基于HLA的光學設施運控仿真聯邦成員設計與優化

李承民，張 濤，張 斌，張書媛

（1.中國科學院大學 北京　100049；2.中國科學院空間應用工程與技術中心 北京　100094；3.武漢大學經濟與管理學院，湖北 武漢　430072）

基于HLA的光學設施運控仿真聯邦成員設計與優化

李承民1，張 濤2，張 斌2，張書媛3

（1.中國科學院大學 北京100049；2.中國科學院空間應用工程與技術中心 北京100094；3.武漢大學經濟與管理學院，湖北 武漢430072）

巡天類光學載荷是空間天文觀測的重要載荷，運控系統是其中的重要組成。在利用HLA分布式仿真技術對巡天觀測仿真過程中發現，空間中復雜的環境以及較多的成像約束使得運控類聯邦成員任務負擔較重，計算需求大，該聯邦成員的運算效率直接影響整體仿真效率。因此，本文通過設計樂觀約束判別算法以及基于openMP多線程技術優化該成員的運控運算方式，提高運行效率。實驗表明，改進后的運控聯邦成員大幅提高了光學設施仿真任務執行效率，仿真聯邦成員的運算時間減少55%，仿真聯邦整體運行時間減少了27.4%。

HLA；光學設施；聯邦設計；openMP；樂觀策略

隨著我國載人航天事業的迅速發展，空間載荷呈現出高復雜性、高精確性以及對工作環境高要求的特點。為了高效地驗證和優化載荷的設計方案，國內外均采用仿真方法開展了大量的工作[1-4]。但是，對某些復雜的空間載荷，如本文涉及的光學設施，其在軌觀測任務受到多種因素的限制，且各約束條件之間存在交叉耦合關系，使用傳統的單機方法進行仿真時，運算速度和模型相似度都受到很大限制，以至于結果可信度并不高。因此需要采用分布式仿真，并對仿真框架以及每個仿真模型進行合理的設計和優化。基于HLA的分布式仿真系統是解決此類問題的良好方案。

在利用HLA分布式仿真技術對光學載荷巡天觀測進行仿真的過程中發現，控制聯邦成員負責巡天任務總體規劃、復雜約束條件判斷和仿真流程控制，是整個仿真聯邦的核心。但由于觀測要考慮到如光學平臺位姿、天區劃分、日月雜散光影響、帆板視場遮擋、結構干涉、SAA區影響、停機時間等眾多因素，無論是任務規劃還是運行時狀態監測均需考慮這些約束，使得運控聯邦成員計算量巨大，成為整個仿真系統的瓶頸。

文中采用了基于openMP的并行算法和樂觀約束判別算法，對運控聯邦成員進行了優化，降低了運控聯邦成員的計算復雜度，提高了運算效率，從而使得整個仿真聯邦運算效率提高。

1　大型光學設施仿真聯邦總體設計

為了驗證現有設計方案，充分考慮任務運行中的能源、雜散光等約束條件，設計了基于HLA的分布式仿真系統，仿真系統設計如圖1所示。仿真系統以完成科學目標的任務時間定量分析為結果，給出最終的大致結論，并對運營規劃算法給出評估。整個仿真聯邦分為3個模塊：計算模塊、相機模擬模塊和運行時監測模塊。各模塊之間數據通過RTI進行交互。

1.1計算模塊

計算模塊包括軌道計算聯邦成員、日月位置計算聯邦成員、姿態計算聯邦成員和意外事件聯邦成員。

1）軌道計算聯邦成員計算J2000坐標系下光學設施的位置和姿態。

2）日月位置計算聯邦成員利用DE405星歷庫計算太陽月球的位置。

3）姿態計算聯邦成員根據姿態算法計算出當前大型光學設施的姿態。

4）意外事件聯邦成員按照預定概率產生意外事件。

1.2仿真模塊

仿真計算模塊包括運控聯邦成員、相機聯邦成員和數據統計聯邦成員。

1）運控聯邦成員根據光學設施的位姿、日月位置以及歷史觀測記錄利用任務規劃算法計算出下一次要觀測的目標區域，是整個仿真聯邦的核心。

2）相機聯邦成員模擬相機實際拍攝時工作方式。

3）數據統計聯邦成員記錄整個仿真聯邦運行中的數據，用于結果分析和錯誤處理。

1.3監測模塊

監測模塊包括SAA區聯邦成員、帆板監測聯邦成員、約束條件判斷聯邦成員和虛擬目標聯邦成員。

1）SAA區聯邦成員用來判斷光學載荷是否在 SAA區中，用來控制光學設施工作狀態。

2）帆板監測聯邦成員根據太陽位置計算帆板狀態，并判斷帆板是否出現在視場中。

3）約束條件判斷聯邦成員用于修正樂觀約束判斷算法帶來的誤差。

4）虛擬目標聯邦成員用來對被觀測目標行為進行模擬。

圖1　仿真聯邦結構圖Fig.1　Structure diag ram of the simulation system

2　運控聯邦成員設計

HLA（High Level Architecture，高層體系結構）是分布式仿真的高層體系結構，用于實現大型復雜仿真系統的聯合系統仿真及擴展。其基本思想就是使用面向對象的方法，設計、開發及實現系統不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真系統高層次上的互操作性與可重用性[5-6]。

在整個大型光學設施仿真聯邦中，運控聯邦成員負責天區規劃以及部分約束條件判斷，為整個聯邦的核心。運控聯邦成員設計的好壞直接影響到整個仿真聯邦的工作效率以及仿真結果的可信程度。

運控聯邦的整體流程設計如圖2所示，在接收到來自其它聯邦成員的數據之后，根據任務規劃算法計算出目標天區，發送給其它聯邦成員，并根據從其它聯邦成員接收到的消息來判斷觀測是否成功。重復此過程，直到完成整個仿真任務。

其中計算目標天區模塊為整個運控聯邦成員甚至是整個仿真系統的核心。在光學載荷整體的設計方案確定之后，目標天區規劃算法是唯一影響任務完成時間的因素，并且計算目標天區所用時間占運控聯邦成員運行時間的70%。所以目標天區計算模塊設計的好壞直接影響到整個仿真的結果與仿真的速度。

圖2　運控聯邦成員流程圖Fig.2　Flow chart of the control federation

3　運控聯邦成員優化

運控聯邦成員需要對大量天區進行約束條件計算，為整個聯邦中計算量最大的聯邦成員，成為了提升整個仿真速度瓶頸，因此如何對運控聯邦成員進行優化是運控聯邦成員設計的關鍵。針對運控聯邦成員可以從計算方法優化以及約束判別算法兩個方面進行優化。本文分別使用基于openMP的并行算法和樂觀約束判別算法對上述兩個方面進行了優化。

3.1基于openMP的優化

OpenMP是一個為在共享存儲的多處理機上編寫并行程序而設計的應用程序接口，是可移植多線程應用程序開發的行業標準，在細粒度與粗粒度線程技術上具有很高的效率[7-8]。

3.1.1算法并行可行化分析

通過對整個聯邦成員各部分運行時間統計可知，計算可見天區是整個運控聯邦成員中計算量最大的部分，約占整個運控聯邦運行時間的50%。

對可見天區觀察的實質為對劃分好的每一個子天區進行約束條件的計算，此部分計算相互獨立，且各個天區的計算之間并沒有前后的邏輯關系，適合于將其計算并行化以提高計算效率[9-13]。

3.1.2并行程序設計串行化算法代碼為：

對坐標為（I，j）的天區進行可見性判斷

若本串行代碼的基礎上通過嵌入指令語句將外層循環并行化，雖然工作量小，但是在算法的內層循環中，啟動數據規約仍然需要系統開銷，如果能夠避免該操作，將進一步提高并行效率。對并行算法進行重新設計可解決此問題。改進后的算法并行的粒度較原來相比更細，并行程度更高。

重新設計后代碼：

對坐標為（I，j）的天區進行可見性判斷

針對改進后的算法，使用嵌入指令語句#pragma omp paraellel for將計算并行化，可顯著提高計算效率。

3.1.3實驗結果

實驗平臺如表 1所示，openMP優化選項開啟，使用openMP優化可見天區的計算，實驗數據為程序多次運行取平均值，如圖3所示。通過使用openMP使得計算效率提高了42%。

表1　實驗平臺配置表Tab.1　The experimental platform configuration

3.2樂觀約束判別算法

3.2.1傳統約束判別算法

由于光學載荷自身成像需要，針對單一目標的觀測需要連續拍攝N個仿真步長，且在拍攝過程中要時刻滿足觀測約束條件。因此，在對目標天區進行約束條件計算時要對未來N個仿真步長中所有約束條件進行計算，只有全部滿足約束的可見天區才能夠作為要觀測的天區，仿真流程如圖3所示。這種約束判別算法可保證計算得出的目標天區一定符合要求，但是使得計算復雜度大幅度提高。

圖3　openMP優化運行時間對比圖Fig.3　Comparison of run time about the optimistic about openMP

圖4　傳統約束判別算法流程圖Fig.4　Flow chart of traditional constrain judge algrithm

3.2.2樂觀約束判別算法

通過對運行時數據分析發現，在持續N個仿真步長的觀測過程中太陽、月亮的位置變化不到0.5%，即主要約束條件變化幅度非常小。對于絕大部分天區來說，如果能夠滿足初始時刻的約束條件，就能滿足整個觀測時間段內的約束。

基于以上分析，設計了樂觀約束判別算法，即認為滿足初始時間約束條件的天區為可觀測的目標天區，并在仿真系統中加入了運行時約束條件判斷聯邦以修正此算法帶來的誤差，算法流程如圖 4所示。此算法在犧牲一定的觀測成功率的代價下，能夠降低計算復雜程度，提高仿真速度。

通過實驗數據分析，在多色成像模式與無縫巡天模式下，因采用樂觀約束判別算法造成的觀測失效次數與總觀測次數如表2所示。引入樂觀的約束條件判斷機制之后而造成的觀測失效只占了全部觀測次數的0.67%。拍攝失敗次數完全在可以接受的范圍之內。在本聯邦成員中，采用了樂觀約束判別算法。

3.2.3實驗結果

由于計算可見天區耗時與觀測點選取有關，且方差很大。所以統計了200次目標天區計算，耗時累計值如圖 5所示，可見，樂觀約束判斷算法使得程序計算時間縮短了33.7%。

表2　樂觀約束判別算法觀測結果表Tab.2　Result of observation with optimistic constrain judge algorithm

圖5　樂觀約束判別算法流程圖Fig.5　Flow chart of optimistic constrain judge algorithm

圖6　樂觀約束判別算法耗時Fig.6　Time cost of optimistic judge algorithm

3.3實驗結果

使用基于openMP的并行算法優化和基于貪心的樂觀約束判別機制后，運控聯邦成員完成200次觀測耗時如圖6所示。可見使用基于openMP的并行算法優化和基于貪心的樂觀約束判別機制使得整體運行時間減少了55%。從而使得整個仿真聯邦仿真速度提高，最終使得仿真時間減少了27.4%。

4　結　論

在綜合考慮了空間中復雜的環境以及眾多成像約束對運控聯邦成員運行效率影響的基礎上，文中采用了基于openMP的并行優化方法和基于貪心的樂觀約束判別算法對運控聯邦成員進行了優化，降低了運控聯邦成員的計算復雜度，使得仿真整體時間減少了27.4%。同時基于openMP的并行方法和樂觀約束判別算法對于其他復雜環境、多約束的大規模仿真系統也有一定的借鑒意義。

圖7　優化前后耗時對比Fig.7　Time cost comparison before and after optimization

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Design and optimization of HLA-Based optical facility control federate simulation

LI Cheng-min1，2，ZHANG Tao2，ZHANG Bin2，ZHANG Shu-yuan3
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；3.Economics and Management School of Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Sky survey optical facilities are becoming more and more important in astronomical observation，and control is the core of this kind of facilities.In the process of building the HLA-based astronomical observation simulation system，it is found that control federation's efficiency directly affects the overall efficiency，due to multi-constrain of the observation.For improving the simulation efficiency，the optimistic judging algorithm and openMP-based optimization method are designed. The result show that new control federation greatly improves the efficiency of optical facilities simulation，and the computational complexity is decreased；the overall running time is reduced by 43%.

HLA；optical facilities；federation design；openMP；optical judging algorithm

TP399

A

1674－6236（2016）01-0031-04

2015-04-09稿件編號：201504083

國家重大專項（Y214102RN）

李承民（1989—），男，北京人，碩士。研究方向：系統仿真。