CN111400895B - 多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法和系统，通过层次化模块化的联合仿真引擎结构，对不同层次、不同粒度、跨域分布的数字仿真系统、半实物仿真系统、实装、实装模拟器等仿真资源的统一管理和控制；提出了基于帧的实时离散事件同步算法，在离散事件仿真引擎的基础上增加实时事件调度服务模块，使仿真引擎能够以逻辑时间或者实时这两种模式运行，支持对不同类型仿真引擎的统一调度管理，解决不同仿真系统仿真推进的难题。

Description

多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法和系统

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体地，涉及多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法和系统。

背景技术

先进分布仿真技术是武器装备联合作战仿真的主要支撑手段。随着现代化作战体系建设进程加快，作战体系规模越来越大，联合仿真涉及的要素越来越复杂。开展多武器系统联合作战仿真试验需要跨武器装备体系级、武器系统级和武器系统分系统级等多个仿真层次，集成数字仿真系统、半实物仿真系统、实装、实装模拟器等不同粒度、异构和跨域分布的试验资源。不同试验资源的仿真推进具有不同的时间约束要求，其中，数字仿真系统基于离散事件或离散时间推进，而半实物仿真系统、实装和实装模拟器等资源仿真时间的推进需要与外界自然时间保持严格一致。联合仿真引擎需要满足不同仿真节点推进机制的要求，完成各节点仿真时间的同步推进，同时正确合理地调度管理各仿真节点之间的交互事件，确保联合仿真的因果性。

目前国内外对于大型的分布式系统的集成，通常还是使用HLA标准的RTI。针对联合仿真的实时性要求，主要有4种解决方法：①使用多线程的RTI、②改进数据分发服务、③完善时间管理算法、④在应用层面上提高仿真系统的性能。然而，大部分针对RTI实时性的改造策略都在软件层面，虽然在一定范围内可以对RTI实时性进行扩展，使之满足某些特定系统的实时性约束条件，但底层通信无法预知，还有实际上，管理服务并没有真正实现实时时钟同步，因此，上述策略仍然不能应用于半实物仿真系统有较强实时性约束的分布实时系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法和系统。

根据本发明提供的一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度系统，包括：

仿真代理接口模块：接收仿真代理发送的仿真子节点中的第一状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

仿真中间件接口模块：接收通过中间件传输的仿真子节点中的第二状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

反射内存接口模块：接收来自GPS时钟服务器的授时信息，并发送至仿真引擎；

数据处理解析模块：对接收到的第一状态交互数据和第二状态交互数据进行处理，解析出仿真子节点提交的仿真服务请求或事件调度信息并发送至事件调度；

事件调度模块：用于调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真服务请求；

时间同步模块：根据授时信息产生仿真推进信号，实现仿真时间与机器时间的同步功能。

优选地，所述事件调度模块包括：

事件执行体模块：接收各仿真子节点的事件执行请求并发送至事件调度器，根据事件调度器的调度执行仿真子节点中的事件函数；

事件调度器模块：根据事件的执行时间、优先级对事件进行排序，形成事件列表，当仿真时间满足事件执行要求时，取出事件表中的待执行事件并发送给事件执行体。

优选地，所述事件调度器模块包括：

离散事件调度模块：针对仅有全数字仿真系统参与的非实时仿真，按照执行时间的时戳推进仿真进程；

实时事件调度模块：针对有半实物或实装参与的实时仿真，以帧为仿真步长实时推进仿真进程，保障与自然时间同步。

优选地，所述仿真引擎按照固定的更新周期或更新频率执行，设置仿真引擎的更新周期为小帧，设置各个仿真子节点的更新周期是小帧的整数倍。

优选地，所述仿真引擎获取授时信息，所述授时信息是GPS秒脉冲信号，仿真引擎根据自身更新周期对GPS秒脉冲信号进行分频，产生仿真周期推进信号，驱动仿真进程。

根据本发明提供的一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法，包括：

仿真代理接口步骤：接收仿真代理发送的仿真子节点中的第一状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

仿真中间件接口步骤：接收通过中间件传输的仿真子节点中的第二状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

反射内存接口步骤：接收来自GPS时钟服务器的授时信息，并发送至仿真引擎；

数据处理解析步骤：对接收到的第一状态交互数据和第二状态交互数据进行处理，解析出仿真子节点提交的仿真服务请求或事件调度信息并发送至事件调度；

事件调度步骤：用于调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真服务请求；

时间同步步骤：根据授时信息产生仿真推进信号，实现仿真时间与机器时间的同步功能。

优选地，所述事件调度步骤包括：

事件执行体步骤：接收各仿真子节点的事件执行请求并发送至事件调度器，根据事件调度器的调度执行仿真子节点中的事件函数；

事件调度器步骤：根据事件的执行时间、优先级对事件进行排序，形成事件列表，当仿真时间满足事件执行要求时，取出事件表中的待执行事件并发送给事件执行体。

优选地，所述事件调度器步骤包括：

离散事件调度步骤：针对仅有全数字仿真方法参与的非实时仿真，按照执行时间的时戳推进仿真进程；

实时事件调度步骤：针对有半实物或实装参与的实时仿真，以帧为仿真步长实时推进仿真进程，保障与自然时间同步。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出了基于帧的实时离散事件同步算法，在离散事件调度的基础上增加实时事件调度服务，使联合仿真平台能够以逻辑时间或者实时两种模式运行，支持不同类型仿真子系统的统一调度管理，解决了不同仿真系统仿真推进的难题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为联合仿真引擎体系结构图；

图2为联合仿真事件调度原理图；

图3为基于帧的实时离散事件调度示意图；

图4为非实时仿真系统仿真事件调度流程图；

图5为实时仿真系统仿真事件调度流程图；

图6为仿真模型产生的帧溢出值测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度，是在仿真试验时数字仿真系统、半实物仿真系统、实装、实装模拟器等仿真子节点的协同推进和仿真事件调度管理方法，用于解决多武器系统联合仿真中的任务协同调度和仿真时间同步的问题。采用一种层次化模块化的联合仿真引擎结构，对所有子节点仿真系统进行管理和控制，并提供时间管理服务、事件调度服务和数据分发服务等。如图1所示，联合仿真引擎包含仿真代理接口模块、仿真中间件接口模块、反射内存接口模块、数据处理和解析模块、事件调度模块和时间同步模块。

其中，仿真代理接口模块和仿真中间件模块，用于接收仿真子节点的状态数据和交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令。

反射内存接口模块，用于接收来自GPS时钟服务器的授时信息。

时间同步模块，用于根据GPS授时信息产生仿真推进信号，实现仿真时间与机器时间的同步功能。

数据处理和解析模块，用于对接收到的数据信息进行处理，解析出仿真子节点提交的仿真服务请求或事件调度信息，并发送给事件调度模块。

事件调度模块，用于调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真事件。具体通过一个仿真事件执行体和一个仿真事件调度器来实现调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真事件。如图2所示，仿真事件执行体接收各仿真子节点的事件执行请求并发送给事件调度器，事件调度器根据事件的执行时间、优先级等对事件进行排序，形成事件列表，当仿真时间满足事件执行要求时，调度器取出事件表中的待执行事件并发送给事件执行体执行。根据联合仿真推进时间约束要求不同，事件调度可分为离散事件调度和实时离散事件调度。联合仿真时钟受事件列表中事件的执行时戳驱动推进，即仿真运行时，联合仿真时钟自动推进到已执行事件的执行时戳。

实现流程如下：

①各仿真子节点向仿真事件执行体提交仿真事件执行请求，请求中包含仿真事件的执行时间和优先级等信息，且执行时间需大于当前仿真时间；

②仿真事件执行体统一将事件请求发送给仿真事件调度器；

③仿真事件调度器将收到的事件请求按时间和优先级顺序保存在其事件队列中；

④在请求的事件执行时间，仿真事件调度器从事件队列中取出事件，并发送给仿真事件执行体；

⑤仿真事件执行体分别调用对应仿真子节点的事件执行函数。

按照对仿真推进时间约束要求的不同，联合仿真可分为以下两种模式：

模式一：仅有全数字仿真系统参与的非实时仿真系统，联合仿真时钟按照执行事件的时戳进行推进；

模式二：有半实物或实装参与的实时仿真系统，联合仿真时钟必须与自然时间同步。

在模式一中，仿真事件调度器按照全局事件表中的顺序，依次取出优先级最高的待执行事件并发送给事件执行体执行，事件执行完毕后，联合仿真时钟自动推进到该事件的执行时戳。该模式下联合仿真试验环境是可以超实时运行的。

在模式二中，基于事件的调度算法中提出帧的概念，如图3所示，以帧为仿真步长实时推进仿真进程。为了同时满足半实物或实装对实时运行的要求，联合仿真引擎必须按固定的更新周期或频率执行，设置联合仿真引擎更新周期为小帧，则各个仿真子节点的更新周期必须为仿真引擎更新周期的整数倍，各个仿真子节点更新周期的最小公倍数称为大帧。试验运行时，联合仿真引擎和各仿真子节点代理通过反射内存接口模块获取GPS秒脉冲信号，并根据自身更新周期对秒脉冲信号进行分频，产生仿真周期推进信号，驱动本地仿真系统严格按照自然时间向前推进。联合仿真引擎中仿真事件调度器在每一个小帧周期内通过事件扫描法查询到仿真事件并发送给仿真事件执行体执行。例如，若帧定义为0.1秒，则所有0到0.1秒内的事件都必须在0.1秒内全部执行完毕，所有0.1到0.2秒内的事件都必须在0.2秒之前全部执行完毕，以此类推。

如图4所示，在非实时仿真系统仿真事件调度时，接收仿真子节点的事件请求后，写入事件表，事件表队列扫描是否出现新事件，若有则发送事件给仿真执行体，并将请求推进到下一最早事件的发生时刻，继续接收事件请求，同时对新事件进行事件解析与状态转换，之后发送事件函数调用命令给相应仿真子节点。

如图5所示，在实时仿真系统仿真事件调度时，先请求查询实时仿真系统的最小仿真步长，设置联合仿真环境的仿真步长，启动下一个仿真周期定时器，读取时钟服务器时戳信息，执行时钟同步功能，接收来自网关的Update消息，写入事件表，事件表队列扫描是否出现新事件，若有则遍历仿真子系统请求事件队列，获取请求推进的最小时刻，若最小时刻大于当前时刻和联合仿真环境的仿真步长之和，则等待这一仿真周期结束，否则，则读取该新事件，进行事件解析与状态转换，发送事件函数调用命令给相应仿真子节点，待该仿真周期结束后，启动下一个仿真周期定时器，若仍处于该仿真周期内，则保持事件表队列扫描。

基于本发明提出的联合仿真事件调度，对JMASE仿真平台引擎进行改造，开展数字仿真试验，仿真剧情及参数设置如下：

一架飞机携带某型枚空地精确制导导弹攻击敌方舰艇，目标舰艇的坐标是(0,10,0)，统一坐标单位为米(m)。当飞机到达坐标(-76000,4000,0)处时向舰艇发射一枚导弹，导弹先根据规划好的航线飞行，在到达航线上最后位置时，导弹根据目标舰艇位置调整方向，自主向舰艇飞行，直至命中目标。剧情想定包括导弹(Msl)、目标(Tgt)和舰船(Ship)演员，以及地形服务(earth)、空间服务、调度服务和数据记录服务等模型实例，数量均为一个。演员行为状态设置如下：

AI：飞机演员。仿真开始时携带一枚导弹(Msl对象)沿直线飞行，每次更新时(Update)通过空间服务获得舰船(Ship对象)的坐标并计算距离。

Msl：导弹演员。如果没有发射，在空间关系上隶属于AI演员，空间服务根据AI的姿态自动更新导弹演员的姿态；发射之后，脱离AI演员，以初始速度(260m/s)发射，每次更新时，通过空间服务获得舰船(Ship对象)的位置，根据二者的相对位置关系修正飞行方向，当导弹和舰船距离小于30米时，导弹认为击中了目标，输出一条消息后把自己销毁。

Ship：舰艇演员。初始坐标为(0,10,0)，仿真开始后沿直线匀速前进，速度为10m/s；当接收到导弹(Msl)演员的爆炸消息后，根据导弹的位置判断自己是否被击中。

采用设计的实时事件调度服务组件执行简单的剧情想定，观测离散事件模型实时执行的效果。为衡量实时同步算法的时钟同步性能，提出帧溢出值的概念。帧溢出值即表示在上一个时钟同步点后，仿真事件执行完毕后，系统时间超出当前时钟同步点的时间值。帧期限delta可以称之为最大允许帧溢出，确保仿真时间误差不超过仿真的一个节拍，一般取最大允许帧溢出为仿真引擎更新步长，即小帧的值。测量并记录每一帧溢出时间值，采样点时间间隔为0.1秒，将帧溢出数值记录并用MATLAB绘制针状统计图如图5所示。在仿真时间0s到100s的时间段内，发生帧溢出现象。实验结果显示由于溢出值都小于最大允许帧溢出0.02s，不会产生致命仿真错误。在100秒的仿真时间内，等时间步长采集1000个采样点，其中小于最大允许帧溢出值0.02s点的个数为68个。把帧溢出采样点的个数占总采样点个数的百分比作为衡量实时性能的指标参数，则在本次实时仿真过程中，帧溢出率为6.8％。综上所述，仿真结果可以认为是可信的，实时事件调度模块能够实现基本功能。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度系统，其特征在于，包括：

仿真代理接口模块：接收仿真代理发送的仿真子节点中的第一状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

仿真中间件接口模块：接收通过中间件传输的仿真子节点中的第二状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

反射内存接口模块：接收来自GPS时钟服务器的授时信息，并发送至仿真引擎；

数据处理解析模块：对接收到的第一状态交互数据和第二状态交互数据进行处理，解析出仿真子节点提交的仿真服务请求或事件调度信息并发送至事件调度；

事件调度模块：用于调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真服务请求；

时间同步模块：根据授时信息产生仿真推进信号，实现仿真时间与机器时间的同步功能；

所述事件调度模块包括：

事件执行体模块：接收各仿真子节点的事件执行请求并发送至事件调度器，根据事件调度器的调度执行仿真子节点中的事件函数；

事件调度器模块：根据事件的执行时间、优先级对事件进行排序，形成事件列表，当仿真时间满足事件执行要求时，取出事件表中的待执行事件并发送给事件执行体；

联合仿真实现流程如下：

各仿真子节点向事件执行体模块提交仿真事件执行请求，请求中包含仿真事件的执行时间和优先级等信息，且执行时间需大于当前仿真时间；

事件执行体模块统一将事件请求发送给事件调度器模块；

事件调度器模块将收到的事件请求按时间和优先级顺序保存在其事件队列中；

在请求的事件执行时间，事件调度器模块从事件队列中取出事件，并发送给事件执行体模块；

事件执行体模块分别调用对应仿真子节点的事件执行函数；

联合仿真包括以下两种模式：

模式一：仅有全数字仿真系统参与的非实时仿真系统，联合仿真时钟按照执行事件的时戳进行推进；仿真事件调度器按照全局事件表中的顺序，依次取出优先级最高的待执行事件并发送给事件执行体执行，事件执行完毕后，联合仿真时钟自动推进到该事件的执行时戳；该模式下联合仿真试验环境是能够超实时运行的；

模式二：有半实物或实装参与的实时仿真系统，联合仿真时钟必须与自然时间同步；基于事件的调度算法中提出帧的概念，以帧为仿真步长实时推进仿真进程；联合仿真引擎按固定的更新周期或频率执行，设置联合仿真引擎更新周期为小帧，则各个仿真子节点的更新周期必须为仿真引擎更新周期的整数倍，各个仿真子节点更新周期的最小公倍数称为大帧；试验运行时，联合仿真引擎和各仿真子节点代理通过反射内存接口模块获取GPS秒脉冲信号，并根据自身更新周期对秒脉冲信号进行分频，产生仿真周期推进信号，驱动本地仿真系统严格按照自然时间向前推进；联合仿真引擎中仿真事件调度器在每一个小帧周期内通过事件扫描法查询到仿真事件并发送给仿真事件执行体执行；

为衡量实时同步算法的时钟同步性能，采用帧溢出值；

帧溢出值表示在上一个时钟同步点后，仿真事件执行完毕后，系统时间超出当前时钟同步点的时间值；

帧期限delta称之为最大允许帧溢出，确保仿真时间误差不超过仿真的一个节拍，取最大允许帧溢出为仿真引擎更新步长，即小帧的值；

测量并记录每一帧溢出时间值，将帧溢出数值记录并绘制针状统计图；

把帧溢出采样点的个数占总采样点个数的百分比作为衡量实时性能的指标参数。

2.根据权利要求1所述的多层次多粒度跨域联合仿真事件调度系统，其特征在于，所述事件调度器模块包括：

离散事件调度模块：针对仅有全数字仿真系统参与的非实时仿真，按照执行时间的时戳推进仿真进程；

实时事件调度模块：针对有半实物或实装参与的实时仿真，以帧为仿真步长实时推进仿真进程，保障与自然时间同步。

3.一种多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法，其特征在于，包括：

仿真代理接口步骤：接收仿真代理发送的仿真子节点中的第一状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

仿真中间件接口步骤：接收通过中间件传输的仿真子节点中的第二状态交互数据，并向子节点传输来自仿真引擎的仿真状态信息和控制命令；

反射内存接口步骤：接收来自GPS时钟服务器的授时信息，并发送至仿真引擎；

数据处理解析步骤：对接收到的第一状态交互数据和第二状态交互数据进行处理，解析出仿真子节点提交的仿真服务请求或事件调度信息并发送至事件调度；

事件调度步骤：用于调度、管理和执行联合仿真中的各类仿真服务请求；

时间同步步骤：根据授时信息产生仿真推进信号，实现仿真时间与机器时间的同步功能；

所述事件调度步骤包括：

事件执行体步骤：接收各仿真子节点的事件执行请求并发送至事件调度器，根据事件调度器的调度执行仿真子节点中的事件函数；

事件调度器步骤：根据事件的执行时间、优先级对事件进行排序，形成事件列表，当仿真时间满足事件执行要求时，取出事件表中的待执行事件并发送给事件执行体；

联合仿真实现流程如下：

各仿真子节点向事件执行体模块提交仿真事件执行请求，请求中包含仿真事件的执行时间和优先级等信息，且执行时间需大于当前仿真时间；

事件执行体模块统一将事件请求发送给事件调度器模块；

事件调度器模块将收到的事件请求按时间和优先级顺序保存在其事件队列中；

在请求的事件执行时间，事件调度器模块从事件队列中取出事件，并发送给事件执行体模块；

事件执行体模块分别调用对应仿真子节点的事件执行函数；

联合仿真包括以下两种模式：

模式一：仅有全数字仿真系统参与的非实时仿真系统，联合仿真时钟按照执行事件的时戳进行推进；仿真事件调度器按照全局事件表中的顺序，依次取出优先级最高的待执行事件并发送给事件执行体执行，事件执行完毕后，联合仿真时钟自动推进到该事件的执行时戳；该模式下联合仿真试验环境是能够超实时运行的；

模式二：有半实物或实装参与的实时仿真系统，联合仿真时钟必须与自然时间同步；基于事件的调度算法中提出帧的概念，以帧为仿真步长实时推进仿真进程；联合仿真引擎按固定的更新周期或频率执行，设置联合仿真引擎更新周期为小帧，则各个仿真子节点的更新周期必须为仿真引擎更新周期的整数倍，各个仿真子节点更新周期的最小公倍数称为大帧；试验运行时，联合仿真引擎和各仿真子节点代理通过反射内存接口模块获取GPS秒脉冲信号，并根据自身更新周期对秒脉冲信号进行分频，产生仿真周期推进信号，驱动本地仿真系统严格按照自然时间向前推进；联合仿真引擎中仿真事件调度器在每一个小帧周期内通过事件扫描法查询到仿真事件并发送给仿真事件执行体执行；

为衡量实时同步算法的时钟同步性能，采用帧溢出值；

帧溢出值表示在上一个时钟同步点后，仿真事件执行完毕后，系统时间超出当前时钟同步点的时间值；

帧期限delta称之为最大允许帧溢出，确保仿真时间误差不超过仿真的一个节拍，取最大允许帧溢出为仿真引擎更新步长，即小帧的值；

测量并记录每一帧溢出时间值，将帧溢出数值记录并绘制针状统计图；

把帧溢出采样点的个数占总采样点个数的百分比作为衡量实时性能的指标参数。

4.根据权利要求3所述的多层次多粒度跨域联合仿真事件调度方法，其特征在于，所述事件调度器步骤包括：

离散事件调度步骤：针对仅有全数字仿真方法参与的非实时仿真，按照执行时间的时戳推进仿真进程；

实时事件调度步骤：针对有半实物或实装参与的实时仿真，以帧为仿真步长实时推进仿真进程，保障与自然时间同步。

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