CN102663203B - 基于HLA的Fortran仿真模型系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于HLA的Fortran仿真模型系统，为解决现有Fortran仿真模型不能加入HLA分布式系统的问题而设计。本发明基于HLA的Fortran仿真模型系统包括RTI系统单元、适配器单元和Fortran仿真模型单元。其中适配器单元包括封装文件模块、回调函数模块和RTI服务模块。本发明基于HLA的Fortran仿真模型系统是在对象文件层面通过c语言程序实现Fortran语言模块与C++语言模块互通。本发明基于HLA的Fortran仿真模型系统满足协同仿真中Fortran模型的集成需求，提高了协同仿真的通用性和已有Fortran模型的可重用性。

Description

基于HLA的Fortran仿真模型系统

技术领域

本发明涉及一种基于HLA的Fortran仿真模型系统。

背景技术

分布式仿真是传统仿真技术新的发展阶段，它主要研究若干互联节点上的仿真应用正确、协同、高效运行的问题。分布式仿真先后经历了不同的技术协议阶段：聚合级仿真协议ALSP(Aggregate Level Simulation Protocol)，分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)，高层体系结构HLA(High LevelArchitecture)等。

HLA是由美国国防部(DoD,Department of Defense)最早于1995年提出，它是一个针对分布式仿真提出的通用体系结构，具有广泛应用范围。随着2000年，HLA成为IEEE1516标准，确立了HLA作为分布式仿真领域通用标准的地位(以下如无特殊说明，分布式仿真指基于HLA的分布式仿真)。作为HLA的具体实现，RTI提供了该框架的所有服务。

在基于HLA的分布式仿真系统中，联邦(Federation)指能够完成特定仿真任务的分布式系统，联邦成员即为各个分布节点上的仿真应用。这样，在HLA中就实现了仿真功能实现、仿真运行支撑管理和底层通讯的分离，支持各自相对独立的开发工作。HLA技术极大地促进了分布式仿真的发展。

然而，大量原有的仿真模型是采取各种不同手段开发的，如Matlab、Adams、Abaqus等商用软件或是Fortran等不同于RTI的开发语言。在分布式仿真中，如果要重新开发现有的大量模型，将是一个耗时耗力的工作。HLA标准为提高模型的可重用性提供了一种技术路线，然而，这些异构的仿真模型与RTI的集成问题，HLA标准无法解决，需要在对HLA标准和仿真模型都有充分了解的基础上，开发相应的适配器，实现模型重用和异构模型之间的互操作。

发明内容

为了克服上述的缺陷，本发明提供一种令Fortran仿真模型可加入HLA分布式系统的基于HLA的Fortran仿真模型系统。

为达到上述目的，本发明提供一种基于HLA的Fortran仿真模型系统，包括RTI系统和RTI标准联邦成员单元，所述RTI系统包括HLA标准服务接口libRTI和RTI底层软件模块，为仿真模型提供的服务包括仿真联邦管理服务、仿真成员声明管理服务、仿真对象管理服务、仿真时间管理服务、所有权管理服务、数据分发管理服务、以及运行支撑服务；所述仿真模型平台还包括适配器单元、Fortran仿真模型单元及RTI标准联邦成员单元；

适配器单元，接收RTI系统发出的指令并将其转发给Fortran仿真模型单元，接收Fortran仿真模型单元发出的指令并将其转发RTI系统；

Fortran仿真模型单元，作为RTI系统的联邦成员，用于通过适配器单元向RTI系统发出指令，以及接收适配器单元转发的RTI系统指令。

特别是，所述适配器单元包括：封装文件模块、回调函数模块和RTI服务模块；

封装文件模块，一侧接口连接所述RTI系统，另一侧接口分别连接回调函数模块和RTI服务模块；接收RTI系统发出的回调函数指令后将所述回调函数发送给回调函数模块，接收RTI服务模块转发的Fortran仿真模型服务请求后将所述服务请求发送给RTI系统，实现RTI系统与Fortran仿真模型单元间的双向通信，屏蔽两者之间的语言差异障碍；

回调函数模块，一侧接口连接所述封装文件模块，另一侧接口连接所述Fortran仿真模型单元；接收封装文件模块转发的RTI系统回调函数，传递给Fortran仿真模型单元；

RTI服务模块，一侧接口连接所述封装文件模块，另一侧接口连接所述Fortran仿真模型单元；接收Fortran仿真模型单元的服务请求，并将其传递给封装文件模块。

特别是，封装文件模块采用C++语言编写，用于RTI系统与Fortran仿真模型单元间的双向通信，屏蔽语言障碍；回调函数模块和RTI服务模块采用Fortran语言编写。

特别是，通过对象文件层面实现Fortran语言模块与C++语言模块的互通。

特别是，Fortran语言形成的模块与C++语言形成的模块通过c语言程序实现在堆栈管理方面、目标例程命名方面和参数传递方面的匹配。

特别是，Fortran语言形成的模块与C++语言形成的模块之间通过试凑方法实现数据类型匹配。

本发明基于HLA的Fortran仿真模型系统设有适配器单元，该适配器单元设有与RTI系统和Fortran仿真模型单元连接的接口，满足协同仿真中Fortran仿真模型单元的集成需求，提高了协同仿真的通用性和已有Fortran仿真模型单元的可重用性。缩短Fortran语言形成的联邦成员的开发周期，开发门槛显著降低，并取得很好的经济效益。

本发明基于HLA的Fortran仿真模型系统为应用混合编程技术将Fortran语言和C++语言之间的障碍屏蔽在适配器单元内部，实现了在RTI上用Fortran语言开发联邦成员的目标。

附图说明

图1为本发明基于HLA的Fortran仿真适配器单元优选实施例接口示意图。

图2为图1所示优选实施例原理示意图。

图3为图1所示优选实施例应用示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细描述。

优选实施例一：如图1所示，Fortran仿真模型单元为Fortran联邦成员，在Fortran联邦成员和RTI系统之间设置适配器单元，通过适配器单元来屏蔽不同语言之间的鸿沟，让开发者用Fortran语言开发联邦成员的过程简单、可行。与Fortran联邦成员同时存在的还有C++联邦成员，方便仿真系统的使用。

RTI系统单元为所述Fortran仿真模型单元提供下述服务：

仿真联邦管理服务，完成创建、动态控制、修改和删除联邦执行；

仿真成员声明管理服务，虚拟实验要求每个参加联邦执行的成员向协同仿真运行互操作支撑系统声明其要求产生的数据内容，和/或接收的数据内容；

仿真对象管理服务，一组服务处理对象的登记、修改、删除和属性/交互的发送与接收，对象通过发送属性更新或交互来传送对象状态信息或事件；

仿真时间管理服务，提供控制各成员在仿真时间轴上的推进，令协同仿真运行互操作支撑系统能以设定的时间、方式和顺序将来自成员的事件转发给相应的成员；

所有权管理服务，负责联邦内成员间对象实例属性所有权的转移，所述转移用来支持联邦内对象实例的协作建模；

数据分发管理服务，实现联邦成员提供传输和接受无关数据的无谓消耗的减少；

以及运行支撑服务，描述参与联邦的成员能使用的包括名称与句柄的转换、多种开关的设置、操作域相关服务和RTI启动终止。

如图2所示，适配器单元包括封装文件模块、回调函数模块和RTI服务模块。其中，封装文件模块接收RTI系统发出的回调函数指令后将其发送给回调函数模块，回调函数模块接收该回调函数后传递给Fortran仿真模型；Fortran仿真模型将服务请求经过RTI服务模块发送至封装文件模块，封装文件模块将该服务请求发送给RTI系统。通过上述过程实现RTI系统与Fortran仿真模型单元的双向通信，屏蔽两者之间的语言差异障碍。

本优选实施例基于HLA的Fortran仿真模型系统设有适配器单元，该适配器单元设有与RTI系统和Fortran仿真模型单元连接的接口，满足协同仿真中Fortran仿真模型单元的集成需求，提高了协同仿真的通用性和已有Fortran仿真模型单元的可重用性。缩短Fortran语言形成的联邦成员的开发周期，开发门槛显著降低，并取得很好的经济效益。

优选实施例二：从软件(计算机语言)的层面理解本发明，使用C++语言编写的联邦成员可以直接通过dll与TH_RTI进行交互(调用服务和响应回调函数)，而使用Fortran编写的联邦成员与TH_RTI交互的问题，在本质上即为如何实现Fortran语言和C++语言的互通问题。需要在Fortran联邦成员和TH_RTI(具体说即是RTIa)之间提供一个桥梁作用的适配器，由该适配器来完成Fortran语言和C++语言的互通任务。

本发明基于HLA的Fortran仿真模型是通过对象文件层面实现Fortran语言模块与C++语言模块的互通。Fortran语言模块与C++语言模块通过c语言程序实现在堆栈管理方面、目标例程命名方面和参数传递方面的匹配。Fortran语言模块与C++语言模块之间通过试凑的方法实现数据类型匹配。通过定义与标准接口对应函数以外的函数，如rtiOn()，rtiOff()等，实现面向过程的Fortran语言模块与面向对象的C++语言模块的整合。

从软件开发的角度来看，从代码到可执行的软件分为三个阶段，即代码、对象文件和可执行文件(或库文件)，与此对应，实现不同软件模块的互通也可分为三个层面：源码层面、对象文件层面、和可执行文件(或库文件)层面。源码层面的互通适用于使用同一种编译器的语言，通常是在一种语言族内适用，比如C和C++。可执行文件(或库文件)层面的互通是一种比较通用的方法，但是对于目前面临的问题，存在一些困难：Fortran与C++相比是一种早期语言，存在Fortran语言写的动态库由c或C++进行调用的需求，但是反之则不符合技术的发展规律。所以最终选取从对象文件层面实现软件模块互通的技术路线。

该技术路线要求：调用约定的匹配、数据类型的匹配、以及面向过程技术和面向对象技术的整合。不同的调用约定主要会影响堆栈管理、目标例程命名和参数传递。其中，不同的调用约定对应的调用堆栈管理者不同(调用程序、被调用例程)，会影响参数可变例程的调用；不同的调用约定会导致不同的命名规则，如大小写、特殊字符(下划线、等)的加入；

表格1Fortran与C/C++的命名约定

表中cDEC$中的c在固定格式下代表*和C，在自由格式下代表！，n至参数列表所占堆栈的大小。

由

表格1可知Fortran和C/C++各自不同的调用约定及其对应的程序命名规则，由此，我们可以总结出其对应匹配关系如

表格2所示：

表格2Fortran与C/C++匹配的调用约定

Fortran	C/C++
		缺省	__stdcall
C	__cdecl(缺省)
		STDCALL	__stdcall

除

表格2中的调用约定匹配外，还需考虑程序名称的大小写对应。如：Fortran采用缺省约定，其目标外部例程名统一被转换为大写，那么在C/C++中须采用__stdcall约定，并用大写命名外部函数。

Fortran：

REAL FUNCTION FFARCTAN(angle)

这种情况下，产生的目标例程名为_FFARCTAN4(4为参数值angle所占的字节数)。那么在C/C++中与之对应，须做如下声明：

C:

Extern float__stdcall FFARCTAN(float angle)；

C++:

Extern“c”{float__stdcall FFARCTAN(float angle)；}

Fortran采用C约定或STDCALL约定，其目标外部例程名统一被转换为小写，那么在C/C++中须采用__cdecl或__stdcall约定，并用小写命名外部函数。

Fortran：

REAL FUNCTION FFARCTAN(angle)

！DEC$ATTIBUTES C::FFARCTAN

这种情况下，产生的目标例程名为_ffarctan。那么在C/C++中与之对应，须做如下声明：

C:

Extern float[__stdcall]ffarctan(float angle)；

C++:

Extern“c”{float[__stdcall]ffarctan(float angle)；}

假如C/C++的外部函数名采用大小写混合形式，在Fortran中须采用ALIAS属性来限定产生的目标例程名：

Fortran：

REAL FUNCTION FFARCTAN(angle)

！DEC$ATTIBUTES C,ALIAS:‘_FfArctan’::FFARCTAN

这种情况下，产生的目标例程名为_FfArctan。之对应的C/C++声明如下：

C:

Extern float FfArctan(float angle)；

C++:

Extern“c”{float FfArctan(float angle)；}

关于参数传递，Fortran程序默认的参数传递方式是引用传递的，需要显式的指定调用约定来匹配Fortran程序和C++程序的参数传递方式；

Fortran语言程序和C++语言程序不存在直接的调用约定匹配，需要通过c语言程序作为桥梁，进行匹配工作。因此，需要合理选择不同的调用约定并调节不同的调用约定参数，使得Fortran语言与C++语言程序通过c语言程序得以实现堆栈管理、目标例程命名和参数传递方面同时匹配。

由于Fortran和C++是两种不同的语言，它们各自规定了一套数据类型，各自的描述方式不同，数据类型也有很大区别。因此在进行对象文件层面的互通时，要通过试凑的方法找到对应关系。

对于简单数据类型，如C++中的int、double等，它们的长度是平台相关的，由系统自动分配相应字节内存进行存储；而Fortran中的整形和实行变量是由用户指定的存储字节数来确定变量长度的。

对于复杂的数据类型，如C++中的数组和字符串等，它们与Fortran中数据类型的匹配需要结合数据类型的试凑和参数调用方式的调节来完成。

Fortran是面向过程的语言，C++是面向对象的语言。TH_RTI采用C++编写，比如所有的联邦服务是由RTIambassador类来提供的，但是在Fortran中没有类的概念。因此需要定义与标准接口对应函数以外的函数，如rtiOn()，rtiOff()等来进行必要的构造和析构工作。

如图2所示，站在联邦成员开发者的角度，编写一个C++语言的联邦成员需要调用C++语言的RTI服务接口并添加需要的回调操作；而对于以为使用Fortran语言的联邦成员开发者，本发明通过适配器的工作使开发者看到的就是一个支持Fortran语言的TH_RTI，因此与开发C++语言的联邦成员完全类似，开发者需要做的就是调用Fortran语言的RTI服务接口并添加需要的回调操作。

图3所示为基于HLA的Fortran仿真适配器的应用实例。在该实例中，联邦由两个Fortran联邦成员组成。每一个联邦成员由Fortran仿真计算模型单元和Fortran适配器单元组成，仿真计算模型通过适配器和TH_RTI的支持与另外一个仿真计算模型交互数据，实现互操作。

本优选实施例基于HLA的Fortran仿真模型系统为应用混合编程技术将Fortran语言和C++语言之间的障碍屏蔽在适配器单元内部，实现了在RTI上用Fortran语言开发联邦成员的目标。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于HLA的Fortran仿真模型系统，包括RTI系统和RTI标准联邦成员单元，所述RTI系统包括HLA标准服务接口libRTI和RTI底层软件模块，为仿真模型提供的服务包括仿真联邦管理服务、仿真成员声明管理服务、仿真对象管理服务、仿真时间管理服务、所有权管理服务、数据分发管理服务、以及运行支撑服务；其特征在于：所述仿真模型平台还包括适配器单元、Fortran仿真模型单元及RTI标准联邦成员单元； 

适配器单元，接收RTI系统发出的指令并将其转发给Fortran仿真模型单元，接收Fortran仿真模型单元发出的指令并将其转发RTI系统； 

Fortran仿真模型单元，作为RTI系统的联邦成员，用于通过适配器单元向RTI系统发出指令，以及接收适配器单元转发的RTI系统指令； 

所述适配器单元包括：封装文件模块、回调函数模块和RTI服务模块； 

封装文件模块，一侧接口连接所述RTI系统，另一侧接口分别连接回调函数模块和RTI服务模块；接收RTI系统发出的回调函数指令后将所述回调函数发送给回调函数模块，接收RTI服务模块转发的Fortran仿真模型服务请求后将所述服务请求发送给RTI系统，实现RTI系统与Fortran仿真模型单元间的双向通信，屏蔽两者之间的语言差异障碍； 

回调函数模块，一侧接口连接所述封装文件模块，另一侧接口连接所述Fortran仿真模型单元；接收封装文件模块转发的RTI系统回调函数，传递给Fortran仿真模型单元； 

RTI服务模块，一侧接口连接所述封装文件模块，另一侧接口连接所述Fortran仿真模型单元；接收Fortran仿真模型单元的服务请求，并将其传递给封装文件模块； 

封装文件模块采用C++语言编写，用于RTI系统与Fortran仿真模型单元间的双向通信，屏蔽语言障碍；回调函数模块和RTI服务模块采用Fortran语言编写； 

通过对象文件层面实现Fortran语言模块与C++语言模块的互通；

Fortran语言形成的模块与C++语言形成的模块通过c语言程序实现在堆栈管理方面、目标例程命名方面和参数传递方面的匹配； 

Fortran语言形成的模块与C++语言形成的模块之间通过试凑方法实现数据类型匹配。