基于HLA的协同仿真运行管理集成环境

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境

摇

2003年3月第29卷第3期

北京航空航天大学学报

JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics

March摇2003Vol.29摇No郾3

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境

王江云摇摇王行仁

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院)

摇摇摘摇摇摇要:基于HLA的协同仿真运行管理集成环境主要解决复杂分布仿真系统设计中的仿真问题.通过定义支持仿真运行管理环境的开放接口,使所有符合仿真运行管理环境规范的仿真工具和仿真应用都可以在仿真运行管理环境的支持下,集成起来.协同仿真运行管理集成环境支持不同类型仿真应用子系统的互操作,支持仿真工具的集成,具有仿真运行管理、仿真时间管理、仿真数据管理等功能.协同仿真运行管理集成环境的应用领域十分广泛,具有很大的实用价值.

关摇键摇词:仿真;时间服务;环境管理;高层体系结构;仿真运行管理中图分类号:TP391郾9

文献标识码:A摇摇摇摇文章编号:1001鄄5965(2003)03鄄0273鄄05

摇摇仿真技术最早只是应用于单平台模拟器的研究开发中,后来随着网络技术的出现以及仿真对象的复杂化,仿真应用开始向多机联网的方向发展,对仿真系统的可扩展性、重用性等方面的要求越来越高.针对日益复杂的应用需求出现了HLA通用仿真框架,并在工程、军事、教育等领域得到应用.这一时期,基于DIS和HLA技术,国内外都开发了一些综合仿真平台,充分考虑系统组成复杂涉及多领域的问题,充分考虑模型的互操作和重用因素,力求缩短系统开发周期,同时降低开发费用.

本文研究的基于HLA的协同仿真运行管理集成环境主要解决复杂分布仿真系统设计中的仿真问题.一方面研究由不同工具、不同算法、甚至不同描述语言实现的分布、异构模型的集成、协同仿真问题;另一方面通过提供一致的体系结构和接口规范,提倡组成系统的各个子系统尽量采用统一的语言和规范来完成子系统的建模工作,便于各个子系统之间的互操作.

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境的特点可以简明扼要地概括如下:地);5)多层次;6)多任务.

1)多学科;2)多用户;3)多节点;4)多地(异多学科指仿真应用可涉及多个技术领域;多用户指协同仿真运行管理集成环境支持多个用户之间的协同工作;多节点和多地指仿真应用可以分布在异地,由多个节点组成;多层次指协同仿真

收稿日期:2002鄄01鄄28

运行管理集成环境的构成形式;多任务指协同仿真运行管理集成环境并不针对某一类具体的仿真1摇协同仿真运行管理集成环境分析1.1摇特摇点

目标,其体系结构具有较广泛的适用性.

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境是一个着重于系统仿真运行阶段的综合环境,通过定义支持仿真运行管理环境的开放接口,使所有符合仿真运行管理环境规范的仿真工具和仿真应用都可以在仿真运行管理环境的支持下,集成起来.

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境的研究开发重点包括一套定义完整的接口标准,提供软件工具帮助用户分析真实世界中的模型,按用户的需求装配某些适当的模型,进行仿真演练,运行并管理仿真演练进程,处理仿真结果.仿真运行管理集成环境通过提供一个可共享、可重用的软件框架和一组具有通用性的仿真组件,为开发者提供高层服务,屏蔽底层细节,实现需要共享的软件功能或软件服务,简化了联邦开发与执行过有仿真应用的过程[1,2].1.2摇组摇成

程,简化了开发新联邦成员的过程,简化了集成已

仿真运行管理集成环境主要采用组件的思想,基于组件技术进行开发或集成.仿真运行管理环境管理的对象主要是参加同一演练的各个仿真应用子系统,并为这些仿真应用子系统提供相同

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的接入模式.根据仿真应用子系统的组成及功能上的不同特点,以及在仿真运行管理环境中所起的作用的不同,仿真应用子系统主要分为三类,分别是仿真管理子系统、人/实物在回路仿真应用子系统和数字仿真应用子系统,如图1所示.

仿真管理子系统主要完成对仿真演练的过程管理和模式管理.仿真管理子系统由三个仿真组

件组成:协同仿真运行管理器、数据收集/可视化工具、仿真可信度评估辅助工具.

人/实物在回路仿真应用子系统相对于一般的数字仿真应用子系统有其特殊的组成部分,即包括物理效应设备.从而决定其在运行上的实时特点.数字仿真应用子系统指计算机生成飞机、高炮、导弹、舰艇等系统,也可包括C4I系统

.

图1摇基于HLA的协同仿真运行管理集成环境

2摇协同仿真运行管理集成环境实现2.1摇仿真运行管理

仿真运行管理主要管理和控制联邦执行进程,包括对联邦执行过程中的每个成员的监控.仿真运行管理的功能主要由仿真管理子系统中的协同仿真运行管理器和自主开发的仿真Agent组件2.1.1摇协同仿真运行管理器共同完成.

容;

1)初始化设置阶段

初始化设置阶段主要是为各仿真应用子系统淤从仿真想定数据库中加载具体的想定内于根据想定内容,对各仿真子系统的实体进盂确定实际运行时间步长和仿真时间步长,榆初始化环境.

的实体提供初始仿真条件,具体包括:

行初始化配置;

协同仿真运行管理器主要完成仿真的初始化这些值可根据仿真想定中相关数据设定,也可重新设定;

设置和仿真模式管理工作.通过采用HLA文档定义的管理对象模型MOM(ManagementObjectModel),在联邦一级,获知联邦名字、当前状态、联邦时间等信息;在联邦成员一级,获知各个联邦成员的时间推进策略、联邦成员的发布和订购信息、联邦成员分别注册/更新/反射的对象实例总数、发送/接收的交互总数等.对于一些不能由MOM对象类和交互类实现的管理功能,需要协同仿真运行管理器和仿真Agent自定义对象类或交互类来配合实现.例如,对于仿真控制管理功能,就是通过一个专门的交互类———仿真控制类来实现的.仿真控制类固定地由协同仿真运行管理器发布,而由其它所有仿真Agent组件固定地定购、解析、执行.

协同仿真运行管理器具有以下功能.

2)仿真运行阶段淤创建联邦;

在仿真运行阶段,协同仿真运行管理器要管

理并控制整个仿真演练过程.

于控制仿真进程,如启动仿真演练,在异常

情况下或根据需要冻结仿真演练,从冻结状态恢复仿真演练的正常运行,终止仿真演练的运行过程等;

盂随时命令联邦成员退出联邦;

榆根据实际情况,实时改变仿真步长;及其属性,交互类及其参数;

虞显示此次仿真用户自定义的所有对象类愚实时显示联邦执行的信息,如联邦名称、

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所使用FED文件名称、RTI版本号以及当前正在运行的联邦成员数目及句柄值;

余退出并删除联邦.

舆实时显示各个联邦成员的运行状态;

3)分析与回放阶段2.1.2摇仿真Agent视化工具进行重放.

根据需要,针对某一段仿真演练过程,要求可

在HLA中,一个联邦是由一组符合HLA接

口规范的相互间具有交互作用的联邦成员组成.从另一个角度看,可以认为每个联邦成员都是一个自主的软件模块,因为它可以和其它成员交互,可以通过RTI获得关于整个联邦的某些信息.这些联邦成员可以响应它们预订的交互信息,能发现新的对象实例,并利用获得的信息加强自身知识基础.换句话说,这些联邦成员不仅把RTI作为通讯的媒介,也当作了自动行为的信息源.本文把与AgentRTI有直接交互关系的模块作为Agent,由这些型的信息接收负责仿真模型的信息传输及对其它仿真模,如图

2.

图2摇Agent模块

仿真Agent在仿真运行管理环境中主要承担以下任务1)2)完成仿真应用的联邦初始化工作:

;4)3)完成仿真应用的对象注册和发现工作完成仿真应用的对象数据内部表达;

;5)完成仿真应用的数据接收工作;6)完成仿真应用的数据发送工作7)完成仿真应用的时间推进;响应协同仿真运行管理器的命令;.2gent图3表明了仿真agent的实现原理.2摇完成了仿真时间管理

SOM鄄to鄄FOM鄄to鄄RTI的映射联接,仿真a鄄

[3].

协同仿真运行管理集成环境提供两种时间推

图3摇仿真Agent的映射作用

进机制:基于事件驱动(event鄄driven)和基于时间步长(time鄄stepped).对于事件驱动仿真应用,按时间戳顺序处理内部局部事件和接收到的外部事件.仿真应用的时间推进与其处理的事件时间戳时间一致;对于按时间步长推进的仿真应用,系统以固定的步长推进仿真时间.只有当本步内的仿真活动都完成后,系统才将仿真时间推进到下一步.

目前,协同仿真运行管理环境处理较多的是实时仿真应用系统.实时仿真系统的仿真时间推进与自然时间的推进保持一致,也就是说真实的1物理时间向前走s.

1s,实时仿真系统的时间也推进

在仿真运行管理环境中,一个系统要能达到实时运行1)构成联邦的每个联邦成员的,必须满足下列要求.终大于其局部实时时间

LBTS值都始联邦成员的LBTS值是它在运行过程中可以

接收到的TSO消息的时间戳的下限值.每个联邦成员都对应一个LBTS值,RTI通过计算每个联邦成员的LBTS值,确保只向联邦成员发送时间戳小于TSO其LBTS值、联邦成员尚未接收到的所有其局部实际时间消息.如果联邦成员的,那它在处理消息上就会落后于LBTS值小于或等于实时时间.

要使每个联邦成员的LBTS值都始终大于其局部时间,就要求联邦中所有向这个联邦成员发送TSO消息的其它时间调节型联邦成员的前瞻值都大于零,那么RTI就能保证事件在其时间戳规定的时间之前传递到该联邦成员各联邦成员请求逻辑时间推进的速度不.小于实时运行的速度

2)要使各个联邦成员都运行在实时状态下,则

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要求每个成员仿真时间推进的速度大于或等于自然时钟推进的速度,即成员的仿真帧计算时间(主要由接收消息时间、模型解算时间和发送消息时间三部分组成)要小于仿真步进时间,即要求仿真计算的速度足够快.计算机运算速度的飞速提高,为减小模型解算时间奠定了良好的基础;对于非常复杂的仿真模型,也可采用多机分布计算的方式.总之,一定要保证仿真应用在规定的帧周期内完成模型的解算.1)以数据库为核心的数据集中处理结构

总结其特点如下.

ER关系型数据库系统设计的通用数据库作为数据处理中心,和所有分系统相联.所有仿真信息都以记录的形式写到数据库中,并做上标记;每个分系统总是从数据库中读取其它系统发送给自己的信息,如同步信息、命令信息等,并将自己要发送的信息填入数据库;避免各个系统之间的直接数系统采用客户/服务器模式,基于SQLSERV鄄

跑冶的责任

3)协同仿真运行管理器担负起了“定时并领如果各个联邦成员仿真推进的速度都大于自然时钟的话,那么整个仿真就是运行在超实时状态下了“.这时就要靠协同仿真运行管理器来完成为时间主控型联邦成员定时并领跑冶的任务.协同仿真运行管理器设计,其逻辑时间推进与自然时间推进一致4)DMSO对运行支撑系统.

RTI不是为解决实时仿真问题而设计

RTI的要求

的,也没有推出专门运行在实时操作系统上的版本,所以它的性能是否满足实时仿真的需求,就成为一RTI1.个普遍关心的问题.波音公司曾对DMSO的条件下3v5(RTI进行过一系列测试的主要工作由一台专门的主机完.结果表明,在一定成、联邦中只有几十个实体、关闭RTI的打包功能、Tick时间间隔为1ms等),RTI的平均延时约为2ms,最大延时约为5.3ms,可以满足一般的实时性要求.

3摇应用实例

应用协同仿真运行管理集成环境的研究成果,本文实现了一个动力学系统仿真实例的改造工作.

这个系统是一个典型的分布交互式系统,为特定人员提供综合训练仿真环境.系统由通用数据库、总控模型、动力学模型、综合图形、指挥控制等分系统构成.原系统体系结构如图4所示

.图4摇基于数据库系统的分布式训练系统结构

据通讯2).

各分系统的仿真推进与同步是基于数据库中

基于数据库翻牌机制运行

的仿真运行总控表来实现的.当模型系统完成本步长仿真任务后,修改数据库中相应状态表的相应字段值.总控模型检查到所有模型系统都处于完成状态后,将总控表中的同步标志翻牌,推进仿真时间,准许各模型系统进行下一步长的仿真.

通过以上分析,可以看出以数据库系统作为数据集中处理中心并基于数据库翻牌机制同步各模型系统的方式,一方面限制了系统的开放性、可扩展性;另一方面降低了系统的运行性能.

基于HLA的协同仿真运行管理集成环境通过提供一个开放、灵活的体系结构和具有通用功能的仿真组件便于仿真应用系统的集成,实现不同仿真应用的重用与互操作,最终降低开发新系统的成本和时间.针对上述传统基于数据库系统的分布式训练系统的局限性,采用支持HLA标准的协同仿真运行管理集成环境,对原系统进行了重新设计开发,见图

5.

图5摇基于HLA的分布式训练系统结构

由仿真运行管理器执行总控模型的任务,指控系统、图形系统和动力学模型则通过仿真agent方便地进行相互之间的数据通讯.仿真分系统还可根据仿真演练的规模进行配置,提高了系统的扩展性.通过协同仿真运行管理集成环境提供的时间管理服务,协调基于步长和基于事件等两种

时间推进机制,提高了系统的实时性能.4摇结束语

协同仿真运行管理集成环境的研究适应了仿

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真应用子系统构成日益复杂、规模日益扩大的发展趋势,而且应用领域十分广泛.本文的研究成果可以支持只有两三个仿真成员的小型仿真系统,也可以支持上百个仿真成员的大型仿真系统;既可以支持虚拟战场攻防对抗的仿真演练,又可以到支持动力学虚拟样机设计系统等.参考文献(References)

[1]VernonKHandley,PeterMShea,CaptMarkMorano.Anover鄄

viewofthejointmodelingandsimulationsystem(JMASS)[DB/[2]PaulLGustavson,LawrenceMRoot,SteveGoss.Achievingrap鄄

idintroperabilityforboththeM&S[DB/OL].,2001

OL].,2000

[3]GeorgeJValentino,ToddKniola,KatherineLMorse,etal.An

agenttoolkittosupportdistributedsimulations[DB/OL].,1998

IntegratedEnvironmentBasedonHLAforCollaborative

SimulationRun鄄TimeManagement

(SchoolofautomationScienceandElectricalEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics)

WangJiangyun摇WangXingren

tions,anintegratedenvironmentbasedonHLAforcollaborativesimulationrun鄄timemanagementwasprovid鄄theintegrationofsimulationtools,aswellasprovidedsimulationrun鄄timemanagement,simulationtimeman鄄agementandsimulationdatamanagement.TheintegratedenvironmentbasedonHLAwaswidelyused.simulationrun鄄timemanagement

Abstract:Todealwiththesimulationproblemsencounteredinthesystemdesignfordistributedsimula鄄

ed,byintegratingallthesimulationtoolsandsimulationapplicationsthatcompliedwiththewell鄄documentedinterfacestandards.Theintegratedenvironmentsupportedboththeinteroperabilityofdifferentsimulationsand

Keywords:simulation;timeservice;environmentalmanagement;HighLevelArchitecture(HLA);

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/chv1.html