CN102299820B - 一种盟员节点装置及hla系统构架的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真系统中的盟员节点装置及HLA系统构架的实现方法，包括：多个并行核心处理器，用于执行数据计算；内存，用于临时存储联盟执行过程中的数据；存储器，用于永久保存数据参数；仿真接口单元，用于连接仿真计算机或者其他仿真单元；对外接口单元，用于连接其他网络设备或者其他盟员；电源单元，用于提供电压；主板，用于承载所述各个单元以及器件并提供数据总线支撑。本盟员节点装置提高了运算效率，增强了系统稳定性和实时性；提高了仿真应用研发效率；盟员节点装置实现了HLA协议的基本服务，可以进行时间管理、对象类和交互管理、仿真周期管理等，方便的保证了仿真系统运行的时空一致性，解决了仿真同步问题。

Description

一种盟员节点装置及HLA系统构架的实现方法

技术领域

本发明涉及一种大型分布式仿真系统中盟员对象管理装置，具体地说，是涉及一种盟员节点装置。

背景技术

分布式仿真技术发展的内在驱动力是围绕解决仿真单元之间的互操作性和可重用性问题。HLA（High Level Architecture）高层体系结构正是为了解决上述问题而发展出来的先进的分布式构架协议。HLA已于2000年9月被定为国际分布式仿真通用标准IEEE1516，它为建模与仿真提供了一个通用的技术框架和开放的标准。HLA中，为实现特定的仿真目的而组织到一起，能够彼此进行交互作用的仿真系统、支撑软件和其他相关的部件就构成了一个联盟（Federation）；每个参与到联盟中的应用系统称为盟员（Federate）。HLA标准主要由三部分组成：（1）对象模型模板（Object Model Templates）；（2）接口规范说明（Interface Specification）；（3）框架与规则（Framework and Rules）。HLA的具体实现称为运行支撑环境RTI（RunTime Infrastructure）。RTI是HLA框架的核心，它实现了接口规范中定义的服务，目的是将仿真应用和底层通信功能分开。由RTI提供对底层通信、对象管理、时间管理等的基本功能的支撑，同一联盟执行过程中，仿真应用的盟员按照HLA接口规范同RTI进行数据交换，实现盟员间的互操作。RTI提供的服务功能对盟员而言是透明的，盟员不必涉及底层的通信编程，因而可以将精力放在应用领域的仿真系统开发上。遵循统一接口标准RTI还可以灵活的实现异构盟员组成联盟进行分布式仿真，RTI就相当于一个分布式操作系统，为多种类型的仿真应用间的交互提供了一组通用服务，这些服务主要包括了联盟管理（FM）、声明管理（DM）、对象管理（OM）、所有权管理（OWM）、时间管理（TM）、数据分发管理（DDM）六个方面。

目前的RTI产品是一个软件系统，运行速度依赖于具体的计算机，运算速度比不上硬件直接计算，更无法与并行的硬件运算流水线相比。一些固有的数据维护流程和DR等算法完全依赖于计算机的CPU进行计算，运算速度受到影响，运行效率低下，受计算机硬件和操作系统、应用系统的稳定性影响较大。

此外，目前的仿真应用并没有完全脱离开HLA的基本的概念和方法，一些具体的编程实现需要了解HLA概念，需要掌握大量的API接口函数，没有实现仿真应用与通信等其他服务分离，还得需要进行关注对象管理、时间管理、数据分发管理等服务的调用和使用，与RTI研发的分离应用和底层通信的初衷不相符。

发明内容

本发明针对现有的高层体系结构的运行支撑环境RTI运行速度慢的问题，提供了一种盟员节点装置，把软件实现的功能硬件化，极大的提高了运行速度，系统稳定性和实时性也得到增强。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种仿真系统中的盟员节点装置，包括：

仿真接口单元，用于连接仿真计算机或者其他仿真单元，实现仿真单元与盟员装置的通信；

多个并行核心处理器，用于执行数据计算；

内存，用于临时存储联盟执行过程中的数据；

存储器，用于永久保存数据参数；

对外接口单元，连接其他网络设备或者其他盟员节点装置，用于连接各盟员，进行数据交互；

电源单元，用于提供电压；

主板，用于承载所述各个单元以及器件。

进一步的，所述的并行核心处理器可以采用可编程逻辑器件或者片上系统实现。

又进一步的，所述的对外接口单元可以为网络接口、无线接口、以及卫星通道接口的任一种，根据实际运用过程中所连接的外部设备进行选择。

所述的仿真接口单元主要用于完成盟员节点装置与计算机之间的数据交流，可以用常用的计算机接口，也可以定制自己的接口，可以采用USB接口、RS232、1394接口、各种有线/无线的网络接口、蓝牙（BLUETOOTH）接口、无线接口、红外接口、SATA接口、PCI-e接口中的一种或几种。

基于上述的盟员节点装置，本发明同时提供了一种HLA系统构架的实现方法，包括以下步骤：

（1）、系统初始化，包括初始化盟员节点装置与计算机的接口，初始化与网络的接口，初始化盟员对象列表，读取配置参数，以及完成盟员的建立和盟员的加入；

（2）、运行阶段，并行计算单元实施接收和分发各盟员的数据，并执行相应的运算；

（3）、结束阶段，仿真生命周期结束时，盟员节点装置收到计算机发来的退出联盟指令或者是在长时间接收不到仿真应用的消息时，盟员节点装置退出联盟，保存当前联盟结果到存储器的文件区域，结束盟员的周期。

进一步的，在所述步骤（1）之前还包括参数配置的步骤，配置各盟员中的对象类结构表和交互表，并将参数配置文件保存与存储器中。

又进一步的，步骤（2）中所述的执行相应的运算包括：

并行核心处理器通过分发仿真周期数保证各个盟员节点间的时间同步；

并行核心处理器通过时间同步和空间坐标的一致性转换，保证联盟内各个盟员的时空一致性；

在网络延迟周期内，并行核心处理器使用航路规划算法推进仿真，保证盟员连续数据的实时性。

再进一步的，步骤（2）中所述的执行相应的运算还包括：

并行核心处理器采用光滑处理算法，使得盟员接收到新的对象数据时，保证了盟员位置的连续性，防止了数据抖动的现象。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：一、把软件实现的功能硬件化，盟员节点装置可以实现并行计算，运算效率高，增强了盟员交互的实时性，系统稳定性也得到增强；二、本发明的仿真应用的用户只需了解简单的分布式仿真概念、盟员和联盟概念，掌握盟员节点装置提供的少量的API接口，即可完成分布式仿真系统的构架，极大的提高了仿真应用研发效率。三、盟员节点装置可以进行时间管理、对象类和交互管理、仿真周期管理等，方便的保证了仿真系统运行的时空一致性，解决了仿真同步问题；四、盟员节点装置可以通过参数配置方式进行对象类结构表和交互表的配置，为灵活构建分布式仿真应用提供了极大的方便。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的一种盟员节点装置一种实施例的原理框图；

图2是本发明所提出的HLA系统构架的实现方法的一种实施例流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一，参见图1所示，本实施例的一种仿真系统中的盟员节点装置，包括：多个并行核心处理器、仿真接口单元、内存、存储器、对外接口单元、电源单元、以及主板，所述的各单元、器件设置在主板上，而主板上建立了数据总线，用于协调和控制各个单元、器件之间的数据分发和接收，同时可以解决总线争议仲裁问题，设置在主板上的各单元、器件都是通过总线接口连接和通信。并行核心处理器可以是一个可编程逻辑器件或者是一个片上系统，通过逻辑编程建立一个算法或者是一个数据的管理流水线，各条流水线之间可以并行执行，极大的提高了运算速度。它是整个装置的处理核心，主要负责完成对象管理、数据转换、DR算法、时间管理、数据分发管理、仿真周期管理等运算内容。具体的可以采用FPGA器件、DSP器件或者其他逻辑器件实现。并行核心处理器把原来软件实现的功能硬件化，由硬件逻辑替代，一块主板上可以根据盟员数据量的需要，设置多块逻辑硬件处理单元。由于其特有的硬件实现逻辑运算的特性和计算的并行性，它的运算效率高，可以实现高速大规模的复杂运算。内存是用于计算过程中临时数据的保存，是高速存储器，可以为高速运算和交换数据提供支撑。存储器是永久保存文件资料的器件，可以保存联盟的对象类结构表和交互表，保存配置参数文件和其他有关的数据。电源是为装置提供电力和信号的装置，同时也是硬件稳定工作的保障。此外，盟员节点装置还可以包括其他附件，为了达到一些其他目的而设，如增加盟员工作状态指示灯附件等，可以根据联盟运行的需要适当增减。仿真接口单元主要是盟员节点装置中建立的、符合各自接口协议标准的器件模块，同时也包括接口实现的物理连接器件，它主要完成与计算机之间的数据交流，可以用常用的计算机接口，也可以定制自己的接口。盟员节点装置的对外接口，主要是盟员节点装置的对远程仿真单元的接口，用于连接其他网络设备或者是远程的盟员节点装置。对外接口可以是网络接口，也可以是各种需要的接口，如无线接口、卫星信道等信道线路，都可以作为盟员节点装置的对外接口。对外接收主要承担了联盟执行中，盟员之间的数据交换。

所述的仿真接口单元可以采用USB接口、RS232、1394接口、各种有线/无线的网络接口、蓝牙（BLUETOOTH）接口、无线接口、红外接口、SATA接口，甚至PCI-e接口等数据交换接口中的一种或几种，也可以定制其他的一些接口，并设计相应的接口模块来实现。这些接口的设置，要根据盟员数据交换量和联盟的规模来适当选择使用，选择时只要满足交换数据的需要即可。

基于上述一种仿真系统中的盟员节点装置，本实施例同时提供了一种HLA系统构架的实现方法，包括以下步骤：

S1、系统初始化，系统初始化与计算机的接口、初始化与网络的接口、初始化盟员对象列表、读取配置参数，同时完成盟员的建立和盟员加入的功能。

其中，所述的系统初始化与计算机的接口包括盟员节点装置建立与计算机通信接口，与装置的驱动程序握手，等待接收计算机信息和发送给计算机信息。仿真应用可以随时通过装置驱动程序的API (Application Programming Interface,应用程序编程接口)发送和存取本地盟员与远程盟员的对象数据。初始化与网络的接口包括初始化与网络的物理连接，建立握手协议，初始化发送和接收数据的状态，随时通过此接口与远程握手盟员节点装置或者其他通信装置进行数据交换。初始化盟员对象列表包括初始化盟员对象类结构表和交互表，建立联盟的成员类型组成，初始化类和交互的模板，为盟员对象数据的接收和发送做好准备，并为盟员的加入和退出做好准备，初始化类和交互列表，并建立存储区。加入盟员，与仿真应用建立连接后，实例化本地盟员对象，同时在联盟中注册本地盟员，并注册本地盟员包含的相关的对象类和交互，做好联盟运行时盟员数据交互的准备。

S2、运行阶段，并行计算单元实施接收和分发各盟员的数据，并执行相应的运算；

这些运算都是在并行核心处理器中完成的。主要完成对象管理、数据转换、DR算法、时间管理、数据分发管理、仿真周期管理等运算。此时联盟处于执行状态，要通过并行核心处理器的各种算法来保证整个联盟系统内的时空一致性和各个盟员节点的时间同步，同时又要保证各个仿真节点的实时性。并行核心处理器通过分发仿真周期数或者叫仿真步数来统一整个仿真应用之间的同步，即保证各个盟员节点的时间同步。通过时间同步和空间坐标的一致性转换，保证联盟内各个盟员的时空一致性。通过时间同步，并在网络延时周期内，采用航路规划算法（DR算法），来保证本地盟员的连续数据的实时性。此外，并行核心处理器还采用光滑处理算法，使得盟员接收到新的对象数据时，保证了盟员位置的连续性，防止了数据抖动的现象。整个盟员的仿真声明周期中，就是一个不断并行处理各种管理、各种数据、各种运算的循环过程。

S3、结束阶段，仿真生命周期结束时，盟员节点装置收到计算机发来的退出联盟指令或者是在长时间接收不到仿真应用的消息时，盟员节点装置退出联盟，保存当前联盟结果到存储器的文件区域，结束盟员的周期。

需要说明的是，若盟员节点装置在结束状态，还可以通过驱动程序使其重新初始化，并进入运行状态。

在所述步骤S1之前还包括参数配置的步骤，配置各盟员中的对象类结构表和交互表，并将参数配置文件保存与存储器中。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种HLA系统构架的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、系统初始化，包括初始化盟员节点装置与计算机的接口，初始化与网络的接口，初始化盟员对象列表，读取配置参数，以及完成盟员的建立和盟员的加入；所述的系统初始化与计算机的接口包括盟员节点装置建立与计算机通信接口，与装置的驱动程序握手，等待接收计算机信息和发送给计算机信息，仿真应用随时通过装置驱动程序的API发送和存取本地盟员与远程盟员的对象数据，初始化与网络的接口包括初始化与网络的物理连接，建立握手协议，初始化发送和接收数据的状态，随时通过此接口与远程握手盟员节点装置或者其他通信装置进行数据交换；

（2）、运行阶段，并行计算单元实施接收和分发各盟员的数据，并执行相应的运算；所述的执行相应的运算包括：

并行核心处理器通过分发仿真周期数保证各个盟员节点间的时间同步；

并行核心处理器通过时间同步和空间坐标的一致性转换，保证联盟内各个盟员的时空一致性；

在网络延迟周期内，并行核心处理器使用航路规划算法推进仿真，保证盟员连续数据的实时性；

所述的并行核心处理器为可编程逻辑器件或者片上系统，通过逻辑编程建立一个算法或者是一个数据的管理流水线，各条流水线之间并行执行数据计算；

（3）、结束阶段，仿真生命周期结束时，盟员节点装置收到计算机发来的退出联盟指令或者是在长时间接收不到仿真应用的消息时，盟员节点装置退出联盟，保存当前联盟结果到存储器的文件区域，结束盟员的周期。

2.根据权利要求1所述的一种HLA系统构架的实现方法，其特征在于，在所述步骤（1）之前还包括参数配置的步骤，配置各盟员中的对象类结构表和交互表，并将参数配置文件保存于存储器中。

3.根据权利要求2所述的一种HLA系统构架的实现方法，其特征在于，步骤（2）中所述的执行相应的运算还包括：

并行核心处理器采用光滑处理算法，使得盟员接收到新的对象数据时，保证了盟员位置的连续性。