特定虚拟操作环境下多机协同算法优化及实现
蒋成伟,康兴无,王旭平,陈俊康
(火箭军工程大学作战保障学院,西安,710025)
摘要 针对大型复杂导弹武器装备协同操作在同一时空下的特殊情况,开展局域网这个特定虚拟操作环境下的多机(计算机)协同操作研究。通过Unity3D/network技术进行局域网环境的构建，在network模块内置封装好的组件算法之上，通过加入计数器和控制脚本调用实现算法的优化，进而减少多机协同过程中从服务器到客户端的网络延迟。结果证明：基于优化算法基础的多机协同网络延迟较network模块内置封装好的算法表现更好，完全可以满足特定虚拟操作环境下的多机协同操作。
关键词 network；计数器；多机协同；虚拟仿真
因军事背景的特殊要求，我军的大型复杂武器装备的虚拟仿真操作都是在内部安全网络的基础上来实现的，而且武器装备的复杂程度也要求数名操作人员协同配合进行，这就为多机协同技术提出了具体的要求：在内部局域网下进行虚拟操作多机协同、提高大型复杂装备的模型渲染和减少服务器到客户端的网络延迟。Unity3D作为一个虚拟仿真环境的开发平台，功能强大并且操作简单，在军事领域的虚拟仿真系统开发中应用甚广[1-2]，其内置的network模块，基本都被用于局域网环境下的多机协同系统开发[3-5]。Unity3D/network技术在军事领域有着相当深厚的应用基础和实践经验[6-8]，所以在Unity3D平台之上进行算法的优化有着更好的应用价值。
1 network模块研究
1.1 network模块的封装组件
network模块通过封装组件的功能进行多机协同的实现，主要有network manager组件、network managerHUD组件、network identity组件、network transform组件，通过组件的功能组合，实现局域网环境下的多机协同功能。图1表示局域网下多机协同的网络图及network模块主要组件功能组成。服务器和客户端之间的通信都是C/S结构的通信模式，network模块的各组件是整个系统的核心部分。
如图3所示，时间同步电路从北斗/GPS接收机接收两路信号，分别是串口(或网络)数据信号以及秒脉冲信号。鉴于雷达系统内部电磁环境复杂，存在高电压、大电流设备，会对授时数据信号和秒脉冲信号的传输产生干扰。工程设计上，分别从硬件和软件两方面采取措施，避免和滤除干扰，对授时数据和秒脉冲信号加以保护。
图1 多机协同网络的功能组成
1.2 network模块组网过程的关键问题
network模块封装的组件都具有特定的功能，相互组合使用具有很高的灵活性，但封装组件的算法也存在一定的弊端，如数据的传输效率在某些特定环境下存在较低的状态，这就导致了模型的渲染不流畅和服务器到客户端的网络延迟现象等，都严重影响了多机协同系统的整体性能。因此对network模块封装的算法进行研究改进显得非常重要。
多机协同过程中首要解决的问题就是如何提高数据的传输效率[9-12]，传输效率的高低是衡量系统性能好坏的重要指标之一。因为武器装备的复杂程度很高，且武器装备的零部件众多，因此系统运行过程中模型的渲染是否流畅、客户端的网络延迟是否满足要求都影响着操作人员的直观体验和感受[13-14]。所以改进算法的目的就是提高系统运行过程中的数据传输效率。
对图1观察后可知，花桥板栗淀粉凝胶呈现复杂的空间网络结构，凝胶结构完整性随着水分子相态转变处理次数的增加而逐渐被破坏、同时凝胶结构中空洞的均匀性逐渐减小。凝胶由转变0次增加到转变4次过程中，凝胶网络结构中孔洞数量逐渐增加，同时凝胶表面粗糙程度也随之增大，但孔洞的分布较为均匀，且孔径较小。但花桥板栗淀粉凝胶在经历5次转变处理后，凝胶结构中的孔径明显增大，且孔洞的均匀性大大下降，凝胶表面受破坏的变粗糙的程度明显加深。试验结果与Vernon-Carter E J等人[13]的研究结果一致。
2 算法优化思想
在导弹武器装备虚拟操作保密安全和实际操作同时空的条件背景下，进行内部局域网环境下的多机协同虚拟操作研究，局域网环境下最主要的特点就是可以将武器装备的模型置于每台客户端计算机之上，避免因模型属性更新后数据从服务器全部传输到客户端，而导致的大部分不必要的数据也参与进来，进而增大系统运行过程中客户端的网络延迟。同时，导弹装备多号手协同操作的操作规程基本属于串并行模式共有，但大部分属于串行模式，即单号手在得到指挥号手操作指令后方可进行操作行为。所以为了简化系统功能实现，并且在不影响多机协同操作的实际效果的情况下，尽可能避免并行操作模式下极易产生的并发冲突问题，本系统的操作规程统一简化为各号手串行模式下的操作行为。除算法的主要思想和改进之处，就是在每台客户端内置了模型数据的基础之上，赋予每个操作人员的具体操作动作一个计数器，通过计数器判断操作步骤进行到哪一步，将操作内容通过指令发送给对应的客户端，客户端的操作同步到服务器，再同步到其他客户端。在局域网络中只更新被操作的基础模型，相当于一个指令触发了需要操作的几台计算机的相同动作，而其他模型组数据不需要发生更新。以某型导弹武器装备具体操作规范需要3名操作号手协同配合为背景下的算法流程见图2。
由于导弹装备多号手协同操作的操作规程被简化为串行模式，号手之间的操作顺序必有先后，不可能在同一时间、不同号手同时操作一个模型，否则极易产生系统运行中的并发冲突问题，导致系统崩溃等现象出现，而优化算法下的设计目的之一就是避免并行操作下产生的并发冲突问题。所以为了有效提高数据的传输效率，减少网络中冗余数据的传输，以及避免多机协同设计下的并发冲突问题。文章在network模块内置transform组件封装算法同步功能的基础上加入了计数器，下面针对3个多机协同步骤对计数器在二维坐标中的状态(见图3)和具体运行方式作进一步说明：
1)计数器的初始值设为-1，当3个号手都登陆客户端以后，计数器加1变为0，系统作出提示：1号手准备操作。标志多机协同操作开始。
2)1号手操作完成后，系统作出提示：1号手完成操作。此时，计数器加1变为1，系统发送指令给2号手，2号手准备操作。
根据调查发现，针对农村小学存在的教师结构不合理情况，政府采取了一定的措施。例如，在年轻教师的引进上应向农村小学倾斜，在教师性别的选择上适当向女教师倾斜，在学科配置上引进音乐、体育、美术、外语以及信息技术等学科的教师配置，并且确保农村学校的国家课程和地方课程的开设。
3)2号手操作完成后，系统作出提示：2号手完成操作。此时，计数器加1变为2，系统发送指令给3号手，3号手准备操作。
4)所有操作结束后，计数器加1，调用相应指令，系统提示：完成协同操作。
图2 算法流程图
图3 计数器状态图
综上所述，本文提出的算法具有如下3个特点，前2个是基础条件：①资源共享。所有数据同时存在于服务器和客户端；②模型共用。武器装备模型置于每台计算机上；③脚本共有。计数器脚本和号手控制脚本所有号手共有。
3 算法实现
第2节已经对计数器count的功能和运行方式进行了具体分析，count的实际加入并不难，但count单独作用起不到发送指令，控制操作号手的效果，count必须同控制脚本control和network模块的相关组件确定逻辑关系，才能实现算法的优化。
3.1 count计数器实现
[Command]
“蹲”的好处在于，可刺激不常活动的肌肉，促进血液的循环，是一种有益的健身方法。练习“蹲”时，可以采用借物蹲、实蹲、踮蹲、跟蹲、弓箭蹲练习，每次做一个动作，也可以连起来做。练习蹲时，要遵循先易后难的原则，先从借物蹲开始，然后逐渐尝试其他蹲的练习。每一个“蹲”的姿势，控制在一分半钟之内，这样来回地换不同的姿势，更能促进血液循环，增强肌肉的伸张度，从而促进静脉回流，改善腹部瘀血状态，缓解视力疲劳，防止近视及视力衰退。
if (count == 1)
{ShowMsg("1号手完成第1步操作");
ShowMsg("2号手准备第2步操作");}
ShowMsg("完成协同操作");}
奇巧生知道事情不妙，硬是挣扎着站起来，摇摇晃晃地走到驾驶区。可是操作盘一点儿也不听使唤，奇巧生情急之下一使劲，只听“咔嚓”一声响，操作盘直接被他掰（）断。
{ShowMsg("2号手完成第2步操作");
（二）属于船载危险货物范围的安全风险较小的散装液体化学品，即《国际散装危险化学品船舶构造与设备规则》第17章“最低要求一览表”“d”栏中标注为“P”的散装液体化学品，不属于港口作业危险货物范围；
count = add;
public int count;
{ShowMsg("3号手完成第3步操作");
if (count == 2)
同时计数器必须和network模块组件结合起来，判断操作的顺序和操作的人员，并将计数信息同步到服务器，操作完1个步骤计数1次。相应的代码实现为：
//操作完1个计数1次
//同步操作计数信息，用于判断操作的
//顺序和操作的人员
[SyncVar(hook = "AddCount")]
通过以上研究，本文认为当前正处于转型期的中国不应只将经济增长、收入增加作为国家追求的终极目标，而应该在经济取得一定成就后，逐渐将视角转移到增强国民实际幸福感这一问题上。而提高国民幸福感除了采取措施提高收入外，改善医疗、教育、就业等民生问题显得十分重要。另外，由于个体之间对于幸福的感受存在异质性，政策的制定和实施应该做到有差别且具针对性，应该更多关注弱势群体和幸福感低的群体，提升他们的幸福度，以维护社会的稳定和经济的可持续性发展。
为管理会计发展提供法律与制度保障。所以，加快相关的法律规章制度迫在眉睫。杜绝一切违法违章行为。同时，我们需要明确，仅有法律规范是不够的，还应该加强内部控制的设计与实施。当前管理会计的前景十分广阔，所以更应该规范职能，提高工作的效率。借助网络媒体平台，强化对大数据的认识，突破固有的模式，更新新技术。加强对专业型人才的培养。促进各个行业的融合发展。促进企业朝着可持续的方向发展。随着大数据时代的发展，管理会计将对企业的发展起到更加重要的作用，为企业的发展提供有力的保障。
if (count == 3)
中国近现代矿冶文化遗产保护起步较晚,20世纪80—90年代,有学者开始进入该领域进行研究,21世纪以来,此类研究的成果开始经常见诸报端,这些讨论是以工业遗产的保护和再利用为出发点的。我国近现代矿冶文化遗产通常被归入工业遗产的大范畴,大多数学者在讨论工业遗产时往往将古代矿冶文化遗产等古代工业遗产排除在外。目前,以文物名义成为全国重点文物保护单位的近现代矿冶文化遗产仍然较少,仅有4处;在2018年1月公布的《中国工业遗产保护名录(第一批)》(共100处)中,近现代矿冶文化遗产有17处,约占该名录的五分之一。
考虑到社区人力资源不够，管理者和医生并不一定完全理解，因此，项目启动之初，宁波市卫计委也允许有条件的区县自行开办培训，但是按照项目设计来完成，要有标准化考核。2014年第一年，慈溪县就选择自行办班，其他九个区县都委托宁波一院完成。
首先分析count的目的，count的最主要功能是发送指令，通知所有号手协同操作进行到哪一步，需要哪个号手进行操作。所以计数器的数值对应着不同的指令，指令如下所示：
public void CmdAddCount(int add)
{ add++;
模型3：由于爆轰产物的爆热难以估算，为此，模型3考虑用动量守恒的方法，建立第1阶段的速度v0计算模型。
ShowMsg("3号手准备第3步操作");}
showFinshMsg();}
将上下2段代码按逻辑结合起来，就具备了使用计数器发送指令的功能。计数器是整个算法的基础，计数器的具体使用通过control控制脚本来调用。
3.2 control控制脚本
通过计数器发送指令后，对应操作号手需要进行具体操作，操作的对象根据具体的操作规范进行确定，是否对正确的模型进行操作是通过碰撞检测来验证的。具体的实现步骤流程见图4。
在改革开放的不断深化、市场经济体制的逐步成熟的背景下，面对时代的机遇与挑战，化肥流通体制也迎来自身全新发展的新时期，进入了市场配置资源的化肥流通新阶段。1998年11月16日，国务院下发了1998（39号）文件《关于深化化肥流通体制改革的通知》，其核心就是打破原有化肥统购统销的计划模式，打破“一主两辅”经营格局，形成以供销社农资系统、生产企业和农业“三站”三条渠道并行的农资流通新格局，实行市场配置资源。由此，化肥流通“三驾马车”并驾齐驱，建立起了市场主导、国家调控的化肥价格体系，奠定了今天的化肥生产和流通行业的格局。
图4 control执行流程图
控制脚本control中通过调用count计数器来确定发生碰撞检测的模型是否是规定好的模型，将计数器的指令功能赋予了实际的操作内容。Control的作用相当于中间媒介，它既调用count计数器，也与network组件紧密相连，同时还控制着操作号手的行为。
3.3 count和control的实际结合
count和control的单一实现通过VS即可编写调试，但是具体的功能应用需要在network模块上
进行。此时，network起到了主平台的作用，在第1节中已经对network模块各组件的功能进行了详细研究，在network模块各组件添加以后，首先在装备模型信息栏中添加计数器count，并且将count的初始值设置为-1。而control通过调用count来实现具体操作，所以将control控制脚本固定至每个号手player，这样才能保证count的值发生变化时可以发送指令给每个号手。此时，服务器内部同步的数据只是count计数器的数值与对应指令，不存在模型数据的传输。
实际结合以具体某型号导弹武器装备为例，其尾部模型协同操作需要3名操作号手配合进行，共有12个大步骤，每个大步骤至少需要3名号手各操作1次。第1个步骤下，根据流程实现network模块组件添加和计数器count设置以后，在player(号手)的模块中添加player_control脚本，根据模型的操作规范3个号手分别操作1个基础模型，那么将player_control控制脚本下的Size设为3，element 0即表示计数器为0的时候对应的操作号手player_1需要对基础模型A_001进行的操作，剩下的步骤以此类推。图5为control与count、element、player的控制逻辑。图6为count与control实际结合过程中的参数设置。
图5 控制逻辑
图6 多机协同算法参数设置
4 仿真实验及分析
4.1 仿真实验
本文提出的优化算法较network封装好的算法相比，加入了计数器，并且使模型和操作步骤同步的方式发生了一定变化，减少了冗余模型数据的传输。下面以某型复杂装备的模型为例进行具体仿真对比。分别对32个基础模型的对接车、105个基础模型的装备导引部分、186个基础模型的装备尾部、352个基础模型的整体装备进行仿真实验，在优化算法和原封装算法下检测模型同步过程中服务器到客户端的网络延迟。4个模型组在同配置计算机上进行100次仿真实验，取平均值作为仿真结果，见表1。
表1 仿真结果
从图7可以看出，当模型组的数量相对较少的时候，将模型置于服务器，然后进行同步更新与将模型置于每台计算机，通过计数器发送指令同步更新相比，服务器到客户端的网络延迟相差较小，但优化算法仍处于一个较小的网络延迟数值。而当模型组的数量由32变为352后，封装算法同优化算法的差距就更加明显，加入计数器的优化算法的网络延迟同低模型数量时的网络延迟增加不是很大，而原封装算法的网络延迟则增加了约4倍。
图7 仿真结果比较
4.2 算法分析
和其他的开发以及仿真平台相比，Unity3D的优点就在于局域网环境下的联机操作，其内置很多模块以及封装算法[15-18]。但是作为局域网下的联机游戏的开发，不等同于装备模型的仿真。仿真模型的结构复杂、数量众多，从服务器到客户端需要一个数据传输的发送过程。而对于武器装备多机协同仿真来说，保证最少的网络延迟和模型的实时渲染，才能满足使用客户的使用体验，达到对武器装备虚拟协同操作的理想效果。本文在此方面进行了积极深入的研究，对算法进行了优化、重建、实现。优化算法的特点有：①数据传输效率高；②算法优化简单，容易实现；③算法减少了冗余数据的占用；④算法符合军事装备多机协同操作的发展思路[19]。
减少服务器到客户端的网络延迟和提高客户端的实时渲染能力，对提高多机协同良好体验起到关键作用。从仿真分析的结果可以看出，当模型数量较小，模型结构较为简单的情况下，优化算法的优势并不大，但当模型数量级增大以后，优化算法就展现了良好数据传输效率。所以对算法的选择可以根据模型的数量进行决定。本文虽然对原封装算法进行了一定程度的改进，但是在局域网这个特定环境下算法的优化仍然有很大的改进空间，如：
1)协同操作同步过程中的网络流量可以进一步简化减少；
2)根据装备操作号手、操作对象、操作行为都是固定模式的实际情况，可在计数器的实现之上进行基于历史信息的算法优化[20]。
5 结语
本文在详细研究局域网环境下多机协同算法的基础上，对原封装算法进行了优化。通过计数器的加入、控制脚本的配合，实现了算法的优化，达到了算法改进的目的，使得在局域网环境下的多机协同中服务器到客户端的网络延迟大大减少。并且通过仿真实验对优化算法的数据传输效率进行了验证，结果证明：优化算法具备一定的可行性，可以适用于军事武器装备的虚拟多机协同操作，基本能满足复杂模型下的数据传输。
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Optimization and Implementation of Multi -Computer Cooperative Algorithm in a Specific Virtual Operation Environment
JIANG Chengwei,KANG Xingwu,WANG Xuping,CHEN Junkang
(Academy of Operational Support, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China)
Abstract : In view of the special circumstances of large scale complex weapon and equipment cooperative operation in the same time and space, this paper carries out the research on multi computer cooperative operation under the specific virtual operation environment of LAN. The paper constructs the LAN environment by Unity3D/network technology based on component network algorithm module built a good package by the optimization of join counter and control script call algorithm, reducing the collaborative process of multiple machines from the server to the client network delay. The results show that the optimization algorithm is better than the network module built-in encapsulation algorithm, and is fully satisfied with the multi computer cooperative operation under condition of specific virtual operation environment.
Key words : network; count; multi computer collaboration; virtual simulation
收稿日期 :2018-04-17
基金项目 :国家自然科学基金(51502341)
作者简介 :蒋成伟(1995—)，男，陕西绥德人，硕士生，主要从事导弹武器系统应用与保障工程研究。E-mail：641961261@qq.com
引用格式: 蒋成伟, 康兴无, 王旭平, 等.特定虚拟操作环境下多机协同算法优化及实现[J]. 空军工程大学学报(自然科学版), 2019, 20(1): 26-31.JIANG Chengwei, KANG Xingwu, WANG Xuping, et al.Optimization and Implementation of Multi-Computer Cooperative Algorithm in a Specific Virtual Operation Environment[J]. Journal of Air Force Engineering University (Natural Science Edition), 2019, 20(1): 26-31.
DOI 10.3969/j.issn.1009-3516.2019.01.005
中图分类号 TP312
文献标志码 A
文章编号 1009-3516(2019)01-0026-06
(编辑: 徐楠楠)
标签：network论文; 计数器论文; 多机协同论文; 虚拟仿真论文; 火箭军工程大学作战保障学院论文;