CN104408222B - 实时分布式仿真平台可重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种实时分布式仿真平台可重构方法，旨在提供一种无需互相调用各个模型资源，无需对含各子节点分布式仿真平台软件架构进行复杂的功能裁剪或二次开发，能够降低分布式仿真所有节点开发复杂度的可重构方法，本发明通过下述技术方案予以实现：创建仿真平台框架，将仿真平台框架自上而下分为应用层、管理层、服务层、交互层和资源层，每一个层级都拥有相关的模型及组件，并对应一个映射表来描述本层级模型及组件的属性、功能和参数信息，而且每一层级相对独立，对上一层级只提供接口而不能访问，通过下一层级的接口访问下一层级，各个模型资源之间的数据交互通过服务层中的服务接口实现；相关层级不同仿真任务通过相对应的视图窗口资源映射表加载。

Description

实时分布式仿真平台可重构方法

技术领域

本发明涉及一种分布式仿真技术应用领域，用于可重构的实时分布式仿真平台的通用设计架构及其实现方法，尤其是可应用到分布式仿真、半实物仿真、自动化测试等领域的实时分布式仿真平台。

背景技术

仿真技术在客观世界和科学理论之间架起了一座桥梁，被认为是继理论分析和科学实验之后的第三种认识世界和改造世界的重要方法。分布式仿真动态重构是在运行过程中按需对仿真进行在线调整的一种支持技术，其研究对于提高仿真系统的适应性、提升仿真在关键领域的应用层次具有重要价值，并已成为相关领域研究的前沿问题之一。仿真技术的发展经历了从集中式到分布式、从定量到定性定量相结合、从单一粒度到多粒度、多侧面协同仿真的发展过程。仿真技术与仿真应用的发展是相辅相成、互相促进的。一方面，算机网络技术的发展和用户的需求刺激了分布式仿真计算的研究，仿真技术的发展促进了仿真应用领域的不断拓展和仿真应用层次的不断提高；另一方面，仿真应用需求的不断提高，也促进了仿真技术的进步。随着软件工程、网络、领域建模等相关技术的发展，仿真应用的范围不断扩大、对象日趋复杂，且性能方面的需求也在不断提升，如何提高仿真系统的开放性与适应性已经成为分布式仿真实际应用中的重要问题。由于现有计算机资源门类繁多，无论在软件、硬件、网络等各个方面都有很大的差异性，这种异构性造成了开发分布式异构系统软件具有很大的难度。通常分布式仿真系统软件在结构上可以分为三大部分：支持仿真应用的模块、支持仿真数据库的模块与支持分布式应用的模块。支持分布式应用的模块是另外两大部分的自力支持；支持仿真数据库的模块为支持仿真应用的模块提供信息与数据服务；支持仿真应用的模块则是软件的核心部分。动态结构模型是仿真重构动作实施的依据。在目前的分布式仿真系统中，由于不同用户对仿真部署的需求及仿真任务存在较大差异，一个含各子节点的分布式仿真平台软件架构，只针对一种仿真任务定制开发，而定制开发含各子节点的分布式仿真平台软件存在模块边界不清、模块耦合性高、模块扩展性差、模块不易裁剪，重构性较差，开发周期长，开发效率低下等问题。另外，分布式仿真将专注于不同类型的仿真任务分开，每一类型的仿真任务由不同仿真子节点完成，子节点通过更专业的软硬件工具来完成结果输出，例如可视化任务需要专业的图像工作站和优秀的三维引擎工具来实现，这就导致目前分布式仿真系统中每一个功能子节点都要单独定制开发。

因此，如果将针对指定仿真任务定制开发的分布式仿真平台(含各子节点)应用到其他仿真任务中，需要对该分布式仿真平台软件架构进行功能裁剪或二次开发，不同类型子节点也需要根据需求进行二次开发，从而导致浪费人力资源和时间。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种无需互相调用各个模型资源，无需对含各子节点分布式仿真平台软件架构进行复杂的功能裁剪或二次开发，能够降低分布式仿真所有节点开发复杂度的实时分布式仿真平台可重构方法，以克服现有技术模块边界不清、模块耦合性高、模块扩展性差、模块不易裁剪，重构性较差，开发周期长，开发效率低下的问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于包括如下步骤：创建仿真平台框架，将仿真平台框架自上而下分为应用层、管理层、服务层、交互层和资源层，每一个层级都拥有相关的模型及组件，并对应一个映射表来描述本层级模型及组件的属性、功能和参数信息，而且每一层级各个视图窗口相对独立，对上一层级只提供接口而不能访问，通过下一层级的接口访问下一层级，各个模型资源之间的数据交互通过服务层中的服务接口实现；然后将子节点分为控制管理和仿真计算两种模式，其中，控制管理包含模型资源管理器或节点资源管理器、视图浏览器和事件浏览器；相关层级不同仿真计算任务相对应的仿真模型对象，按模型封装规范封装成模型资源组件，仿真对象模型组件资源通过映射表加载；仿真节点通过平台映射表自动生成相应的软件界面及相应的服务组件，仿真平台节点软件界面中各个节点类型软件加载的界面资源通过映射表动态实现，相关层级不同仿真任务通过相对应的视图窗口资源映射表加载。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明在相关层级采用一系列的优化措施来保证整个平台的实时性。以上述层次结构模型开发的实时分布式仿真平台对外显式提供每一层级的映射表，用户能够通过修改映射表实现整个分布式系统节点部署的重构、平台界面及功能组件的重构。

本发明在任意给定分布式仿真任务过程中可以实现对该种分布式仿真任务对应的仿真平台(含各子节点)软件中模块的重构，且在将分布式仿真平台软件架构应用到不同的仿真任务中时，无需对含各子节点分布式仿真平台软件架构进行复杂的功能裁剪或二次开发，只需将不同仿真任务相对应模块重新开发升级即可，易于操作和实现，极大的节约了人力和时间。

在任意一种分布式仿真任务中，与该种仿真任务对应的分布式仿真平台软件架构中各个模型资源之间的数据交互通过服务层中的服务接口实现，无需互相调用，由于各个模型资源之间无需互相调用，使得各个模型资源的功能独立，因此本发明不存在目前的分布式仿真平台架构模型资源边界不清，模型资源耦合性高，模型资源不易裁剪等缺陷，从而在该种分布式仿真的过程中，可以实现重构该种分布式仿真对应的仿真平台软件架构中的模型资源。

本发明在应用到不同的仿真计算任务中时，无需对本申请的分布式仿真平台软件架构进行复杂的功能裁剪或二次开发，只需将不同仿真计算任务相对应的仿真模型对象按模型封装规范封装成模型资源组件，同时，仿真对象模型组件资源通过映射表加载即可，易于操作实现，极大的节约了人力和时间。

本发明的有益效果还在于：

1、分布式仿真平台节点软件界面中各个节点类型软件加载的界面资源通过映射表动态实现，无需重新开发，由于各个视图窗口之间无需互相调用，使得各个视图窗口的功能独立，因此本发明分布式仿真平台软件架构不存在目前的分布式仿真平台架构存在的视图窗口边界不清，模视图窗口耦合性高，视图窗口不易裁剪和扩展等缺陷。

本发明分布式仿真平台架构在不同的仿真节点视图窗口开发时，无需对分布式仿真平台软件架构进行复杂的功能裁剪或二次开发，只需将不同仿真任务相对应的视图窗口资源映射表加载即可，且对其进行扩展和完善，全面支持实时分布式仿真运算。

2、在仿真节点应用模式设计方面，首次提出将子节点分为控制管理和仿真计算两种模式，仿真节点通过平台映射表能够自动生成相应的软件界面及相应的服务组件。支持时间管理服务，支持实时分布式仿真应用，从而弥补了基于HLA标准仿真应用的不足。

本发明采用全新的开放式平台设计理念和面向服务(SOA)的设计思想，全面支持基于面向仿真服务组件结构建模规范(SimSCA)的仿真组件模型建模与开发，全面支持仿真试验各个阶段的任务活动，覆盖了从仿真模型开发、仿真想定、仿真实验参数设计、仿真资源部署、仿真运行管控以及仿真效能分析评估等系统仿真的各个阶段，实现了对系统仿真应用全生命周期的支持。

利用本发明可使传统的仿真模型开发从业务逻辑分离出来，允许开发人员集中精力编写业务逻辑，而不必将大量的时间花费在更为底层的技术实现上，降低了模型之间的耦合性，真正实现了仿真模型与协议无关、与平台无关的目的，不同粒度的仿真组件可灵活组装，实现组件和模型的一系列重用和重构。

综上所述，本发明提出了一种用于可重构的分布式仿真平台的通用设计架构及其实现方法，在保证仿真任务功能基础上降低了分布式仿真所有节点开发的复杂度，提高了开发效率，同时增强了分布式仿真平台的可扩展性，并且能够动态生成仿真节点软件、以灵活快速实现分布式仿真任务。可重构的实时分布式仿真平台提供了用于创建不同功能的分布式仿真子节点的软件结构(层次模型)，用户能够通过参数化建模实现分布式仿真系统各子节点部署的重构以及实现每个子节点用户界面(UI)的动态加载，同时，在系统架构中采用深度优化措施保证整个仿真系统的实时性。

本发明分布式仿真平台可较好地满足对实时性要求较高的半实物模拟器和实装的仿真应用，最小达到1毫秒级的仿真步长要求，能在异地异构环境下联合仿真，满足不同仿真粒度的要求，可广泛应用于分布式仿真验证、仿真测试等领域和大型分布式仿真系统的复杂应用领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1本发明的分布式仿真平台软件层次模型示意图。

图2本发明的平台软件界面示意图。

图3本发明的平台软件重构流程图。

图4本发明的平台软件仿真流程图。

具体实施方式

参阅图1图2。在创建实时分布式仿真平台架构中，将仿真平台框架自上而下分为五层模型，其层次结构模型包含应用层、管理层、服务层、交互层、资源层五个层级，每一层级都有相关的模型及组件，并对应一个映射表来描述本层级模型及组件的属性、功能、参数等信息。每一层级相对独立，对上一层级只提供接口而不能访问，通过下一层级的接口访问下一层级。各个模型资源之间的数据交互通过服务层中的服务接口实现；然后将子节点分为控制管理和仿真计算两种模式，并包含在应用层中。

a)应用层

在应用层中，控制管理包含模型资源管理器或节点资源管理器、视图浏览器和事件浏览器。应用层至少包含分布式仿真平台的两种应用模式：控制管理模式和仿真计算模式，应用模式是分布式仿真系统中的仿真节点的一种属性。

(1)控制管理模式

控制管理模式使本节点拥有其它节点的控制管理功能，并引导管理层的用户界面(UI)加载与控制管理相关的界面。另外，控制管理模式还包含了对整个仿真系统的控制管理功能，服务层的部分服务只能在控制管理模式下使用，例如时钟服务、时钟管理、节点同步管理、数据同步管理等服务。

(2)仿真计算模式

仿真计算模式主要根据仿真时钟对仿真模型进行计算、模型健康管理以及与控制管理节点进行事件交互、与仿真计算节点进行数据交互。

b)管理层

管理层是一个可重构的用户界面(UI)，至少包含模型资源管理器或节点资源管理器、视图浏览器、事件浏览器；模型资源管理器根据资源映射表加载模型信息，并对模型的开关进行人机交互以及显示模型的健康状态；节点资源管理器根据交互映射表加载节点输入输出信息，并对节点的开关进行人机交互及显示节点的健康状态；视图浏览器根据服务映射表和界面映射表加载可视化视图标签，每一个视图标签对应一种可视化服务，并对不同种类的可视化服务进行人机交互。界面映射表它是一种结构化文档，至少包含本仿真节点可视化视图标签信息。

c)服务层

服务层包括：数据交互服务线程、可视化服务对外接口、数据监视服务线程、控制管理服务线程和时钟管理服务，至少含有时钟管理服务子程序、可视化服务子程序、数据交互服务子程序、控制管理服务子程序、数据监视服务以及服务映射表。时钟管理服务至少包含实时时钟推进及同步时钟推进两种模式；可视化服务至少支持二维、三维态势显示以及曲线监视等可视化功能；控制管理服务至少有对本节点模型的控制管理功能，至少包括模型加载、模型开关、模型健康管理等功能；数据监视服务至少有对仿真数据的在线监视功能；数据交互服务作为一个任务至少完成对本节点模型数据的交互任务，此任务伴随仿真的开始到结束；服务映射表一种结构化文档，至少包含本仿真节点相关服务的配置信息。

数据交互服务线程通过实时通信中间件完成所有节点交互数据的实时更新功能，此服务伴随仿真任务的开始到结束。可视化服务对外接口为可视化组件的窗口句柄，使之将可视化组件窗口能够在可视化视图管理器的标签上显示。数据监视服务线程通过实时通信中间件完成对指定仿真数据的在线监视功能。时钟管理服务包含实时时钟推进及同步时钟推进两种模式，实时时钟推进模式根据真实的时间及仿真步长推进，而同步时钟与真实时钟无关，只要所有节点完成本次仿真任务，时钟就向前推进。

d)交互层

交互层包含实时通信中间件，实时通信中间件是针对分布式仿真特点设计的实时网络通信中间件，至少含有对通信链路的实时性优化，并提供相应的软件开发包(SDK)实现通信数据交互；数据分发服务是为实时分布式应用系统提供的网络通信中间件，对象管理组织(OMG)中推荐的分布式系统通信的应用标准。实时通信中间件包括交互数据包、事件、消息、虚拟化、仿真模型虚拟化。交互映射表至少包含本仿真节点及其所有模型与通信链路之间的关系、输入输出端口或内存地址映射信息。

实时通信中间件将资源层的通信链路抽象为本地虚拟化内存，交互映射表描述了交互数据包在本地虚拟化内存中的分区列表；实时通信中间件对资源层的仿真模型进行虚拟化抽象，描述模型发布/订阅的交互数据包、事件消息,交互映射表也描述了虚拟化模型的接口定义。实时通信中间件的原理就是按照交互映射表中的描述将虚拟模型需要发布/订阅的交互数据包实时更新到虚拟化内存的分区列表中。为保证数据交互的安全性，不同的交互数据包应设计放在不同的分区中。

e)资源层

资源层包括通信链路和仿真模型，为保证系统的实时性，资源层至少包含通信链路资源、模型资源以及资源映射表，其中，通信链路延迟为纳秒级，模型资源为按一定规范封装的组件。模型资源封装规范规定模型资源至少包含模型初始化、模型运行、模型结束三个元函数，且所有模型的元函数名称相同，初始化元函数的输入参数至少包含节点元数据，模型运行元函数输入参数至少包含节点元数据及仿真时钟，模型结束元函数输入参数无要求，除上述数据外，元函数的输入输出函数不能有与模型计算相关的参数信息。节点元数据是一种数据结构，至少包含本仿真节点模型的输入输出数据。资源映射表是一种结构化文档，至少包含本仿真节点模型的输入输出参数信息，模型配置信息，通信链路参数信息，通信链路配置信息。

为保证实时性，至少选择一种延迟为纳秒级的通信链路作为分布式仿真的实时网络，例如反射内存网。将仿真模型资源封装成组件，对外至少包含模型初始化、模型运行、模型结束三个接口，且所有模型组件接口名称相同。使用XML技术设计资源映射表。资源映射表至少包含仿真模型的输入输出参数信息、模型配置信息、通信链路参数信息、通信链路配置信息、本节点类型、仿真应用模式、节点名称和可视化组件的属性信息等信息。将所有模型的输入输出数据结构合并打包作为模型初始化、模型运行接口的输入参数。以反射内存网为例，首先使用XML技术设计交互映射表，将共享内存分区供节点使用，例如：

然后调用反射内存API实现分布式仿真系统的数据交互、消息收发等功能。实时通信中间件根据通信链路及设计人员工程经验的不同会有所不同，只要保证通信中间件实现上层服务所需的所有功能即可。

相关层级不同仿真计算任务相对应的仿真模型对象，按模型封装规范封装成模型资源组件，仿真对象模型组件资源通过映射表加载；仿真节点通过平台映射表自动生成相应的软件界面及相应的服务组件，仿真平台节点软件界面中各个节点类型软件加载的界面资源通过映射表动态实现，相关层级不同仿真任务通过相对应的视图窗口资源映射表加载。

参阅图3。在分布式仿真平台的重构流程中，设计分布式仿真部署方案，例如有多少仿真节点，每个仿真节点的功能是什么，节点间的交互数据有哪些。根据部署方案配置各节点的平台映射表，确定哪些节点作为仿真计算类型，哪个节点为控制管理节点。为各节点配置界面映射表，增加或减少节点界面资源；为各节点配置服务映射表，增加或减少节点服务；为各节点配置交互映射表，根据部署方案将各节点的数据交互内容细化；为仿真计算模式的节点配置资源映射表，仿真计算节点将加载模型资源信息，控制管理节点将加载网络资源信息。启动平台。

参阅图4。在分布式仿真平台的仿真流程中：启动平台，加载平台映射表，确定本节点的类型，进入仿真计算或控制管理模式；根据控制管理模式加载界面映射表生成视图管理器、节点管理器等界面资源；或根据仿真计算模式加载界面映射表、资源映射表生成视图管理器、模型管理器等界面资源。然后针对控制管理模式加载服务映射表，启动管理服务；在控制管理模式下，用户通过人机交互界面对本次仿真进行管理配置；在仿真计算模式下，用户通过人机交互界面对本节点的模型进行管理配置，加载界面映射表生成视图管理器、节点管理器，加载服务映射表，户启管理服务；用户启动仿真初始化，根据控制管理模式将初始化命令发送给所有其它节点，加载交互映射表，所有节点准备进行数据交互，仿真开始后，实时进行仿真运行管理、节点监控、节点健康管理并进行时钟推进服务。或者根据仿真计算模式，加载界面映射表、资源映射表生成视图管理器、模型管理器；然后加载服务映射表，启动仿真服务；节点调用所有模型的初始化接口进行模型初始化；然后加载交互映射表进行数据交互，运行模型，根据外部时钟推进实时进行模型计算、模型监控、模型健康管理和数据交互服务，仿真结束。仿真结束后，对于控制管理模式，停止进行仿真运行管理、节点监控、节点健康管理并停止时钟推进服务，对于仿真计算模式，停止所有模型的运行、停止数据交互服务。

Claims (9)

1.一种实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于包括如下步骤：创建含各子节点的分布式仿真平台软件架构，将仿真平台软件架构自上而下分为应用层、管理层、服务层、交互层和资源层五个层级，每一个层级都拥有相关的模型及组件，并对应一个映射表来描述本层级模型及组件的属性、功能和参数信息，而且同一层级内的各个视图窗口相对独立，对上一层级只提供接口而不能访问，通过下一层级的接口访问下一层级，各个模型资源之间的数据交互通过服务层中的服务接口实现；然后将子节点分为控制管理和仿真计算两种模式，仿真节点通过平台映射表自动生成相应的软件界面及相应的服务组件，其中，控制管理包含模型资源管理器或节点资源管理器、视图浏览器和事件浏览器；在上述五个层级中，不同层级仿真层级相对应的模型对象，按模型封装规范封装成模型资源组件，仿真对象模型组件资源通过映射表加载；仿真平台节点软件界面中各个节点类型软件加载的界面资源通过映射表动态实现，相关层级不同仿真任务通过相对应的视图窗口资源映射表加载。

2.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：子节点的控制管理和仿真计算模式，包含在应用层中。

3.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：应用层至少包含分布式仿真平台的两种应用模式：控制管理模式和仿真计算模式。

4.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：控制管理模式使本节点拥有其它节点的控制管理功能，并引导管理层的用户界面UI加载与控制管理相关的管理器；控制管理模式还包含了对整个仿真系统的控制管理功能，服务层的部分服务只能在控制管理模式下使用。

5.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：仿真计算模式根据仿真时钟对仿真模型进行计算、模型健康管理，以及与控制管理节点进行的事件交互和仿真计算节点进行的数据交互。

6.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：模型资源管理器根据资源映射表加载模型信息，并对模型的开关进行人机交互以及显示模型的健康状态；节点资源管理器根据交互映射表加载节点输入输出信息，并对节点的开关进行人机交互及显示节点的健康状态；视图浏览器根据服务映射表和界面映射表加载可视化视图标签，每一个视图标签对应一种可视化服务，并对不同种类的可视化服务进行人机交互。

7.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：服务层包括：数据交互服务线程、可视化服务对外接口、数据监视服务线程、控制管理服务线程和时钟管理服务，且该服务层至少含有时钟管理服务子程序、可视化服务子程序、数据交互服务子程序、控制管理服务子程序、数据监视服务以及服务映射表。

8.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：交互层包含实时通信中间件，实时通信中间件是针对分布式仿真特点设计的实时网络通信中间件，且该交互层至少含有对通信链路的实时性优化，并提供相应的软件开发包SDK实现通信数据交互；数据分发服务是为实时分布式应用系统提供的网络通信中间件，对象管理组织OMG中推荐的分布式系统通信的应用标准。

9.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台可重构方法，其特征在于：资源层包括通信链路和仿真模型，为保证系统的实时性，资源层至少含有通信链路资源、模型资源以及资源映射表，其中，通信链路延迟为纳秒级，模型资源为按一定规范封装的组件。