CN102779039A

CN102779039A - 面向体系结构研究的基于bom的分布式仿真系统的开发方法

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Publication number: CN102779039A
Application number: CN2012102020142A
Authority: CN
Inventors: 张娟; 陈是君; 陈杰; 陈晨; 于海心; 董仕可; 连晓岩; 竺文彬
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明公开了一种面向体系结构的基于BOM的分布式仿真系统开发方法，属于仿真技术领域。该方法将系统开发的基本粒度由联邦成员细化为基本模型组件。该方法首先将仿真系统划分层次化的模型体系，然后自底向上依次进行基本模型、复合模型、联邦成员和联邦的设计。基本模型是构建复合模型以及联邦成员的基本元素，通过组合具有互操作性和可重用性的模型构建一个大小可伸缩、功能可定制的联邦成员，从而规范了模型的开发过程，提高了联邦成员以及联邦灵活性。通过对基本组件的重组和重开发，可以更便捷的开发出具有不同体系结构的系统，缩短了开发周期，提高了开发效率。

Description

面向体系结构研究的基于BOM的分布式仿真系统的开发方法

技术领域

本发明涉及一种仿真系统设计，特别涉及一种面向体系结构研究的基于BOM的分布式仿真系统的开发方法，属于仿真技术领域。

背景技术

在科学技术的推动下，作战系统正朝着网络中心化的方向快速发展，其核心特征就是信息网络的协同作战。在基础网络的支持下，作战系统内部各功能单元通过信息交互建立起作用关系，组成了结构复杂的网络系统。这一变化给未来的作战系统研究提出了一系列新的研究课题。

网络化作战是以信息技术为核心的新技术革命推动产生的结果，是现代防空作战的发展趋势，同时也是军事理论发展的最新成果。由于网络化防空火控仿真系统交互关系复杂、构成单元繁多，通常基于高层体系结构（HLA）实现。然而，HLA仅对联邦成员和联邦做出规范，并且联邦成员对于FOM的依赖性较强。因此，在仿真系统开发中有以下缺陷：第一，缺少更小粒度的仿真模型开发规范，导致模型的重用性较差；第二，联邦成员过度依赖FOM，使得系统的互操作性和可维护性降低，且不便于完成仿真系统开发后修改联邦和联邦成员。

1998年仿真互操作标准组织（Simulation Interoperation StandardOrganization，SISO）提出了基本对象模型（Base Object Mode，BOM）概念和组合式的开发模式，SISO给出BOM的概念为：BOM是概念模型、仿真对象模型或联邦对象模型的模块化表示，是仿真系统和联邦的开发和扩展所需的构建模块。BOM提供了一种可以定义联邦概念模型和使用HLA中OMT构建联邦中界面元件的机制，鼓励模型和联邦的快速构建。并于2006年3月，发布了BOM模板规范。BOM充分体现了资源重复利用和模块化开发的思想，将可重用的模块按照统一的标准规范集成在一起，从而达到快速和高效构成仿真应用的目的。

采用基于组件的开发模式最重要的原则就是将用户的逻辑模型与底层实现相分离，削弱模型和实现技术之间的耦合关系，使得仿真模型组件具有高内聚低耦合的特点，实现仿真系统功能的灵活扩展性。

可组合性是BOM的重要特性，它主要有两种组合方式：一种是将所有子BOM内容复制到一个新的BOM中，其中模型识别可以选用某一个BOM的元数据，而将原始元数据作为引用；另外一种方式是在新的BOM中定义更高层次的相互作用模式，在模式动作或者模式变化中引用其他BOM。

BOM模板包含四个主要的模板组件，分别是：模型识别、概念模型、HLA对象模型和模型映射。另外，注释和词典用于指明BOM的语法结构。BOM数据交换格式基于XML进行定义，可以支撑BOMs的开发和确认。

模型识别以文档化形式描述BOM的元数据，这些元数据是从公共使用的元数据标准集合中抽取出来，它包括了需求信息、概念模型信息、适用领域和范围、集成经验、修订历史等。它具有模型识别的功能，是模型重用的主要依据。相对于HLA对象模型鉴别表，BOM元数据增加了使用限制、使用历史、引用等字段，有利于BOM应用的反馈，并更好地支持了BOM的辨别和筛选。

概念模型包括相互作用模式表、状态机、实体类型和事件类型。它通过概念实体类型定义的概念实体和概念事件类型定义的概念事件，分别描述客观世界的事物，并以相互作用的模式和状态机动态刻画这些事物之间的交互关系。模式描述表通过动作描述了实体与实体的交互过程；状态机则描述了实体状态之间的变化；实体类型则是概念模型中的概念实体，是真实世界的实体的抽象，表示模式描述和状态机描述中的实体；事件类型表示了实体之间的相互作用。

模型映射将概念模型中的实体类型和事件类型映射到HLA OMT结构规范中的对象模型，从而使得概念模型和HLA对象模型的开发呈现松耦合特性。实体类型映射把概念模型中的实体与HLA对象模型的对象类元素进行映射，事件类型映射把概念模型中的事件与HLA对象模型中的交互类元素进行映射，使抽象的概念模型与具体的实现技术相分离。

HLA对象模型对应于概念模型的仿真模型，描述了对象类及其属性、交互类及其参数、数据类型，还包含有关仿真模型之间进行数据传输的编码信息，这些都是BOM接口信息的组成部分。

传统的分布式仿真在HLA上的应用已经比较成熟，其系统仿真的基本粒度是联邦成员，其缺点是缺乏灵活性和可重用性，当联邦成员划分变化时，需要重新开发，系统维护和重开发难度大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向体系结构研究的基于BOM的分布式仿真系统的设计方法，并且使得系统开发的基本粒度由联邦成员细化为基本模型组件。该方法首先将仿真系统划分层次化的模型体系，然后自底向上依次进行基本模型、复合模型、联邦成员的开发。基本模型是构建复合模型以及联邦成员的基本元素，通过组合具有互操作性和可重用性的模型构建一个大小可伸缩、功能可定制的联邦成员，从而规范了模型的开发过程，提高了联邦成员以及联邦设计的灵活性。

该方案是这样实现的：

一种面向体系结构研究的基于BOM的分布式仿真系统开发方法，该方法包括以下步骤：

第1步：分析被仿真对象，确定仿真的实体集合及其之间的交互关系，规划联邦结构，划分联邦单元；

第2步：进行仿真系统层次设计；仿真系统的最高层次为联邦单元，最低层次为实体，中间层次为复合体；所述复合体是由实体组成的，组成复合体的实体共同完成一项功能；

第3步：根据仿真系统的层次结构，自底向上进行实体、复合体、联邦成员的开发；包括：

①针对每个实体开发一个基本BOM模型，构成BOM模型库；所述基本模型的设计遵循BOM的规范定义并符合BOM数据交换格式，最终输出为XML格式的BOM定义文件；

②针对每个复合体，从BOM模型库中查找所述复合体所涉及的实体对应的基本BOM模型，完成这些基本BOM模型的组合，从而形成复合BOM模型；

③根据已经设计规划好的联邦构架，组合已有的基本BOM模型和复合BOM模型，从而形成基于BOM的联邦成员。

优选地，该方法进一步包括：所述仿真系统的层次结构包括的复合体层为一层或一层以上；当复合体由实体和其他复合体组成时，从BOM模型库中查找所述复合体所涉及的实体对应的基本BOM模型，并结合所述其他复合体的复合BOM模型，完成这些BOM模型的组合，从而形成新的复合BOM模型。

优选地，在从BOM模型库中查找所需基本BOM模型时，如果没有符合要求的基本BOM模型，则开发符合要求的新基本BOM模型，并增加到BOM模型库中。

当需要对仿真对象重建或修改时，通过对基本BOM组件的重组和重开发实现。

有益效果：

本发明是基于BOM的开发方法，并自底向上依次进行基本模型、复合模型、联邦成员设计，而非现有技术直接基于联邦成员进行开发设计，本发明能够通过基本模型的重组快速开发具有不同体系结构的系统，缩短开发周期，提高开发效率。具体优势体现在如下几个方面：

（1）BOMs利用XML和XML Schema进行描述，为上下文的校验和定义提供了机制，有利于交互数据的理解；

（2）基本模型组件实现了与仿真框架松耦合，提高了模型可重用性；

（3）复合模型的开发可利用基本模型组合实现，提高了灵活性；

（4）联邦成员可以利用复合模型和基本模型的聚合实现，加快了联邦开发的速度，同时使仿真系统具有很强的灵活性与可扩展能力；

（5）降低了系统维护和重开发的难度。

附图说明

图1—网络化防空火控仿真系统层次框架设计；

图2—火控组网复合模型结构图；

图3—指挥决策联邦成员的聚合。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

BOM的可组合特性使得仿真系统的开发可以自下而上的进行。基于BOM的设计，首先对仿真系统架构进行层次化划分，根据模型的复杂度和可分解性将所有仿真对象模型划分为不同的层次，以便进行基本模型的设计和高层模型的组合设计。联邦成员本质上是模型交互关系的集合，因而也可基于BOM组合来实现。由于现实实体是可以分的，因而符合面向对象开发的要求。

本发明的设计方法具体包括如下步骤：

第1步：分析被仿真对象，确定仿真的实体集合及其之间的交互关系，规划联邦结构，划分联邦成员；

这里所说的实体是本发明系统仿真的最低粒度，它是完成系统中的基本功能单元，可以是实际存在的设备，例如雷达、指挥中心、红外探测等等，也可以是虚拟的功能单元。

第2步：进行仿真系统层次设计；仿真系统的最高层次为联邦单元，最低层次为实体，中间层次为复合体。所述复合体是由实体组成的，组成复合体的实体共同完成一项功能。

对于某些复杂的仿真对象，复合体层也可以是多层，那么复合体还可以由实体和其他复合体组成。

第3步：根据仿真系统的层次结构，自底向上进行实体、复合体、联邦成员的开发。具体为：

步骤31：针对每个实体开发一个基本BOM模型，构成BOM模型库；所述基本模型的设计遵循BOM的规范定义并符合BOM数据交换格式，最终输出为XML格式的BOM定义文件；

步骤32：针对每个复合体，根据组成该复合体的实体，从BOM模型库中查所述功能所涉及的实体对应的基本BOM模型，完成这些基本BOM模型的组合，从而形成所述功能对应的复合BOM模型；

当复合体由实体和其他复合体组成时，从BOM模型库中查找所述复合体所涉及的实体对应的基本BOM模型，并结合所述其他复合体的复合BOM模型，完成这些BOM模型的组合，从而形成新的复合BOM模型。可见复合BOM模型不仅可以由基本BOM模型组合而成，也可以由基本BOM模型和其他复合BOM模型共同组合而成，从而形成了多层次的复合BOM模型。

第4步：根据已经设计规划好的联邦构架，组合已有的基本BOM模型和复合BOM模型，从而形成基于BOM的联邦成员。

至此，本流程结束。当需要对仿真对象重建或修改时，可以通过对基本BOM组件的重组和重开发实现，从而可以更便捷的开发出具有不同体系结构的系统，缩短了开发周期，提高了开发效率。

由以上所述可见，联邦构架是预先规划好的，即预先确定组成仿真系统的联邦成员，再去确定实体和复合体，所以系统的设计过程还是自上而下的，在开发之前已经构建好了层次构架。但是系统的开发过程是从底层BOM基本模型入手的，所以开发过程还是自下而上的，这样才能进行BOM模型的组合。

下面以防空火控系统为仿真对象，对本发明的仿真设计方法进行描述。

如图1所示，本实施例中的防空火控系统包括基本模型、复合模型和联邦成员三个层次。其中，基本模型是仿真系统的最小粒度，是仿真系统的基本单元；复合模型是基本模型的组合；联邦成员则是BOM组合对于HLA规则的实现。

1.基本模型设计

基本模型是进行其他层次模型及联邦成员开发的基础，是整个仿真系统的基本构件。基本模型的设计需要遵循BOM的规范定义并符合BOM数据交换格式，最终输出为XML格式的BOM定义文件。

以下结合红外探测模型分析基本模型的设计构建方法，省略了红外探测BOM（InfraredBOM）模式识别和注释等其他某些信息。

1.1概念模型

概念模型利用相互作用模式表和状态机来实现描述概念实体的功能，而其中的实体类型和事件类型则描述了相互作用模式中出现的实体和事件。

表1为相互作用模式表，它定义了红外探测BOM的工作模式（Infrared WorkPattern），描述了红外探测的基本过程。

表1相互作用模式表

以表1的第一行为例说明，交互模式名称为红外探测的工作模式，为动作模式类型，顺序为1的是“开始”控制命令，它的发送者是控制中心基本对象模型，接受者是红外实体。

表2为红外探测概念模型的状态机。红外探测的状态分为待命（Stand-to）、探测（Work）。表中还描述了红外探测状态转换的条件，对应于相互作用模式的动作。

表2状态机

仍以第一行说明，状态机名称为红外探测状态，它的概念实体就是红外实体，处于待命状态下它退出该状态的动作时得到“开始”命令，进入的下一状态时“工作”。

表3与表4则分别描述了InfraredBOM的实体类型和事件类型。

表3概念实体类型

以红外实体一项进行说明，实体类型的名称为红外实体，它包含的特性名称有身份编号等，身份编号的语义是该实体唯一的身份编号。

表4概念事件类型

仍以第一行为例，事件类型名称为控制命令，它的来源为控制中心基本对象模型，它的目标是红外探测实体，其中包含的内容是红外实体状态信息。

1.2模型映射

模型映射包含了两个部分的设计：实体类型映射和事件类型映射。实体类型映射需要建立概念实体到HLA对象类和交互类的映射，实体字段到HLA类属性和参数的映射；事件类型映射则是建立事件类型到HLA对象类和交互类的映射，事件源字段、目标字段、内容字段以及触发条件到HLA类属性和参数的映射。表5和表6则分别是实体类型映射表和事件类型映射表。

表5实体类型映射表

对于红外实体对应的一项，如表5所示，实体类型名称为红外实体，对应到HLA中为红外对象类。该实体特征“身份编号”映射到HLA中的属性为“红外对象类身份编号”。

表6事件类型映射表

对于控制命令对应的一项，如表6所示，事件名称为控制命令，映射到HLA中为控制中心对象类。来源为控制中心对象类，目标位红外对象类，其中包含的内容映射为红外对象类状态。

1.3HLA对象模型

HLA对象模型包括了对象类属性信息、交互类属性信息和数据类型信息，其基本结构定义复合HLA规范，但是不包含HLA路径空间等信息。以红外探测BOM为例，表7和表8简要介绍对象类和交互类的部分属性和参数。

表7对象类属性信息

表8交互类参数信息

对于上述两个表列举出了部分表项，表7中，对象类名称为红外对象类，属性有“身份编号”，其数据类型为字符串型；表8中交互类名称为报告信息交互，参数为红外身份编号，数据类型为字符串型。

2.复合模型设计

2.1组合模型

复合模型可以利用BOM的可组合特性进行开发设计，由此可以极大降低系统研发的工作量。复合模型开发设计有以下三个基本步骤：

（1）根据实体之间的交互关系，确定完成一项功能所涉及的实体；

（2）从已有的BOM模型库中查找符合应用的组件或者开发新的BOM；

（3）完成基本BOM模型的组合，增加元数据；

（4）输出组合模型。

仿真系统复合模型如表9所示

表9复合模型列表

复合模型	基本模型
		雷达组网	多部预警雷达、融合中心、控制中心
红外组网	多部红外探测、融合中心、控制中心
		火力组网	多部防空火炮、指挥所
火控组网	多部火控雷达、多部炮控计算机、融合中心、控制中心、环境模型

2.2火控组网模型构架

火控组网是控制指挥火力打击的系统，主要由火控雷达、炮控计算机、融合中心、控制中心以及环境模型组成。其子系统之间存在较强的独立性，可以充分利用BOM可组合的优势进行模型实现。以下结合火控组网复合模型的实现进行BOM组合实例的介绍。

图2描述了火控组网复合模型结构和内部交互，箭头标示了子系统之间的数据传输。其中，控制中心可以控制火控雷达、融合中心、炮控计算机的工作，火控雷达将采集数据发送给融合中心，融合中心进行信息融合后发送给炮控计算机，炮控计算机根据融合后数据结合环境模块进行炮控指挥计算。可见，火控组网完成任务需要环境模块、控制中心、融合中心、火控雷达、炮控计算机这些实体之间进行交互实现，因此需要从BOM模型库中找到这5个实体的基本BOM模型，并进行组合，输出火控组网的复合BOM模型。

BOM类似于小型的FOM，模型内部组件之间的信息传递不再经过RTI，从而降低了整个系统平台通信流量，有效地减小了负载。

3.联邦成员与联邦设计

基于基本对象模型的可组合特性，联邦接口的构建不再是从头开始或者融合已经存在的SOMs或者FOMs，而是使用预先制作的、可重用的BOMs更加有效、快速地聚合构建接口。集成BOMs形成的更大规模接口的原理同样能应用于联邦成员的扩展和开发，它的过程与复合模型的设计开发基本一致。

如图3，以指挥决策联邦成员为例，简要介绍它的组装原理。该联邦成员由两个模型组件组装而成，分别是指挥中心（Command Center）和融合中心（FusionCenter）。在组装成为联邦成员之前，这两个模型已经利用BOM开发工具形成了描述信息BOM；在生成模型组件BOM后，通过模型组装工具可以将这两个模型组件聚合成为成员配置文件。指挥中心和融合中心的聚合主要是组件内部对象类、交互类和数据类型等信息的聚合，并且在成员配置文件中体现了聚合后的结果。

基于BOM组件化建模使得联邦成员的设计开发具有很大的灵活性，联邦成员可以根据功能需求、物理含义以及调试需要等因素在系统开发过程中随时改变，它所需的代价将远远小于基于联邦成员的开发方法。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种面向体系结构研究的基于BOM的分布式仿真系统开发方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

第2步：进行仿真系统层次设计：仿真系统的最高层次为联邦单元，最低层次为实体，中间层次为复合体；所述复合体是由实体组成的，组成复合体的实体共同完成一项功能；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：所述仿真系统的层次结构包括的复合体层为一层或一层以上；当复合体由实体和其他复合体组成时，从BOM模型库中查找所述复合体所涉及的实体对应的基本BOM模型，并结合所述其他复合体的复合BOM模型，完成这些BOM模型的组合，从而形成新的复合BOM模型。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在从BOM模型库中查找所需基本BOM模型时，如果没有符合要求的基本BOM模型，则开发符合要求的新基本BOM模型，并增加到BOM模型库中。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当需要对仿真对象重建或修改时，通过对基本BOM组件的重组和重开发实现。