Lua腳本與C++交互流程及在其HSTPN仿真軟件的應用

陳佳銘 王風立 鄧君湘 曹瑞珉

1(東北大學中荷生物醫學與信息工程學院 遼寧 沈陽 110819)2(海信網絡科技股份有限公司 山東 青島 266071)3(沈陽特種設備檢測研究院 遼寧 沈陽 110035)4(東北大學機械工程與自動化學院 遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

Petri網是一種簡潔的、圖形化的網絡模型，它既能表示靜態的系統拓撲結構，也能用于系統動態行為的仿真。然而，傳統Petri網并不能全面描述系統中連續、隨機、時延和沖突等混雜特性。混雜隨機時延Petri網HSTPN[1]是基于條件事件網改進的高級Petri網模型，其含有離散、連續、隨機、時延和控制5種庫所，能有效描述系統中存在的多種混雜特性, 目前已成功應用于梯級水庫防洪控制系統[2]和物流自動分揀系統[1]。本文針對其仿真系統的開發，討論Lua腳本與C++的交互流程。

1 HSTPN仿真軟件功能設計

HSTPN仿真軟件的功能劃分為如圖1所示的4類功能，包括建模功能、推演功能、模型存儲與加載功能、數據輸出功能。

圖1 軟件功能劃分

2 軟件開發框架、工具及運行環境

該仿真軟件的開發框架為微軟基礎類庫MFC的“文檔-視圖類”開發框架[3]，文檔類負責數據的存儲與管理，視圖類負責數據的顯示和編輯，文檔類與視圖類的交互通過指針調用實現。該框架將數據的管理與顯示分離，降低了類與類之間的耦合度，進而提高了框架的可擴展性。同時，該框架可通過文檔類和視圖類的配合，靈活管理數據的顯示，方便程序的編寫與維護，適合本文軟件的開發。

該仿真軟件基于MFC單文檔程序框架開發，主要包含4個C++類，如圖2所示，分別為App類、框架類、視圖類和文檔類。其中App類表示應用程序本身，框架類用于承載視圖、工具欄、菜單欄、狀態欄等，視圖類負責數據的顯示與編輯，文檔類負責數據的存儲與管理。

圖2 MFC單文檔程序框架

該軟件開發工具包括Microsoft Visual Studio 2010(簡稱VS)平臺、Lua腳本和TinyXML。VS是一個基本的、完整的開發工具集，包括整體軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發環境等[4]。

Lua是一種開源的、小巧、使用方便的解釋性語言。Lua能很方便地嵌入到應用程序并為它們提供靈活的擴展和定制功能。Lua還提供非常豐富和實用的功能,比如函數式編程(所有的函數都是第一類值)、協同程序、自動內存管理等[5]。由于Lua所有源代碼均由ANSI C編寫，它與C/C++能非常方便的交互,可使用C/C++的擴展庫完成一些功能較復雜的應用。而所有這些特性都歸功于它有一個精簡的、巧妙的、高效的Lua虛擬機的設計[6]。Lua采用了一種最簡單的執行框架設計方式(switch-case),由于它指令數較少,因此也獲得了較好的執行效率。Lua以其簡潔、可擴展、高效性以及可移植的特點廣泛應用與web服務器、游戲引擎以及嵌入式開發等領域[7-8]。本軟件基于Lua腳本設計了連續過程的編程實現方案，采用了Lua 5.3版本的解釋器。

軟件的運行平臺為Windows操作系統，軟件的運行需要Microsoft.NET Framework 4.0環境的支持；HSTPN推演仿真過程中，需要將模型信息全部加載到內存中，因此要求計算機擁有3 GB及以上的內存配置。

3 整體架構設計

3.1 軟件分層架構設計

根據需求分析，并結合MFC框架“文檔-視圖類”結構，設計HSTPN仿真軟件的整體架構如圖3所示，軟件架構劃分為四個層次，包括人機交互層、推演仿真層、數據結構層及文件存儲層。

圖3 軟件整體架構

(1) 人機交互層 該層用于實現軟件的人機交互界面，直接面向用戶。在人機交互層，用戶通過創建HSTPN模型的節點、設置仿真參數、基于Lua語言進行連續方程編寫等操作完成網絡模型的創建，并通過點擊按鈕進行模型推演仿真、控制仿真進程、進行模型存儲、模型加載、數據存儲等操作。人機交互層將用戶操作信息轉化為數據，存儲在數據結構層相應的數據結構中；該層還不斷監測數據結構層中各種數據的變化，并轉化為人機交互層中各種圖形的改變，從而完成模型狀態、推演動畫及數據展示等功能。

(2) 數據結構層 該層封裝了HSTPN仿真軟件建模、仿真、數據輸出等過程中用到的各類數據結構。當用戶通過人機交互界面進行建模、參數設置等操作時，數據結構層接收人機交互層的操作信息，并將其轉換成數據存儲在對應的數據結構中；在HSTPN推演過程中，該層不斷接收模型的數據變化信息、仿真輸出數據等，并重新存儲到相應的數據結構中。

(3) 推演仿真層 該層主要完成三部分的功能，一是讀取數據結構層存儲的HSTPN模型的數據信息，基于HSTPN推演引擎完成模型推演仿真，并將推演過程中的數據實時傳遞回數據結構層；二是模型推演過程中，利用推演動畫展示程序實時的驅使相應的數據傳遞給人機交互層，引起人機交互層各圖形的變化，從而實現推演動畫展示的功能；三是在模型推演過程中，利用仿真數據輸出程序驅動數據結構層中接收的仿真數據賦值給相應的數據輸出節點。

(4) 文件存儲層 該層主要負責模型文件的存儲與加載、仿真數據的存儲功能。當用戶通過點擊人機交互界面上的“保存”按鈕進行存儲操作時，文件存儲層讀取數據結構層存儲的模型數據或仿真數據，將其寫入文件并存儲在電腦磁盤中；當用戶通過點擊人機交互界面上的“打開”按鈕，文件存儲層讀取存儲電腦磁盤文件中的信息，并將其轉換成相應的數據，重新存儲于數據結構層。

3.2 基于MFC的軟件類架構設計

根據圖3的軟件分層架構，結合MFC單文檔程序的框架及各C++類的功能，設計HSTPN仿真軟件的程序架構如圖4所示，是對軟件分層架構程序的實現方案。具體的對應關系如下：

1) CHSTPN_SYSView類：

CHSTPN_SYSView類繼承自CView類，即視圖類。在MFC架構中，視圖類負責數據的顯示與編輯，因此，在HSTPN仿真軟件中，CHSTPN_SYSView類用作人機交互層的實現類。圖4中CHSTPN_SYSView類的結構圖列出了該類主要涉及的功能的實現方法，其中：

(1) CreateNode方法：用于創建HSTPN模型中的狀態節點及事件節點；

(2) CreateArcs方法：用于創建HSTPN模型中的有向弧；

(3) Draw方法：用來實現推演動畫的展示、仿真數據展示等功能；

(4) MoveNode方法：用來實現HSTPN模型中節點的移動功能；

(5) DeleteNode方法：用來實現HSTPN模型中節點刪除功能。

圖4 軟件分層架構的程序實現類關系圖

2) CHSTPN_SYSDoc類：

CHSTPN_SYSDoc類繼承自CDocument類，即文檔類。在MFC架構中，文檔類負責數據的存儲與管理，因此，數據結構層中的各數據結構定義在文檔類中；由于文件存儲層的功能本質是對數據結構層中的數據的直接讀取、保存和重新生成，因此，文件存儲層的功能也在CHSTPN_SYSDoc文檔類中實現。圖4中CHSTPN_SYSDoc類的結構圖，列出了該類主要涉及的數據結構及功能的實現方法，其中：

(1) vecPlaces、vecTrans、vecArcs和vecOutput：四個動態數組，分別用于存儲HSTPN模型中包含的狀態節點、事件節點、有向弧和輸出節點，上述元素的實現類，即CPlace、CTransition、CArc和COutput類的詳細設計與實現將在第4章講述；

(2) SaveModel方法：用來實現HSTPN模型存儲功能；

(3) LoadModel方法：用來實現HSTPN模型加載功能；

(4) SaveSimData方法：用來實現仿真數據存儲的功能。

3) CHSTPN_SYSSim類：

在軟件設計開發過程中，應用面向對象的建模思想，推演仿真層單獨構建一個類來實現，將其命名為CHSTPN_SYSSim。CHSTPN_SYSSim類的結構如圖4所示，其中：

(1) SimEngine方法：表示模型推演引擎，負責實現仿真推演功能；

(2) AnmatnDemo方法：用于模型推演的同時，驅動CHSTPN_SYSView類中Draw方法的執行；

(3) SimDataOut方法：用來將仿真過程中模型數據賦值給輸出節點。

4 基于Lua腳本的連續過程的建模實現

4.1 Lua腳本與C++的交互流程

建模功能是HSTPN仿真軟件的基本功能，需要完成HSTPN模型的狀態節點、事件節點和有向弧創建，節點屬性設置，連續物理層的編程等操作。其中，HSTPN模型中的連續物理層一般采用微分方程或狀態方程來描述。隨著仿真案例的不同，HSTPN模型中用于描述連續過程的微分方程或狀態方程也不相同。HSTPN仿真軟件中，在連續狀態節點中內嵌一個Lua腳本，用戶可在該腳本中通過Lua語言設計、編寫自己的微分方程或狀態方程，提高了軟件的可擴展性。

當一個連續狀態節點激活后，其內嵌的Lua腳本開始執行，此時連續狀態節點中創建一個Lua虛擬堆棧，用于Lua和C++程序之間的交互。Lua腳本與C++的交互流程如圖5所示。

圖5 Lua腳本與C++交互流程

4.2 連續模型的案例創建

HSTPN仿真軟件界面如圖6所示，界面分為3個區域：菜單欄與工具欄、元素選擇區、模型展示區。其中菜單欄和工具欄中列舉了“保存”、“打開”等菜單項，模型元素選擇區列出了HSTPN博弈模型的基本元素及軟件的數據輸出節點，模型編輯區負責HSTPN博弈模型的搭建、屬性設置、動畫展示等。

圖6展示的仿真模型中，p4和p28兩個狀態節點分別用于描述兩個連續過程，通過Lua腳本進行編程實現，Lua腳本的創建過程如圖7所示。

5 結 語

本文結合MFC“文檔-視圖類”結構設計了軟件的分層架構及程序實現框架。本軟件包含的功能主要分為四類：HSTPN模型搭建功能、推演功能、仿真模型的存儲與加載功能、仿真數據輸出功能。分析了Lua腳本與C++的交互流程，實現了連續過程編程功能。