CN1779645A - 可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机分布式交互仿真领域，具体的说是一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法。主要解决分布交互仿真中对仿真应用程序的模块可重用性和程序开发的简易性的要求问题。本发明包括一个分布交互仿真应用程序架构BH HLA FM以及基于其上的用户集成开发环境BH HLAStudio。BH HLA FM是符合COM标准的组件软件，并提供基于IEEE1516标准和HLA Rules V1.3标准的两个版本。该开发平台具有面向对象设计，功能强大、仿真功能支持面广、易于调试与维护、方便功能伸缩，支持大规模复杂系统的仿真应用程序的开发。是一个快速开发分布式交互仿真应用程序的良好开发平台。

Description

可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法

技术领域

本发明属于计算机分布式交互仿真领域，具体的说是一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法。

背景技术

计算机仿真是在研究系统过程中，根据相似原理利用计算机来逼真模仿研究对象，计算机仿真将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机中运行实现。它不怕破坏、易修改、可重用。分布交互仿真是采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。分布交互仿真是仿真器联网的发展。分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器、计算机生成兵力以及其他仿真设备联接为一个整体，形成一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台(飞机、导弹、舰艇、坦克)与环境(地形、大气、海洋)之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响。

分布交互仿真技术从产生(SIMNET计划)，到DIS2.×IEEE1278协议和ALSP协议的制定，进而发展到DIS++/HLA体系结构，都是企图解决建模与仿真领域存在的问题：绝大多数仿真器应用实现较为独立，仿真器之间的交互性和重用性差；开发、维护和使用费时及成本高。

对于构造分布交互仿真系统这类复杂的系统，迫切需要统一的平台、工具进行开发，以便提高仿真应用程序的模块可重用性和开发的简易性，减少仿真应用程序的开发过程中复杂而繁重的工作，缩短仿真应用程序的开发周期。

发明内容

本发明的目的就是解决分布交互仿真中对仿真应用程序的模块可重用性和程序开发的简易性的要求问题，构建一个合理的分布交互仿真应用程序系统结构，并实现其中的最关键的基础部分，使之成为研究分布交互仿真的基础平台。

本发明的技术方案为：基于HLA(High Level Architecture，高层体系结构)，支持各种仿真应用程序(如平台级实体仿真、聚合仿真等)之间的交互以及它们和C4I(Command，Control，Communications，Computers，andIntelligence，指挥、控制、通信、计算机和情报)系统间的交互，同时重点考虑该系统的可维护性、可扩展性和工具化。该开发平台要为分布交互仿真应用程序的模块化装配提供一种体系结构，并提供分布交互仿真通用功能以方便应用程序的开发。

本发明的有益效果是：

1、实现了一个基于HLA的分布交互仿真应用程序架构BH HLA FM(BeihangHigh Level Architecture Framework，分布交互仿真应用程序架构)，BH HLAFM为分布交互仿真应用程序的模块化装配提供一种体系结构，并提供分布交互仿真通用功能以方便应用程序的开发。BH HLA FM是符合COM标准的组件软件，并提供基于IEEE1516标准和HLA Rules V1.3标准的两个版本。

2、实现了一个基于BH HLA FM的HLA仿真应用程序领域的用户集成开发环境BH HLA Studio(Beihang High Level Architecture Studio，HLA仿真应用程序用户集成开发环境)。应用程序开发者通过它提供的可视化界面可以方便快捷地进行基于BH HLA FM的HLA仿真应用程序的开发。

附图说明

图1是BH HLA整体结构图；

图2是BH HLA FM体系结构模型图；

图3是BH HLA FM组成部分图；

图4是信息采集管理实现类图；

图5是信息分发管理实现类图；

图6是BH HLA FM总体处理流程图；

图7是BH HLA FM仿真控制处理流程图；

图8是配置文件样例；

图9是BH HLA Studio总体结构图；

图10是HLAAppWizard的总体流程图；

图11是FederateWizard的总体流程图.

具体实施方式

本发明包括一个分布交互仿真应用程序架构BH HLA FM以及基于其的用户集成开发环境BH HLA Studio，见图1。其中BH HLA FM是一个基于HLA规范的应用程序开发架构，它采用了“世界”模型，使得各子世界的代码只与本世界有关，从而简化了仿真应用程序的设计；同时，还采用了事件机制作为子世界内部，子世界和子世界之间，BH HLA FM和仿真应用程序之间的信息通知与传递机制，应用程序开发者可以只需关注相关事件的编程即可完成整个仿真应用程序。

BH HLA FM为分布交互仿真应用程序的模块化装配提供一种体系结构，该体系结构模型如图2所示。实际仿真世界是共享虚拟环境通过不同感知系统在不同方面给用户的体现。它由各种子世界组成。一般把实际仿真世界简称为仿真世界。抽象仿真世界是用抽象仿真模型来描述各种仿真对象的世界。它是对整个仿真世界的抽象描述。BH HLA FM(分布交互仿真应用程序架构)中所描述的世界就是一个抽象仿真世界。子世界是共享虚拟环境通过某一特定感知系统给用户的体现。如，通过三维图形系统表现出的“三维图形子世界”、通过声音系统让用户感受到的“声音子世界”、数据衣等设备体现的“触觉子世界”等等。抽象仿真模型数据库是联盟对仿真对象以及仿真事件的一种统一的数据化表示。其核心内容是对象和事件的分类以及“交互数据模型库”。交互数据模型库是不同应用程序之间通讯消息的格式定义集合，它主要包括两个部分：对象模型(包括对象类型和对象属性)和事件模型(也称为交互模型)。抽象仿真数据仓库是根据抽象仿真模型数据库中的相应模型，它是对虚拟环境中各个对象的具体数据化表示。

BH HLA FM由以下几个主要部分组成：信息采集管理，信息分发管理，仿真管理。它们之间通过消息机制联系起来。BH HLA FM的主要组成如图3所示。下面分别对各部分进行简要地阐述。

信息采集管理：根据订购表(该表主要用来存储盟员开发者对输入和输出的需求)静态或动态地配置并管理输入模块；以符合订购关系的方式向仿真管理模块通知输入内容。目前主要是指外部设备输入的配置与管理。与仿真管理的关联方式：消息机制。即输入信息通过消息机制传递到仿真管理模块。

信息分发管理：根据订购表动态配置并管理输出模块；创建各输出子世界(输出模块的输出对象)的代理对象；以符合订购关系的方式输出信息流。目前包括三维图形子世界，二维图像子世界，三维声音子世界的配置与管理。与仿真管理的关联方式：消息机制。仿真管理通过触发输出事件来向信息分发管理传递信息。

仿真管理：包括对象管理、交互管理、联盟管理、声明管理、配置管理、订购表管理五种管理功能，另外还负责提供仿真引擎。其中各部分的功能如下：

1.对象(交互)管理：用更自然的方法来表达对象类和交互类(请参照IEEE Std 1516规范)。使用统一的数值表示。当数值更新时，能自动发布该改变。提供联盟盟员开发者代码入口。

2.联盟和声明管理：包括联盟创建、加入、退出、删除及发布订购声明。

3.配置管理：管理并解析联盟配置文件(主要指CFG文件)。管理BH HLAFM相关配置信息(如：推进算法的选择，初始订购信息等)。

4.订购表管理：订购表的增、删、改、查。对改变的通知(订购表改变事件)。

5.仿真管理：[本地]和远程对象的管理(实例的创建)。交互管理(实例的创建)。创建各内部对象。管理各内部对象之间信息的相互流动。通过消息机制与信息采集和分发管理进行交互。

6.仿真引擎：仿真引擎是BH HLA FM的驱动核心，其主要功能是提供用户可配置的符合仿真推进逻辑的方式推进仿真进程。其中算法包括三种方式：时间步长，事件驱动和简单模式。具体到HLA中就是TAR/NER/FQR。

消息机制：BH HLA FM内部信息流动的主要承担者，BH HLA FM与应用程序代码交流信息的手段。

下面介绍以上各部分的实现方法。

信息采集管理(如图4)：输入信息种类包括外部设备输入、网络输入。信息采集管理的设计包括外部设备输入类、网络输入类、信息采集管理器类和信息采集器类，信息采集管理器类与其他三个类之间是管理者和雇员关联关系，外部设备输入类、网络输入类与信息采集器类之间是发布订购关联关系。外部设备输入类封装了对外部设备输入的获取方法，同时维护一个输入原语队列，它在自己的线程空间中工作。网络输入类负责管理来自RTI(Runtime Infrastructure：运行时支撑环境)的通知，当有通知到来时，网络输入类将通知名放在信息名称属性中，将通知的内容保存。信息采集管理器类负责维护发布者与订购者的映射表，同时定义了建立这种映射以及发布通知的接口。这里把从外部设备的输入和RTI的通知统一称为“输入”。当某种输入到来时，信息采集器类的更新方法被激活，该方法的任务是从输入对象中得到输入信息，创建消息，并将消息加入的消息队列中去。信息采集管理器类是信息管理类的子类，它管理输入信息的订购。

信息分发管理(如图5)：输出子世界包括三维图形子世界、二维图像子世界和三维声音子世界。信息分发管理的设计包括输出子世界类、信息分发管理器类和信息分发器类，信息分发管理器类与其他类之间是管理者和雇员关联关系，信息分发器类与输出子世界类之间是发布订购关联关系。信息管理类的子类信息分发管理器类定义了创建关联和接收雇员报告这两个函数。创建关联函数中，通过对订购表的读取生成子世界的“代理人”对象，对于其中使用到的函数生成各个输出子世界，该函数是一个“工厂方法”，用来创建输出子世界对象；考虑到此时的发布者-订购者关系为一对多的关系，接收雇员报告函数则定义一个更加“节省”的更新策略，它分析发布者的变化，只有当需要某个订购者对该变化进行响应时才进行通知。输出信息发布者，它注册那些它关心的输出事件。在获得事件内容之后，它通知相应输出子世界进行响应。

三维图形子世界等子世界类负责各子世界的重建工作，它定义了更新函数，该函数内容和信息采集管理模块中订购者的更新函数类似，从参数中组织相应信息并生成相应事件，然后调用事件的通知函数触发该事件；该设计要求外部子世界的开发者将代码写在回调处理函数中。

仿真管理：定义对象管理类、交互管理类、联盟管理类、声明管理类、配置管理类、订购表管理类，它们都和仿真管理类是管理者和雇员的关联关系。

消息机制：定义模板类，封装了消息响应函数的注册、注销，消息通知以及对消息队列的管理等操作。BH HLA FM中所有事件都继承自该模板类。

模块之间的接口为：信息采集管理接受输入，并生成相应事件，组成事件队列。仿真引擎在符合仿真步进中要处理输入的时刻，从事件队列中读取事件，并以符合某种逻辑的顺序遍历输入事件队列并进行处理。信息分发管理向订购了信息的子世界发送各种重建事件，在各子世界中定义响应事件的函数(回调函数)，当事件发生时，这些回调函数被调用。BH HLA FM为了达到与各输入、输出子世界的方便的组合，还在它们之间采用类似COM的技术。比如：输出管理模块通过查询订购表得知该联盟盟员需要3D输出，才从外部调入负责3D显示的代码，并通过查询获得它的接口，并使用它。

各个模块之间在仿真开始后的协作关系是这样的：仿真管理首先根据仿真配置文件进行初始化。当外部设备输入或者网络输入到来时，输入模块接收输入，并且将原始输入信息转化为原语信息，再将原语输入传递给信息采集管理模块。信息采集管理模块接到输入信息后创建输入事件，并且将输入事件添加到输入事件队列中。当仿真推进到处理输入事件的时刻，仿真管理模块将遍历事件队列，并且处理事件。当需要输出的时候，仿真管理模块通知信息分发管理模块进行输出事件处理。信息分发管理模块接到仿真管理模块的通知后，将传来的信息传递给代理子世界完成子世界的重建。

BH HLA FM总体上的处理流程如图6所示，其中仿真控制的总体处理流程如图7所示。其中：

联盟盟员初始化模块读取并解析联盟配置文件，示例如图8。订购表主要用来存储联盟盟员开发者对输入和输出的需求，同时，在运行过程中，通过对该表的修改，还可以动态地反映开发者在这方面的需求。BH HLA FM总体流程为：

首先初始化，读取联盟配置文件，并对配置文件进行解析，保存到订购表中；然后信息采集管理模块从订购表中读取输入订购信息，订购相应的输入信息，该部分还要接受输入，并生成相应输入事件，维护输入事件队列；

接下来仿真引擎在符合仿真推进逻辑的时刻，进行输入处理，该部分和信息采集管理密切相关。输入处理根据某种逻辑(比如优先级)判定的顺序依次调用输入事件的处理函数；而信息分发管理模块是从订购表中读取输出订购信息，根据这些订购信息创建相应的输出子世界的“代理”，这些“代理”对输出信息进行订购。并在符合仿真推进逻辑的需要进行输出的时刻，由这些“代理”负责和真实输出子世界的交互；其中仿真引擎为BH HLA FM的驱动核心，它负责仿真进程的推进。仿真引擎可以满足HLA分布式交互仿真环境下的各种推进算法。BH HLA FM允许联盟盟员开发者任选一种步进方式来推动仿真进程。

在符合仿真进程逻辑的适当时刻，仿真引擎调用相应的模块处理输入，输出等。在本发明的设计中，仿真引擎本身并不知道要处理的内容，它只是通过委托的形式委托给输入和输出处理模块。这样，对仿真引擎来说，它永远不知道输入和输出的信息是什么(比如是网络，键盘还是3D图形)，从而使得针对各种不同的输入和输出的处理方法一致起来，提高了BH HLA FM的适应能力；输出子世界处理部分不属于BH HLA FM，该部分通过订购-发布机制以及消息机制与BH HLA FM发生关联。

本发明结合组件化思想，将以上的多个模块抽象为若干组件，每个组件又可以由若干个功能更加单一的组件组成，例如仿真管理组件可以根据更具体的功能划分为更小的组件。各个组件之间通过接口进行协作，每个组件都要根据客户的需要，设计出符合COM标准的、功能完备的接口。所谓功能完备的接口是指接口能够提供组件能够实现的所有功能，并且要做到用最少的接口来实现完备性。

每个组件自身都能够单独开发，单独调试。组件也能够单独升级，只要接口不变就可以直接加入整个系统中。这样可以大大的提高整个系统的可扩展性和可重用性，也为系统的进一步发展提供了便利的条件。

本发明的BH HLA FM的前几个版本是基于HLA Version 1.3标准建立的，HLA 1.3标准是在HLA使用过程中建立的探索性草案。IEEE 1516标准是HLA1.3标准的后继，是在HLA 1.3标准使用过程中建立起来的，它改进了HLA 1.3标准中不合理的地方，更加合理和规范化。随着HLA的发展和不断完善，2001年5月HLA正式成为了IEEE标准(即IEEE Std 1516系列)。成为新一代分布交互式仿真体系结构的标准。故本发明也提供了基于IEEE1516标准的相应版本BH HLA FM1516。

BH HLA Studio是一个基于BH HLA FM的HLA仿真应用程序领域的用户集成开发环境。具体实施方案为利用Visual Studio已有的IDE环境，嵌入自主开发的HLAAppWizard和FederateWizard，从而实现一个用户集成开发环境。其中，HLAAppWizard是一个专用于HLA仿真应用程序的AppWizard，可以根据用户输入的信息自动生成仿真应用程序框架代码，FederateWizard类似于ClassWizard，可以在Visual Studio开发环境下帮助开发者定制其Federate(联盟盟员)，自动生成BH HLA FM相关的代码。总体结构图见图9。

图10为HLAAppWizard的总体流程图，BH HLA FM数据库是整个联盟统一的抽象仿真对象以及仿真事件的集合，包括FOM的OMT文件中的联盟信息：对象类名、对象类属性名、交互类名、交互类参数名。源程序框架为用户编写的交互仿真应用程序框架，包括工厂类、仿真交互类、主程序(输出子世界)。.cfg文件是交互仿真应用程序配置文件，后缀为.cfg。.dc1文件是记录交互仿真应用程序订购发布信息的文件，后缀为.dc1。首先从OMT文件中读取联盟信息，包括：对象类名、对象类属性名、交互类名、交互类参数名，并存入BH HLA FM数据库中。配置文件的填写与保存接收用户输入的填写配置文件所需信息，并生成.cfg文件；构造程序框架接收用户选择的输出子世界和仿真程序类型，并生成源程序框架。定购发布信息从BH HLA FM中获得对象类、类属性、交互类和交互参数，接收用户输入的选择发布、订购信息，并生成.dc1文件。

图11为FederateWizard的总体流程图，配置文件的修改与保存接收用户输入的修改配置文件所需信息，并重新生成.cfg文件。定购发布信息接收用户输入的修改订购发布信息，并重新生成.dc1文件。修改实体类接收用户输入的对象类和交互类信息，并在源程序中添加或删除对象类和交互类相关代码。添加事件接收用户选择的基类事件及输入的事件处理函数名、自定义事件名，在源程序中添加事件注册、注销代码以及事件处理函数。删除事件接收用户输入的删除事件处理函数信息，并在源程序中删除相关代码。修改工厂类接收用户选择工厂类的Object和Interaction类信息，并在源程序中添加或删除工厂类代码。应用程序开发者通过BH HLA Studio提供的可视化界面配置联盟信息以及订购表的初始设置，用户集成开发环境可以生成相应的文件，在这些文件的某些地方要求开发者添入相关代码，这些代码都是与事件有关的。比如：如果订购了外部设备的输入，那么用户集成开发环境会在生成的继承于对象实体类的类(可能用来表示某种实体)中自动插入注册响应外部输入的函数的代码；如果订购了网络输入，那么用户集成开发环境会在生成的继承于对象实体类的类(可能是某种实体，也可能是观察器)中自动插入注册影响该实体行为的网络事件的函数的代码，而对于那些跟管理相关的网络事件的自动注册则被插入到生成的继承于仿真管理类中；如果定义了3D图形显示，那么用户集成开发环境会在生成的继承于DveInfoDistributorManager的类中的Create3DWorld(DvePublisher*i)中自动插入return new DveX3Dworld(i)的代码，其中DveX3DWorld为具体使用到的3D子世界类，开发者只需重写其中的Construct()函数即可。这样，应用程序只需关注于特定应用相关部分的代码的编写即可，同时，也使得开发者的代码和架构的代码隔离，带来调试上的好处。

总之，BH HLA FM以lib或d11的形式存在，而用户集成开发环境应该具有一个开发者用来组装应用程序的对用户友好的可视化界面，并允许用户在该环境中编译、链接、调试自己编写的交互式仿真应用程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法，其特征在于：该开发平台的实现方法包括：

步骤1)实现一个分布交互仿真应用程序架构；

步骤2)实现基于分布式交互仿真应用程序架构的仿真应用程序用户集成开发环境。

2、根据权利要求1所说的一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法，其特征在于：所述步骤1)进一步包括分布交互仿真应用程序架构为分布交互仿真应用程序的模块化装配提供的一种体系结构，并提供分布交互仿真通用功能以方便应用程序的开发。

3、根据权利要求1所说的一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法，其特征在于：所述步骤1)进一步包括分布交互仿真应用程序架构是符合组件对象模型标准的组件软件。

4、根据权利要求1所说的一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法，其特征在于：所述步骤1)进一步包括分布交互仿真应用程序架构提供基于IEEE1516标准和HLA Rules V1.3标准的两个版本。

5、根据权利要求1所说的一种可装配的仿真程序可视化开发系统的实现方法，其特征在于：所述步骤2)进一步包括仿真应用程序用户集成开发环境是利用微软已有的环境，嵌入专用于仿真应用程序的向导和帮助开发者定制其联盟，自动生成分布交互仿真应用程序架构相关的代码的联盟向导，从而实现的基于分布交互仿真应用程序架构的仿真应用程序用户集成开发环境。

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