CN113221384A - 一种可回溯仿真模型形式化描述方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可回溯仿真模型形式化描述方法及系统，该方法包括：将整个仿真系统的状态空间进行自定义；状态空间包括各个模型组件状态；根据仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。该方法可实现对状态空间所包括的各个模型组件状态的形式化描述，便于建立对模型实例、仿真引擎和事件的形式表达；将仿真回溯从抽象的时间表述转变为更具有针对性的事件表述；为后续构建基于仿真事件设置检查点提供了有力的保证。进一步地，而使用本发明的方法后在回溯时可根据需要选择特定的事件进行回溯操作；更加适合仿真场景，具有更强的实用性。

Description

一种可回溯仿真模型形式化描述方法及系统

技术领域

本发明涉及仿真回溯及检查点技术领域，特别涉及一种可回溯仿真模型形式化描述方法与系统。

背景技术

仿真回溯是指仿真程序能够回退到已经执行过的某个时间节点重新开始往后执行。仿真程序回退到该时间节点时的仿真系统状态和仿真程序首次运行到该时间节点时的状态完全一致。一方面，回溯机制是并行离散事件仿真(ParallelDiscrete EventSimulation,PDES)系统研究的一部分，由于某些PDES系统采用乐观时间同步管理策略，在发生事件的因果关系错误时，要采用回退机制将逻辑进程的状态(包括模型的状态变量，以及逻辑进程自身的事件队列等)回退到距离最近的一个安全状态，然后重新按序执行；另一方面，回溯机制也属于容错技术的研究范畴，追求高可靠性的计算机系统在检测到错误发生后要回到错误发生之前的状态重新执行，基于检查点(Checkpointing)的回卷恢复(RollbackRecovery)技术是实现这种回溯机制的关键技术之一，其基本思想是在程序正确执行过程中，根据一定策略保存和运行现场有关的状态到存储介质中，需要时回滚至之前的正确状态，从存储介质中恢复之前备份的数据并重新运行程序。

检查点技术是计算机软件容错领域最常用的技术。该技术可以在程序执行过程中不断的设置检查点，当进程执行出现软件或硬件故障时从最近的检查点处重启进程执行，以降低工作损失。进程状态包括持久性状态和易失性状态两种。持久性状态指进程在执行过程中访问的文件和数据库等信息，这些数据在掉电情况下依旧不会消失。易失性状态指进程执行时的内存以及CPU和寄存器数据，这些数据在掉电情况下会丢失。

当前已知的进程检查点技术，通常采用周期性的检查点设置方法。进程在执行时，每隔固定的时间设置一个检查点，当需要恢复进程时选择一个合适的检查点恢复进程状态。这种检查点设置策略在科学计算中往往是简单而又有效的，但是在仿真回溯场景下，需要更为科学合理的方法。仿真回溯通常在想定的推演过程中不断改变输入参数用于仿真进度的改变，得到大量仿真结果样本。因此，仿真回溯功能与仿真事务关联更加紧密，需要一种与业务相关的检查点设置位置选择方法。仿真系统中的检查点设置时机往往需要和事件绑定，在环境到达某种状态后或者在某类仿真组件状态切换到某种模式后触发。现存仿真系统检查点设置机制不能满足这种更为合理的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可回溯仿真模型形式化描述方法及系统，该方法可解决基于检查点机制实现的仿真系统状态回溯功能中检查点与业务逻辑合理结合问题。

第一方面，本发明实施例提供一种可回溯仿真模型形式化描述方法，应用于仿真系统；所述方法包括：

将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

在一个实施例中，将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；包括：

将整个所述仿真系统的状态空间定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×...

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。

在一个实施例中，根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述，包括：

根据状态采集函数从所述仿真系统中抽取感兴趣状态；所述感兴趣状态包括：全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态；

将抽取的所述感兴趣状态结合所述仿真进程演化算子，进行可回溯仿真模型形式化描述。

在一个实施例中，还包括：

在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

第二方面，本发明实施例还提供一种可回溯仿真模型形式化描述系统，包括：

自定义模块，用于将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

形式化描述模块，用于根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

在一个实施例中，所述自定义模块，具体用于将整个所述仿真系统的状态空间定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×...

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。

在一个实施例中，所述形式化描述模块，包括：

抽取单元，用于根据状态采集函数从所述仿真系统中抽取感兴趣状态；所述感兴趣状态包括：全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态；

描述单元，用于将抽取的所述感兴趣状态结合所述仿真进程演化算子，进行可回溯仿真模型形式化描述。

在一个实施例中，还包括：

配置模块，用于在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

设置检查点模块，用于在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

本发明的优点在于，与现有技术相比，本发明提出的一种可回溯仿真模型形式化描述方法：

(1)该方法可实现对状态空间所包括的各个模型组件状态的形式化描述，便于建立对模型实例、仿真引擎和事件的形式表达；将仿真回溯从抽象的时间表述转变为更具有针对性的事件表述；为后续构建基于仿真事件设置检查点提供了有力的保证。

(2)该方法可以将检查点设置逻辑与业务逻辑相关联，使用集中式仿真引擎的仿真系统，所有事件都由引擎推进，并且在每个时间帧中轮询所有模型组件的状态。利用集中式仿真引擎的特点，本发明将检查点设置机制与集中式仿真引擎相结合。其优越性在于常规仿真系统在回溯时通常需要选择特定的时间点进行回溯操作，而使用本发明后的仿真系统在回溯时需要选择特定的事件进行回溯操作；基于事件的检查点设置机制更加适合仿真场景，具有更强的实用性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中提供的可回溯仿真模型形式化描述方法的流程图；

图2为基于组件的仿真系统的结构图；

图3为仿真系统的结构交互图；

图4为本发明中提供的仿真回溯数据的流向图；

图5为本发明中提供的可回溯仿真模型形式化描述系统的框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1所示，本发明实施例提供一种可回溯仿真模型形式化描述方法，应用于仿真系统；该方法包括：

S10、将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

S20、根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

下面分别对上述步骤进行详细的说明。

其中，本发明实施例所应用的仿真系统，是指基于组件的仿真系统；基于组件的仿真系统提供基础的仿真模型组件，如图2所示，组件主要包括两个可自定义的输入/输出端口，该端口用于组件之间的信息交互。此外，初始化端口用于初始化模型状态；通过元信息端口可以获得该模型组件的调度模板类型、输入/输出端口类型和属性信息；功能端口是仿真模型事件推进的关键，仿真引擎通过该端口完整模型功能调用；状态访问端口是基于现有组件模型，本发明用于完成业务相关检查点设置机制新添加的端口，它主要用于访问组件各种实时状态，用于确定检查点设置时机。模型组件的设计者需要设定模型的可能的运行状态，并在模型描述文件中予以说明。

仿真系统的模型建模包括组件建模、系统建模、实验建模、通过图形化的建模环境构建出来的仿真组件模型、仿真系统模型、仿真实验框架。仿真模型组件、仿真系统模型、仿真实验框架和仿真想定场景是仿真系统的输入，并在集中式引擎的推动下实时仿真。仿真引擎负责在一个统一的时空下推进仿真进程，驱动仿真应用运行。所有的模型组件在每个时间帧中被仿真引擎调用并执行一步推演，为此，仿真引擎需要在每个时间帧中不断的轮询所有模型组件状态。

上述步骤S10将整个仿真的状态空间可以定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×...

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。在选择检查点设置时间点时，用户可能关心特定模型实例的状态，也可能关心某个或者某些类别模型的状态。因为仿真系统中有模型实例、仿真引擎、事件，针对这些仿真系统的组成元素，为了方便表征仿真状态，本发明实施例定义相关仿真进程演化算子和状态采集函数。

步骤S20中，根据仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；该组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

仿真演化算子如下：

1)OR逻辑或，将两个表达式连接成一个。必须有一个或两个表达式为true，才能使整个表达式为true。只要其中有一个为true，那么另外一个就变得无关紧要。

2)AND逻辑与，将两个表达式连接成一个。两个表达式必须都为true，整个表达式才为true。

3)NOT逻辑非，反转一个表达式的“真相”。它使一个表达式从true变成了false，或者从false变成了true。

4)>大于，比较运算符，当算子左侧值大于右侧值时返回true，否则返回false。

5)<小于，比较运算符，当算子左侧值小于右侧值时返回true，否则返回false。

6)＝等于，比较运算符，当算子左侧值等于右侧值时返回true，否则返回false。

7)>＝大于等于，比较运算符，当算子左侧值大于等于右侧值时返回true，否则返回false。

8)<＝小于等于，比较运算符，当算子左侧之小于等于右侧值时返回true，否则返回false。

状态采集函数如下：

状态采集函数用于从系统中抽取管理员感兴趣的状态，包括仿真系统的全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态。模型组件状态有多种，例如，空中滞留/地面停留、燃料数量等。仿真事件也有很多类别，例如，起飞/降落、故障、获取指令等。以下为列出的几种状态采集函数：

int MCount(Model,State)该函数是用于抽取某类模型组件切换到某种状态的函数，其中参数Model代表模型组件的类别，参数State代表某种指定的状态，MCount返回Model类达到State状态的数量。Model可以置空，此时表示仿真系统达到State，此时返回1。

int MCount(Model,Event)该函数是用于抽取某类模型组件发生某事件次数的函数，其中参数Model指代模型组件的类别，参数Event代表某种指定的事件，MCount返回Model类模型组件发生Event的次数。Model可以置空，此时函数返回系统发生Event指定事件的次数。

bool IReach(Instance,State)该函数是用于抽取某个模型实例到达某种状态的函数，其中参数Instance指代某个特定的模型实例，参数State代表某种指定的状态，IReach返回布尔值。

int ICount(Instance,Event)该函数是用于抽取某个模型实例发生某事件次数的函数，其中参数Instance指代某个特定的模型实例，参数Event代表某种指定的事件，ICount返回模型实例Instance发生Event的次数。

int MArrive(Model,Region)该函数用于抽取某指定模型类型的实例到达某区域的函数。其中Model指代某种模型组件类型，Region是用户定义的地图上的某个区域。MArrive返回指定类型Model实例到达指定Region的数量。

bool IArrive(Instance,Region)该函数用于抽取某指定模型组件的实例是否达到某区域的函数。其中Instance指代某种模型组件实例，Region是用户定义的地图上的某个区域。当指定Instance到达指定Region后，函数返回true，否则返回false。

Bool Time(Cycle)该函数用于抽取仿真引擎周期相关信息。参数Cycle表示仿真周期数，当仿真周期等于Cycle时返回true，否则返回false。

以下使用飞机场运作举例说明算子和算法的使用方法：

用例一：当飞机地面停留数量达到10架时设置检查点。表示方法：

MCount(Plane,ON_THE_GROUND)＝10

用例二：当飞机起飞数量达到10架时设置检查点。表示方法：

MCount(Plane,TAKE_OFF)＝10

用例三：当指定的两架飞机燃料耗尽之后设置检查点。表示方法：

IReach(Plane_1,FUEL_EXHAUSTED)AND IReach(Plane_2,FUEL_EXHAUSTED)

用例四：当到达指定区域的模型实例个数超过10时设置检查点(管理员设定的区域为Region1)。表示方法：

MArrive(Plane,Region1)>＝10

在一个实施例中，参照图1所示，该方法还包括：

S30、在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

S40、在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

和常规的用于容错场景的检查点设置方法不同，用于仿真回溯的检查点机制设置检查点的时机和仿真事件相关。需要在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置形式化表达式。在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析表达式含义，并根据表达式含义在恰当的时间通知检查点机制设置检查点。使用集中式仿真引擎的仿真系统所有事件由仿真引擎推进。在每个帧中引擎都会轮询所有模型组件的功能函数，用于推进进度。在添加可配置功能之后，仿真引擎都会通过状态访问接口访问感兴趣的状态，确定检查点时间。

可回溯仿真系统结构图如图3所示，仿真系统由模型组件与仿真引擎构成，组件之间通过总线传递输入输出消息。仿真引擎可以通过状态访问端口和事件端口访问模型组件状态以及调用事件推进仿真进度。当仿真系统状态空间中的状态子集达到了所配置的设置检查点要求，仿真引擎即刻中止所有模型组件动作，停止时间推进并通知检查点组件对全局状态设置检查点。检查点设置结束之后仿真引擎可以继续当前仿真任务。同时，监控组件随时监控仿真系统状态空间，并通过交互组件实时的与管理员交互。管理员可以在适当时刻向交互组件输入指令，交互组件可以像检查点组件传达需要设置检查点的信息。检查点组件即刻接管仿真进程，将进程数据保存在磁盘中。

如图4所示，仿真回溯系统中的数据由仿真引擎从模型组件中收集。这些从模型组件收集的数据主要包括组件标识(用于针对特定实例设置检查点)、组件状态数据、组件事件数据等。仿真引擎在每个时间帧轮询时都会汇总一次，并统计这些数据，然后交付触发器，由触发器决定是否调用检查点模块设置检查点。其中触发器的触发条件由管理员设置的触发表达式，即：上文提到的仿真进程演化算子与状态采集函数组成决定。

现有技术中常规检查点设置方式是根据进程推进时间，在特定的时间间隔下设置检查点，用于规避进程执行过程中的软硬件异常。这种方法在容错场景下简单而有效。但是，在使用检查点技术实现仿真回溯机制时，仅仅将回溯点按照时间表述是不够的。仿真回溯需要与一种业务逻辑紧密相关的检查点设置机制，以实现回溯点与时间相互分离，而与仿真事件(业务)相关的特性。

本发明实施例提供的一种可回溯仿真模型形式化描述方法，该方法可实现对状态空间所包括的各个模型组件状态的形式化描述，便于建立对模型实例、仿真引擎和事件的形式表达；将仿真回溯从抽象的时间表述转变为更具有针对性的事件表述；为后续构建基于仿真事件设置检查点提供了有力的保证。该方法可以将检查点设置逻辑与业务逻辑相关联。使用集中式仿真引擎的仿真系统，所有事件都由引擎推进，并且在每个时间帧中轮询所有模型组件的状态。利用集中式仿真引擎的特点，本发明将检查点设置机制与集中式仿真引擎相结合。其优越性在于常规仿真系统在回溯时通常需要选择特定的时间点进行回溯操作，而使用本发明后的仿真系统在回溯时需要选择特定的事件进行回溯操作；基于事件的检查点设置机制更加适合仿真场景，具有更强的实用性。

以飞机场管理仿真为例，常规仿真回溯方法是回溯仿真状态到指定的时间点(例如：向前回溯3分钟)。而使用本发明实施例的方法后可以直接指定回溯时的飞机场状态(例如：回溯到1号飞机起飞时)。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种可回溯仿真模型形式化描述系统，由于该系统所解决问题的原理与一种可回溯仿真模型形式化描述方法相似，因此该系统的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。

参照图5所示，本发明实施例还提供一种可回溯仿真模型形式化描述系统，包括：

自定义模块51，用于将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

形式化描述模块52，用于根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

在一个实施例中，所述自定义模块51，具体用于将整个所述仿真系统的状态空间定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×...

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。

在一个实施例中，所述形式化描述模块52，包括：

抽取单元521，用于根据状态采集函数从所述仿真系统中抽取感兴趣状态；所述感兴趣状态包括：全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态；

描述单元522，用于将抽取的所述感兴趣状态结合所述仿真进程演化算子，进行可回溯仿真模型形式化描述。

在一个实施例中，还包括：

配置模块53，用于在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

设置检查点模块54，用于在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种可回溯仿真模型形式化描述方法，其特征在于，应用于仿真系统；所述方法包括：

将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

2.根据权利要求1所述的一种可回溯仿真模型形式化描述方法，其特征在于，将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；包括：

将整个所述仿真系统的状态空间定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×…

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。

3.根据权利要求1所述的一种可回溯仿真模型形式化描述方法，其特征在于，根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述，包括：

根据状态采集函数从所述仿真系统中抽取感兴趣状态；所述感兴趣状态包括：全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态；

将抽取的所述感兴趣状态结合所述仿真进程演化算子，进行可回溯仿真模型形式化描述。

4.根据权利要求1所述的一种可回溯仿真模型形式化描述方法，其特征在于，还包括：

在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

5.一种可回溯仿真模型形式化描述系统，其特征在于，包括：

自定义模块，用于将整个所述仿真系统的状态空间进行自定义；所述状态空间包括各个模型组件状态；

形式化描述模块，用于根据所述仿真系统中的组成元素，采用仿真进程演化算子和状态采集函数，对仿真状态进行形式化描述；所述组成元素包括：模型实例、仿真引擎和事件。

6.根据权利要求5所述的一种可回溯仿真模型形式化描述系统，其特征在于，所述自定义模块，具体用于将整个所述仿真系统的状态空间定义为：

P＝P₁×P₂×P₃×…

其中，P_i表示每个模型组件的自身状态，状态空间表示各个模型组件状态的组合。

7.根据权利要求5所述的一种可回溯仿真模型形式化描述系统，其特征在于，所述形式化描述模块，包括：

抽取单元，用于根据状态采集函数从所述仿真系统中抽取感兴趣状态；所述感兴趣状态包括：全局状态、某个模型组件实例状态或某类模型组件状态；

描述单元，用于将抽取的所述感兴趣状态结合所述仿真进程演化算子，进行可回溯仿真模型形式化描述。

8.根据权利要求5所述的一种可回溯仿真模型形式化描述系统，其特征在于，还包括：

配置模块，用于在仿真程序启动之前通过可视化的界面配置所述仿真状态的形式化描述；

设置检查点模块，用于在仿真进程启动后由仿真引擎加载解析所述仿真状态的形式化描述表达含义，根据所述表达式含义在对应的时间通知检查点机制设置检查点。

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