4、云主机部署：飞行仿真云主机、航电仿真云主机以及综合环境仿真云服务器集群主要执行后台计算任务、提供系统公共服务，部署于云上虚拟机，由云上的基础仿真平台应用端集成管理；其中综合环境仿真采用高并发负载均衡集群部署方式，并且在云上部署基础仿真平台服务端，基础仿真平台服务端由仿真实体调度中心云服务器、网络数据通信中心云服务器、时统云服务器、数据库云服务器组成；通过接收基础仿真平台应用端的服务访问请求，为系统提供高可用的时统、网络数据通信、仿真运行调度、仿真实体集成以及数据存储管理服务；其中时统服务、网络数据通信中心服务、仿真运行调度中心服务、仿真实体集成中心服务采用高可用主备双活集群部署方式。

5、所述基础仿真平台应用端分别与云上和云下部署，云下部署于航电显控计算机和座舱采集计算机中，负责集成航电显控软件和座舱采集软件，航电显控软件和座舱采集软件是需要与计算机硬件设备硬件io接口进行数据交互的终端软件；云上部署在飞行仿真云主机、航电仿真云主机和综合环境仿真云服务器中，其中，部署于综合环境仿真云服务器中的应用端节点接受北斗卫星授时信号，作为仿真推进的节拍触发器，其他应用端布置节拍响应模块，接收仿真节拍信号向前推进。

6、所述基础仿真平台服务端根据不同的服务功能，部署于各自专用的中心服务器，负责接收并响应应用端各模块的服务访问请求。

7、所述综合环境仿真服务即可以服务于单套模拟器中不同仿真节点需要，也可以服务于多台模拟器联网时对统一仿真背景环境的仿真需求；主要用于接收飞行仿真、航电仿真、视景仿真计算机的对于电磁背景噪声、红外背景辐射、地理气象信息的查询服务请求，调用综合环境数据库和地景数据库的数据，解算模拟飞机所处的地表无线电高度、无线电通识情况、目标rcs电磁辐射特征、电磁背景噪声、和目标环境红外辐射强度值的公共环境信息；

8、所述虚拟化云平台

9、采用商用或成熟开源的虚拟化云平台方案，虚拟化云平台部署于数据中心机房，由虚拟化平台管理软件、服务器及网络设备组成；服务器包括计算节点、网络节点、存储节点以及管理节点，部署对应的虚拟化平台管理软件，分别实现计算虚拟化、网络虚拟化、存储虚拟化以及虚拟化管理功能。

10、所述基础仿真平台应用端主要模块包括：

11、1)仿真实体集成模块：规定单个仿真实体内模块组装存放的目录格式，提供应用底层连接工具和组件，负责飞行仿真不同软件的内部构件之间的集成，主要以共享内存数据池方式实现不同构件的数据匹配；

12、2)仿真运行调度模块：负责根据接收到的时钟节拍器的心跳信号按照逻辑仿真顺序依次调度上层仿真应用软件推进仿真；

13、3)时钟同步模块：按照固定周期接收基础仿真平台服务端的心跳触发信号和时间对齐信号；

14、4)网络数据通信模块：基于发布订阅模式的网络数据通信的客户端通信组件，为数据集中存储服务提供客户端接口，通过网络通信、格式转换与第三方系统、其他实体进行数据交换；

15、5)数据存储管理模块：为仿真应用提供本地数据访问接口的数据存储管理客户端组件。

16、所述基础仿真平台服务端包括：

17、1)仿真实体集成中心服务：负责构件数据集成配置信息、共享内存数据池的统一管理与维护；

18、2)仿真运行调度中心服务：提供模块对外调用的统一接口完成模块功能开发后，需要实现模块的接口函数中定义；在仿真运行过程中集中进行各个仿真应用的初始化、启动、暂定、复位等状态的控制与状态监管；

19、3)时统服务：提供基于北斗卫星授时操作系统授时服务，以及高精度的心跳触发服务，通知应用端接收心跳信号；

20、4)网络数据通信中心服务：提供生成模块之间数据流向配置的工具，集中进行各发布订阅客户端的数据转发、监控和记录，强调以数据为中心，可满足各种分布式实时通信应用需求；

21、5)数据存储管理服务：把仿真应用中产生的各类训练记录数据、结构化和非结构化数据使用云存储来保存，对于需要临时保存到基础仿真平台应用端的数据，使用日志加检查点的方式进行储存。

22、所述虚拟化云平台由多个虚拟机组成，创建云主机和云服务器，参照各仿真应用在云下物理机部署时的运行环境要求，在云上虚拟机安装对应的操作系统及支撑软件，保证各仿真应用在云上和云下的运行方式完全一致，实现应用无缝迁移上云。

23、所述虚拟机是在物理硬件平台上模拟出来的独立、隔离、虚拟的硬件系统，应用软件运行在虚拟机中，与物理硬件解耦，避免在系统扩展或升级时，因物理服务器品牌、型号、配置不同而带来的软硬件兼容风险；同一物理机不同虚拟机内的应用互不干扰。

24、所述综合环境仿真服务通过负载均衡集群实现公共服务高并发，通过云平台的弹性伸缩、动态资源扩展特性，根据不同的服务并发程度引起的计算资源需求变化，动态增减和迁移虚拟机、动态调整集群规模及部署，优化资源调度，自动实现多物理机负载分担、多虚拟机忙闲交错。

25、所述虚拟机是由一组虚拟文件组成，文件保存虚拟机及其运行环境的状态，通过简单的文件操作快速完成虚拟机的部署、备份、还原、快照、恢复、迁移、扩容系统维护工作。

26、本发明的技术效果：

27、本发明将传统的基础仿真平台拆分成应用端和服务端，并结合云化部署的方式可使得应用代码不发生结构变化前提下，将非功能特性委托给基础仿真平台服务端实现，同时云化部署可大幅提高系统的可用能力、容灾能力、安全特性、可修改性和可维护性等，并充分利用虚拟化云平台的特性解决了传统模拟器系统无法实现功能，具体为：

28、1、基础仿真平台应用端分为客户端框架和服务端框架，客户端框架既支持物理机也支持云端部署，根据实际模拟器各模块特性选定；服务端框架采用云端主备双活集群部署方式，为系统提供高可靠的基础仿真运行支持。

29、2、综合环境仿真服务采用云端负载均衡集群部署方式，将传统模拟器中需要各自解算的红外环境、电磁背景、地理信息查询整个仿真场景中的背景环境进行统一集中解算，解决了联网条件下背景环境计算量暴涨的问题，利用的计算规模随着计算业务量的变化而自动伸缩。面对某些时段的背景环境计算需求时候保证依赖的计算资源充足。

30、3、在提高设备利用率方面，使用更少的硬件资源获得同样的整体性能，节省空间与能源。通过虚拟化云平台解决应用运行隔离与部署整合问题，同时自动实现多物理机负载分担、多虚拟机忙闲交错，在保证安全性、可靠性、可操作性的同时，提高资源利用率。

31、4、在降低运维复杂度方面，利用虚拟机易于管理维护的特性，以虚拟机为粒度封装和管理软件及其运行环境，有利于系统软件维护、调试测试、灾难恢复等；通过云平台提供的集中化、自动化管理工具，可以在保证业务稳定高效运行的同时，减低系统运维复杂度。

32、5、使用虚拟化云平台的虚拟机快照功能，将仿真平台上运行的所有仿真应用的内存状态存储为数据文件，实现训练后任意时刻数据的加载，从而绕过修改负载的应用层代码实现整个系统的关键节点再次介入操作。从而大大提升系统的灵活性，有利于关键操作，场景的重复训练。