基于組件的航天靶場建模仿真關鍵技術分析及其展望

劉立昊，董正宏，王明俊

(裝備學院 信息裝備系，北京 懷柔 101416)

基于組件的航天靶場建模仿真關鍵技術分析及其展望

劉立昊，董正宏，王明俊

(裝備學院 信息裝備系，北京 懷柔 101416)

為了解決在航天靶場建模仿真中，傳統的建模仿真開發方式效率低下、模型重用性差的問題。本文對近年來基于組件的建模仿真技術中較為流行的DEVS、BOM及SMP2.0規范及其應用情況進行了綜述及分析比對。本文隨后對航天靶場試驗建模仿真需求進行歸納，提出其技術實現框架，并對航天靶場的建模仿真發展做出展望，認為SMP2.0能較好地滿足航天靶場試驗的建模仿真需求，其所代表的基于組件的生成式建模必將成為航天靶場試驗建模仿真的發展趨勢。

航天靶場建模仿真；基于的組件建模規范；生成式建模仿真

本文著錄格式：劉立昊，董正宏，王明俊. 基于組件的航天靶場建模仿真關鍵技術分析及其展望[J]. 軟件，2017，38（1）：86-92

0 引言

靶場是新武器裝備試驗場所，是軍隊新武器裝備形成戰斗力的橋梁。航天靶場試驗面向導彈試驗、航天試驗、電子裝備試驗、空間試驗等多種任務，由于實體系統規模大、結構復雜、造價昂貴，建模仿真技術被廣泛運用于航天靶場試驗中。航天靶場試驗仿真往往涉及多種測控算法，包含多個領域系統模型間的交互協同，需要進行大量數據交換，對系統模型的構建效率、模型間的交互能力及仿真效率提出較高要求。傳統的建模仿真大多采用面向對象和事件調度相結合的編碼的建模方式，這種開發方式效率低下，且開發的模型內部緊耦合，模型重用性差。因此，一種可重用、高效的建模仿真手段成為航天靶場建模仿真的迫切需求。

近年來，基于組件的設計理念[1]（Componentbased design，CBD）在建模仿真領域受到青睞：CBD的指導思想是將仿真系統細分為自描述的組件，組件模型用標準的接口規范描述它們提供的服務，將業務邏輯和與平臺集成的部分隔離開來，消除中間件或集成需求對業務邏輯的影響。建模人員能夠通過組合組件完成模型的快速構建，經過模型解析，最后由仿真引擎結完成綜合調度得到仿真結果。

目前，較為流行的基于組件的建模仿真技術主要有針對離散事件仿真提出的離散事件系統規范（Discrete Event System specification，DEVS）；為解決高級體系結構（High Level Architecture，HLA）中聯邦對象模型（Federation Object Model，FOM）重用性差、開發效率低的問題而提出的基本對象模型（Base Object Model，BOM）；為實現仿真模型的平臺獨立、跨仿真平臺重用和集成提出的仿真模型可移植性規范（Simulation Model Portability，SMP2.0）。

1 基于DEVS的建模仿真技術

DEVS[2]最早由美國亞利桑那大學的Bernard P.Zeigler于1976年提出，是一套針對離散系統的層次化、模塊化的建模仿真規范。DEVS最大的優勢在于其建立了嚴格的數學描述方法，關注模型的層次耦合關系，能夠對復雜系統進行分解，對系統的層次結構和各個模型間的關聯進行準確、無二義的描述。

在DEVS中，系統可以被拆分成不同模型，模型又能進一步被細分為子模型，不可再拆分的模型被稱為原子模型，它通過定義一個七元組表示：

其中，X為事件輸入值集合，Y為事件輸出值集合，S為狀態值集合，ta為時間推進函數，根據當前狀態計算當前時間；δint為內部轉移函數，表示在無外部事件驅動下，一個狀態可以自發轉換到另一個狀態；δext為外部轉移函數，表示在接收到外部輸入后，狀態的變化情況；λ建立了內部狀態到輸出集合上的映射。

多個原子模型組合后形成的模型被稱為耦合模型，DEVS規范具有耦合封閉性[3],模型經過組合后可以以層次化的方式來描述更加復雜的系統，如圖1所示。

當利用DEVS完成組件封裝及模型構建后，需構建相應的仿真引擎開展仿真。由于其強大的描述能力，各國研究人員對DEVS開展了廣泛研究，提出了多種基于DEVS的仿真引擎。美國亞利桑那大學的Jim Nutaro基于DEVS設計了Adevs[4]仿真引擎，該引擎利用C++語言開發，由各模板類構成，推進仿真所需的數據通信、時間推進、事件調度、對象管理、內存管理等公共服務包含在各個類中。該引擎代碼開源，2014年發布3.0版本，支持并行仿真，在該校的建模仿真中心相關項目中取得了不錯的成果。

圖1 DEVS模型的層次化組合

PowerDevs[5-6]是由阿根廷的Ernesto Kofman等基于Devs開發的一款的可視化建模仿真軟件。該軟件可在windows和linux平臺運行，為用戶提供了友好的圖形界面，支持用戶對仿真組件進行拖拽連線建模。模型建立后，軟件能自動對模型進行解析，并提供仿真引擎進行實時仿真。PowerDevs的仿真引擎包含仿真中斷機制，較好地支持小型混合系統的建模仿真，但對大型復雜的系統的支持不足，2015年已發布2.3版本，研究人員還在不斷擴充組件庫，對軟件的跨平臺使用進行深入研究。

雖然DEVS提出了一套較為完整的建模形式規范，在離散事件建模仿真領域廣泛應用，但也存在著不足：

1. 對直接面向應用的建模仿真支持不足；DEVS從理論上支持對于不同建模體系進行統一、完備描述，但規范設計相對復雜，建模人員首次設計組件模型時工作比較繁瑣，規范對直接面向應用的支持不足，缺乏對模型行為的描述。

2. 不同建模工具間交互能力不足；DEVS自提出以來，已被應用在多個技術平臺的建模仿真環境，但由于DEVS缺乏形式化語義，基于DEVS的不同建模工具之間模型交互能力較差。

3. 缺乏成熟的仿真引擎；DEVS更多關注對模型的層次化描述，缺乏一個完備、成熟的仿真調度引擎產品，現有的引擎對仿真支持的性能差異大。

2 基于BOM的建模仿真技術

BOM[7]由仿真互用性標準組織（Simulation Interoperability Standards Organization，SISO）最早于1997年提出，2006形成規范，是一套基于HLA，為增強仿真模型組件的互用性、重用性及可組合性的組件設計框架。建模人員可以在此框架下構建組件并生成相應的組件模型庫，通過組合模型庫的組件完成仿真系統的快速構建，從而提升仿真系統開發效率。

BOM是概念模型、仿真對象模型或聯邦對象模型的模塊化表示，作為仿真系統和分布式仿真系統的開發和擴展所需的構建模塊，它通過標準的模塊結構來描述組件化的仿真模型[8]，分別是：模型辨識、概念模型定義、模型映射、對象模型定義等四個模塊。

BOM組件的描述由XML技術實現，組件框架根據XML中的信息自動生成。BOM組件的封裝包括兩個部分：一是用戶組件模型，二是BOM組件接口。用戶組件模型是組件功能的軟件實現體，與具體仿真平臺無關，能夠在多個仿真平臺實現重用。組件接口是用戶模型與可擴展仿真運行框架（eXtensible Simulation Running Framework，XSRFrame）間的接口。XSRFrame作為一個通用的仿真運行框架，是BOM組件與HLA的中間件，完成聯邦成員的動態創建，負責提供組件調度、數據分發存儲、維護仿真一致性的仿真引擎功能。組件與XSRFrame間的接口具有“通用性”，包含組件描述信息，建立組件與聯邦成員接口的映射關系，在特定范圍內對組件進行約束，從而保證組件接口設計的一致性，滿足所有類型仿真數據的傳輸要求。仿真開始前，XSRFrame自動加載BOM組件構成一個聯邦成員，聯邦成員間的服務由HLA中的運行支撐服務（Run-Time Infrastructure，RTI）提供，通過這一方式，建模人員可以基于BOM和HLA相關技術構建較為復雜的仿真系統?；贐OM組件的仿真系統如圖2所示。

圖2 基于BOM組件的仿真系統

BOM基于組件的快速建模思想在建模仿真領域得到了廣泛認可。國防科技大學機電工程與自動化學院軍用仿真實驗室開發設計了BOM組件建模與運行支撐環境KD-SmartSim[9]，提出了KDXSRFrame可擴展仿真運行框架，解決了仿真系統框架設計與開發中的幾個關鍵技術，成功應用與反艦導彈突防聯邦的設計與開發中。

盡管上述系統取得了成功，但其仿真應用效率較低，該學院何強[10]等于2010年基于DEVS規范重新設計仿真引擎，提出了基于離散事件系統規范的BOM組件建?？蚣?，改進了KD-XSRFrame中的時間驅動模型和時間推進算法，顯著地提升了仿真系統性能。

清華大學國家國家現代制造（CIMS）工程研究中心彭功狀等于2012年設計了基于BOM多分辨率仿真系統（BMRSS）[11]。該系統結合BOM的組件框架及MDA中的代碼生成技術來實現組件生成，采用3級分辨率控制機制，并根據內部交換服務器（IESS）技術設計了支持與RTI交互的仿真引擎，解決了大規模聯合仿真對多分辨率模型的需求問題。

BOM的提出，一定程度上解決了在利用HLA相關技術開展仿真時，模型重用性差、開發效率低的問題，它的不足主要體現在：

1. 對HLA外的仿真平臺支持不足；BOM是基于HLA提出的，目前BOM組件模型僅在HLA平臺上運用，與其他仿真平臺兼容性還有待驗證。

2. 對模型應用層的支持不足；BOM對概念模型進行了形式化描述，與DEVS規范類似，缺乏對仿真模型應用層描述的支持，對模型行為描述能力不足。

3. 復雜系統的仿真效率較低；缺乏完備的仿真引擎設計支撐，當系統包含較多組件時，仿真效果不佳。

3 基于SMP2.0的建模仿真技術

SMP2.0由歐洲航天局于2004年提出，該規范借鑒了對象管理組織（Object Management Group，OMG）的模型驅動架構（Model Driven Architecture，MDA）思想，采用基于XML的仿真模型定義語言（Simulation Model Definition Language，SMDL）描述仿真模型的設計信息和組件裝配信息,實現了仿真模型的設計信息與運行信息分離，提供了基本的模型框架及仿真運行框架，包括模型體系構成，仿真模型之間的互操作方式，仿真模型與其它組件模型之間的訪問機制，相關的仿真服務等[15]。

為實現MDA的思想，SMP2.0分離了平臺無關模型（Platform-Independent Model，PIM）與特定平臺相關模型（Platform-Specific Model，PSM）。其中PIM包含模型規范、模型裝配信息和調度信息，與仿真平臺技術無關，通過映射和代碼生成技術，能夠實現PIM到PSM的轉換。利用這種方法，即使平臺技術不斷更新，只要制定相應的映射規則，就可以利用PIM轉換成新的PSM，從而實現模型的可移植性。

此外，SMP2.0實現了設計組件與運行組件的分離，其中設計組件描述了模型的結構（包括接口和模型特征等信息）；運行組件描述模型的裝配、集成信息。組件間的通信主要由接口完成，SMP2.0包括兩類接口：一類是模型與仿真環境之間的接口；另一類是模型與模型之間的接口。為確保模型建立后的統一調度，規范還涵蓋了日志服務Logger，調度服務Scheduler，時間服務Time Keeper，事件管理Event Manager等四類支撐仿真環境的服務。SMP系統體系結構如圖3所示。

SMP2.0規范提出后，首先在歐美航天仿真領域成功運用，主要包括歐洲航天技術中心的伽利略系統輔助工具（Galileo System Simulator Facility，GSSF）、歐洲航天運行中心的金星探測和火星探測計劃等[16]。

圖3 SMP系統體系結構

以國防科技大學課題組為代表的國內研究人員對SMP2.0開展了深入研究。國防科技大學系統工程系李群、雷永林等開基于SMP2.0開發了新一代建模仿真平臺Sim2000 2.0，該平臺面向航天、裝備試驗仿真，實現了模型創建、代碼生成、集成仿真，在國內多家航天研究院所、兵種裝備研究院的復雜系統仿真項目中取得成功[17]。

SMP作為首個遵照MDA思想實現的建模仿真規范，能夠有效地支持復雜系統的建模仿真，提高建模仿真效率。但其仍存在不足：

1. 對仿真模型描述能力弱；與DEVS等規范相比，SMP2.0無法無損地對系統進行描述建模，在完成模型的轉換時，往往需要手動添加大量算法代碼，難以實現MDA中真正意義上的可執行模型的自動生成。

2. 對建模概念抽象層次低；SMP中現有的建模概念大多是技術層面的規范（如組件、類、接口、服務等），加之MDA思想和關鍵技術的復雜程度，無SMP2.0開發基礎的普通建模人員使用難度大。

3. 缺乏開放的仿真引擎；制定SMP2.0規范的Vega公司開發的仿真引擎不對外開放，使用SMP2.0實現仿真模型的集成與執行，需要研究人員根據不同領域的仿真需求自行開發仿真引擎[16]。

4 比較與分析

上文對三種基于組件的建模仿真技術及應用情況進行了綜述介紹，從規范本身及建模仿真的效果來看，三種規范各有優劣，表1將三者進行了對比。

總體來看，DEVS采用嚴謹數學描述方式，對組件內部及接口設計進行了嚴格定義，層次化、模塊化的建模思想及對模型完備的描述能力是其較其他規范的優勢?；贖LA的BOM實現了組件的快速構建，提升了建模效率，但由于HLA本身過于復雜，模型實現成本高，BOM的運用有較大的局限性。SMP2.0采用MDA生成式建模的思想和基于組件的軟件工程技術，實現了仿真模型的設計信息與運行信息分離，采用的模型變換、代碼生成技術思想均能很大程度提高建模仿真效率。

表1 三種基于組件的建模仿真技術對比

5 航天靶場建模仿真需求與技術實現框架

在航天靶場試驗中，涉及到大量的航天測控算法，傳統的面向對象的建模方式，建模仿真人員既要熟練掌握相關專業知識，又要具備較強的編碼能力，構建的仿真模型往往只能支持單一的試驗，建模效率低，模型的重用性差，且一旦需要對模型采用的算法進行修改，建模仿真人員需要重新編寫相應代碼并進行集成，工作量大[26]。因此，一種界面友好、支持組件生成、組件管理、快速構建仿真的試驗工具是航天靶場急需的。

盡管每次試驗構建的仿真模型不盡相同，但在同一領域開展仿真，不同的模型必然會有許多功能相近甚至相同的模塊組成。針對這一特點，組件生成人員可以采用基于組件的建模仿真思想，遵循一套組件建模規范，將仿真系統中不同的仿真元素細分為自描述的組件，并利用組件生成平臺對組件進行可視化封裝、生成。建模仿真人員利用仿真驗證平臺將所需組件導入，在可視化建模工具中，通過拖拽、連線，采用“搭積木”的方式完成模型的組裝構建，模型參數設置完畢后，仿真工具將對用戶構建的模型進行解析，并將解析后的解算邏輯推送至仿真引擎，最后以圖表的方式將仿真結果予以展現，生成仿真評估報告。技術實現框架如圖4所示。

根據前文的論述，以SMP2.0為代表的生成式建模技術能較好地滿足航天靶場試驗的建模仿真需求：采用SMP2.0作為規范進行算法組件開發，結合可視化技術，確保組件接口的一致性和可視化封裝；利用SMDL語言對組件及裝配信息進行描述，并根據提供的仿真運行框架設計仿真引擎。建模仿真人員完成模型創建后，利用模型轉換及代碼生成技術實現可執行模型的自動生成，經仿真引擎調度結算后得到仿真驗證結果，從而實現試驗系統的建模與統一仿真。通過這種方式，仿真專業人員省去了繁瑣的組件開發過程，能夠靈活、高效地對仿真模型進行修正，既實現了模型的重用又達到了快速建模仿真的目的。

事實上，SMP2.0相關技術也在不斷成熟與完善：為彌補SMP2.0的行為建模能力的不足，研究人員實現了DEVS到SMP2.0的映射與模型變換[18]，證明了將其他形式體系映射到SMP2.0的可行性，為將來實現多種形式體系下的復雜系統建模集成打下基礎。仿真模型的生成技術、仿真引擎的開發完善也在持續進行中[17]。綜上所述，基于組件的生成建模方法，必將成為航天靶場建模仿真的發展趨勢。

圖4 技術實現框架

6 結論

針對當前航天靶場試驗仿真建模中模型重用性差、建模效率低的現狀，本文對基于組件的建模仿真技術中較為流行的DEVS、BOM及SMP2.0規范及其應用情況進行了綜述及分析比對。本文對航天靶場試驗建模仿真需求進行歸納，提出其技術實現框架，并對航天靶場的建模仿真發展做出展望，認為SMP2.0能較好地滿足航天靶場試驗的建模仿真需求。雖然SMP2.0諸多相關技術還有待進一步完善，但其所代表的基于組件的生成式建模必將成為航天靶場試驗建模仿真的發展趨勢。

[1] 燕雪峰, 杜慶偉, 柴旭東.一種新的仿真組件模型及其實現[J]. 南京航空航天大學學報, 2006, 38(6)∶ 780-785.

[2] Zeigler B B P, Moon Y, Kim D, et al. DEVS-C++∶ A High Performance Modeling and Simulation Environment[C] HICSS. 2010∶ 350-359.

[3] Bergero F, Kofman E. PowerDEVS∶ A tool for hybrid system modeling and real-time simulation[J]. Simulation Transactions of the Society for Modeling & Simulation International, 2011, 87(1-2)∶ 113-132.

[4] Nutaro J. Adevs∶ A Discrete Event System Simulator[OL]. [2015]. http∶//web.ornl.gov/～1qn/adevs/adevs-docs.

[5] Kofman E, Lapadula M, Pagliero E. PowerDEVS∶ A DEVSBased Environment for Hybrid System Modeling and Simulation[J]. 2003.

[6] Preyser F, Hafner I, R??ler M. Implementation of Hybrid Systems Described by DEV&DESS in the QSS Based Simulator PowerDEVS[C]//Tagungsband ASIM 2015 Work-shop der ASIM/GI-Fachgruppen. 2015.

[7] SISO-STD-003-2006. Base Object Model (BOM) Template Specification[S]. SISO. 2006. 3.

[8] SISO-STD-003. 1-2006. Guide for Base Object Model (BOM) Use and Implementation[S]. SISO. 2006. 4.

[9] 龔建興. 基于BOM的可擴展仿真系統框架研究[D]. 國防科學技術大學, 2007.

[10] 何強, 陳彬, 鐘榮華, 等. 基于DEVS的BOM組件與仿真引擎研究[J]. 系統仿真學報, 2010(11)∶ 2505-2510.

[11] Peng G, Mao H, Zhang H. BMRSS∶ BOM-Based Multi-Resolution Simulation System Using Components[M]//AsiaSim 2013. Springer Berlin Heidelberg, 2013∶ 485-496.

[12] ?elik T, Tekinerdogan B. S-IDE∶ A tool framework for op-timizing deployment architecture of High Level Architecture based simulation systems[J]. Journal of Systems & Software, 2013, 86(10)∶ 2520-2541.

[13] 張鵬, 黃健, 趙鑫業, 等. 基于BOM組件模型的可組合性研究[J]. 系統仿真學報, 2011, 23(8)∶ 1559-1562.

[14] 李昕龍, 向毛. 基于DEVS理論的指控系統建模與分析[J].系統仿真學報, 2015, 27(8)∶ 1708-1714.

[15] 雷永林, 蘇年樂, 李競杰, 等. 新型仿真模型規范SMP2及其關鍵應用技術[J]. 系統工程理論與實踐, 2010, 30(5)∶899-908.

[16] 李群, 王超, 王維平, 等. SMP2.0仿真引擎的設計與實現[J]. 系統仿真學報, 2008(24)∶ 6622-6626.

[17] 雷永林, 李小波, 李群, 等. 基于SMP2的復雜系統生成式仿真建模方法[J]. 系統工程理論與實踐, 2012, 32(5)∶1107-1117.

[18] Lei Y, Wang W, Li Q, et al. A transformation model from DEVS to SMP2 based on MDA[J]. Simulation Modelling Practice & Theory, 2009, 17(10)∶ 1690-1709.

[19] Su N L, Zhou H W, Li Q, et al. Parallelization of SMP2 simulation engine on multi-core platform[J]. Yuhang Xuebao/journal of Astronautics, 2010, 31(7)∶ 1883-1891.

[20] Lei Y L, Su N L, Li J J, et al. New simulation model representation specification SMP2 and its key application techniques[J]. Systems Engineering-Theory & Practice, 2010, 31(4)∶ 553-572.

[21] Barreto J, Hoffmann L, Ambrosio A. Using SMP2 Standard in Operational and Analytical Simulators[J]. 2013.

[22] Steiniger A, Steiniger A. Component-based Modeling and Simulation for Smart Environments.[C]//Joint Workshop of the German Research Training Groups in Computer Science, Algorithmic Synthesis of Reactive and Discrete-Continuous Systems, Algosyn 2010, May 31-June. 2010.

[23] 宋志剛, 魏太林. 一體化試驗靶場體系構建探討[J]. 靶場試驗與管理. 2012, (1)∶ 55-58.

[24] 毛慶華等. 航天試驗靶場系統試驗效能評估[J]. 軍事系統工程. 1999, (1)∶ 30-35.

[25] 宋琳. 淺論靶場基于信息系統的體系試驗能力建設[J]. 靶場試驗與管理. 2011(6)∶ 7-12.

[26] 葉新, 潘清, 董正宏. 多領域建模仿真方法綜述[J]. 軟件, 2014, 35(3)∶ 233-236.

Overview on Component-based M&S Technology

LIU Li-hao, DONG Zheng-hong, WANG Ming-jun

(Department of Information Equipment, The Academy of Equipment, Beijing 101416, China)

In order to solve the problem of inefficiency and models’ lack-of-reusability in traditional M&S (Modeling and Simulation) development of space range. This paper researched on three component-based technology and made an overview on their specifications and applications. After that comprehensive comparisons and analysis were made among three technology. The paper then gave the demands of M&S applications in range test and proposed a technology implementation framework. Additionally, the paper prospect about the development of space range M&S technology and concluded that generative M&S, represented by SMP2.0, would become a trend in space range M&S in the future.

Space range M&S; Component-based modeling specification; Generative M&S

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.018

劉立昊(1992-)，男，碩士，研究方向為軍事信息系統，Email：liulihao070204@163.com；董正宏(1977-)，男，裝備學院副教授，主要研究方向為軍事信息系統。王明俊(1962-)，男，教授，主要研究方向為軍事信息系統。