CN113568705B - 一种分布式架构下的代码集成仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式架构下的代码集成仿真方法，建立由服务器和客户端组成的分布式仿真架构，服务器与客户端的通信采用TCP/IP协议，其中客户端加载fmu格式的通信控件和仿真模型，以进行模型分布式求解；在分布式仿真架构的客户端加载dll格式的异构代码集成中间件，其作为TCP/IP客户端挂接模型总线并按照约定的通信协议完成数据交互；以异构代码集成中间件为数据中转的枢纽，将各类编程语言代码与分布式仿真数据总线相连接，达到编程语言代码接入模型总线实现分布式联合仿真。本发明将代码集成在一个分布式仿真架构下，在提高仿真效率的基础上将各类型、不同语言编制的数值计算程序兼容，实现了异构代码集成仿真；使用方便，而且通用性好。

Description

一种分布式架构下的代码集成仿真方法

技术领域

本发明属于仿真技术领域，涉及一种分布式架构下的代码集成仿真方法。

背景技术

随着计算机仿真技术的广泛应用，特别是现代军事需求的推动，仿真需求对仿真系统的要求越来越高，逐渐地从单机、单对象、同地的简单仿真系统向多机、多对象、异地的复杂仿真系统发展。分布式交互仿真技术正是随着计算机技术、网络技术和虚拟现实等技术的高速发展为了满足不断增长的仿真应用需求而不断地完善，成为领域内复杂任务和复杂对象研究的主要方法。

在集成仿真过程中，有时不可避免地需要集成一些特殊的模型，如C/C++源代码、*.dll文件、Python函数等。这种需求的来源比较复杂，主要有以下几个方面：首先，许多公司或机构出于采购成本的考虑，并不愿意用商业工具，更偏向于使用开源环境自己编写仿真计算程序，以达到便于修改且容易受控地目的；

其次，有的仿真计算方法成型于很多年以前，受限于当时的仿真条件，许多计算程序都是自研程序，后来经过多年修改与迭代，模型的准确度已经达到了非常准确的程度，但是代码的可移植性却已经非常差，所以最现实的办法就是直接调用而不是重构；

再次，目前各种商业仿真工具大多数仅提供了调用*.dll文件的接口或方法，且普遍操作复杂不易使用，而能够便捷支持调用C/C++源代码或Python代码的商业工具更是寥寥无几，这就给异构模型集成仿真带来了困扰；

最后，随着软件科学的不断进步，许多编程语言提供了非常丰富的库函数和工程包，许多以往需要大量时间开发的功能现在都有了可以直接调用的函数接口，比如神经网络算法、复杂的数据处理方法等，这些库函数和工程包显著地弥补了传统仿真软件中计算方法的不足，将这些强大的代码包引入分布式仿真中能够最大限度地发挥数值算法的优势。

此外，根据公开资料显示可知，国外的分布式仿真集成商业工具(如美国的CosiMate和德国的TISC)普遍也具备集成C/C++源代码和*.dll文件的功能。

将源代码挂接分布式集成仿真数据总线并开展仿真的需求很早就有，有些仿真工具也提供了一些代码集成环境或dll文件调用接口，但仍存在一些问题：1)使用不方便。一些仿真工具提供了典型的程序代码(如C/C++等)接口或dll文件调用接口，但大都基于自身仿真工具拓展而来，并不具备普遍性。如果几种自研的仿真程序需要开展分布式仿真时也需要借助某个仿真工具作为中转，非常不便捷；2)支持的代码种类不多，有的仅支持C/C++，有的仅支持dll文件调用，通用性较差；3)代码大都只能单独运行，无法接入分布式仿真架构体系，这样带来的结果是效率无法进一步提升。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种分布式架构下的代码集成仿真方法，将不同种类的程序代码(或函数)接入分布式仿真架构体系开展分布式集成仿真，同时也要能够兼顾不同种类源代码。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种分布式架构下的代码集成仿真方法，包括以下操作：

1)建立由服务器和客户端组成的分布式仿真架构，服务器与客户端的通信采用TCP/IP协议，其中客户端加载fmu格式的通信控件和仿真模型，以进行模型分布式求解；服务器与客户端通过数据并行通信，进行仿真过程的全部客户端的同步、仿真计算推进和数据交互：

在T通信时刻，当所有客户端的仿真模型都完成计算并推进到T时刻后，服务器利用多线程并发的方法同时与各个仿真模型完成当前时间步的数据交互通信；完成较快的仿真模型原地等待，等到全部客户端的数据通信都完成后，服务器发出指令，时间步向前推进，开始T+1时间步的运算；

2)在分布式仿真架构的客户端加载dll格式的异构代码集成中间件，其作为TCP/IP客户端挂接模型总线并按照约定的通信协议完成数据交互；同时，其给出规范且唯一的调用接口，以便各代码对其进行调用；以异构代码集成中间件为数据中转的枢纽，将各类编程语言代码与分布式仿真数据总线相连接，达到编程语言代码接入模型总线实现分布式联合仿真。

所述的客户端的仿真模型为异构模型，各客户端的仿真工具可以相同也可以不同，其求解模型、求解算法、求解步长允许不同，以支持不同学科领域的仿真模型在最适合的条件下进行仿真计算。

所述fmu格式的通信控件是基于modelica语言开发的TCP/IP通信客户端程序所生成的*.fmu格式文件，此*.fmu格式文件作为TCP/IP通信控件使用。在进行分布式仿真之前，在仿真工具中导入所生成的*.fmu格式文件，服务器通过*.fmu格式文件实现与各个仿真工具的分布式联合仿真。

*.fmu格式文件按照提前约定的FMI 1.0或者2.0标准生成的，其同时包含Model-Exchange和Co-Simulation两种FMI标准格式。

所述服务器通过同步时钟实现客户端的同步：

每个客户端的仿真模型在各自的仿真工具中运行，在服务器同步时钟的控制下，每到一个约定的通信时间点，所有仿真模型通过fmu格式的通信控件将提前约定好的数据传输到服务器，同时从服务器接受后续计算所需要的数据；

在服务器同步时钟的控制下，先运行到达通信时间点的仿真模型会被挂起，处于等待状态；直到全部客户端的仿真模型都完成计算并到达通信时刻，服务器才会发出指令推进各仿真模型运行下一时间步的仿真。

所述的异构代码集成中间件为*.dll格式的中间件，保证所有能够支持dll文件调用的编程语言都可以调用；需要参与仿真的程序，调用该中间件就可以接入分布式联合仿真。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的分布式架构下的代码集成仿真方法，通过分布式仿真架构实现仿真模型的分布式计算求解，同时架构中的服务器端采用并行通信；在分布式架构内实现“模型并行计算”+“数据并行通信”；同时在客户端加载统一形式的异构代码集成中间件，以统一格式的dll程序作为连接不同语言源代码和分布式仿真数据总线的中间件，以此为数据中转的枢纽将各类编程语言代码与分布式仿真数据总线相连接。

本发明提供的分布式架构下的代码集成仿真方法，代码集成中间件为dll格式的程序，其调用接口规范且唯一，不存在歧义，，也就能够实现接入模型总线开展分布式仿真；只需要在自研程序中调用该中间件dll就可以接入分布式仿真，无需借助任何商业仿真工具，使用方便；而且一个代码集成中间件就可以同时兼容多种异构代码的集成仿真，所有能够支持dll文件调用的编程语言(C/C++、Python、Java、VB、Golang、C#、Delphi、JavaScript、R、Fortran等语言)都可以调用此中间件，通用性好。

本发明将代码集成在一个分布式仿真架构下，在提高仿真效率的基础上将各类型、不同语言编制的数值计算程序兼容，实现了异构代码集成仿真，为大规模复杂系统异构模型集成仿真提供基础保障。该方法和系统能支持几种典型代码种类(C/C++、Python以及dll文件)，实现在同一分布式架构下的分布式多学科(多领域)联合仿真，为数字孪生技术和基于模型的系统工程(MBSE)提供底层技术支持。

附图说明

图1为本发明的分布式仿真架构示意图；

图2为模型分布式仿真示意图；

图3为数据并行通信示意图；

图4为统一形式的异构代码集成中间件示意图；

图5为“模型总线”服务器操作界面；

图6为SimulationX模型；

图7为代码集成环境操作系界面；

图8为自定义求积分操作通过编译；

图9为“代码集成中间件”界面；

图10为仿真结束后自定义代码求积分的输入、输出信号；

图11为SimulationX自带模型与自定义C代码对输入信号求积分的结果比较。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1-图4，一种分布式架构下的代码集成仿真方法，包括以下操作：

1)建立由服务器和客户端组成的分布式仿真架构，服务器与客户端的通信采用TCP/IP协议，其中客户端加载fmu格式的通信控件和仿真模型，以进行模型分布式求解；服务器与客户端通过数据并行通信，进行仿真过程的全部客户端的同步、仿真计算推进和数据交互：

在T通信时刻，当所有客户端的仿真模型都完成计算并推进到T时刻后，服务器利用多线程并发的方法同时与各个仿真模型完成当前时间步的数据交互通信；完成较快的仿真模型原地等待，等到全部客户端的数据通信都完成后，服务器发出指令，时间步向前推进，开始T+1时间步的运算；

2)在分布式仿真架构的客户端加载dll格式的异构代码集成中间件，其作为TCP/IP客户端挂接模型总线并按照约定的通信协议完成数据交互；同时，其给出规范且唯一的调用接口，以便各代码对其进行调用；以异构代码集成中间件为数据中转的枢纽，将各类编程语言代码与分布式仿真数据总线相连接，达到编程语言代码接入模型总线实现分布式联合仿真。

下面对分布式仿真架构和异构代码集成中间件分别进行说明。

布式仿真架构具体来说包含两个部分：模型分布式求解和数据并行通信。

分布式仿真架构可以实现仿真模型的分布式计算求解，模型的分布式求解通过如图1所示的分布式仿真架构来实现。该分布式架构由服务器和客户端两部分组成，服务器负责整个仿真过程的全部客户端的同步、仿真计算推进、数据交互，客户端则负责将每个模型内部需要交互的数据提取出来并传输到服务器端。服务器通过给每个客户端分配端口来交互数据，理论上所有空闲的计算机端口都可以用来进行分布式仿真数据的交互，可用端口数量一般不低于一万个。

服务器与客户端的通信采用TCP/IP协议，所有客户端在服务器同步时钟的控制下完全同步推进。每个端口下的仿真模型可以接入一个fmu格式的通信控件，每个通信控件最多能提供60个(60个进口和60个出口)数据传输接口。

所述的客户端的仿真模型为异构模型，各客户端的仿真工具可以相同也可以不同，其求解模型、求解算法、求解步长允许不同，以支持不同学科领域的仿真模型在最适合的条件下进行仿真计算。

具体的，所述fmu格式的通信控件是基于modelica语言开发的TCP/IP通信客户端程序所生成的*.fmu格式文件，此*.fmu格式文件作为TCP/IP通信控件使用。在进行分布式仿真之前，在仿真工具中导入所生成的*.fmu格式文件，服务器通过*.fmu格式文件实现与各个仿真工具的分布式联合仿真。

*.fmu格式文件按照提前约定的FMI 1.0或者2.0标准生成的，其同时包含Model-Exchange和Co-Simulation两种FMI标准格式。

分布式求解方法的实现原理如图2所示。服务器通过同步时钟实现客户端的同步：

每个客户端的仿真模型在各自的仿真工具中运行，在服务器同步时钟的控制下，每到一个约定的通信时间点，所有仿真模型通过fmu格式的通信控件将提前约定好的数据传输到服务器，同时从服务器接受后续计算所需要的数据；

在服务器同步时钟的控制下，先运行到达通信时间点的仿真模型会被挂起，处于等待状态；直到全部客户端的仿真模型都完成计算并到达通信时刻，服务器才会发出指令推进各仿真模型运行下一时间步的仿真。

具体的，每个仿真模型在各自的仿真工具中运行(这些仿真工具可以相同也可以不同)，各自的求解模型、求解算法、求解步长等都允许不同，目的是支持不同学科领域的仿真模型在最适合的条件下进行仿真计算。在服务器同步时钟的控制下，每到一个约定的通信时间点，所有仿真模型通过fmu格式的通信控件将提前约定好的数据传输到服务器，同时从服务器接受后续计算所需要的数据。由于不同模型受规模、仿真算法、求解器设置等因素影响，其仿真速度不可能一致，所以有的模型计算较快，会先到达通信时刻，有的模型计算较慢会后到达通信时刻。在服务器同步时钟的控制下，先到达的模型会被挂起，处于等待状态，直到全部客户端模型都完成计算并到达通信时刻，服务器才会推进到下一时间步，以此类推。

服务器与客户端数据并行通信的实现原理如图3所示。在某一通信时刻，当所有模型都完成计算并推进到该时刻后，服务器利用多线程并发的方法同时与各个模型完成当前时间步的数据交互通信，完成较快的端口原地等待，等到全部客户端的数据通信都完成后，服务器发出指令，时间步向前推进一帧，开始下一时间步的运算。

统一形式的异构代码集成中间件

在分布式仿真架构下，各类型代码集成仿真的实现原理如图4所示。从图中可以看出，代码集成是通过“统一形式的异构代码集成中间件”的dll程序实现的，一方面该*.dll程序自身就是一个TCP/IP通信客户端(Client)，能够介入模型总线并开展分布式仿真；另一方面，该*.dll程序提供了可供调用的接口，且该接口以固定格式给出，这就保证了所有能够支持dll文件调用的编程语言(C/C++、Python、Java、VB、Golang、C#、Delphi、JavaScript、R、Fortran等语言)都可以调用此中间件，也就能够实现接入模型总线开展分布式仿真。

因此，该dll程序同时兼具两个功能：一方面，作为TCP/IP客户端挂接模型总线并按照约定的通信协议完成数据交互；另一方面，该dll程序给出了一个规范的调用接口，以便各种代码对其进行调用，进而达到接入模型总线实现分布式联合仿真的目的；实现了将不同种类的程序代码(或函数)接入分布式仿真架构体系开展分布式集成仿真，同时也兼具普遍性，即能够兼顾不同种类源代码。

考虑到C/C++代码在仿真建模和数值计算中应用最为广泛，该dll程序还可以为适用于C/C++代码的集成开发环境(IDE，Integrated Development Environment)。在该IDE中，可以自由使用全部C/C++语法语义规则进行数值计算和模型开发，同时可以导入外部函数(已经编译并测试完成的dll格式文件)进行调用。

对于其他语言种类的代码，只要能够支持动态库文件(dll)的调用，就可以通过调用“统一形式的异构代码集成中间件”dll程序挂接模型总线并开展分布式联合仿真。

下面给出模型和函数参与联合仿真的实施例。

首先，如图5所示。打开分布式架构模型总线服务器；

然后，打开一个SimulationX模型(利用商业软件自带的模型对输入信号求积分，如图6所示)和代码集成环境所写的函数(在代码集成环境中自定义了一个对输入信号求积分的函数，如图7所示)，这两个环境中的模型将通过模型总线进行联合仿真。

第三步，对自定义C代码进行编译，编译通过并无报错信息即可，如图8所示。

第四步，在代码集成环境中运行，弹出“代码集成中间件”界面，如图9所示。该界面不可以改动，所有信息都只能在代码中修改，一旦编译完成后均不可改动。

最后，启动模型总线，并逐个点击SimulationX仿真模型和代码集成中间件中的的开始运行按钮，开始联合仿真。不同模型的点击顺序不做要求。仿真结束后，可以在模型中查看结果。

图10所示为仿真结束后自定义代码求积分的输入、输出信号；利用自定义C/C++代码对输入信号求积分，sensor为向总线输入信号，ctr为从总线获取信号。

图11所示为SimulationX自带模型与自定义C代码对输入信号求积分的结果比较，可以看出对于同样的输入信号，两者数值积分求解结果完全一致。说明C/C++代码能够在联合仿真中同步求解，并且结果正确，代码集成思路合理且通过实践证明能够正常运行。

本发明将代码集成在一个分布式仿真架构下，在提高仿真效率的基础上将各类型、不同语言编制的数值计算程序兼容，实现了异构代码集成仿真，为大规模复杂系统异构模型集成仿真提供基础保障。该方法和系统能支持几种典型代码种类(C/C++、Python以及dll文件)，实现在同一分布式架构下的分布式多学科(多领域)联合仿真，为数字孪生技术和基于模型的系统工程(MBSE)提供底层技术支持。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分布式架构下的代码集成仿真方法，其特征在于，包括以下操作：

1)建立由服务器和客户端组成的分布式仿真架构，服务器与客户端的通信采用TCP/IP协议，其中客户端加载fmu格式的通信控件和仿真模型，以进行模型分布式求解；服务器与客户端通过数据并行通信，进行仿真过程的全部客户端的同步、仿真计算推进和数据交互：

在T通信时刻，当所有客户端的仿真模型都完成计算并推进到T时刻后，服务器利用多线程并发的方法同时与各个仿真模型完成当前时间步的数据交互通信；完成较快的仿真模型原地等待，等到全部客户端的数据通信都完成后，服务器发出指令，时间步向前推进，开始T+1时间步的运算；

2)在分布式仿真架构的客户端加载dll格式的异构代码集成中间件，其作为TCP/IP客户端挂接模型总线并按照约定的通信协议完成数据交互；同时，其给出规范且唯一的调用接口，以便各代码对其进行调用；以异构代码集成中间件为数据中转的枢纽，将各类编程语言代码与分布式仿真数据总线相连接，达到编程语言代码接入模型总线实现分布式联合仿真；

所述的异构代码集成中间件为*.dll格式的中间件，可同时兼容多种异构代码的集成仿真，保证所有能够支持dll文件调用的编程语言都可以调用；需要参与仿真的程序，调用该中间件就可以接入分布式联合仿真。

2.如权利要求1所述的分布式架构下的代码集成仿真方法，其特征在于，所述的客户端的仿真模型为异构模型，各客户端的仿真工具可以相同也可以不同，其求解模型、求解算法、求解步长允许不同，以支持不同学科领域的仿真模型在最适合的条件下进行仿真计算。

3.如权利要求1所述的分布式架构下的代码集成仿真方法，其特征在于，所述fmu格式的通信控件是基于modelica语言开发的TCP/IP通信客户端程序所生成的*.fmu格式文件，此*.fmu格式文件作为TCP/IP通信控件使用；在进行分布式仿真之前，在仿真工具中导入所生成的*.fmu格式文件，服务器通过*.fmu格式文件实现与各个仿真工具的分布式联合仿真。

4.如权利要求3所述的分布式架构下的代码集成仿真方法，其特征在于，*.fmu格式文件按照提前约定的FMI 1.0或者2.0标准生成的，其同时包含Model-Exchange和Co-Simulation两种FMI标准格式。

5.如权利要求1所述的分布式架构下的代码集成仿真方法，其特征在于，所述服务器通过同步时钟实现客户端的同步：

每个客户端的仿真模型在各自的仿真工具中运行，在服务器同步时钟的控制下，每到一个约定的通信时间点，所有仿真模型通过fmu格式的通信控件将提前约定好的数据传输到服务器，同时从服务器接受后续计算所需要的数据；

在服务器同步时钟的控制下，先运行到达通信时间点的仿真模型会被挂起，处于等待状态；直到全部客户端的仿真模型都完成计算并到达通信时刻，服务器才会发出指令推进各仿真模型运行下一时间步的仿真。