一種可重用可組合的并行仿真模型技術分析

（江漢大學數學與計算機學院，湖北武漢,430000）

一種可重用可組合的并行仿真模型技術分析

朱國華,王 杰,余維偉

（江漢大學數學與計算機學院，湖北武漢,430000）

針對控制系統并行仿真的要求，利用組件技術實現可重用的仿真模型庫，在此基礎上構建了一個可視化的仿真模型管理的集成環境，解決了仿真模型的標準化描述、接口設計、模型組合問題。該方法極大地提高了仿真模型的重用性和組合便利性。

并行仿真；模型；重用；組合

控制系統仿真是自動化與控制系統工程領域分析、研究、設計控制系統的強有力工具，目前一般借助MATLAB和SIMULINK相關軟件平臺，針對簡單控制系統仿真進行測試。面對功能模塊較多且龐大的工程就顯得力不從心。HLA(High level architecture)技術的出現，為結構復雜、功能模塊較多的龐大的系統工程提供了強有力的軟件支持.。但是HLA的目的主要是為了解決分布在不同地域的仿真系統之間的互操作和可重用，并不關注單個仿真系統內部的性能，如果單個仿真系統內部的模型采用HLA方式互聯，HLA的技術體制將使得仿真系統的性能受到很大的限制。

針對這些問題，我們在控制系統仿真技術與HLA標準之上，設計了針對控制系統的專用并行仿真系統。該仿真系統中最重要的資源是仿真模型。在對已有的HLA仿真模型重用與組合技術分析的基礎上，針對控制系統的建模，我們利用COM組件技術為基礎來達到模型重用和組合的技術，同時對HLA中一些規則和接口規范進行了封裝，提供一個可重用的仿真成員，對于不了解并行仿真技術的開發人員都可以快速開發仿真系統。在開放式網絡平臺上將分散、孤立的仿真模型資源進行統一管理，形成類似于SIMULINK模塊庫的HLA仿真模型庫系統，從而可以直接利用模型庫構建成新的并行仿真方案。

1 基于HLA的仿真模型重用與組合技術分析

國內外己有的關于仿真資源重用的研究主要是圍繞仿真概念框架、基于WEB的網格環境、仿真模型開發分析與設計、多層次建模、仿真組件、仿真環境、仿真資源庫、應用情景、建模驗模、模型組合和可移植性等幾個方面展開的，并且都集中在模型的重用方面與組合方面。

國際上在2002年，在英國運籌學協會的仿真工作組會議上，五位仿真專家就仿真模型重用問題進行了專題討論。Petty，M.D.等人從仿真可組合性的角度研究了基于模型重用形成的組合式仿真應用的有效性檢驗問題。Andreas Tol等人從仿真互操作性的角度研究了通過多層次互操作實現仿真模型重用的理論與技術需求。國內對仿真資源重用的研究主要集中在國防科技大學王維平等人以導彈總體設計為應用背景仿真模型重用需求和異構仿真模型集成問題；解放軍信息工程大學沈建京等人提出的基于SOA和HLA的分布式仿真關鍵技術研究，裝甲兵工程學院仿真室的馬全峰、徐豪華等人提出的基于組件技術的仿真模型重用性度量。

總體來看，國內外己有的關于仿真資源重用的研究，取得了不少成果，為理解仿真資源重用、實施仿真資源重用、進一步研究仿真資源重用打下了很好的基礎，但目前建模，驗模，模型描述復雜度高，對開發人員要求較高；對模型的管理缺乏統一規范，使用不便。同時也不符合我們的專用并行仿真服務器的獨特要求。針對此問題，需要建立更方便易用的模型重用技術和統一高效的模型管理系統。

2 可重用的仿真模型技術

2.1 仿真模型的定義

并行仿真系統的成員包括三個文件。EXE文件是通用調度仿真成員負責，加載DLL算法和讀取成員模型文件XML,并作為一個成員加入到聯邦中去，并進行屬性值更新，接收反射屬性值，接受管控端發交互命令，以達到通過管控端來控制仿真成員狀態(開始、暫停、停止等)的目的。XML文件描述了成員公布和訂購的對象類屬性以及交互類和一些成員的初始化參數信息，該文件由仿真想定系統根據仿真方案設計生產的;DLL文件描述仿真實體的算法，用來描述聯邦中某一實體的動態行為,例如PID控制器的控制算法等等。

其中仿真模型是仿真成員的核心。其定義如下：

模型庫：

ML={M1,M2,…Mn |n∈N}，模型庫是系統所有存的模型集合

其中模型：

M={(I1, I2,… ,Im, O1, O2, …,On, N1, N2,…, Nj)|m∈N ∧n∈N∧j∈N}，

對于任何一個模型而言，

輸入參數：

I={(k,t,s)|k∈K∧t∈T},s為特征量

輸出參數：

O={(k,t,s)| k∈K∧t∈T },s為特征量

初始化參數：

N={(t,v,s)|t∈T}。v為初始值,s為特征量

傳輸類型集：

K={k1k2,…kn|n∈N},

數據類型集：

T={t1,t2,…tn|n∈N},

傳輸特征量集是在設計模型標準中給定的，主要用來體現數據傳輸的業務特性，比如溫度參數類型、電壓參數類型、壓力參數類型等。數據類型集是模型設計標準中給定所有的數據類型集，比如整形、字符串、浮點型等。

2.2 模型關系的描述

目前組合仿真的理念深入人心，模型組合是實現組合仿真的基礎，相關的理論和方法比較多。傳統的做法是讓用戶選擇特定模型，然后人工辨別模型是否適合組合。我們的模型可以實現自動組合，就是無需用戶指定數據傳輸關系或者較少的操作就可以得到正確的組合模型。

在這里我們屏蔽了HLA仿真的思想，使設計人員只需關注方案中成員之間的關系，簡化了開發的難度，我們只需關注模型的輸入輸出，成員的動態實體行為由開發模型的成員自己開發并與相應的模型匹配就可以了。

模型關聯反映了兩個模型之間關系：

R={(Mref1,Mref2)|Mref1∈ML ∧ Mref2 ∈ ML }={(O1,I1,k1,t1), (O2,I2,k2,t2),…, (On,In,kn,t2)}，。

可用關系集：

RL={ R1, R2,…,Rn },RL表示模型庫中所有模型能夠滿足數據傳輸要求的關系集合。

組合模型：

C M={(M 1,M 2,…M m,R 1,R 2,…,Rn)|Mm∈ML∧Rn∈RL∧m,n∈N},其中模型庫ML已在上文定義。

規則、推論

規則1：

依據上面的定義

M={(I1, I2,… ,In, O1, O2, …,On, N1, N2,…, Nn)}，R={(Mref1,Mref2)|Mref1∈ML ∧ Mref2 ∈ ML }

可知,對于給定任意的兩個模型M1,M2,二者能夠形成的關系

R={({(I1, I2,… ,In, O1, O2, …,On, N1, N2,…, Nn)}, {(I’1, I’2,… ,I’n, O’1, O’2, …,O’n, N’1, N’2,…, N’n)},k)}。

其中k滿足如下條件：

取Os= { O1, O2, …,Om },O是輸出模型M1的所有輸出集合，

取Is={ I’1, I’2,… ,I’n }，I是接收模型M2的所有接收集合，

令集合S=Os ×Is={( O1, I’1), ( O2, I’2),…}( Os,Is 的笛卡爾積)

a=(O,I)=((k1,t1,s1) ,(k2,t2,s2)),k1,k2∈K,t1,t2∈T滿足k1=k2 ,且t1=t2。

定義Q的最大的值Qmax，滿足：a=(O,I)=((k1,t1,s1),(k2 ,t2,s2)),a=(O,I)∈ C,其中

C = S Qmax(S和Qmax的相對差集)，使得,k1,k2∈K,t1,t2∈T滿足k1=k2 ,且t1=t2。

R={(O1,I1,k1),(O2,I2,k2),…, (On,In,kn)}={(a,k)|a∈Qmax}。

根據規則1能夠得到任意的兩個模型產生的關聯，這是自動組合的基礎。其中t代表語法約束，僅對數據描述層次進行校驗。k則代表語義約束，因為k預定義表達模型的業務邏輯。

規則2：

依據上面的定義

C M={(M 1,M 2,…M m,R 1,R 2,…,Rn)|Mm∈ML∧Rn∈RL∧m,n∈N∧m＞1}。

圖1 模型的使用過程

在規則1中已經敘述了如何根據任意兩個模型得到二者的關聯。從定義中不難看出組合模型可以是由任意不少于2個模型以及其間自動產生的關聯組成的。

對于給定的模型集合

Ms={ M1,M2,…Mm |m＞1∧m∈N},

令Q={(M 1 1,M 2 1), (M 1 2,M 2 2),…, (M1m,M2m)|M1m,M2m∈Ms},

對 (M1m,M2m)，使用規則1，得到二者的關系R，經過C_2^m次運算得到m*(m-1)/2個R，由于用來進行模型組合的模型是用戶指定的，所以CM已確定。

故得出如下推論，

C M={(M 1,M 2,…M m,R 1,R 2,…,Rn)|Mm∈ML∧Rn∈RL∧m,n∈N∧m＞1∧n=m*(m-1)/2}。

依據多層次可組合型分析理論，可以從語義和語法兩個角度分析。對于語法層次，就是分析t（數據類型）；對于與義層次，就是分析k(傳輸類型)。

通過模型組合可以構成層次性的模型庫系統。模型庫包括設備級、子系統級、系統級、虛擬模型。設備級模型比模型的抽象程度更高，是不能夠或沒有必要進一步分解的模型。設備級模型組合成子系統級模型，子系統級組合成系統級模型。

2.3 模型的使用過程

為了便于對模型進行統一管理，設計了圖形化的模型管理界面。類似于SIMULINK,通過拖拉方式從模型資源控制器中拖拽模型到方案邏輯結構面板中，在方案邏輯結構面板中的成員進行“成員設置”，確定成員間的“訂購交互”或“訂購對象”關系，就可以正確地完成仿真環境的配置和相關模型的初始化，形成新的仿真方案。成員間的組合關系可以形成組合模型添加到模型庫中。這種方式降低了仿真成員數據設定和數據傳遞的復雜度，不需要手動編寫代碼來生成模型（成員）。這將顯著提高仿真實驗的效率，杜絕誤操作的可能。

3 結論

本文基于COM組件技術，根據控制系統仿真的特點，在傳統HLA仿真協議基礎上，對底層算法封裝，形成可以重用的仿真模型。討論了仿真模型進行組合的理論基礎，從而可以對簡單模型進行組合形成組合模型。在此基礎上通過對HLA協議進行改造和封裝，減少大量代碼的編寫，對于不了解HLA的開發人員都可以快速開發仿真系統。通過圖形化的設計界面，實現對仿真模型進行統一管理，降低了系統使用復雜度問題，提高開發效率，降低開發成本。

[1] Stewart Robinson,RichardE.Nance,RayJ.Paul,etal. Simulation model reuse:definitions,benefits and obstacles.Simulation Modeling Practice and Theory,2004

[2] Petty.MD.Weisel.E.W.. A formula basis for a theory of semantic composabliity.In:Proceedings of the Spring 2003 simulation Interoperability Workshop. Orlando.FL.USA:2003

[3] Ernest H.Page,RechardBriggs,JohnA.Tufarolo.Toward a family of maturity models for the simulation interconnection problem.In:Proceedings IEEE Spring Simulation Interoperability Workshop.IEEE CS Press.2004

[4] 王維平,雷永林，朱一凡。基于元模型的可重用仿真模型表示方法探究計算機仿真 2007

[5] 沈建京、郭曉峰等人基于SOA和HLA的分布式仿真關鍵技術研究解放軍信息工程大學 2011.4

[6]馬全峰、徐豪華等人基于組件技術的仿真模型重用性度量裝甲兵工程學院仿真室 2008.9

Research on the technology of ensemble and reusableparallelsimulation model

Zhu Guohua,Wang Jie,Yu Weiwei
(Mathematics and computer science,Jianghan University,Hubei Wuhan,430000)

In order to meet the requirement ofcontrol-system aimed parallel simulation system,simulation models library was built based on the component technology,An graphical integrated management system and the standard description of model,the interface of model,the combination of components are also provided. That will greatly improve the reusabilityand convenience ofcombinationof the simulation modles.

parallel simulation;model;reusability;combination