一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统的制作方法

本发明属于飞行模拟器管控，具体涉及了一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统。

背景技术：

1、飞行模拟器是航空航天领域用于飞行员训练、飞行技能考核、飞行器性能测试的核心设备，根据训练等级和功能复杂度，主要分为低等级的程序训练器和高等级的全动模拟机两大类。

2、针对低等级程序训练器，其硬件架构相对简单，通常由一台计算机及配套的显示屏、操纵设备组成，计算机内部搭载包含仿真计算、教员台控制等不少于10个核心软件模块的实时仿真系统，各软件模块存在严格的依赖关系，对启动顺序和时间间隔有明确要求。现有技术中，行业内普遍采用手动操作或脚本启动的方式，实现对程序训练器的软件启停及基础管控。然而，手动启动方式完全依赖操作人员的经验和熟练度，操作过程中易出现遗漏启动、顺序颠倒、时间间隔把控不准等失误；脚本启动方式虽能固定启动顺序，但脚本本身缺乏灵活性，无法适配软件版本更新、功能调整后的启动需求。此外，无论是手动操作还是脚本启动，均缺乏直观的可视化管控界面，无法实时查看各软件的运行状态和计算机硬件状态，扩展性差，适配性弱。

3、针对高等级全动模拟机，其系统复杂度远高于低等级程序训练器，整个飞行仿真系统由多台功能专用的计算机组成集群（部分复杂机型集群规模可达10台以上），包括主仿真计算机、视景计算机、运动计算机等，每台计算机部署不同功能的软件模块，各计算机及软件模块需实时协同交互、数据同步。现有技术中已存在相关的管控系统，此类系统均采用传统的主从关系控制架构，指定集群中的一台计算机作为主信息服务器，承担整个集群的全部控制任务和信息交互任务，所有其他计算机（从机）与主服务器建立单向通信连接，接受主服务器的指令调度，并将自身运行状态、数据信息汇总至主服务器，由主服务器统一处理、分发。然而，该架构存在单点故障风险，主服务器一旦出现故障，整个计算机集群将陷入瘫痪；随着集群规模扩大，主服务器的cpu、内存、网络带宽等资源长期处于高负载状态，容易出现响应延迟；故障恢复效率低，恢复过程耗时较长；扩展性差，适配成本高。

4、此外，现有技术还存在以下共性缺陷：低等级程序训练器的管控方式缺乏节点自动发现与成员管理机制，多前端同时操作时无控制权仲裁，易产生指令冲突；组播通信缺少跨网段适配、丢包乱序处理和分片mtu适配等网络工程能力，通信可靠性不足；软件启停无依赖建模，启动顺序靠人工或脚本硬编码，无法跨机校验就绪状态，失败无自动回滚；仿真源节点离线后无自动接管机制，多源数据无冲突裁决，数据一致性难以保障；安全防护仅靠crc16校验，无身份鉴权、无防重放、无密钥管理和权限绑定，存在安全隐患；

5、综上，现有技术无法同时兼容单机部署（低等级程序训练器）和多机分布式部署（高等级全动模拟机），两类设备需单独部署管控系统，增加了部署和维护成本，无法满足实际训练的高质量需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有管控系统无法满足实际训练高质量需求的问题，本发明提出了一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，该系统包括：

2、分布式协同层，配置为：采用无中心对等节点管理单元，基于虚拟时钟的成员表无冲突合并算法维护全局一致的成员状态表，并基于角色权限优先级与会话租约对前端发起的控制指令执行联合仲裁；

3、采用四隔离组播通信单元，将系统通信划分为控制组播段、状态获取组播段、数据同步组播段和状态备份组播段，各段分配独立的ip地址及端口号；

4、采用启停调度与故障恢复单元，根据依赖关系图谱通过所述控制组播段下发基于有向无环图的启停指令，通过所述状态备份组播段按周期分发标准化快照，于节点恢复时向超过半数的存活节点发起一致性校验请求并依据校验结果执行分层恢复，同时反馈各节点的动态库模块运行状态；

5、模块化部署层，配置为：通过三级构型配置单元，按机型构型、设备构型和功能构型三级层级存储并加载配置信息，生成节点所需的动态库模块挂载清单及所述依赖关系图谱；

6、通过动态库管理单元，依据所述配置信息按需挂载或卸载动态库模块，并结合反馈的所述动态库模块运行状态对所述配置信息进行动态调整；

7、数据存储层，配置为：采用分布式数据库，为所述分布式协同层和所述模块化部署层提供所述配置信息及状态数据的持久化存储。

8、本发明的有益效果：

9、摒弃传统主从架构，采用无中心分布式对等架构 + 四隔离udp组播段 + 三级构型模块化的整体方案，并自研基于虚拟时钟的分布式成员表无冲突合并算法、基于关键路径的动态依赖启停调度算法、基于quorum的分布式快照一致性恢复协议三大核心算法，实现了以下有益效果：

10、1）架构层面，无中心对等节点架构彻底消除单点故障，任意节点离线不影响整网运行；算法层面，基于虚拟时钟的成员表无冲突合并算法实现去中心化节点发现、成员表管理及多前端控制权仲裁；

11、基于关键路径的动态依赖启停调度算法将模块依赖建模为有向无环图，通过拓扑排序、关键路径提取与就绪概率预测，配合跨机三条件校验及失败自动回滚，实现完全无人值守的智能化启停；基于quorum的分布式快照一致性恢复协议通过标准化快照与分层恢复，实现5秒级故障自愈；通过源数据唯一机制与失效切换策略，实现源节点离线自动选举、切换抑制与双主冲突裁决，确保仿真数据流的高可用与一致性；

12、网络通信层面，划分四大独立udp组播段实现物理隔离，设计序列号乱序缓存、超时补传、lz4压缩与mtu适配等机制，控制指令极低延迟传输，仿真大数据压缩减少60%~80%带宽消耗，实现工业级可靠通信；

13、2）同时适配单机程序训练器与多机全动模拟机，兼容windows/linux，淘汰多套系统分立建设模式；三级构型划分实现不同机型的快速适配，所有动态库提供统一init/run/stop标准接口，新增功能仅需封装动态库并修改数据库绑定即可完成，无需改动核心代码；

14、3）从传统单一crc16校验升级为基于hmac哈希签名的指令身份鉴权、nonce加时间戳滑动窗口双重抗重放攻击、分级密钥管理及“角色-指令”权限映射表越权拦截的四层安全机制，覆盖身份认证、防重放、密钥安全和访问控制，有效杜绝非法指令注入与越权操作。

1.一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，该系统包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述无中心对等节点管理单元，基于虚拟时钟的成员表无冲突合并算法维护全局一致的成员状态表，并基于角色权限优先级与会话租约对前端发起的控制指令执行联合仲裁，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述基于有向无环图的启停指令由dag依赖调度子单元执行，具体为：

4.根据权利要求3所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述dag依赖调度子单元对各动态库模块执行跨机就绪三条件联合校验，并在任一动态库模块启动失败时按拓扑逆序执行自动回滚，具体为：

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述一致性校验请求由quorum快照恢复子单元执行，其方法为：

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述数据同步组播段采用源数据唯一的数据流管理方式，其方法为：

7.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，还包括与所述四隔离组播通信单元对接的安全防护单元，具体为：

8.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述四隔离组播通信单元在执行组播通信时采用通用包头并执行异常补传处理：

9.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述无中心对等节点管理单元在管理节点在线状态时：

10.根据权利要求1所述的一种基于分布式架构的飞行模拟器模块化协同管控系统，其特征在于，所述无中心对等节点管理单元中，节点全局唯一id由硬件标识、时间戳及随机因子组合生成；节点离线超时后，该节点的id自动标记为失效并从系统成员状态表中注销；新节点上线时，重新实时生成全新的节点全局唯一id，并向所述控制组播段广播成员表宣告报文，同步全量成员表后将自身状态切换为在线并全网广播。