CN117170822A - 使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，包括：软件模型设计工具模块、分布式网络中间件仿真通信交互协议模块、系统设计工具模块、代码模块以及仿真配管工具模块。其中，软件模型设计工具模块、系统设计工具模块和代码模块通过仿真配管工具的规划中的通信设置关系使用分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中定制的DDS通信协议进行仿真节点注册、仿真状态控制、仿真数据交互，完成多个系统的业务仿真模拟。本发明能够解决系统模型设计、软件模型设计和代码实现层面的上联合仿真问题，使仿真验证工作左移，贯穿于整个设计实现过程，有利于在更前端识别设计问题，节省试错成本，提高设计质量。
Description
技术领域
本发明涉及分布式网络中间件系统技术领域，具体地，涉及一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统。
背景技术
随着MBSE（基于模型的系统工程）的普及，复杂系统的研制会存在多种模型的建模与仿真需求。一般情况下，各设计部门与专业科室分别负责不同的分系统的研发，应用不同专业的设计/分析软件进行单学科设计分析与优化；总体部门负责将各个专业科室开发的子系统模型进行集成，构建出系统级数字仿真模型，以实现在开发早期阶段对系统功能和性能进行分析、验证和优化。但是一方面由于系统复杂，设计分析工具多样，很难找到一种通用的方法将各个软件工具快速有效的集成起来。
分布式网络中间件集成正是解决这一问题的有效措施之一。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统。
根据本发明提供的一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，所述方案如下：
一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，所述系统包括：
软件模型设计工具模块：在软件模型设计工具中利用工具自身提供的扩展C\C++\JAVA API定制开发通用的插件，完成软件模型仿真时的通信节点配置、数据解析、数据封装、运行控制；
分布式网络中间件仿真通信交互协议模块：规范不同层面模型实现的通信和控制接口，制订相应的接口通信总线规范；
系统设计工具模块：在MagicDraw中使用SYSML语言建立系统模型外部通信节点设置，完成系统模型仿真时的ICD设置和数据通信解析；
代码模块：在代码中封装DDS通信接口，通过数据通信协议设置和主题发布、订阅方式支持与系统模型、软件模型及其它仿真模型的联合仿真；
仿真配管工具模块：使用图形化界面动态规划系统模型、软件模型、代码模块的仿真交联关系、数据通信协议设置、仿真状态管理、简单的时序运行逻辑；
其中，软件模型设计工具模块、系统设计工具模块和代码模块通过仿真配管工具的规划中的通信设置关系使用分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中定制的DDS通信协议进行仿真节点注册、仿真状态控制、仿真数据交互，完成多个系统的业务仿真模拟。
优选地，所述软件模型设计工具模块包括：Scade模型、Scade模型插件接口、Simulink模型、Simulink模型插件接口、其它模型以及其它模型插件接口；
其中，Scade模型：采用Scade自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Scade模型插件接口：通过Scade扩展API解析Scade模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
Simulink模型：采用Simulink自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Simulink模型插件接口：通过Simulink扩展API解析Simulink模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
其它模型：采用其它自带的建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与系统级仿真验证；
其它模型插件接口：通过其它建模工具提供的第三方接口解析相应的建模模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
优选地，所述分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中，满足总线规范的模型将具有统一的模型操作方法，固定的数据交互方式；
不同层面的模型以分布式的方式运行，工作在分布式网络中的不同节点上，采用通用分布式聚合方法将这些分布式仿真模型动态地组合起来，采用分布式仿真节点聚合方法，将不同层面设计工具的模型和代码模块聚合到一个系统中，支持SYSML、软件模型、代码调用以及其它方式的模型扩展。
优选地，所述分布式网络中间件仿真通信交互协议模块包括：数据解析、数据组包以及数据分发；
数据解析：通过约定好的数据包格式中的设置加载不同的解析格式、去掉相应的格式包头，完成接收数据的解析；
数据组包：根据动态规划的交联关系中接口的不同类型，对发送出去的数据进行封包组装，方便在后续传输中根据格式分发解析数据；
数据分发：解析保存仿真配管工具设置好的收发关系完成节点的分发关系建立和数据分发。
优选地，所述系统设计工具模块包括：SysML模型、其它系统模型、定制插件；
SysML模型：根据系统需求使用SysML建模语言完成系统设计模型建模包括系统描述、交联关系；
其它系统模型：使用其它系统建模工具完成系统设计模型；
定制插件：包括DDS接口定制开发，使用系统建模工具中的扩展接口完成解析相应的SysML模型和其它系统模型，建立仿真通信节点，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
优选地，所述代码模块包括：封装DDS仿真节点注册、节点下线、主题订阅、主题发布在内的常用API，在代码中调用封装后的dds接口按照分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
优选地，所述仿真配管工具模块包括：状态管理；
状态管理完成如下功能：
1）初始化模型运行环境；
2）支持导入模型数据；
3）根据来自仿真的需求进行模型控制；
模型状态包括初始化状态、运行状态、冻结状态、解冻状态、停止状态。
优选地，所述仿真配管工具模块包括：数据管理；
数据管理实现仿真模型到其它交互子系统之间的数据接收和转发，两者之间使用DDS标准协议进行数据交互；
数据管理模块从其它交互子系统拷贝数据，并将数据通过DDS转发到数据交换存储区；数据交换存储区将数据通过DDS发送到仿真模型，同时支持数据的本地保存。
优选地，所述仿真配管工具模块包括：时序管理；
以一台服务器或者计算机的系统时间作为参考点，定时使用DDS网络对仿真系统中所有节点发布时间信息，每个节点接收到时间信息后获取自身系统时间并计算差值，每个数据包的发送时间和接收时间的计算公式为：
本机系统时间 + 差值
仿真时序管理使整个仿真系统中所有节点到达时钟同步的目的，整个系统时钟同步后，保障数据传输延时在标准场景下最高不超过20ms，若超过该门限值设置，则给出警告。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过定制统一的模型操作方法，固定的数据交互的通信结构，解决系统模型设计、软件模型设计和代码实现层面的上联合仿真问题，使仿真验证工作左移，贯穿于整个设计实现过程，有利于在更前端识别设计问题，节省试错成本，提高设计质量。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
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为系统整体架构图；
图2为各模块具体构成示意图。
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。
本发明实施例提供了一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，通过系统建模工具和软件模型集成，同时通过系统建模工具提供的集成开发API将架构设计的动态模型接入分布式网络中间件，然后使用界面开发工具搭建仿真界面，仿真界面和SysML系统模型之间基于相同的数据协议通过分布式网络中间件实现数据交互。也通过导入操作符或导入代码的方式将软件模型接入到分布式网络中间件，也可以将软件模型生成的代码或手写代码接入，将架构模型、详细设计模型和代码有效的结合起来，高效、直观的进行需求的验证和测试。参照图1所示，该系统包括：软件模型设计工具模块、分布式网络中间件仿真通信交互协议模块、系统设计工具模块、代码模块以及仿真配管工具模块。
其中，软件模型设计工具模块、系统设计工具模块和代码模块通过仿真配管工具的规划中的通信设置关系使用分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中定制的DDS通信协议进行仿真节点注册、仿真状态控制、仿真数据交互，完成多个系统的业务仿真模拟。
该系统具体内容如下：
软件模型设计工具模块：在软件模型设计工具例如Scade、Simulink及其它软件中利用工具自身提供的扩展C\C++\JAVA API定制开发通用的插件，完成软件模型仿真时的通信节点配置、数据解析、数据封装、运行控制。
参照图2所示，软件模型设计工具模块包括：Scade模型、Scade模型插件接口、Simulink模型、Simulink模型插件接口、其它模型以及其它模型插件接口；
其中，Scade模型：采用Scade自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Scade模型插件接口：通过Scade扩展API解析Scade模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
Simulink模型：采用Simulink自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Simulink模型插件接口：通过Simulink扩展API解析Simulink模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
其它模型：采用其它自带的建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与系统级仿真验证；
其它模型插件接口：通过其它建模工具提供的第三方接口解析相应的建模模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
分布式网络中间件仿真通信交互协议模块：为了规范不同层面模型实现的通信和控制接口，制订相应的接口通信总线规范；满足总线规范的模型将具有统一的模型操作方法，固定的数据交互方式。因此不同层面生成的模型均被可以直接用于灵活、动态地构建系统级仿真环境。为了提高仿真性能，这些模型以分布式的方式运行，工作在分布式网络中的不同节点上，因此，采用一种通用分布式聚合方法将这些分布式仿真模型动态地组合起来，采用分布式仿真节点聚合方法，将不同层面设计工具的模型和代码模块聚合到一个系统中，支持SYSML、软件模型、代码调用以及其它方式的模型扩展。
分布式网络中间件仿真通信交互协议模块包括：数据解析、数据组包、数据分发。
其中，数据解析：通过约定好的数据包格式中的设置加载不同的解析格式、去掉相应的格式包头，完成接收数据的解析；
数据组包：根据动态规划的交联关系中接口的不同类型，对发送出去的数据进行封包组装，方便在后续传输中根据格式分发解析数据；
数据分发：解析保存仿真配管工具设置好的收发关系完成节点的分发关系建立和数据分发。
系统设计工具模块：在MagicDraw中使用SYSML语言建立系统模型外部通信节点设置，完成系统模型仿真时的ICD设置和数据通信解析。MagicDraw是达索公司重要的工具套件，专注提供针对基于模型系统工程的全面解决方案，包括体系架构，系统工程、软件架构以及模型仿真等功能。
系统设计工具模块：包括SysML模型、其它系统模型、定制插件。
SysML模型：根据系统需求使用SysML建模语言完成系统设计模型建模包括系统描述、交联关系；
其它系统模型：使用其它系统建模工具完成系统设计模型；
定制插件：主要包括DDS接口定制开发，使用系统建模工具中的扩展接口完成解析相应的SysML模型和其它系统模型，建立仿真通信节点，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
代码模块：在代码中封装DDS通信接口，通过数据通信协议设置和主题发布、订阅方式支持与系统模型、软件模型及其它仿真模型的联合仿真。
封装DDS仿真节点注册、节点下线、主题订阅、主题发布等常用API，在代码中调用封装后的dds接口按照分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
仿真配管工具模块：使用图形化界面动态规划系统模型、软件模型、代码模块的仿真交联关系、数据通信协议设置、仿真状态管理、简单的时序运行逻辑。
仿真配管工具模块主要包括状态管理、数据管理、时序管理。
状态管理：状态管理完成如下功能：
1、初始化模型运行环境；
2、支持导入模型数据；
3、根据来自仿真的需求进行模型控制。
模型状态分为初始化状态、运行状态、冻结状态、解冻状态、停止状态五个状态。
数据管理：数据管理实现仿真模型到其它交互子系统之间的数据接收和转发，两者之间使用DDS标准协议进行数据交互。数据管理模块从其它交互子系统拷贝数据，并将数据通过DDS转发到数据交换存储区；数据交换存储区将数据通过DDS发送到仿真模型，同时支持数据的本地保存。
时序管理：以一台服务器或者计算机的系统时间作为参考点，定时（时间间隔可配置）使用DDS网络对仿真系统中所有节点发布时间信息，每个节点接收到时间信息后获取自身系统时间并计算差值，每个数据包的发送时间和接收时间的计算公式为：
本机系统时间 + 差值
仿真时序管理可以使整个仿真系统中所有节点到达时钟同步的目的，整个系统时钟同步后，可以保障数据传输延时在标准场景下最高不超过20ms，若超过该门限值设置，可以给出警告。
本发明实施例提供了一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，支持系统建模模型、软件模型和代码的联合仿真，支持联合仿真时的数据打通和简单时序管理，支持动态配置系统建模模型、软件模型和代码的数据交联关系，支持按照ICD配置生成系统建模模型外部数据激励注入和数据交互的动态监控。该系统通过定制统一的模型操作方法，固定的数据交互的通信结构，解决系统模型设计、软件模型设计和代码实现层面的上联合仿真问题，使仿真验证工作左移，贯穿于整个设计实现过程，有利于在更前端识别设计问题，节省试错成本，提高设计质量。
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及其各个装置、模块、单元以外，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及其各个装置、模块、单元以逻辑门、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功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元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功能的装置、模块、单元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装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块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 (9)
1.一种使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，包括：
软件模型设计工具模块：在软件模型设计工具中利用工具自身提供的扩展CC++JAVAAPI定制开发通用的插件，完成软件模型仿真时的通信节点配置、数据解析、数据封装、运行控制；
分布式网络中间件仿真通信交互协议模块：规范不同层面模型实现的通信和控制接口，制订相应的接口通信总线规范；
系统设计工具模块：在MagicDraw中使用SYSML语言建立系统模型外部通信节点设置，完成系统模型仿真时的ICD设置和数据通信解析；
代码模块：在代码中封装DDS通信接口，通过数据通信协议设置和主题发布、订阅方式支持与系统模型、软件模型及其它仿真模型的联合仿真；
仿真配管工具模块：使用图形化界面动态规划系统模型、软件模型、代码模块的仿真交联关系、数据通信协议设置、仿真状态管理、简单的时序运行逻辑；
其中，软件模型设计工具模块、系统设计工具模块和代码模块通过仿真配管工具的规划中的通信设置关系使用分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中定制的DDS通信协议进行仿真节点注册、仿真状态控制、仿真数据交互，完成多个系统的业务仿真模拟。
2.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述软件模型设计工具模块包括：Scade模型、Scade模型插件接口、Simulink模型、Simulink模型插件接口、其它模型以及其它模型插件接口；
其中，Scade模型：采用Scade自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Scade模型插件接口：通过Scade扩展API解析Scade模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
Simulink模型：采用Simulink自带的图形化建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与多个系统仿真验证；
Simulink模型插件接口：通过Simulink扩展API解析Simulink模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅；
其它模型：采用其它自带的建模工具基于系统设计完成软件模型建模，通过模型仿真功能在软件模型层面参与系统级仿真验证；
其它模型插件接口：通过其它建模工具提供的第三方接口解析相应的建模模型，建立仿真通信节点，屏蔽工具侧的实现差异，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
3.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述分布式网络中间件仿真通信交互协议模块中，满足总线规范的不同层面的模型将具有统一的模型操作方法，固定的数据交互方式；
不同层面的模型以分布式的方式运行，工作在分布式网络中的不同节点上，采用通用分布式聚合方法将这些不同层面的模型动态地组合起来，采用分布式仿真节点聚合方法，将不同层面设计工具的模型和代码模块聚合到一个系统中，支持SYSML、软件模型、代码调用以及其它方式的模型扩展。
4.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述分布式网络中间件仿真通信交互协议模块包括：数据解析、数据组包以及数据分发；
数据解析：通过约定好的数据包格式中的设置加载不同的解析格式、去掉相应的格式包头，完成接收数据的解析；
数据组包：根据动态规划的交联关系中接口的不同类型，对发送出去的数据进行封包组装，方便在后续传输中根据格式分发解析数据；
数据分发：解析保存仿真配管工具设置好的收发关系完成节点的分发关系建立和数据分发。
5.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述系统设计工具模块包括：SysML模型、其它系统模型、定制插件；
SysML模型：根据系统需求使用SysML建模语言完成系统设计模型建模包括系统描述、交联关系；
其它系统模型：使用其它系统建模工具完成系统设计模型；
定制插件：包括DDS接口定制开发，使用系统建模工具中的扩展接口完成解析相应的SysML模型和其它系统模型，建立仿真通信节点，通过动态加载的通信协议配置，将外部交互数据转化为分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
6.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述代码模块包括：封装DDS仿真节点注册、节点下线、主题订阅、主题发布在内的常用API，在代码中调用封装后的DDS接口按照分布式网络中间件仿真通信交互协议中规定的DDS数据格式按照不同主题发布、订阅。
7.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述仿真配管工具模块包括：状态管理；
状态管理完成如下功能：
1）初始化模型运行环境；
2）支持导入模型数据；
3）根据来自仿真的需求进行模型控制；
模型状态包括初始化状态、运行状态、冻结状态、解冻状态、停止状态。
8.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述仿真配管工具模块包括：数据管理；
数据管理实现仿真模型到其它交互子系统之间的数据接收和转发，两者之间使用DDS标准协议进行数据交互；
数据管理模块从其它交互子系统拷贝数据，并将数据通过DDS转发到数据交换存储区；数据交换存储区将数据通过DDS发送到仿真模型，同时支持数据的本地保存。
9.根据权利要求1所述的使用分布式网络中间件的系统模型和代码联合仿真系统，其特征在于，所述仿真配管工具模块包括：时序管理；
以一台服务器或者计算机的系统时间作为参考点，定时使用DDS网络对仿真系统中所有节点发布时间信息，每个节点接收到时间信息后获取自身系统时间并计算差值，每个数据包的发送时间和接收时间的计算公式为：
本机系统时间 + 差值
仿真时序管理使整个仿真系统中所有节点到达时钟同步的目的，整个系统时钟同步后，保障数据传输延时在标准场景下最高不超过20ms，若超过该门限值设置，则给出警告。
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