Hajautettu sotilassimulointi — useiden simulointijärjestelmien yhdistäminen verkon kautta niin, että ne jakavat yhteisen synteettisen ympäristön — on yksi laajamittaisen joukkokoulutuksen perustavista teknisistä vaatimuksista. Kun maavoimien komentopaikan simulaattorin täytyy olla vuorovaikutuksessa ilmaoperaatiokeskuksen simulaattorin ja logistiikan hallintasimulaation kanssa samanaikaisesti, kysymys ei ole siitä, käytetäänkö yhteentoimivuusprotokollaa, vaan mitä niistä. Kaksi hallitsevaa standardia ovat DIS (Distributed Interactive Simulation, IEEE 1278) ja HLA (High Level Architecture, IEEE 1516). Erojen ymmärtäminen ja sen tietäminen, milloin kumpikin on sopiva, on olennaista osaamista jokaiselle tiimille, joka rakentaa hajautettua sotilassimulointia.
DIS vs. HLA: ero ja milloin kumpaakin käyttää
DIS on vanhempi standardi, joka kehitettiin 1990-luvun alussa ajoneuvosimulaattorien yhdistämiseen. Se toimii yksinkertaisella vertaisverkkomallilla: kukin osallistuja lähettää kaikille muille verkon osallistujille Protocol Data Unit -yksiköitä (PDU), jotka sisältävät kohteen tilatietoa. Keskuskoordinaattoria, ajanhallintaa tai omistajuuden käsitettä ei ole — kuka tahansa osallistuja voi julkaista kohteiden tilatietoa. DIS on suoraviivainen toteuttaa, toimii hyvin lähiverkoissa ja sillä on erinomainen työkalutuki.
DIS:n yksinkertaisuus on myös sen rajoite. Koska kaikki kohteiden tila lähetetään kaikille osallistujille, DIS ei skaalaudu harjoituksiin, joissa on tuhansia kohteita — verkon kaistanleveys ja prosessointikuorma muuttuvat ylivoimaisiksi. DIS:llä ei myöskään ole alkuperäistä mekanismia ajan synkronoimiseen simuloinnin osallistujien kesken: kohteiden sijainnit ennakoidaan (dead reckoning) tilapäivitysten välillä, eikä ole takeita siitä, että eri osallistujilla on sama näkemys simulointiajasta. Harjoituksiin, jotka vaativat tiukkaa ajallista koordinointia — erityisesti sellaisiin, joissa esiintyy vaikutuksia, jotka on laskettava simulointirajojen yli — DIS on riittämätön.
HLA ratkaisee nämä rajoitteet kehittyneemmällä arkkitehtuurilla. HLA-federaatiossa keskuskomponentti nimeltä Runtime Infrastructure (RTI) hallitsee kaikkea simuloinnin osallistujien (joita kutsutaan federaateiksi) välistä viestintää. RTI tarjoaa ajanhallintapalveluita, datan jakelun hallintaa (joka säätelee, mitkä federaatit vastaanottavat mitäkin dataa), omistajuuden hallintaa (joka säätelee, mikä federaatti on määräävä minkäkin kohteen attribuutin osalta) sekä federaation hallintapalveluita. HLA skaalautuu suuriin harjoituksiin ja tarjoaa ajallisen koordinoinnin, jota DIS:stä puuttuu.
Käytännön ohje: käytä DIS:ää harjoituksiin, jotka yhdistävät pienen määrän simulaattoreita luotettavaan lähiverkkoon, kun toteutuksen yksinkertaisuus on ensisijaista eikä ajallinen tarkkuus ole kriittistä. Käytä HLA:ta laajamittaisiin harjoituksiin, harjoituksiin, jotka vaativat tarkkaa ajallista koordinointia, tai harjoituksiin, joiden on federoitava järjestelmiä laaja-alaisten verkkojen yli, joissa yhteys voi olla epäluotettava.
HLA Runtime Infrastructure: keskeiset käsitteet
RTI on HLA-federaation keskeinen tekninen komponentti. Se on väliohjelmistokerros — tyypillisesti palvelinprosessi, johon federaatit yhdistyvät — joka toteuttaa IEEE 1516 -standardissa määritellyt HLA-palvelut. RTI:n palvelumallin ymmärtäminen on välttämätöntä jokaiselle kehittäjälle, joka toteuttaa HLA-federaattia.
RTI tarjoaa kuusi palveluryhmää. Federation Management käsittelee federaation elinkaaren: federaation luomisen ja siihen liittymisen, federaattien synkronoinnin määritellyissä pisteissä sekä federaation purkamisen harjoituksen päättyessä. Declaration Management antaa federaateille mahdollisuuden ilmoittaa, mitä kohdeluokkia ja vuorovaikutusluokkia ne julkaisevat (tuottavat) ja tilaavat (kuluttavat). RTI käyttää näitä ilmoituksia datan tehokkaaseen reitittämiseen — federaatti vastaanottaa vain dataa, johon se on ilmoittanut kiinnostuksensa. Object Management käsittelee simulointikohteiden luomisen, päivittämisen ja poistamisen koko federaatiossa. Ownership Management hallitsee, mikä federaatti on määräävä kunkin kohteen kunkin attribuutin osalta — ominaisuus, jonka avulla kohteen omistajuus voidaan siirtää federaattien välillä harjoituksen edetessä. Time Management koordinoi simulointiaikaa federaattien kesken varmistaen ajallisen yhdenmukaisuuden. Data Distribution Management mahdollistaa tilausten suodattamisen simulointiavaruuden alueiden perusteella, mikä vähentää verkkoliikennettä huomattavasti maantieteellisesti hajautetuissa harjoituksissa.
Federation Object Model (FOM) on skeema, joka määrittelee, mitä kohteita ja vuorovaikutuksia federaatiossa on, mitä attribuutteja niillä on ja mitä tietotyyppejä nuo attribuutit käyttävät. FOM on keskeinen yhteentoimivuussopimus federaattien välillä — kaikkien federaation federaattien on käytettävä yhteensopivaa FOMia, ja FOMin muuttaminen federaation kehityksen aikana vaatii koordinointia kaikkien federaattikehittäjien kesken. SISO (Simulation Interoperability Standards Organization) ylläpitää SISO-STD-001 RPR FOMia (Real-time Platform Reference FOM), laajalti käytettyä perus-FOMia sotilassimulointiin, joka määrittelee yleiset kohdeluokat alustoille, aseille, sensoreille ja ympäristövaikutuksille.
Federation Management: liittyminen, ajanhallinta, datan jakelu
Federaatioon liittyminen noudattaa määriteltyä järjestystä. Ennen kuin yksikään federaatti voi liittyä, federaatio on luotava — tyypillisesti tätä varten nimetyn federaation hallintafederaatin toimesta. Kukin federaatti kutsuu sitten RTI:n liittymispalvelua antaen nimensä ja tarvitsemiensa FOM-moduulien nimet. RTI varmistaa FOM-yhteensopivuuden ja muodostaa federaatin yhteyden federaatioon.
Ajanhallinta on teknisesti vaativin osa-alue HLA:n toteutuksessa. HLA tukee kahta ajanhallintamallia: time-constrained (federaatti ei voi edetä paikallisessa ajassaan RTI:n myöntämää aikaa edemmäs) ja time-regulating (federaatti vaikuttaa RTI:n ajanetenemispäätöksiin). Federaatin, joka sekä tuottaa aikaleimattuja viestejä että täytyy käsitellä ne järjestyksessä, tulisi olla sekä time-constrained että time-regulating. RTI:n ajanetenemismekanismi — yleisimmin Time Advance Request (TAR) -palvelu — koordinoi ajan etenemistä kaikkien time-regulating-federaattien kesken käyttäen lookahead-mekanismia, joka varmistaa, ettei yksikään federaatti vastaanota viestiä, jonka aikaleima on sen menneisyydessä.
Data Distribution Management (DDM) vähentää verkkokuormaa antamalla federaateille mahdollisuuden määritellä reititysavaruuksia — geometrisia alueita simuloinnin maantieteellisessä avaruudessa — ja ilmaista julkaisu- ja tilauskiinnostuksensa suhteessa näihin alueisiin. Maavoimien federaatti, joka on kiinnostunut vain kohteista 50 km:n säteellä toiminta-alueestaan, voi ilmoittaa tämän tilausalueeksi; RTI ei reititä sille kohteiden tilapäivityksiä tämän alueen ulkopuolella olevista kohteista. Suurissa harjoituksissa, joissa on tuhansia kohteita levittäytyneenä mannermaan kokoiselle harjoitusalueelle, DDM on olennainen verkkoliikenteen pitämiseksi hallittavissa.
Toteutushuomautus: yleisin yksittäinen HLA-toteutuksen virhe on virheellinen ajanhallinnan konfigurointi. Federaatit, jotka julistautuvat time-regulating-tyyppisiksi mutta eivät edetä aikaa oikein, lukkiuttavat koko federaation. Toteuta ja testaa ajanhallinta aina erikseen ennen kuin integroit sen muihin federaation komponentteihin. Käytä RTI:n sisäänrakennettuja diagnostiikkatyökaluja lookahead-arvojen ja ajanetenemisen myöntöjärjestysten varmistamiseen.
Käytännön SDK:t ja työkalut
Kaksi RTI-toteutusta hallitsee ammattimaisen sotilassimuloinnin markkinaa: Pitch pRTI (Pitch Technologiesilta) ja VT MAK:n MAKHLA. Molemmat toteuttavat IEEE 1516-2010:n (HLA Evolved) ja tarjoavat C++-, Java- ja Python-rajapinnat. Pitch pRTI:tä käytetään yleisemmin eurooppalaisissa puolustussimulointiohjelmissa, ja sillä on vahva tuki SISO RPR FOMille. VT MAK:n ekosysteemi on erityisen vahva pohjoisamerikkalaisissa ohjelmissa ja sisältää lisätyökaluja federaation kehittämiseen ja vianetsintään.
Kehitystä ja testausta varten molemmat toimittajat tarjoavat arviointilisenssejä ja kehitystyökaluja. Pitch tarjoaa pRTI Developerin, graafisen työkalun FOMin muokkaamiseen, federaation seurantaan ja ajanhallinnan visualisointiin. VT MAK tarjoaa MAK RTI Developerin vastaavilla ominaisuuksilla. Molemmat työkalut lyhentävät merkittävästi federaation integrointiongelmien vianetsintäaikaa.
Avoimen lähdekoodin HLA-kehitykseen OpenRTI ja portico tarjoavat ilmaisia RTI-toteutuksia, jotka soveltuvat kehitykseen ja kokeiluun. Niitä ei suositella tuotantokäyttöön puolustusohjelmissa sertifiointi- ja tukivaatimusten vuoksi, mutta ne ovat arvokkaita alkuvaiheen kehitykseen ja konseptin todistamiseen.
DIS-puolella open-dis-kirjasto (saatavilla Javalle, C++:lle, Pythonille ja JavaScriptille) tarjoaa vankan perustan DIS-federaattien kehitykseen. Harjoituksiin, joissa käytetään sekä DIS:ää että HLA:ta, yhdyskäytäväsillat, kuten VT MAK:n DIS to HLA Bridge, mahdollistavat DIS-pohjaisten simulaattorien osallistumisen HLA-federaatioihin ilman muutoksia.