分布式交互仿真技术范文
时间：2023-11-13 11:22:04
分布式交互仿真技术篇1
计算机仿真系统是仿真的依托，形象地说成是仿真的大舞台也很贴切，最准确的说法应当是，计算机仿真系统是基于仿真的系统研究不可或缺的实验工具。每个仿真应用领域，有了各自适用的计算机仿真系统，才能给出具有所需置信度的仿真结果。大量实例表明，仿真技术的有效应用，必须依托于先进的计算机仿真系统;只有服务于应用的计算机仿真系统的发展，才能带动仿真技术的发展。但是，迄今为止，国内外依然存在着建立仿真应用的时间太长、费用太高问题。原因就在于缺乏正确的技术理论指导，或盲目追求大而全，或低水平地重复。显然，在需求牵引、技术推动、经济支撑下，紧跟时代前进步伐，要用信息化理念和方法建立计算机仿真系统。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系统的设计与应用》一书中所说，高新技术与先进管理相结合才可能有高质量仿真系统的诞生。
2现有计算机仿真系统
现有许多计算机仿真系统、仿真试验室、仿真中心可供参考。诸如美国亚那巴马州红石兵工厂的高级仿真中心(ASC)、以法尔肯空军基地国家试验中心为核心的美国国家试验台、德国航空航天试验院的空间运行中心、中国航天部门遍布全国各地的仿真中心、国防科大三院的分布实时仿真系统(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服务系统(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系统(Systemonchip，SoC)等。国内外计算机仿真系统，真是琳琅满目。它们按空间分布不同可分为集中式、分布式和嵌入式三大类型。国内外集中式计算机仿真系统经过模拟仿真系统、混合仿真系统和数字仿真系统三大里程碑式地发展，从20世纪80年代开始，数字仿真在计算机仿真中独占鳌头，从此以后，集中式计算机仿真系统中的计算机系统都是数字式的，而且大都采用便于独立集中管理的主机－终端的体系结构，并能进行数学仿真和半实物仿真，而且随着科学技术发展，正在虚拟化、智能化。虚拟化使得计算机仿真系统用虚拟样机取代物理样机，从而能够广泛用于复杂产品设计、军事演习、复杂操作训练、过程排演等领域。智能化使得计算机仿真系统有机地融合人工智能技术，以适应信息化的需要。同时，还应该采用“结构规模优化”方法，构造多级结构、多层结构、多段结构，进行结构分析与综合，设计高性能价格比的优化结构，从主机—终端模式，向客户机—服务器模式、集中—分布模式发展。20世纪80年代开始出现了分布交互式仿真(DIS)系统，而且发展迅速，很快由基于高层体系结构(HLA)的DIS成为其主流。多年实践表明，HLA尚有许多需要改进的地方。现在，美国国防部已经认识到HLA是必要的，但仅有HLA却是不够的。目前经济有效的方案无非是通过网络化、集成化、协同化把地理分布较广的现有仿真设施组成一个新的计算机仿真系统。现在看来，性能价格比最高者当是多微机DIS系统，它不仅具有HLA的优点，而且弥补HLA不足，使邦员内部也有重用性和互操作性，而且具有结构仿真、实况仿真和虚拟仿真等功能。当前，欲将传统DIS许多成果用到HLA中，就得考虑HLA和DIS两系统之间的互联方式。一般来说有两种方式，即网关方式和中间件方式。两者的主要区别在于:网关方式以运行一个独立的应用程序来实现相关的转换，在该方式中将外部HLA邦员和DIS实体作为输入值，然后实现两者之间的互操作，而中间件方式则将转换的实现做为应用程序的一系列类嵌入在程序中，并通过执行应用程序将DIS和HLA中的相关信息输出。基于这两种基本方式，目前有四种相关的实现技术:①打包技术将软件直接嵌入到DIS底层接口，在数据传送前将DIS数据转换成HLA数据模式，并在接收数据后将HLA数据模式转换成DIS数据格式，显然无需特殊的硬件支持。②本地化技术产生一个本地的HLA仿真，这意味着所有网络接口都要包括一个仿真软件。这样可以很好地实现所有HLA的特性，但初始化传输时大量的程序修改以及相关协议的改变。③转换器技术提供单独的应用程序，一般来说，要使用单独的计算机来完成转换功能，虽然无需对仿真程序作任何修改，但仿真延时相应有所增加。④协议接口单元(PIU)技术通过定义API函数来实现不同协议之间的转换，这是DIS/HLA转换方式中较好的选择方案。嵌入式计算机仿真系统(Embeddedcomputersimulationsystem)广泛应用于工业控制和国防系统领域。其基本特征是小型化、可随身携带，一般通过软件和硬件来实现其功能，但硬件成本较高，而软件具有灵活和成本较低等优点。软硬件划分的结果直接决定嵌入式系统设计的优劣。郑州大学信息工程学院郭金金等人(2010)提出一种新的嵌入式系统软硬件划分算法，先采用嵌入式系统转化成有向无环图，可将嵌入式系统软硬件划分问题转换成一个多条件约束问题，用蚂蚁放置于有向无环图顶点上，对系统软硬件划分准确率作为蚂蚁算法优化目标，通过蚁群算法搜索最优目标函数值，有效避免传统划分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索时间。当前嵌入式系统领域一个十分重要的研究课题是，如何让嵌入式系统在遭受侵害时保持一定的性能并安全运行。国内外广泛探索，但往往缺乏支持动态安全策略的设计思想，对嵌入式系统在遭受侵害时如何保护系统安全、保持系统的性能，并将破坏降低等方面的研究较少。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院赵国冬等人基于模式匹配方法研发了安全等级评估系统。仿真结果表明，该系统可以在不显著增加系统开销前提下，有效地阻止系统异常的产生，提高系统的弹性应对能力。无论那种类型，计算机仿真系统通常由数字计算机系统，系统实际设备(实物)和一些专用、通用设备组成，且具有现代化技术水平，兼有构造仿真、实况仿真和虚拟仿真三种功能。计算机仿真系统的中心，当然是数字计算机系统，诸如，单片机、单板机、仿真机系统、微机系统、工作站系统、小巨型机系统、多机系统等等。它们各自都包括硬、软件两部分。数字计算机的机型往往直接决定着计算机仿真系统的类型，用户可从中选择经济适用的机型。通用设备就是商品化的观测记录设备，信号发生器，声像通信设备等，而系统实际设备(实物)和一些专用设备，随仿真应用领域不同差别甚大。比如，航空航天领域的飞行仿真系统，除了需要控制系统实物以外，还需要转台、负载台、离心机、必要的模拟器和实物操作台等专用设备。
3计算机仿真系统发展的最新动态
1)多层次使能技术美国国防科学局(1997)认为，建立集成的综合仿真环境和仿真系统，必须解决实现的技术，即下述五个层次使能技术:①基础技术(光纤通讯、集成电路、软件工具、人的行为模型、环境模型等);②元、部件级技术(内存、显示、局域网、微处理器、数据库管理系统，数模转换器，建模与仿真构造工具，测试设备等);③系统级技术(微机系统，人一机界面，远距离通讯/广域网、计算机图像生成等);④应用级技术(制造过程仿真、工程设计建模与仿真，含人仿真系统，随机作战仿真等);⑤集成综合仿真环境技术(样机、规划、设计与制造，训练与备战，测试与评估等)。其中，大部份的硬件和网络能力由商业市场作为成熟产品提供，如微机系统、远距离通讯/广域网、人一机界面、计算机图像生成、数据库管理系统、局域网、光纤通讯、软件工程工具等，而有些如制造过程仿真，工程设计建模与仿真，随机作战仿真，环境模型等满足军用仿真需求者都由国防部组织解决。
2)逻辑靶场概念(logicalrangeconcept，LRC)美国在20世纪90年代提出LRC，试图要解决以信息化为代表的武器系统互操作试验，特别是以C4ISR为核心、从传感器探测端到指挥与控制再到武器交战的完整作战过程试验，其规模和范围超出了现有任一个物理靶场的试验评估能力，在物理意义上完全重建靶场既无必要也不可能，只有通过一体化虚实合成靶场才能提供这种复杂作战空间的逼真表示。为了全面评估信息化武器装备的作战效能，传统试验训练靶场必须适应以信息为中心的一体化联合试验发展需要，向跨物理靶场边界、跨试验训练边界、跨真实和仿真资源边界的无边界靶场转变。通过组合、重用各种仿真资源，逻辑靶场可以将传统靶场融入到仿真世界中，也可以看作是用仿真世界来扩展传统靶场的任务空间。在逻辑靶场中，实际武器装备或兵力除了可以利用传统方式进行交互外，还可以与位于不同地域的仿真资源进行交互。目前，支持靶场试验资源互操作、重用、组合的体系结构主要有两类:先进分布式仿真(ADS)和试验与训练使能体系结构(TENA)。20世纪80年代中期，美国国防部提出了ADS的概念，其产生与发展的核心是为了解决建模与仿真领域存在的问题:目前绝大多数仿真器应用实现较为孤立，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;验证性、有效性和置信度较差。ADS技术应该从体系结构上建立这样一个框架，它能尽量涵盖建模与仿真领域中所涉及的各种不同类型的仿真系统，并利于它们之间的互操作和重用，它也必将随着仿真技术和各种支撑技术的发展而发展。ADS技术使实况仿真、虚拟仿真和构造仿真三类仿真在实施中不断得到发展。从构造和实施一个ADS系统的角度，所涉及的关键技术有:①系统总体技术，主要包括DIS(IEEE1278)和HLA(IEEE1516)，可是HLA不适应具体领域的特定需求。②软件框架和平台技术。③网络通讯技术与分布式数据库技术。④建模、验模与计算机生成兵力(CGF)技术。⑤虚拟环境技术。⑥系统性能评估技术。TENA是建立在ADS基础之上针对试验/训练领域的特定需求对HLA进行扩展，提供了试验/训练所需的更多特定的能力，其最终目标是成为美军靶场司令官委员会(RCC)标准。美国加州海军空战中心开发的虚拟导弹靶场(Virtualmissilerange，VMR)是LRC的典型案例。在VMR第一个导弹就是AIM－7P海麻雀防空导弹。此外，联合先进分布式仿真(JointAdvancedDistributedSimulation，JADS)项目涵盖了武器系统集成、端到端试验和电子战。它的成功实施，展示了逻辑靶场在试验训练领域的巨大作用和广阔前景。葫芦岛92941部队袁刚等人(2010)认为，实现LRC的关键技术是体系结构与合成环境的构建、传统靶场仪器仪表的改造和信息化网络建设。
3)仿真机系统网络化我们生活的世界就是一个网络世界，网络的普遍性是客观存在的。复杂网络研究早在20世纪50年代就开始了，起始点就是随机图ER模型。ARPANET(1969)建成，标志着人类社会进入信息时代，也可称为互联网时代。信息化席卷全球，现代信息技术将会影响到方方面面。国际标准化组织的开放系统互连基本参考模型，即通常所说的七层协议(1977)问世以来，第三代计算机网络(Com-puternetwork)得到广泛关注。它使用户能共享网络中的所有硬、软件和数据等资源、分散计算机的负荷、提高可靠性、使计算机的使用具有可扩展性及可换性。小世界模型(Smallworldmodel)的引入和无尺度网络模型(Scalefreenet-workmodel)的发现，推动了复杂网络研究的深入。计算机网络、通信网络、交通网、电力网、供水网、食品供应网、银行金融系统、输油管网、输气管网、控制网络等大量的实际复杂网络，都具有小世界和无尺度特性。复杂网络的规模较大，单靠网络实验进行研究不太现实。随着网络的进一步扩充，越来越需要网络仿真技术来为网络规划和设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。计算机网络是分布交互式仿真系统中不可或缺的组成部分，它是用通信线路把多个分布在不同地点的计算机，通过数据传输而联接起来的一种网络。计算机网络的优点是:用户突破了地理条件的限制，方便地使用远地的计算机;由于资源公用、避免了重复投资;可充分利用各地资源的特长，实现协同操作;可实现几个系统间的数据传输和实时管理。网络化，就是开展网络系统仿真。利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系统行为进行动态模仿，即是通过网络程序的运行来模拟网络的动态工作过程。
一个完整的通信网络系统，不仅包括数据帧、收发两端的各种设备，还包括通讯协议和传输信道等。常见的计算机网络有1553B总线、CAN总线(英德和欧空局广泛采用)、基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、以太网(Ethernet)、光纤通信、蓝牙(Bluetooth)、无线通信、小世界模型、无尺度模型等。虽然计算机网络琳琅满目，若按交换功能分类，常用的也只有四种:①线路交换;②分组交换;③混合交换;④报文交换。若按拓扑结构分类仅有三种:①集中式网络;②分散式网络，又称非集中式网络(含具有一定交换功能的集中器或复用器);③分布式网络。若按通信特性分类也只有三种:①资源共享网络;②分布式计算网络;③远程通信网络。若按作用范围分类，则有广域网(Wideareanetwork，WAN)、局域网(Localareanetwork，LAN)、城域网(Metropolitanareanetwork，MAN)之分。要使计算机仿真网络系统的结果精确地与实际情况一致，仿真的模型就应尽可能详细。这样，仿真占用的资源和耗费的时间与精力也会随之增加。如何在模型复杂性与仿真的准确性之间找到合适的平衡和折衷，是实现仿真时的中心问题。目前对网络仿真主要有两种途径:①用一组方程描述网络特性，然后用计算机语言通过编程，实现对通信网络仿真;②借助已有的网络仿真工具进行仿真。前者难度大且通用性不好;后者无需大量编程，通用性好，很容易实现通信网络仿真，代表了通信网络仿真的发展方向。主流的网络仿真软件及其高端产品基本产自美国，而适用于网络仿真的软件平台有以下三类:①用于商业目的开发的如OPNET、Qual-Net(升级版WebSim)、BONes、Netsim。②基于系统研究开发的如SIM++、NS2(REAL是其前身)、Maisie、GloMoSim、IN-SANE。③基于军事应用开发的如TIMS、NETWARS、OPSIM。网络仿真还有许多热点问题，诸如:①无拥塞的安全网络;②无线传感器网络(Wirelesssensornetworks，WSN);③移动自组网(Mobileadhocnetworks，MANET);④移动智能体(Mo-bileAgent);⑤卫星网络仿真。
4)仿真网格(SimulationGrid)网格技术是一项新兴并且正在发展的技术，其核心是解决网上各种资源(如计算资源，存储资源，软件资源，数据资源等)的动态共享与协同应用。网格与仿真的结合为各类仿真应用对仿真资源的获取、使用和管理提供了巨大的空间。同时，它以崭新的理念和方法为仿真领域中诸多挑战性的难题的解决提供了技术支撑(如:仿真应用的协同开发;仿真运行的协调、安全和容错;新的资源管理机制;资源监控和负载平衡等)等。目前国外已开展了仿真与网格技术结合的研究项目，如:SF－Express基于网格技术解决资源分配和动态容错等问题;“CrossGrid”、“RTILayer”、“FederationLayer”、“Feder-ateLayer”三个层次按照HLA标准采用网格技术对RTI的实现进行研究;DS－Grid(英国伯明汉大学、诺丁汉大学和新加坡南洋技术大学的协作项目，e－Science姊妹项目)、Ness-Grid和FederationXGrid等较为系统地研究面向仿真的应用网格。当前，仿真网格技术研究的相关关键技术包括:仿真网格的体系结构和总体技术，仿真网格服务资源的动态综合管理技术，仿真领域资源等的网格化(服务化)技术，仿真网格协同建模/仿真的互操作技术，仿真网格运行的监控和优化调度技术，仿真网格应用的开发与实施技术，仿真网格的可视化服务实现技术，仿真网格的安全支撑技术，仿真网格的门户技术等。
5)云计算(CloudComputing)云计算是网格计算(GridComputing)、分布式计算(Dis-tributedComputing)、并行计算(ParallelComputing)、实用计算(UtilityComputing)、网络存储技术(NetworkStorageTechnolo-gies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(LoadBalance)等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS(软件即服务)、PaaS(平台即服务)、IaaS(基础设施即服务)、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力!云计算的第一个里程碑是，1999年Salesforce．com提出的通过一个网站向企业提供企业级的应用的概念。Google，当算是最大的云计算使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多个地点、超过100万台服务器的支撑之上，这些设施的数量正在迅猛增长。Google值得称颂的是不保守。它早已以发表学术论文的形式公开其云计算三大法宝:GFS、MapReduce和BigTable，并在美国、中国等高校开设如何进行云计算编程的课程。IBM(2007)推出了“改变游戏规则”的“蓝云”计算平台，为客户带来即买即用的云计算平台。微软紧跟云计算步伐(2008)推出了WindowsAzure操作系统，通过在互联网架构上打造新云计算平台，让Windows真正由PC延伸到Azure(蓝天)上。Azure的底层是微软全球基础服务系统，由遍布全球的第四代数据中心构成。目前，云计算的主要应用有亚马逊网站、谷歌公司、Salesforce和微软公司。
6)赛伯物理系统(Cyberphysicalsystem，CPS)CPS在美国挑战下的领先－竞争世界中居于8大关键信息技术之首。国内译作信息物理系统、智慧物理系统，并不统一，这里称之为赛伯物理系统。赛伯同计算机和自动控制有关，赛伯空间是信息化空间，显然，赛伯是信息化带来的新概念。欧洲CPS同义词是总体工程(Ensembleengineer-ing)。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C(Computation，Communication，Control)的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS将让整个世界互联起来，如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变人与物理世界的互动。CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等功能。CPS典型特征有六:①其组件可自由地动态加入和退出，能支持高度的柔性;②层次化，可满足不同层次的服务质量要求;③计算与物理成分融合，连续过程与离散事件交织，规模大小、时间跨度各异，系统通信和交互方式多变;④I/O取决于场景;⑤实现开放控制(与物理系统多层次交互);⑥高度自动、自治、协调、规模可变，且具有联邦式、分布式、开放型、可重构性及时空一致性。CPS并不排斥物联网。应该说，物联网是CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。清华大学自动化系肖田元(2010)提出一种扩展的HLA建模与仿真框架，该框架基于MDA实现CPS的建模，提出了两类新技术，一类称为资源管理联邦技术，另一类称为互配RTI技术，将目前的HLA平面结构扩展为多层结构，从而支持多层多联邦的协同并发运行，以松耦合集成的方式实现大规模、异构CPS的设计、建模与仿真。
7)普适化仿真系统(Ubiquitoussimulationsystem)普适计算是MarkWeiser(1991)提出的关于未来计算模式的构想，其目标是使由计算和通信构成的信息空间与人们生活的物理空间相融合的智能化空间，在这个智能化空间中人们可以随时随地透明地获得计算和信息服务。普适化仿真技术将实现信息空间与物理空间结合的一种新仿真模式，推动现代建模仿真研究、开发与应用进入一个崭新的时代。普适化仿真就是紧密集成计算机硬软件、通讯硬软件、各类传感器、设备、模拟器，构造使由计算和通信构成的信息空间与人们生活的物理空间相结合的普适化空间(Ubiquitousspace)，并在其中融合普适计算技术、网格计算技术与Webservice技术，让仿真进入真实系统，无缝地嵌入到日常生活事物中。面向未来复杂、异构、动态的普适计算环境，普适仿真系统应具备四个基本特征:①普及:仿真资源无所不在;②随时随地:人们可以在工作、生活的现场就可以获得仿真服务，而不需离开这个现场去端坐在一个专门的计算机面前;③自适应:仿真信息空间能以适合用户的方式提供能适应变化的计算环境的、连贯的仿真服务;④透明:用户获得仿真服务时不需要花费很多注意力，仿真服务的访问方式是十分自然的，甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互。从仿真网格体现出来的特性和优势来看，仿真网格不失为实现普适化仿真的一种很好的手段和技术途径。首先，仿真网格借助于网格技术，实现了人们生活中的各种软、硬件仿真资源的服务化，为用户屏蔽了复杂、异构的普适计算环境，使得仿真资源无所不在，解决了“普及”的问题。其次，网格技术使得仿真应用的终端延伸到了网络的每一个角落，彻底摆脱了时间和空间的束缚，人们通过使用任何(有线\无线、移动\固定的)联网设备，就可以访问网格环境中的仿真资源和服务，满足了对“随时随地”的需求。但是，动态、复杂、异构的普适仿真环境对仿真网格提出了更高的要求。首先，对于计算资源、用户终端的移动，网络连接的不稳定，网络带宽的限制这些普适计算环境中常见的问题，仿真网格还需要研究更好的解决策略。复杂而变化的普适计算环境对仿真网格的自适应能力提出了更高的要求。其次，仿真网格仍然没有摆脱“桌面计算模式”，即仿真信息空间和物理空间是隔离的。如果在仿真网格中引入普适计算技术，将很好的满足普适仿真环境对仿真网格在移动性、自适应性、动态容错性、人机交互模式上的新需求，使得仿真信息空间能以适合用户的方式提供能适应变化的仿真环境和连贯的仿真服务。结合网格技术和普适计算技术的普适化仿真网格技术将成为网络化建模仿真研究应用关注的新焦点。在国内外都处于探讨和起步阶段。普适化仿真网格还存在很多有待进一步研究的问题。例如普适化仿真网格中的安全机制，与传感器网络的无缝集成，仿真任务的动态管理，普适计算环境下仿真服务的动态发现，支持自适应的仿真资源动态配置，仿真服务的动态组合调度，面向普适计算的仿真网格终端，蕴含式人机交互模式和智能感知接口，普适化仿真网格的应用模式等。随着普适计算技术的发展和仿真网格应用规模、范围的扩展，普适化仿真网格的技术内涵和外延也将得到进一步的丰富和提升。
4结束语
分布式交互仿真技术篇2
关键词:高层体系结构;数据过滤;声明管理;数据分发管理;区域匹配
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)31-pppp-0c
Data Filtering Mechanism in High Level Architecture
ZHANG Ji-fu1, DENG Hua2
(1.Military Simulation Technology Institute, Air Force Aviation University, ChangChun 130022, China; 2.Dept. of Computer, Air Force Aviation University, ChangChun 130022, China)
Abstract: High Level Architecture is the technique frame and integrate standard of distributed interactive simulation technology. It provide a data filtering mechanism to decide what information can be can generated, send and received by each simulation application. The data filtering mechanism can effectively improve the whole simulation system scalability. It's realized by Declaration Management and Data Distribution Management. The article detailed analysis of the basic principles of the mechanism based on a depth study of HLA filtering mechanism, then presented the specific implementations of the mechanism through its typical algorithms.
Key words: high level architecture(HLA); data filtering; declaration management; data distributed management; regions matching
HLA(High Level Architecture,高层体系结构)是分布式仿真的一种技术框架和集成标准,它在本质上是人为定义的一种软件体系结构。我们通常可以把HLA看作是一个总线,所有小的仿真系统都向它接入,从而形成一个更大规模的仿真系统,同时HLA还帮助实现了整个系统的扩展。
HLA对分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation,DIS)最大的改进就体现在整个仿真系统的可扩展性上。DIS由于先天设计上的原因,不适合大规模的仿真应用,而HLA则在设计伊始就将大规模仿真应用作为其设计目标之一。同DIS所采用的广播式的数据交换方法不同,HLA对参与到整个仿真系统中的单独的仿真应用的数据发送和接收都进行了规定,换句话说就是提供了一种数据过滤机制来判断每个仿真应用可以产生什么样的信息,发送什么样的信息,接收什么样的信息等等,进而将无用的信息过滤掉,减少网络流量。这种数据过滤机制的具体实现就是声明管理(Declaration Management,DM)和数据分发管理(Data Distributed Management,DDM)。
DM和DDM可以看作是从“类”和“值”两个方面对数据进行过滤。从“类”的方面进行数据过滤是指:盟员通过DM订购一个对象类的属性值或一个交互类,则RTI(Run Time Infrastructure,运行支撑环境,可以看作是HLA规范的具体实现)将保证该盟员只接收到HLA联盟中订购对象类的所有对象的属性值和属于订购交互类的所有交互,且不传送给盟员它没有订购的信息;从“值”的方面进行数据过滤是指:盟员基于公布的属性值的特征有选择地接收订购的属性值,这种接收的前提是该属性值必须是已用DM订购的属性值。通过上面这段描述我们可以发现,DDM实际上是在建立在DM基础上的一种更为精确的数据过滤机制。
1 DM的数据过滤原理
声明管理DM是HLA中的一种普适方法,也是每个基于HLA的仿真应用中都会用到的数据过滤方式。当一个盟员要加入某个联盟时,必须首先公布它可能产生的对象类和交互类,同时还要订购它感兴趣的对象类和交换类,这种公布和订购就是“声明”。盟员将“声明”传送给RTI,再由RTI来安排数据的路由和转发。当联盟通知一个盟员已经没有其他盟员订购它所公布的某项数据时,该盟员就停止向网络发送这项数据,由此降低了网络中的通信流量。
在对象类和交互类的公布/订购过程中有一个差别,就是对于对象类,盟员可以公布/订购其有效属性的子集,而对于交互类,盟员必须公布/订购整个交换类。通过这种数据过滤机制得到的数据并不仅仅是特定对象实例的更新值,还可能包括其他对象实例的更新值,因此这种过滤机制仅适用于规模较小的联盟或每一类对象实例数量较少的联盟,而对于大规模的仿真应用,这种方法的过滤效果就非常有限,故而我们还需要采用更精确的数据过滤机制。
2 DDM的数据过滤原理
同DM的普适性相比,数据分发管理DDM则具有明显的针对性,它是针对仿真中的某些特定需求而提出的一种数据过滤机制。举个例子,在一个大规模的分布式空战对抗仿真系统中,对于每一个单独的飞行仿真系统来说,其他飞行仿真系统的空情数据都是它感兴趣的数据,但是实际上只有一定范围内的空情数据是有效的,那些模拟较远距离飞机的数据或某些无法获知的数据在仿真过程中是没有必要传送的(见图1),DDM的作用就是将这些没有必要传送的数据尽可能的过滤掉。这种数据过滤的实质就是把每个盟员对于数据传输的需求精确化,这样就可以减少无用数据的传输和接收,进而减少网络中的数据流量,提高仿真系统运行效率。
要了解DDM的数据过滤原理,首先要了解几个概念。在DDM中定义了路径空间(Routing Space)的概念,它是一个多维的坐标系统,这个坐标系统的“维”可以是直观的坐标概念,如长度、宽度和高度构成的三维空间;也可以是抽象的人造坐标,如火力、速度、载重量和毁伤概率构成的四维空间。每个盟员都可以定义路由空间,定义一个路径空间,就等于是定义了接收和发送数据的范围,然后盟员在这个数据范围内指出它能够公布和希望订购的数据范围,由这个相对较小的范围构成路径空间的子空间,这就是区域(Regions)。区域是DDM的重要概念,DDM的核心问题就是如何进行区域匹配。所谓区域匹配,就是通过对所有盟员所属区域的扫描,将公布区域和订购区域进行匹配计算,再由RTI决定是否在发送者和接收者之间建立连接,在它们之间传输数据。
需要注意的是,在HLA最新的标准IEEE1516中取消了路径空间的概念,该标准将所有的维都定义在一个空间下,区域的概念改为区域集(Regions Sets),由对区域的匹配改为对区域集的匹配。但是在本质上,新旧标准是一致的,并不影响我们对算法的研究。这种变化实际上是对DDM机制的一种简化,但是由于去掉了只有在同一路径空间里的区域才能进行匹配的限制,每个盟员的各种类属性和交互类都直接与公共空间的维集合相关联,使得该标准中的DDM具有更强的灵活性和更好的可扩展性。
3 数据过滤的实现方法
常见的数据过滤主要有两种实现方法:基于区域的匹配法和基于网格的匹配法。
基于区域的匹配法(Regions-Matching)也称完全匹配法,即把每个公布区域和所有的订购区域都进行匹配计算。这是最基本的数据过滤方法,过滤效果最好,但是计算开销也最大,在较大规模的仿真系统中多不采用这种方法。
基于网格的匹配法(Grid-Matching)是现在很多分布式仿真系统经常采用的一种方法。为了说明这种实现方法,首先回顾一下前面提到的分布式空战对抗仿真系统。我们可以将该仿真系统设定的整个空域对应为一个三维的路径空间,然后将路径空间等分成若干小块,每个小块也是三维的,这个小块就是网格(Grid)。每个参与到该仿真系统的单个飞行仿真系统,作为盟员将自己的公布区域和订购区域映射到网格上,由计算区域是否匹配改为计算区域所属的网格是否匹配,只有身处于同一个网格的两个飞行仿真系统才可以进行数据交互(见图2),这样就可以避免将前文列举到的冗余数据到网络中。在基于网格匹配法的具体实现上,其过滤效果受到区域重叠率、组播地址利用率以及网格尺寸等多种因素的影响,如果安排不当,反而可能降低网络带宽利用率,目前还没有一种公认完善的机制能够保证合理的设计网格。
针对网格法存在的问题,现在提出了很多改良方法,如基于最优网格的匹配法(Best-Grid Matching),基于多层次网格的匹配法(Multilayer-Grid Matching),基于动态网格的匹配法(Dynamic-Grid Matching)等等。这些算法的改进焦点多集中在如何选取合适的网格尺寸,如何动态调整网格尺寸以及如何动态分配组播地址等方面。当前对于数据过滤机制的研究内容也主要集中在这些问题上面。
除了对网格法进行改进之外,很多学者也从其他思路提出了一些新的匹配算法,如基于排序的匹配法(Sort-Matching),基于树型结构的匹配法(Tree-Matching)等。这些方法实质上是通过选取某种合适的数据结构来安排公布和订购区域的匹配顺序,来达到提高数据过滤效率的目的。有的算法还只是停留在概念上,需要更深入的研究和进一步的验证。
随着人工智能技术的兴起,鉴于智能Agent技术在描述复杂现象、研究复杂系统领域表现出的巨大优势,人们将Agent技术引入HLA的数据过滤中来,产生了基于Agent的数据过滤方式,这种方法的应用过程是首先利用智能Agent建模方法对盟员进行建模,然后在盟员和RTI之间嵌入一个Agent通信控制层,由这个控制层作为盟员与RTI通信的中介(见图3),完成数据过滤工作。
4 结束语
HLA的数据过滤机制尚在不断完善过程中,这种数据过滤机制可以限制数据只流向联盟中需要的盟员,这是提高仿真系统可扩展性的关键。由于盟员的公布内容和定购内容都是动态变化的,如何通过优化算法等方式主动的改变公布/订购盟员感兴趣的属性,而不是被动的依赖盟员的公布内容和订购内容调整属性,一直是数据过滤机制的研究热点,这也是今后HLA领域的重要研究方向。
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(上接第8697页)
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分布式交互仿真技术篇3
关键词：分布式系统，综合化，动态化，前期仿真
0.引言
智能建筑的基本问题实质上是信息、资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理。它实现的核心是系统集成，也就是说通过系统集成实现综合共享，提高服务质量和工作效率，达到多快、好省和高效的目的。然而，随着社会信息化进程的日益发展和受人们对经济日益国际化趋势的认同，智能建筑必将呈现出新的态势，这种态势体现在进行系统集成的同时，考虑建筑物的异构性、分布性、动态性和碎片性等因素的影响下，应充分体现系统的分布化、综合化、动态化和智能化，这是建筑智能化进程中一个必须重视的战略性问题。另外，任何工程对方案的考核是至关重要的，就智能大厦而言，对方案的考核是一个不容忽视的问题，所以对设计方案的前期仿真很有必要。
1.一体集成的分布化
智能大厦的系统一体化集成实质上是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种集成的基础上的一门高新技术。智能一体化集成化的本质是计算机网络的管理。传统的集成式网络管理系统难以适应网络规模日益扩大、网络元素日益复杂的楼宇智能化要求，需要引入分布式管理方法。
分布式管理就是将管理的功能合理地分布于多个管理实体，以便有效、及时地对网络资源进行监视、约束和控制，提高响应效率和扩展功能，更好地实现网络管理目标。一个实际的网络系统，可以根据管理的需要，按照地域、功能子系统、网络等定义相对独立的管理域并选定其管理者；各管理域通过管理者的交互实现全局管理目标。管理者之间的交互有两种结构：层次的和全分布的。层次结构是通过上层管理者与下层管理者的交互来完成各管理域的管理者之间的协调。全分布式结构是一种对等结构，采用该方式的管理者之间能直接对等通信。一个实际的应用系统，管理的分布化的过程就是将管理应用功能由集中式客户机/服务器（Client/Server）模式转移到分布式计算平台的过程。分布式计算平台的目标是实现跨平台资源的透明互操作和协同计算。
当前支持分布式计算主要有两类环境：基于过程的分布式计算和面向对象的分布式计算。目前的主流是后一类。如基于CORBA（CommonObject Request Broker Architecture，公共对象请求体系结构）和Java的计算，它们采用面向对象的技术，提供对象式的应用编程接口，主要是针对重用和异构环境下的操作问题，这对相对庞大和复杂的智能大厦系统是非常适用的，目前CORBA技术已引起业界的关注和重视[5]。CORBA是一个开放式跨平台的、语言独立的分布式标准，它引入的概念屏蔽了下层的网络传输，利用面向对象概念，实现分布式应用软件的可重用性和可扩展性，既大大简化了分布式应用系统的开发和维护，又便于异构环境下的集成，具有更高的可用性和可靠性的优点。目前遵从CORBA规范的产品主要有Inprise公司的VisiBroker,IONA公司的Orbix,Digital公司的ObjectBroker,IBM公司的Component Broker等，将基于面向对象的分布式计算技术引入智能建筑是顺应技术潮流的，同时它应是甲乙类智能建筑的技术要求。
另外，分布式管理系统更容易实现大厦的智能化，不仅能实现管理的并行性和分布性，而且具有对管理活动的全过程进行多目标、多因素、多阶段、多层次的协调，实现管理系统的整体协调和全局优化。
2.一体集成的综合化
网络是建筑物智能化的基础，系统一体化是以网络为支撑的，网络信息来源于不同实体，随着智能建筑的不断深化，被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的数量、对象的种类、组织的异构性、物理分布、参与组织的单元的数量、服务综合的程度等，这时，由传统的相对单一的网络管理扩展为基于分布化的网络综合管理是环境的必然要求。
环境是系统存在、变化、发展的外部条件；系统与环境相互作用、相互影响，进行信息、能量或物质的交换。
综合管理是指确保系统的所有资源根据其目的而有效运营的所有手段，它是系统与环境相统一的产物。有关综合管理的平台也在不断涌现和改进，如基于事件（event）的驱动轮询方案，基于CORBA平台的方案。论文大全。
3.一体集成的动态性
事物的发展是m相对稳定的，在相对稳定的情况下，随着环境的需要仍在不断的发展和完善。智能建筑系统一体化集成的动态性是基于分布式的管理系统，也只有分布式的管理系统才能更好地实现其动态化。
动态化有两个含义：其一是故障的检测与动态重组恢复；其二是系统具有可扩展性。分布式系统具有故障诊断软件包，采用互查技术来检测系统发生故障的部位，并进行处理，动态地分配或重组系统，使系统工作于可靠状态。分布式系统采用并行处理技术，可满足智能大厦分阶段建筑使用的要求，边组织，边开通，从而减少了一次性开通的难度和避免了一次性投资的方式。另外分布式系统的硬件和软件都是模块化的，模块的连接嵌入比较方便，能够很好地配合日益扩大的系统需求，便于提高和完善系统的性能，保障了系统的动态先进性。系统的动态化要求使用动态的管理策略，由于Java和CORBA的迅速发展，动态管理技术也在日趋成熟。
4.前期仿真
智能大厦的建设除了要达到预期的目标，即提供安全、舒适、快捷的优质服务，建立先进、科学的综合管理机制，节省能源和降低成本，还要达到系统的优化配置以减少投资。这就需要在工程实施前对系统设计的基本要求和功能进行考核，以便查漏补缺和修正。论文大全。另外，因为智能大厦的网络集成不同于研究试验网，网络系统可靠性、开放性等要素对大厦的智能化管理和提高运行效率具有十分重要的意义，所以，对智能大厦的前期仿真就显得不仅十分必要而且十分重要。
由美国的Cleve和Moler博士在1980年前后创立的、正在蓬勃发展的Matlab为系统的动态仿真提供了良好的环境。Matlab的家族成员之一的Simulink为系统的仿真更是提供了极大的方便，综合其它软件的使用可以使该软件在智能建筑的CAD中发挥更大的作用；此软件也能为其它软件提供良好的接口，便于SynchroHome等智能化集成系统软件的调用。论文大全。该软件有两个明显的功能；连接与仿真。首先利用鼠标在模型窗口上画出所需的系统模型。然后利用软件提供的功能对系统直接进行仿真，在系统的任何节点上可以输出波形，从而更好地监控系统的工作过程，并实时地对系统模型进行修改以达到预期目的。这种思想和方法适合于智能大厦一体化集成的仿真与分析，相信基于Simulink的仿真技术必将在智能建筑的CAD中打开一个崭新的局面。
5.结论
通过以上分析可见，随着智能大厦进程的不断加快和深化，随着“数字城市”和“数字地球”研究的不断深入，智能大厦系统集成的主要趋势将是分布化、综合化、动态化，它们之间的关系是相辅和承和互相促进的；同时由于智能大厦的建设是一种投资行为，对其进行前期仿真是十分必要性。
分布式交互仿真技术篇4
利用计算机仿真与实兵训练相结合的方法进行综合训练是提高训练效果和节省训练经费的有效途径。近年来，世界发达国家十分重视这种综合训练方法和技术的发展和应用，美军从20世纪90年代开始采用LVC方法进行综合训练，并在随后的多次联合演习中证明了这种方法的有效性。2008年美军了LVC体系架构路线图(LVCAR)，用于指导未来的LVC体系结构建设［1－2］。LVC定义如下:L(Live)，实兵训练，真实的人操作真实的系统。表现为传统的实兵演习、首长机关的作业演习以及训练靶场的武器装备作战试验等。V(VirtualSimulation)，虚拟模拟，真实的人操作虚拟的系统。表现为决策指挥训练以及模拟器技能训练等。C(ConstructiveSimulation)，推演模拟，虚拟的人操纵虚拟的系统。表现为计算机兵棋推演、计算机作战模拟和武器装备系统仿真等［3－6］。LVC训练方法结合实兵训练、虚拟模拟和推演模拟三种训练样式的优势，是一种发挥不同训练样式优点的综合训练方法。为了支持LVC训练，美军联合作战司令部提出组建JLVC联邦作为LVC训练的技术支撑环境。JLVC联邦是由多个推演仿真系统、C4I系统、接口以及模拟器组成的分布式系统，可以将实兵训练系统、虚拟模拟系统和推演模拟系统互连起来运行，共同支持LVC训练。JLVC联邦采用了较为开放系统体系架构，兼容吸纳多种技术体系，并制定和遵从了一系列的数据交换标准，解决了一系列异构系统互连运行问题［7］。了解美军JLVC联邦构建的背景、发展过程和现状，剖析其组成和体系结构，总结其特点，对于我军发展训练仿真系统和探索大规模综合训练具有极其重要的借鉴价值。
2JLVC联邦的背景、发展和现状
自二十世纪七十年代美军采用计算机仿真进行训练以来，支持美军训练的仿真系统大致经历了以下几个阶段:1)独立的仿真系统阶段。20世纪70年代，出于节省经费、减少伤亡和保护环境等原因，计算机仿真技术开始大量应用于军事训练，美军各军种各部门针对自身的训练需要各自上马项目，建成了一系列的虚拟模拟和推演模拟系统［8］。2)DIS技术体系阶段。1983年美国国防部高级研究计划署制订了SIMNET计划，将分散在异地的地面装甲车辆仿真器通过网络连接起来，进行协同作战训练。在此基础上，美国国防部和工业部门共同发展建立在异构网络互连基础上的分布式交互仿真技术，形成了DIS2．X系列标准，随后DIS2．X标准被多个项目采用。3)ALSP技术体系阶段。20世纪90年代初，为了将聚合级兵力仿真系统互连起来，美军又推出了ALSP，后采用该协议将美军多个部门的仿真系统联合起来，组建了著名的JTC(JointTrainingConference)。4)HLA技术体系阶段。1995年，为了促进所有类型的模型与仿真之间，以及它们与C4I系统之间的互操作性，促进仿真与建模部件的可重用性，美国国防部提出了HLA规范，要求各军兵种开发的用于不同领域的仿真应用都必须遵循HLA规范，并且表示对于2001年以后研发的系统，将不再提供除HLA标准以外的经费支持。5)混合技术体系阶段。虽然美军一再强调采用HLA标准来规范所有的训练仿真系统，但实际发展情况却是部分系统继续使用原来的标准和协议，同时不断有新的技术标准产生，这些原因最终使得美军期望通过HLA来规范所有仿真系统这一目标无法实现，其中美军著名的JSIMS(JointSimu-lationSystem)项目也由于项目过于庞大且协调难度太大而中途叫停。20世纪90年代末，美军在靶场训练领域提出了TENA(TestandTrainingEnablingArchitecture)［9－12］，TENA针对特有的靶场试验和训练，支持DIS、HLA和CORBA等多种标准和协议，是一种较为开发的技术体系，灵活性和适用性都较强，通过美军多次联合试验和训练活动，证明了TENA为靶场试验和训练起到了重要的支撑作用。本世纪初，出于对训练效果和训练经费综合考虑，美军开始采用LVC训练方式来对联合作战人员进行训练。LVC训练方式对采用不同技术体系的实兵系统和仿真系统互连提出了要求，美军联合作战司令部借鉴TENA灵活开放的体系架构，通过搭建JLVC联邦来支持LVC训练。JLVC联邦采用混合技术体系，包括DIS、HLA和TENA等多种技术体系。2002年6月24日至8月15日，美军进行了具有里程碑意义的“千年挑战2002”(“MC2002”)演习。此次演习中，美军第一次采用了类JLVC联邦的环境来支撑演习，有9个地点采用实兵演习，17个地点采用计算机推演模拟。通过此次演习，美军发现在部队地域分散和演习经费有限的情况下，推演仿真系统能为组织大规模实兵演习起到粘合剂的作用，能消除各个实兵演习场所之间的存在的界限，肯定了LVC训练方法的效果。随后，JNTC(JointNationalTrainingCapa-bility)项目开始进一步推动LVC训练方式进行演习，大力支持JLVC联邦建设。为了达到此目的，JNTC开发团队开始设计一个可灵活裁剪、可升级改进的JLVC联邦，以适应不同的目的和需求。截止到2010年，美军联合作战司令部已经采用JLVC联邦支持军种和战斗司令部进行了近5年的训练。最初的JLVC联邦只是用于JNTC组织的一些展示性的演习中用于展示联合实兵演习、模拟器和推演仿真系统的能力，随后为了支持更多的演习，JLVC联邦做了大量的改造工作，包括:1)将真实的C4I系统作为联邦的一部分集成到JLVC联邦中，为联合战役指挥员提供战训一致的C4I系统。2)将各个军种使用的主要仿真系统加入到JLVC联邦，构建一个虚拟的综合战争空间，为联合作战训练提供后台模型计算支持。3)将各种武器装备的模拟器进行集成，包括激光交战系统、飞机模拟座舱等模拟器、推演仿真系统等，使得各种模拟器和模拟训练环境共同组成一个虚拟的综合战争空间。4)将各邦员建立在分布式的架构基础之上，邦员不仅能单独使用，而且能够统一集成联合应用，使得系统具有良好的灵活性和自由组合性。经过美军多次演习的应用证明，LVC训练方法在对各级联合作战人员训练上兼顾了训练效果和经费节约，取得了良好的效果。从目前的情况看，美军联合作战司令部将继续发展LVC训练方式，并且鼓励更多的推演仿真系统加入JLVC联邦。
3JLVC联邦系统体系结构
3．1JLVC联邦概念模型JLVC联邦概念模型是指导JLVC联邦开发的基础。在JLVC联邦概念模型中，描述了JLVC联邦与所依赖的数据服务、组织机构、各项标准以及认证的关系，也描述了JLVC联邦和各种数据消息标准与基础技术支撑体系之间的关系，另外还包括JLVC的各项组成部分，如图1所示。可以看出，JLVC联邦是由推演仿真系统、模拟器、基础设施、工具、接口、程序和文档共同组成的综合性训练支撑环境;在实现上依靠各种设计团队、开发团队、实施团队和学术团队的共同支持，参考了一系列的公共标准和领域认证，并遵循了DIS、HLA和TENA等技术体系标准。
3．2JLVC联邦的组成JLVC联邦主要由推演仿真系统、分布式仿真支撑技术体系、实兵演习环境、基础网络通信设施以及C4I系统接口组成，如图2所示。1)推演仿真系统。目前，JLVC联邦集成了美军各军种现有的部分推演仿真系统成果，包括:联合冲突与战术仿真系统(JCATS)，负责仿真地面作战和特种作战行动;空战仿真系统(AWSIM)，负责仿真空战行动;联合半自动兵力系统(JSAF)，负责仿真海战行动;空天信息作战推演仿真系统(ACEIOS)、战术仿真系统(TACSIM)和国家下一代兵棋仿真系统(NWARSNG)，负责仿真情报相关行动;联合部署后期模型系统(JDLM)，负责仿真后勤行动。通过这些模型的联合运行，构建一个虚拟综合战争空间，当指挥员在指挥所通过真实的C4I系统输入作战命令后，由这些仿真系统共同完成各种行动在虚拟战争空间中的计算，然后再将结果通过C4I系统反馈给指挥员。2)分布式仿真支撑技术体系。分布式仿真支撑技术体系为实兵训练、虚拟模拟和推演模拟之间进行互连互操作提供基础技术支撑、统一通信协议和一致的消息标准格式，是实现JLVC联邦运行的技术标准。为了将不同技术体系下的各种系统连接起来共同运行，JLVC联邦采取较为灵活开放的方式，吸纳了多种技术体系，包括HLA、DIS、TENA、Over－the－HorizonTargetingGOLD、Link16、USMTF(UnitedStatesMessageTextFormat)。JLVC联邦通过遵循这些协议和标，将分布在不同地方的推演仿真系统和虚拟模拟器连接起来，共同支持LVC训练。3)实兵演习环境。美军非常重视实兵演习在训练中的地位，包括联合战役指挥层面和战术行动层面的训练，认为这种实兵演习的地位是不可替代的。在JLVC联邦中，实兵演习环境备作为重要的组成部分被纳入到整个联邦之中，在指挥方面有全球联合指挥控制系统(GCCS)，在行动方面有陆、海、空各军种战术训练靶场和各种武器装备模拟器。4)基础网络通信设施。基础网络通信设施为LVC训练提供基础的网络通信硬件支撑环境，是JLVC联邦中重要的硬件组成部分。依靠基础网络通信设施，JLVC联邦将分布在异地的各仿真系统和指挥系统连接起来。目前，JLVC联邦网络通信依托的是联合训练实验网络(JTEN)。5)C4I系统接口。JLVC联邦中集成C4I系统，目的是为各级指挥员提供真实的指挥平台。通过与C4I系统的接口，JLVC联邦中的模型与C4I系统连接起来，共同支撑演习训练。与C4I系统的接口主要包括各种不同系统之间的数据转化接口、通信接口以及实现不同技术体系下各种系统之间交互的各种网关。
3．3JLVC联邦的模型体系结构JLVC联邦的模型体系是一个开放的可裁剪的体系，可以根据不同演习需要，面向不同的训练对象，灵活地组建训练联邦用于支撑不同的训练任务。因此，JLVC联邦的模型体系没有一个固定的结构，图3是一个由核心推演仿真系统组成的JLVC模型体系结构示意图。可以看出，JLVC联邦包括了美军诸军种多个层次的仿真系统，连接的方式也比较灵活，采用了HLA/RTI、DIS等多种方式连接。
3．4JLVC联邦的C4I系统体系结构在LVC训练中，战役层次的受训者一般位于司令部或指挥所，通过C4I系统来获取战场实时态势和进行战役指挥。JLVC联邦为了实现对指挥员和指挥机关人员的训练，要求推演模拟的结果与C4I系统进行无缝连接，将模拟推演的结果通过C4I系统以逼真的作战指挥方式发送给指挥员和机关参谋人员，同时指挥员也是通过C4I系统进行指挥命令下达，逻辑上指挥员和指挥机关人员感觉不到后台的仿真系统。对于美军来说，这些C4I系统包括实时战场态势信息系统、战术数据链信息情报收集系统、数据库系统、作战计划拟制系统、决策支持系统、后勤交通系统和指挥协同工具等。JLVC联邦采用接口来将仿真系统的数据转换到C4I系统中。对美军来说，GCCS是C4I系统的核心组成部分，也是通用战役视图(COP)的主要支持系统。COP的目标是让所有战役指挥人员能共享同一战场态势图，包括:各方海陆空以及水下目标的实时位置和状态;各方海陆空以及水下目标计划机动信息;可能对作战产生影响的自然环境状况;作战计划、作战区域和飞行轨迹描绘等各种作战要素和规划;其他可能对作战产生影响的政治信息、重大事件和财务信息等［13］。为了实现仿真系统和C4I系统共同对LVC训练进行支撑，JLVC联邦需要将各个仿真系统产生的数据转入COP和CTP，供指挥员训练使用。为此，JLVC要求各个仿真系统必须按照所指定的标准产生数据，并将数据通过网关或者转化器转入到COP中，包括一系列的数据协议和信息交换标准，其体系结构如图4所示。
3．5JLVC联邦的基础数据服务为了使得JLVC联邦中的各邦员能拥有统一的数据视图，JLVC联邦提供了联合训练数据服务(JointTrainingDataService，JTDS)服务。JTDS采用Web方式提供想定数据生成服务，主要提供三大类数据服务:作战力量编程数据服务(OrderofBattleService，OBS)，该项服务为所有加邦的仿真系统提供统一的权威的作战力量编程数据服务。它采用中间数据格式XML生成想定数据，支持数据分布式编辑、确认以及数据回滚，支持基于WebService的权威数据，也支持根据想定灵活地按需获取数据。地形数据生成服务(TerrainGenerationService，TGS)，该服务为所有加邦的仿真系统提供统一权威的地图数据服务，支持多种标准格式的地图数据导入，同时支持JCATS(JointConflictandTacticalSimulation)和JTLS(JointTheaterLevelSimulation)格式的地图数据库输出。在生成地图数据时，TGS根据地图数据量的大小，地图的处理时间不等，通常需要数小时，当数据准备好时，TGS会通知用户，然后用户可以通过JTDS的入口进入获取相应的文件。气象数据服务(WeatherService，WS)。JLVC通过环境想定生成器来生成想定中的环境数据，然后通过环境数据块支持系统将这些生成的数据按照各个联邦需要的格式分别发放。发放的方式一种是直接发放给各推演仿真系统，另一种是通过采用邦员的形式加邦，通过数据交互的形式进行间接发放［7］［14］。
4JLVC联邦的主要特点
1)一致性。LVC训练方式从发展之初就非常强调战训一致、贴近实战的理念，认为各级作战人员的训练必须以真实作战的方式来感知战场态势和采取行动措施，才能达到训练的效果，即对于战役指挥员来说，接入的C4I系统应该与实际作战时使用的C4I系统一致，而战术执行人员应该在近似于实战的战场环境中进行实兵训练，美军认为只有这样才能使得各级联合作战人员得到贴近实战的训练，从而真正达到训练联合作战人员的效果，否则训练将会是徒劳无用甚至会产生副作用。为此，JLVC联邦在设计实现上特别强调接入的C4I系统就是实际作战的C4I系统。
2)层次性。LVC训练强调不同层次训练重点不同，手段不同，也就是战役指挥员需要通过真实的传感器和C4I系统去感知战场态势和进行作战指挥，而战术执行人员应在真实作战环境中进行实兵训练，层次不同，使用的系统不同，训练的环境不同。对此，JLVC联邦在建立时，不仅考虑了战役指挥层次的C4I系统接入，也考虑到将实兵演习的环境、系统和设备接入，特别是陆、海、空各军种战术训练靶场和各种武器装备模拟器的接入。
3)灵活性。LVC是一种训练方法，可以针对不同的想定内容，用于各军种训练和大规模联合战役训练。JLVC联邦作为支持这种方法的技术环境，支持根据不同的想定加载不同的训练内容。为此，JLVC联邦的模型体系采用的是一个开放的可裁剪的结构，可以根据不同演习需要，面向不同的训练对象，灵活地组建训练联邦用于支撑不同的训练任务，是一个面向不同训练目标，灵活组构即插即用的通用技术框架，而不是只是针对某一次演习训练而开发的特定应用系统。4)开放性。从美军近三十年训练仿真系统的发展历史可以看出，具有开放体系架构是系统生存、延续和发展的关键因素。JLVC联邦从设计之初就借鉴了美军多个大型系统开发的经验教训，从实现上考虑采用开放的技术体系结构，不拘泥于具体技术体系，并且注重继承原有成果和吸纳新的工程技术成果，使得整个系统能够随着技术的发展而得到不停地改进和完善。
5结论
分布式交互仿真技术篇5
【关键词】计算机；仿真技术；发展；应用
1计算机仿真技术简介
随着计算机技术的发展，计算机仿真成为可能，使用专门的软件，借助多媒体技术可以给人身临其境的感觉。仿真技术的发展，很大程度上得益于控制工程技术的发展，在控制工程中需要使用计算机进行仿真实验。计算机仿真技术的应用能够加快产品开发周期，提高产品质量，提高工作效率，减少经费开支。
2计算机仿真技术原理
通常情况下，计算机不能够对外界信息进行认知，因此需要建立相应的数学模型来反映事物的本质特点。通过数学模型能够清楚地反映出研究对象的特点，通过模型转换，使用计算机算法等将数学模型转化成计算机能够处理的形式，也即建立仿真模型。仿真模型是计算机仿真的关键，再进行仿真实验，通过仿真实验对之前设置好的模型进行模拟，获得仿真结果。对仿真实验的结果进行评价通常采用反向验证和置信通道法。
3计算机仿真技术应用
随着信息技术的发展，计算机仿真技术得到了广泛的应用，改变着传统的生产生活方式。计算机仿真在交通工程、制造领域、教育领域等都得到了较好的应用。
3.1交通领域
人和车辆是交通的主要组成部分，要考虑安全的前提下，提高交通效果。交通安全仿真通过虚拟技术，增加各种诱发因素，进而对某一路段的交通安全情况进行评价。计算机仿真可以有效地对交通安全进性评价。仿真过程能够实现可视化操作，能够更加直观地进行分析，不同于传统的数值仿真。比如，对某路段进行交通安全评价时，传统的绝对数和事故率方法可以进行评价，还可以在虚拟环境中设置不同的交通工具，考虑人的行为感知的情况下，进行评价。
3.2制造领域
制造业是国家的第二产业，对各行各业影响深远，汽车制造是制造业的重要组成部分。实验课题难度大，成本高。计算机仿真可以很好地解决这个问题，比如对碰撞试验来说，通过建立相应的数学模型，可以对实验过程进行模拟。
3.3教育领域
使用计算机进行模拟仿真分析已经成为当前重要的研究方法，在教学模拟实验中，采用多媒体可以很好地提高教学水平。计算机模拟实验能够在相关实验设计思想和方法的指导下，改变传统教与学、理论与实践的关系，发挥研究人员的主动性。计算机仿真模拟可以加深对相关理论的理解，提高实验水平。
3.4计算机仿真技术在其他领域的应用
计算机不仅仅在交通、制造、教育领域得到大量应用，在军事领域、消防、音乐等领域均有较广泛的应用。通过计算机仿真，可以使用模拟驾驶器进行模拟，从而降低战机、战车、燃油的损耗，在进行军事武器研发时，可以缩短研发周期，降低研发成本。计算机仿真在消防中的应用，可以对现场的温度、空气流动速度、火荷载、逃生路线等进行模拟，从而提高应对突发事件的能力，提高设计科学性。
4计算机仿真技术的发展方向和趋势
4.1计算机仿真技术发展方向
网络化仿真。仿真系统开发兼容性不强、开始周期长，费用昂贵，难以实现信息共享，随着计算机技术和网络技术的发展，计算机仿真技术取得了较大水平的提高。利用网络技术的优势，可以实现仿真系统共享。系统的网络共享能够提高资源的利用效率，避免不必要的重复开发，减少科研经费。虚拟制造技术。虚拟制造技术发挥计算机仿真技术的虚拟现实技术的优势，使用计算机完成对产品的管理和控制，虚拟制造技术已经成为计算机仿真技术发展的重要方向。
4.2计算机仿真技术发展趋势
随着计算机技术和仿真技术的发展，仿真技术很好地解决了各学科发展中的问题，很大程度上提高了工作效率，更加形象直观地进行仿真实验，节约了产品开发周期，降低了开发成本，提高了产品质量。计算机软硬件性能得到了较大水平的提高，进一步促进了仿真技术的发展。仿真技术主要朝着面向对象的仿真建模、分布式仿真、智能仿真等方向发展。
4.2.1面向对象仿真建模发挥计算机的符号处理能力，可以提高人们对仿真对象的认知速度，与传统的人工建模有着较大的进步。面向对象的仿真建模，可以最大程度提高系统的建模能力。此外，面向对象的仿真建模操作难度小，更容易使用，可以发挥仿真技术的优势。
4.2.2分布式仿真分布式仿真将不同分布位置的计算机通过网络进行连接，形成时间空间相互祸合虚拟仿真环境。分布式仿真系统由几个子模型组成。部分是仿真系统中，主要有动态、静态数据分割技术、功能分割技术等。
4.2.3智能仿真在仿真的不同阶段引入知识表达和处理技术，可以缩短仿真建模时间，提高模型效率，帮助用户做出最优决策，及时修正模型，界面更加智能化，增加仿真系统的寻优能力。
4.2.4其他仿真一些仿真可以实现高度的可视化，对仿真过程进行形象展示，便于研究人员真实地对仿真过程进行分析，易于理解。动画仿真能够将声音、视图等元素加入其中，交互性更强。
5结语
计算机仿真伴随着其他学科的发展而快速发展，随着计算机技术的快速发展，计算机仿真技术很好滴解决了其他学科的问题。计算机仿真经历了从简单的原型到物理模型，再到今天的动态显示仿真过程，并可实现可视化操作。多媒体技术、人工智能、可视化等技术同仿真技术的结合，仿真技术的发展和应用将更加广泛。在不远的将来，计算机仿真技术在生产生活中会发挥更大的作用，促进社会经济的发展。
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分布式交互仿真技术篇6
关键词：可视化仿真 GIS 地下洞室群 施工导截流 大坝 施工总布置
一、研究背景
水利水电工程往往规模大、投资多、施工难度大，因而在工程设计和管理过程中，确定合理的施工方法，优化选择施工机械及配套组合，制订切合实际的施工进度计划，高效简便地对施工信息进行管理，直观形象地反映复杂施工过程，对于确保工程建设如期完成和降低工程造价都是至关重要的。为达到上述目的，除了在施工组织设计中要充分考虑工程特点和具体施工各种条件外，若能在事先对工程施工的运行发展过程和施工中各项活动的协调关系等状况进行预测和评价，将对工程施工组织计划的正确决策提供可靠的依据。可视化仿真技术的产生与发展正好适应了这种客观需要，它为解决施工中上述问题开辟了新的途径。
国外从20世纪70年代开始提出循环网络仿真技术（CYCLONE），至今已发展了一系列的工程仿真应用软件，但这些研究成果及仿真软件主要应用于土木工程施工如高层建筑施工、土石方工程等。20世纪80年代初，天津大学率先在全国开展水利水电工程施工过程仿真方法研究，在近20年的发展中取得了大量开拓性的成果和社会效益。近年来，又在推动水利水电工程设计和管理向可视化、数字化方向发展方面做了大量研究工作。借助于计算机科学、系统科学和工程科学与技术的迅速发展，重点研究了三维动态可视化仿真理论与方法及其在水利水电工程中的应用，获得了一系列富有创新性的理论方法与应用研究成果。
在开展可视化仿真及其在水利水电工程中的应用研究工作中，存在以下三个关键技术问题：
1．可视化技术与系统仿真技术结合的途径
建立基于GIS的交互式可视化仿真系统框架，将可视化技术与系统仿真的各个环节相结合，实现仿真建模可视化、仿真计算可视化、仿真结果可视化。
2．可视化仿真技术在水利水电工程中的应用问题
根据水利水电工程的特点和实际需要，将可视化仿真技术与具体的工程问题相结合，提出可视化仿真技术在水利水电工程中应用的具体途径。
3．可视化仿真软件的通用化问题
水利水电工程施工系统仿真软件的通用化不仅是关键技术问题之一，而且是推广应用的前提。
二、基于GIS的三维动态可视化仿真技术
1．可视化仿真涵义
可视化仿真（Visual Simulation? VS）是计算机可视化技术和系统建模技术相结合后形成的一种新型仿真技术，其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。使用可视化技术以后，系统的子模块用形象的图形来表示，并可通过鼠标在屏幕上直观形象的操作，就可以完成整个仿真任务。一般可视化仿真包含三个重要的环节，即仿真计算过程可视化、仿真结果可视化、仿真建模过程的可视化。
2．全过程动态仿真理论与方法
全过程动态仿真理论融合了面向对象的图形辅助建模、动态仿真、网络计划分析与优化、动态演示、数据库等技术，把整个施工过程作为一个整体，对施工全过程进行跟踪模拟。
全过程动态仿真理论的特点就是体现了系统工程的思想。它是针对整个水利水电工程施工系统进行的，所有的优化及调配目标是使整个系统达到最优，而不是局部达到最优。它把整个施工过程作为一个大的系统，综合考虑系统中各个单项工程之间、各个工作面之间相互影响、相互制约的关系，分析整体的施工进度、施工强度等关键问题，获得更为真实的施工情况，从而达到为施工组织设计提供科学依据的目的。仿真流程图见图1。
3．面向对象的图形辅助仿真建模技术
仿真是一种基于模型的活动，建模是仿真过程中十分重要的一个环节。如何能够实现简化而又灵活的建模过程是仿真研究的重要课题。
面向对象方法的应用使建模过程变得自然直观，用户可以把被仿真系统的各种活动都看成对象，并根据这些对象的类属关系和本身特性直接构造仿真模型。这种建模过程十分类似于人类所习惯的对客观世界中事件分类的思维过程，所以使仿真用户感到由物理模型到计算机模型的过渡非常自然。面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充。同时，利用对象类层次结构的合理设计，可以达到最高的代码重用率。
在系统仿真中应用图形技术，能够描述许多用语言难以表达的信息，图形辅助建模就是利用鼠标在计算机屏幕上绘制系统模型或用模型库中已有的系统元件拼合系统模型。
面向对象的图形辅助建模的基础是系统的可分性，即认为系统是由子系统组成的，而子系统又可分解成更原始的子系统。由于这种性质的存在，构造模型的方式是通过连接组成系统模型的成分模型（子模型）来建造总体模型。对于一个复杂的施工系统而言，按施工系统的层次性，可将其分解为相对简单和独立的子系统，而子系统间的相互联系和影响可在子系统模型间设置相应耦合接口而加以协调，这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。根据上述，便形成了面向对象的图形辅助仿真建模思想。
4．基于GIS的较全面的仿真三维动态数字模型构造及其可视化方法
（1）数字地形模型建立
地表数字地形模型（Digital Terrain Model?DTM）是整个工程施工三维数字模型的重要组成部分，这里既是所有工程建筑物布置及施工活动的场所，也是施工过程中地形动态填挖的受体。水利水电工程一般均建在地形起伏较大的高原和山区，因此施工区地表DTM采用TIN模型来实现。建立工程地表DTM由地形等高线原始数据按一定的算法生成TIN模型。
（2）动态实体参数化数字建模
按照实体对象的属性，可将其分别用点、线、面、体等四类图形数据结构来表达。动态实体的数字模型尚需反映其属性信息，几何图形与其属性的一一对应关系建立可利用GIS的空间数据组织结构来实现。同时为反映工程施工的动态过程，在其数据结构中除了描述几何特征及属性外，还体现时间特征。
实体建模若采用参数化建模方法，可大大简化建模过程。参数化实体建模是一种通过相关几何关系组合一系列用参数控制的特征部件而构造整个几何结构模型的技术。整个建模过程可描述成一组特征部件的组装过程，而每个部件都由一些关键的参数来定义。
（3）地形动态填挖
地形填挖表现为DTM模型的修改，实质上是对地形TIN模型进行操作。即用足够大的开挖（填筑）初始形体面转化的TIN模型，与地形TIN两者生成相交边界，再从地形TIN上沿相交线切去填挖初始形体面所包含的地形区域，同时从填挖形体TIN模型中以相交线为边界切去多余的开挖（填筑）边坡区域，最后把两个修正后的TIN合并构成一个经填挖后的地形DTM。在填挖计算过程中可同时得到填挖区域表面积与填挖体的工程量。
5．基于GIS的三维动态演示方法
基于GIS的三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现，它反映了仿真系统内部数据场的动态变化过程。利用仿真模块得到工程系统的动态信息，包括时间、建筑物几何形状及其属性等，生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元（施工、水位单元等）任意时刻t的面貌Vi（t），则t时刻的工程整体面貌可表示为V（t）＝Σvi（t），n为总的图元数。其中，vi（t）＝fi（Xi，Yi，Xi，t），表示在动态施工过程中，包含时间信息的图元的几何形状，它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌贮存在图形库中，并与其一一对应的属性数据建立联系，从而在动画演示时，按时间顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息，不断更新绘图变量和属性变量赋值，同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示。
6．基于GIS的交互式可视化仿真系统结构
基于GIS系统仿真的可视化表现在建模过程中利用GIS的信息可视化采集，以及在仿真可视化操作过程中利用GIS的动态信息可视化表达。由于GIS特有的空间信息组织机制，使得其实现这些功能有着先天的优势。同时，在可视化仿真系统中，用户可根据显示的图像交互控制仿真的各个阶段，直到对所模拟的现象获得理解与洞察。在这一过程中，用户可以通过系统提供的操作界面随着可视化仿真系统反馈的结果来同步保持交互对仿真过程的控制。
图2表示的是一个基于GIS的系统交互式可视化仿真的框架模型，在此模型中清晰地反映了GIS在系统仿真中结合的具体环节，以及用户控制仿真进程的实现手段。
三、可视化仿真技术在水利水电工程中的应用研究
1．复杂地下洞室群施工动态可视化仿真与优化方法研究
地下厂房系统施工开挖量大，施工强度高，施工条件复杂，是一个极其复杂的过程。由于工序的作业时间的随机性，容易产生随机排队现象而影响其他作业；由于地下洞室系统纵横交错，布置密集，高差大，施工通道少，使得各工序配合与相互干扰错综复杂；在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时，需要考虑对工程的总工期、围岩稳定、通风散烟条件、施工强度以及交通运输等问题的影响。各个洞室施工在时间、空间上的逻辑关系复杂，传统横道图难以直观地揭示其复杂的时空关系。因而仅靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以确定合理的施工机械设备配套方案、制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案，难以全面、快速、准确地掌握施工全过程。
基于上述问题，提出了复杂地下厂房施工系统可视化仿真理论方法，并研制开发了相应的计算机软件ESAS，其基本构成见图3。通过地下洞室群施工全过程动态仿真，可以对施工过程进行定量计算与分析，进行多方案的比较和优化，直到得出满意方案。
2．水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真方法研究
水利水电工程施工导流设计和管理过程，往往需要涉及大量的数据及图形信息，如坝区的水文、地形、地质资料以及枢纽设计、施工场地布置和施工导流方案设计等各种数据及图纸。高效、简便地对这些信息进行管理，是提高设计效率及施工管理水平的关键之一。同时，施工导流方案设计是施工组织设计的重要环节，其设计过程复杂，对不同的导流方案很难进行直观的比较，所以实现施工导流形象直观的表达具有重大的现实意义。
为此，提出水利水电工程施工导截流三维动态可视化仿真理论与方法，并实现施工导截流可视化信息管理与三维动态演示系统?CDMIS?。此系统充分利用地理信息系统（GIS?强大的空间数据分析与处理能力，建立三维施工导截流场地布置模型，以及在此基础上实现可视化的信息查询及管理等功能，从而实现设计过程中信息的可视化管理，同时实现施工导截流三维动态演示。水电工程施工导截流三维动态可视化仿真系统（CDMIS）结构图见图4。
3．混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真与优化方法研究
混凝土坝施工，考虑到温度、应力、浇筑机械设备布置和浇筑能力等因素的影响，需将混凝土坝体按一定的原则进行分缝分块浇筑。由于混凝土坝浇筑量大，浇筑块数以千、万计，浇筑块之间的施工约束条件十分复杂，这就给安排浇筑顺序和进度带来极大闲难，使人工安排浇筑块、浇筑顺序几乎成为不可能。目前在制定混凝土坝施工组织计划时，传统的方法是凭经验用类比的方法按月升高若干浇筑层和混凝土浇筑强度等指标来控制施工计划的进程。这种方法由于缺乏系统的定量计算分析，在论证施工各阶段的筑坝进度以及各混凝土坝段升高过程是否能满足大坝施工各方面的要求时总感到论据不足。
随着计算机和系统仿真技术的迅速发展，尤其是系统仿真技术在复杂系统运行中的推广应用，使得有可能在计算机上实现对混凝上坝施工的动态过程的仿真实验。事先拟定不同的混凝土坝施工方案，并对施工动态过程进行仿真，可预测不同施工方案下混凝土施工进程的各项定量指标，这对制定合理的混凝土坝施工进度计划将提供科学可靠的决策依据。在充分考虑各种浇筑施工影响因素的情况下，建立混凝土坝施工系统的数学逻辑模型，并在此模型基础上编制计算机仿真软件。通过选取各种可能的机械配套方案及输入不同的施工技术参数进行大坝施工过程的仿真计算，可得到最优机械配套的数量、机械的利用率、混凝土月浇筑强度、逐月累计混凝土浇筑方量过程曲线。同时还可得到相应某施工方案下大坝浇筑施工的详细进度计划、各控制阶段的筑坝进程面貌等。而且通过混凝土坝浇筑仿真还可对其不同的浇筑规则对坝体上升进程的影响进行分析和研究。
同时，利用基于GIS的三维动态演示系统来表现复杂混凝土坝施工过程。通过建立坐标系，把现实世界的事物在计算机中对应位置重现出来，建立实体的数字模型，并按照一定方式将实体与其属性一一对应，从而反映实体的静态空间特征。同时利用过程信息，生成三维动画，为描述复杂的施工过程提供可视化手段。
4．水利水电工程施工总布置三维动态可视化仿真方法研究
水利水电工程施工总布置是对工程施工场地在施工期间进行的空间规划。由于水利水电工程施工场地布置几乎包括了一切地上、地下已有的、拟建的建筑物，一切为施工服务的临时性建筑物（包括砂石加工系统、混凝土系统等），因此布置过程非常复杂。
对枢纽主要建筑物施工全过程进行分析，并在此基础上实现各建筑物施工关系之间的协调，以实现直观的施工总布置形象全过程三维动态仿真，使施工场地布置随工程进度计划尽可能形象、直观、迅速地演示现场施工场地变化过程。不仅能直观显示枢纽施工组织设计的成果，而且将极大地方便工程施工总布置决策及管理。水电站施工总布置可视化仿真系统（CLMIS）的总体结构见图5。
四、结束语
可视化仿真的理论和方法包括全过程动态仿真理论、图形辅助仿真建模方法、基于GIS的三维动态数字模型构造及其可视化方法、基于GIS的三维动态演示方法及基于GIS的交互式可视化仿真系统结构等，实现了仿真建模、仿真计算过程及成果的可视化。
在此基础上，深入研究了复杂水电工程地下厂房施工系统的可视化仿真与优化、水电工程施工导截流三维动态可视化仿真、混凝土坝施工过程三维动态可视化仿真及优化、水电站施工总布置可视化仿真等问题，并结合溪洛渡工程应用，研制开发了相应的可视化仿真软件ESAS、CDMIS、DAMSIM、CLMIS。软件以三维图形、数字表格等方式直观表达了工程建设过程任意时刻的面貌，可视化程度高，仿真效果好，动态演示形象逼真。
分布式交互仿真技术篇7
关键词： 激光技术； UML； CORBA； 空间碎片
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）20?0061?04
0 引 言
21世纪是人类全面发展空间能力、利用空间资源的时代。掌控空间优势对于保障国家安全、提高国家综合竞争力具有无可替代的作用，空间已成为国家安全与发展的新的战略制高点，制天权将成为未来国家战略威慑力和夺取战争主动权的决定因素。因此，美、俄等世界强国竞相进入空间，大力发展空间力量，部署空间装备，加剧了空间军事化进程。近年来，为了在夺取制天权的斗争中占据先机，以空间机动、空间操控和空间力量运用为标志的天基空间作战已成为当前空间领域新的发展重点。但随着近几十年来不断积累的太空碎片，已经严重阻碍了人们对太空开发的进程，所以有效地采取措施清除太空碎片越来越受到重视.
因此本文研究利用CORBA分布式并行计算技术，和统一建模语言（UML）对高能激光清除空间碎片这一空间应用系统进行了整体结构分析，构建和实现了系统模型。
1 UML和CORBA概述
1.1 UML概述
统一建模语言[1]（Unified Modeling Language，UML）是最广泛使用的面相对象系统的建模方法。它是一种通用的可视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统的文档。它记录了对必须构造系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、浏览、配置和信息控制[1]。UML定义了5类、共9种模型图[1]。第一类：use case diagram（用例图），它是UML的核心概念，从用户角度描述系统功能，并指出各功能的操作者；第2类：静态图（Static Diagran），包括类图（Class Diagran）、对象图（Object Diagran）和包图（Pack?age Diagran），类图描述系统中类的静态结构，它定义了系统类的内部结构以及类之间的联系，对象图描述系统在某个时刻的静态结构，包图由包或类组成，表示包与包之间的关系，包图用于描述系统的分层结构[1]；第3类：行为图（Behavior Diagran），包括状态图（Statechart Diagran）和活动图（Activity Diagran），状态图描述对象的所有可能状态以及事件发生时状态的转移条件，活动图描述满足用例要求所进行的活动以及活动间的约束关系，有利于识别并行活动；第4类：交互图（Interactive Diagran），包括顺序图（Sequence Diagran）和合作图（Collaboration Diagran），顺序图显示对象之间的动态合作关系，它强调对象之间消息发送的时间顺序，同时显示对象间的交互[1]；合作图也显示对象间的动态合作关系，但更强调上下级关系。这两种图合称为交互图；第5类：实现图（Inplanentation Diagran），包括组件图（Canponent Diagran）和分布图（Deployment Diagran），构件图描述代码部件的物理结构及各部件之间的依赖关系，它包含逻辑类或实现类的有关信息，部件图有助于分析和理解部件之间的相互影响程度，配置图定义系统中软硬件的物理体系结构，用于捕获系统硬件和软件组件的配置。
它涉及软件工程的不同阶段，UML语言和满足不同面向对象建模方法对模型描述和建模过程描述的需求，并可适用于不同的应用领域，甚至是非软件设计领域。
1.2 CORBA概述
CORBA的开发者是对象管理组织（OMG）[2]，成立于1989年，目前该组织拥有800多家成员，分别来自计算机工业的整个行业范围。增强软件的可移植性（Portability）、可重用性（Reusability）和互操作性（Interoperability）。CORBA运用了面向对象的设计思想，对象的设计思想，允许软件对象在不同的操作系统平台和应用程序中重复调用。现有的Java，C++面向对象的语言都能实现CO RBA程序的编写，VC++和C++Builder，IBM VisualAge for Java都是支持这些语言的程序开发工具。CORBA的基本结构如图1所示。
CORBA特点[2]：
（1）引入（Broker）概念。完成对客户方提出的抽象服务请求的映射；自动发现和找到服务器；自动设定路由，实现服务方程序的执行。
（2）客户方程序与服务方程序完全分离。客户将不再与服务方发生直接的联系，而仅需要与发生联系，客户与服务器方都可方便升级。
（3）提供“软件总线”机制。任何应用系统只要提供符合CORBA系统定义的一组接口规范，就可以方便地集成到CORBA系统中，这个接口规范独立于任何实现语言和环境。如此，客户应用于服务对象之间可以透明地交互运行，实现应用软件在“软件总线”上的“即插即用”。
（4）分层的设计原则和实现方式。CORBA系统的底层核心是一个精练的系统，各种复杂系统和应用可以由核心扩展和延伸。
2 仿真系统组成
高能激光器在清除空间碎片时，激光需要通过大气的传输才能到达碎片处，并对碎片起到清除作用，因此大气的传输模块和碎片的轨道模块是仿真系统的重点。
图2所示为仿真系统的模块图。整个系统由大气传输模块和碎片轨道模块构成。激光的大气传输仿真模块包含5个子模块，分别为大气的吸收、折射、散射，同时会受热晕和大气湍流的影响。因此激光的大气传输仿真模块由大气吸收模块、大气折射模块、大气散射模块、热晕模块以及大气湍流模块组成。
各个模块之间的联系和相互作用构成了整个激光的大气传输。这个系统不是简简单单的每个参数都独立，它们都受到其他子系统的影响。而且在不同的天气比如晴天、阴天、雨天它们的参数差别很大，又比如在不同的地点，它们的参数相差也很大，若采用传统的仿真可能会导致系统的计算较慢，可重用性差，通用性不足甚至出现计算错误等问题。使用基于CORBA的分布式仿真可以有效解决这些问题。
3 系统功能分析与建模
3.1 仿真系统的需求分析
需求分析是为了建立系统需求模型，即从功能需求出发建立用例模型。用例图为设计活动不仅记录需求而且还提供了一种挖掘的信息，它记录了需求到设计结果之间的映射关系，能够确保设计结果具有明确的根据或者说具有可维护性，基于UML的软件开发过程是以用例驱动的。
从图3中可以看出，用户与用例之间的关系：
（1）用户可以进行系统的登入和登出，这样可以防止系统被其他无关的人员登入造成不必要的损失；
（2）用户可以对整个仿真进程进行控制，可以再出现异常时暂停或停止系统，必要时重启系统；
（3）可以对视景仿真进行控制，包括调整视角，切换2D，3D等操作；
（4）用户最重要的就是通过操作界面（GUI）来对进行激光武器的仿真，通过参数的导入和输入就行各项仿真机应用。
CORBA在系统中主要起着中间件的作用。它自身需要先创建注册一个适配器（POA），并管理最后注销。同时它绑定了命名服务器使得客户端可以透明地引用服务端的对象实现。对象实现模型库中包含仿真需要的激光传输模型、碎片轨道模型、ATP模型、毁伤模型，效能评估模型等模型。对客户端而言它接受请求，通过ORB远程调用服务端上的对象实现，实现分布式仿真。
3.2 仿真系统实体描述
图4为系统的类图。主窗体MainWindows类是操作界面的类，它包含了激光大气传输的基本属性。定义了与界面操作相关的函数。MVshow类为界面提供了各类数据的显示。Login类为系统的登入管理类。FWDDY是CORBA的调用类，通过它进行POA的注册，激活ORB等来调用在服务端的各个算法模型类如：大气折射类Refranction、大气吸收类Absorb、湍流类Turbulence等类，来支持系统的仿真计算，数据处理。SceneSimulation类为系统提供了图形仿真。
3.3 系统的交互模型
如图5所示为系统的序列图，序列图描述了整个流程随时间推移的情况。横轴表示了各个对象之间的交互过程，纵轴表示各个对象生命周期及在各个时间节点的行动情况。整个过程为操作员进入到操作界面后，通过导入或者手动设置系统的武器参数，光学参数，导入目标的初始数据，设置当前的气象参数，光学参数，导入碎片目标的初始参数，设置气象参数。
图4 系统类图
当仿真开始后，系统中的模块（Stub）向本地的ORB发送调用请求，ORB接受请求后将请求发送到远程的服务端，然后服务器端的各个仿真模型在通过ORB返回给客户端，供客户端使用，这些模型有激光的大气传输模型，ATP模型，碎片目标轨道计算模型，毁伤模型等模型。当仿真结束后，可以对仿真结果进行评估。开始评估时，仿真系统通过ORB调用服务器端的评估模型进行此次实验的效能评估，最后把评估结果返回操作界面。
4 CORBA技术在系统中的应用
前文对系统用UML进行了建模分析，明确了系统的需求、流程和派生出的类。从整体上分析该系统属于三层的C/S结构。整个仿真过程中操作界面、客户端以及服务端都是通过CORBA核心ORB来交互的。在根据系统设计的基础上，根据系统的特性要求和分布式特点可以构建系统总体框架结构图如图6所示。 根据前文的分析和设计结果，该系统由客户端和服务端组成。服务端用于系统的登入和界面操作，服务端用来检查验证客户端权限，提供给客户端各种相匹配的算法模型。痛殴那个过CORBA，服务端程序实现了能被远程的客户端调用的对象。在CORBA客户端，桩（Stub）通过ORB接受客户的请求，并通过提供的命名服务寻找和定位应用服务对象请求。在服务端，ORB把应用服务器的服务程序接口传递框架（Skeleton），并通过基本适配器POA在商注册服务。
在开发CORBA前必须先根据系统分析结果建立IDL文件，用来定义功能接口。让客户端知道哪些函数模型级调用的方法。以下为该系统大气吸收类的IDL文件：
该IDL接口定义了大气吸收类中的一些参数和操作。该系统利用OmniORB4?1?4进行开发，经其编译器Omniidl编译后产生桩（Stub）代码和对象实现所需要的框架（Skeleton）代码。根据桩代码进行客户端的程序编写，根据框架代码进行服务端的程序编写。以大气吸收类为例。在服务端，对IDL定义的每个接口，都要编写相应的对象实现类，以及对ORB进行初始化。部分代码如下：
5 结 语
激光清除空间碎片是一项复杂的系统工程。本文探讨用统一建模语言UML和CORBA技术用于该系统的仿真。用UML对系统进行分析建模。采用CORBA技术作为系统的软总线，把系统的远程模型函数库和客户端程序连接起来，实现了分布式仿真系统。由于CORBA的透明性、与语言平台无关性，系统可应用在不同的平台下，真正做到跨平台的互操作性。增强系统的可配置性、可伸缩性和可重用性。将UML和CORBA结合起来，为开发分布式应用系统提供了强大的支持。
参考文献
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[7] 朱其亮，郑斌.CORBA 原理及应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.
分布式交互仿真技术篇8
关键词 列车自动监控, 仿真培训系统, 分布式结构, 数据缓冲
城轨交通列车自动控制(a tc) 系统中的列车自动监控(a ts) 子系统位于管理级,列车进入正线运行要接受该系统的指令信号。它主要完成列车的调度和跟踪,运行时刻表的调整控制和监督,列车进路的控制和表示,系统状况、报警信息的显示和记录, 统计汇编、系统诊断等功能,对提高行车效率起着重要作用。本文利用现代仿真理论,并结合activex 组件等新技术开发的a ts 仿真培训系统,是实际工作环境下培训行车调度员的一种高技术工具,为提高操作人员和技术人员的素质提供了良好的培训手段。
1 系统体系结构
a ts 子系统由控制中心的a ts 设备( 通称ca ts) , 车站a ts 设备和车载a ts 设备组成。ca ts 由a 、b 两套冗余系统组成,每套又分别包括控制处理机和通信处理机。两套计算机系统通过转换模块与外设相连,通过调制解调器与轨旁a ts 设备相连,通过以太网与4 个工作站相连。下面结合a ts 仿真系统的特点,介绍培训系统的网络拓扑和三层分布式结构。WwW.133229.cOM
1. 1 网络拓扑结构
考虑到仿真与培训两方面的需要,培训中心内部局域网采用了星形结构,通信介质为双绞线。以应用服务器为中心,以数据库服务器为基础,通过教师机、学员机终端为用户提供服务。其拓扑结构如图1 。
图1 网络拓扑结构图
1. 2 三层分布式结构
三层客户/ 服务器体系结构是在两层客户/ 服务器体系结构的基础上发展和成熟起来的,它建立在分布式技术的基础上,将业务处理从客户程序中分离出来,形成独立的应用程序服务器,从而将应用系统分为界面、业务和数据访问等3 个功能层次。
系统具有以下优点: ① 系统的界面层与业务层相互分离,无论是界面层的改变还是业务层的改变, 都可以做到互不影响,因而有利于系统的维护和功能的扩充,增强了系统的灵活性。② 业务逻辑在应用服务器上实现,而不是在每一台客户机上实现。同时,对数据的访问也可以做到只通过应用服务器进行,从而增强了系统的安全性,并实现了“ 瘦客户端”。③ 学生机、教师机终端需要的数据可以在应用服务器中进行预处理或全部处理,然后再将处理结果传给它们,从而降低了网络通信量。
2 系统功能模块
把系统按功能分解成不同模块,各模块间相互独立。这种分布的体系结构及模块间的独立性,保证了系统具有良好的可扩展性。当地铁线路增加时,可方便地扩展ats 基本操作、故障设置等功能。对调度中心实际运行的ats 系统进行深入了解后,根据用户的需求,将系统分解成7 个模块,如图2 所示。
图2 系统功能模块图
2. 1 终端显示模块
终端显示模块提供人机交互的界面,使得整个仿真培训系统能够灵活地适应不同的需要。activex 控件是一种可重用组件,它支持广泛的activex 功能,并且可以根据特定的需要定制一些特殊功能,允许公开一些属性和方法,供其它应用程序调用。仿真培训系统有股道、道岔、信号机、站台及车次窗等几种activex 控件,通过它们可以方便地生成各集中站站场界面。
2. 2 模拟列车运行模块
这一过程包含两个线程:主线程除了按照模拟驾驶员的命令实时改变列车行驶速度外,每隔一个微小时间段就按照在股道上从前到后的顺序模拟每个列车对象的行驶过程。辅助线程则负责两个进程间的消息传递,即发送和接收数据。由于前方列车所处的位置会影响确定后方列车目标点的过程,所以进程按照在股道上从前到后的顺序来处理每个列车对象。
2. 3 atp 模块
为保证列车运行安全,系统设置列车自动防护(atp) 逻辑,防止列车冒进或者列车追尾事故。在atp 逻辑中,控制列车速度主要有两个因素:一是与先行列车的间隔距离;二是列车运行进路情况,包括前方进路是否存在弯道及道岔状态等。图3 是一条atp 速度命令控制线。当先行列车在0 t 区段, 1 t 必须空闲,后续列车若在2t , 它收到的限速命令应为0 , 即后续列车在闭塞分区2t 的出口端必须停车,并有1 t 闭塞分区作为保护距离;若1 t 、2t 空闲,后续列车在3t , 那么后续列车接收到的是20 km/ h 的速度命令;同理,当1t 、2 t 、3t 、4 t 、5 t 、6 t 、7 t 都空闲,运行于8 t 的后续列车收到的速度命令为80 km/ h 。可见要使列车运行于最高速度80 km/ h , 其前方必须空闲7 个闭塞分区。
图3 atp 速度命令控制线
当然,根据线路情况、车辆性能、轨道电路特性等,应进行闭塞设计,划分合理的闭塞分区,从而产生atp 速度命令控制线,作为atp 速度命令选择的逻辑依据。
2. 4 ats 操作模块
主要完成六大类功能的控制:信号控制命令、列车描述功能命令、列车调整命令、计划控制命令、列车运行模拟命令、列车运行图命令。例如信号控制命令主要实现设置控制模式、设置终端模式、进路控制、控制信号机、呼叫车站、区间限速等功能。
2. 5 故障设置及处理模块
以实际案例为基础,在教师机上模拟故障设置及进行故障处理。设置的故障主要包括信号故障、车辆故障及时刻表故障,学生则根据故障情况进行适当处理。在中央完成的操作由学生机执行,需由现场、车站或司机完成的操作在教师机上完成。
2. 6 教学考评模块
主要实现广播教学和实验考评的功能。广播教学可以将教师机的电脑屏幕画面等多媒体信息实时传送广播给全体、群组或单个学生。实验考评由教师机指定相关题库,学生根据相应现象进行实验操作,每题设定分数,操作成功通过,操作失败不通过。该模块将学员档案记录于系统中,对学员培训过程进行全程跟踪,全面掌握培训效果。
2. 7 数据存储和管理模块
为了构建数字化站场,进行列车模拟运行、进路搜索,将a ts 仿真数据库数据分为静态数据和动态数据。描述信号点逻辑关系和时刻表数据构成系统的静态数据;系统运行后不断变化的列车信息、信号点状态等则构成系统的动态数据。仿真数据库结构各部分关系如图4 。
a ts 仿真培训系统使用sql server 作为数据库管理服务器。鉴于其响应速度难以满足实时仿真的要求,因此采用了数据缓冲的方法(见图5) ,将仿真时需要的数据事先加载到仿真终端,写回数据库的数据也在这里缓存。缓冲算法如下: ① 在内存中开辟数据缓冲区(仿真程序开始运行); ② 与数据库建立连接; ③ 查询所需数据,并存放在输入缓冲区; ④ 将结果存放在输出缓冲区,并写回数据库(仿真程序结束); ⑤ 删除缓冲区。
图4 数据库结构图
图5 数据缓冲
3 结语
本文给出了一个a ts 仿真培训系统的设计方案。该系统利用同一局域网内的多台机器,分别模拟列车运行、进行教学培训。利用计算机仿真技术对职工进行培训是一种高效的技术培训方法。
参考文献
1 上海地铁总公司. atc 系统操作手册. 1996
2 日本铁道电气技术协会. 地铁电气设备丛书. 1994
3 惠天舒. 分布式交互仿真技术综述. 系统仿真学报,1998 ,10(1) :1 ～7