基于HLA的分布式仿真框架自動生成技術(shù)＊

梁彥剛，高曉升，張 翼，唐國金

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

1 引言

建模與仿真的高層體系結(jié)構(gòu)HLA（High Level Architecture）自1995年提出后得到社會普遍認(rèn)可，在工業(yè)、軍事等仿真領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。HLA的基本思想就是使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的對象模型，從而獲得仿真聯(lián)邦高層次的互操作和重用，其最顯著的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了仿真功能與運(yùn)行支撐系統(tǒng)的分離。運(yùn)行支撐環(huán)境RTI（Run Time Infrastructure）是HLA體系結(jié)構(gòu)的核心，它實(shí)現(xiàn)了HLA接口規(guī)范中定義的服務(wù)，提供底層和基本功能支持。但是，基于RTI應(yīng)用程序接口（API）編程給仿真應(yīng)用的開發(fā)帶來了很大的不便，因此國內(nèi)外很多學(xué)者研究開發(fā)了聯(lián)邦成員代碼生成工具，用以輔助仿真聯(lián)邦成員的開發(fā)［1～4］。這些方法都是通過對FOM／SOM表的解析，獲取HLA仿真聯(lián)邦中的成員交互信息，通過一定的映射關(guān)系生成聯(lián)邦成員代碼框架。還有一種方式是對RTI的API函數(shù)進(jìn)行封裝，如 MAK－RTI的程序開發(fā)工具箱VR－Link。但是，無論是代碼框架還是工具箱形式，聯(lián)邦成員用戶的模型代碼與RTI提供的服務(wù)代碼都存在相互耦合的問題，在調(diào)試過程中具有一定的靈活性，但需要用戶掌握RTI的基本服務(wù)功能，如對象實(shí)例注冊／注銷、對象實(shí)例屬性更新／反射、交互實(shí)例參數(shù)發(fā)送／接收等，因此需要仿真專業(yè)人員進(jìn)行輔助和指導(dǎo)。國內(nèi)周忠等［5］對HLA中通用而獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行抽象，建立了通用管理模型，開發(fā)了仿真應(yīng)用程序開發(fā)框架BH HLA FM。它類似于MFC，提供給用戶豐富的類庫以支持仿真應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，實(shí)質(zhì)上它仍然是一個(gè)程序框架，開發(fā)具體的應(yīng)用程序需要對框架進(jìn)行實(shí)例化。而對仿真應(yīng)用模型開發(fā)者而言，往往要求接口部分越簡單越好，且不希望改變其原有程序框架和編程習(xí)慣。這樣就需要對RTI服務(wù)功能進(jìn)一步封裝，使得仿真計(jì)算模型部分與HLA功能模塊完全隔離。本文通過仿真適配器技術(shù)和共享內(nèi)存、中斷回調(diào)技術(shù)將仿真模型與仿真運(yùn)行環(huán)境有效隔離，開展了基于HLA的分布式仿真框架自動生成技術(shù)研究，提高了仿真系統(tǒng)開發(fā)效率和可靠性。

2 仿真框架的基本思想

在基于HLA的仿真系統(tǒng)中，仿真應(yīng)用程序一般包含兩部分內(nèi)容，一是實(shí)體模型計(jì)算部分，另一部分是RTI的服務(wù)程序。仿真成員要正常參與聯(lián)邦運(yùn)行，除了需要進(jìn)行自身模型部分解算，還要按照HLA的規(guī)則響應(yīng)RTI的管理和回調(diào)，這里稱之為RTI服務(wù)程序，包括初始化成員數(shù)據(jù)、創(chuàng)建并加入聯(lián)邦、聲明時(shí)間推進(jìn)策略、聲明公布／訂購關(guān)系、請求時(shí)間推進(jìn)、更新和反射對象實(shí)例、發(fā)送和接收交互、退出并撤銷聯(lián)邦等，具體運(yùn)行過程如圖1所示［2］，其中虛線框?yàn)楹笈_執(zhí)行線程。

從圖1可以看出，仿真成員中計(jì)算模型和RTI服務(wù)程序最主要的耦合就是數(shù)據(jù)耦合和計(jì)算調(diào)度的耦合，因此必須采用一種仿真中間件技術(shù)，解除二者的強(qiáng)耦合，對仿真成員的模型計(jì)算部分進(jìn)行隔離，從而提高計(jì)算模型的獨(dú)立性。與聯(lián)邦成員程序框架不同，該仿真中間件為獨(dú)立的執(zhí)行程序，本文稱其為仿真適配器，負(fù)責(zé)對RTI的服務(wù)程序部分的封裝，相應(yīng)的仿真計(jì)算模型為另一獨(dú)立執(zhí)行程序。這樣即實(shí)現(xiàn)了兩者在設(shè)計(jì)上的有效隔離，使得計(jì)算模型的開發(fā)用戶完全得到解放，接下來的問題就是如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立進(jìn)程在單機(jī)環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互和調(diào)度管理。

Figure 1 The running process of federate圖1 聯(lián)邦成員運(yùn)行過程

數(shù)據(jù)交互的問題可以通過共享內(nèi)存解決，所謂共享內(nèi)存，就是多個(gè)進(jìn)程把一段內(nèi)存映射到自己的進(jìn)程空間，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享以及傳輸，這是所有進(jìn)程間通信方式中最快的一種。而調(diào)度管理的問題可以通過中斷回調(diào)機(jī)制解決，所謂中斷回調(diào)，是指多進(jìn)程運(yùn)行過程中，主控進(jìn)程通過向受控進(jìn)程發(fā)送中斷消息，觸發(fā)受控進(jìn)程所注冊的回調(diào)接口函數(shù)，完成相應(yīng)任務(wù)，從而達(dá)到控制和調(diào)度其它進(jìn)程運(yùn)行的目的。

本文的核心思想就是在共享內(nèi)存／中斷回調(diào)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用仿真適配器對仿真應(yīng)用成員中與RTI服務(wù)相關(guān)的部分進(jìn)行封裝，適配器和用戶計(jì)算模型程序間引入共享內(nèi)存，從而進(jìn)一步降低用戶程序開發(fā)的難度。在此情況下，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示，其中分布在不同計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的仿真適配器通過RTI環(huán)境構(gòu)成一個(gè)聯(lián)邦原型，可在仿真管理節(jié)點(diǎn)控制下實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦推進(jìn)。

3 HLA仿真適配器技術(shù)

所謂適配器，是為了解決不同系統(tǒng)間的交互信息格式不統(tǒng)一而開發(fā)的信息格式轉(zhuǎn)換接口。HLA仿真適配器是用戶模型程序與RTI運(yùn)行環(huán)境的橋梁，適配器的實(shí)現(xiàn)一般需要有專業(yè)的分布式仿真領(lǐng)域知識。為提高程序設(shè)計(jì)效率，本文研究并實(shí)現(xiàn)了仿真適配器自動生成技術(shù)。

Figure 2 Schematic of system integration圖2 系統(tǒng)集成架構(gòu)圖

在HLA技術(shù)框架中，對象模型OM（Object Model）是核心內(nèi)容之一，它描述了聯(lián)邦在運(yùn)行過程中需要交換的各種數(shù)據(jù)及相關(guān)信息［6，7］。對象模型分為聯(lián)邦對象模型FOM（Federate Object Model）和仿真對象模型SOM（Simulation Object Model）。FOM提供一個(gè)聯(lián)邦內(nèi)各成員間所有用于交換的數(shù)據(jù)的詳細(xì)說明，如公共的對象類及其屬性、交互類及其參數(shù)等信息；SOM提供每個(gè)仿真成員能夠提供給聯(lián)邦的自身功能的詳細(xì)說明。進(jìn)行HLA仿真程序開發(fā)必須首先完成FOM表設(shè)計(jì)與編輯［8］。

由于FOM表記錄了聯(lián)邦成員間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的各類結(jié)構(gòu)體，可以通過FOM表的設(shè)計(jì)和編輯輸出數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)體到仿真計(jì)算模型，同時(shí)輸出接口描述文件到適配器自動生成軟件。基于適配器技術(shù)的仿真應(yīng)用成員設(shè)計(jì)與開發(fā)流程框架如圖3所示。仿真系統(tǒng)研制中，由FOM表設(shè)計(jì)與編輯軟件建立規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，由適配器自動生成軟件生成HLA仿真適配器，依據(jù)模型規(guī)范開發(fā)相應(yīng)的仿真計(jì)算模型，仿真計(jì)算模型通過HLA仿真適配器聯(lián)入底層的分布式仿真支撐環(huán)境。仿真計(jì)算模型和適配器之間通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

Figure 3 Design and development process of simulation memeber圖3 仿真應(yīng)用成員設(shè)計(jì)與開發(fā)過程

下面進(jìn)一步討論仿真適配器自動生成技術(shù)。根據(jù)聯(lián)邦成員的運(yùn)行過程分析，生成一個(gè)聯(lián)邦成員所需的完整信息包括：成員的詳細(xì)信息、對象的詳細(xì)信息、實(shí)例數(shù)據(jù)存儲的結(jié)構(gòu)信息、公布／訂購關(guān)系等。因此，HLA適配器自動生成過程抽象為五個(gè)基本步驟，即：

（1）輸入聯(lián)邦成員接口描述文件，提取仿真成員名稱和仿真模型名稱及對應(yīng)實(shí)例情況；

（2）確定仿真實(shí)例類型與對象類和交互類的對應(yīng)關(guān)系；

（3）確定聯(lián)邦成員公布能力與訂購需求（聲明管理）；

（4）確定聯(lián)邦成員時(shí)間推進(jìn)策略（時(shí)間管理）；

（5）生成源代碼并編譯生成HLA仿真適配器的執(zhí)行程序。

在此基礎(chǔ)上，HLA仿真適配器還需要實(shí)現(xiàn)和封裝HLA接口規(guī)范中定義的聯(lián)邦管理服務(wù)和對象管理服務(wù)。對于數(shù)據(jù)分發(fā)管理服務(wù)和所有權(quán)管理服務(wù)，根據(jù)仿真系統(tǒng)功能需求，暫時(shí)不予考慮。

此外，HLA仿真適配器還作為共享內(nèi)存管理的主控程序，完成共享內(nèi)存數(shù)據(jù)管理功能，通過發(fā)送中斷消息觸發(fā)仿真模型實(shí)例的回調(diào)函數(shù)，控制實(shí)例程序按照RTI服務(wù)要求進(jìn)行仿真推進(jìn)。

4 仿真計(jì)算模型接口要求

通過HLA仿真適配器對RTI服務(wù)程序進(jìn)行封裝后，回避了仿真計(jì)算模型與RTI直接的交互關(guān)系，但增加了計(jì)算模型與仿真適配器間的數(shù)據(jù)交互和計(jì)算模型的調(diào)度管理問題。為簡化接口關(guān)系，本文采用動態(tài)庫形式對共享內(nèi)存數(shù)據(jù)管理程序和計(jì)算模型調(diào)度管理程序進(jìn)行封裝，提供給用戶的是標(biāo)準(zhǔn)化接口函數(shù)，包括節(jié)點(diǎn)注冊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體注冊以及數(shù)據(jù)讀寫，如表1所示。

Table 1 Interface functions of computation model表1 仿真計(jì)算模型的接口函數(shù)

在共享內(nèi)存中交換的數(shù)據(jù)采用訂購和發(fā)布的方式進(jìn)行管理，每個(gè)計(jì)算進(jìn)程稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，各進(jìn)程在完成自己的節(jié)點(diǎn)注冊之后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)注冊，凡是注冊的數(shù)據(jù)都自動進(jìn)行發(fā)布，需要獲取該數(shù)據(jù)的進(jìn)程可通過查找數(shù)據(jù)標(biāo)識ID號讀取該數(shù)據(jù)。

在單機(jī)運(yùn)行的多個(gè)仿真進(jìn)程間的同步推進(jìn)，采用中斷回調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。仿真運(yùn)行過程中，HLA仿真適配器作為主控進(jìn)程負(fù)責(zé)發(fā)送中斷消息，各計(jì)算進(jìn)程分別響應(yīng)其回調(diào)接口函數(shù)，依據(jù)主控進(jìn)程下發(fā)的消息獲取仿真時(shí)鐘與行為類型，調(diào)用Get Data－ByID（）函數(shù)讀取訂購的數(shù)據(jù)，然后將自身狀態(tài)推進(jìn)至指定時(shí)刻，調(diào)用WriteDataByID（）函數(shù)更新發(fā)布的數(shù)據(jù)，從而完成一步推進(jìn)并等待下一次消息。其中，模型回調(diào)接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原型如下：

當(dāng)計(jì)算模型的回調(diào)接口函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候，根據(jù)主控進(jìn)程傳入的消息類型msg.MSGTYPE決定當(dāng)前仿真進(jìn)程是初始化、推進(jìn)計(jì)算或退出仿真。用戶通過填寫初始化函數(shù)、運(yùn)行函數(shù)和退出函數(shù)，完成每一段case分支中相應(yīng)的操作程序。

5 應(yīng)用實(shí)例

彈道導(dǎo)彈攻防過程是一個(gè)多實(shí)體參與的復(fù)雜過程，包括進(jìn)攻彈和防御方的攔截彈、預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警雷達(dá)以及指控系統(tǒng)等，采用分布式仿真可降低計(jì)算機(jī)負(fù)載，增強(qiáng)演示效果。

在彈道導(dǎo)彈攻防仿真中，可以按照參與仿真的模型實(shí)體分配仿真節(jié)點(diǎn)，形成多個(gè)仿真成員。如可按照各模型功能分為進(jìn)攻彈成員、攔截彈成員、防御方指控成員、預(yù)警衛(wèi)星成員、預(yù)警雷達(dá)成員以及仿真管理成員。仿真管理系統(tǒng)需要用到管理對象模型信息，因此獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，其它成員可通過HLA仿真適配器自動生成技術(shù)生成各成員適配器。在此基礎(chǔ)上，通過聯(lián)邦運(yùn)行支撐環(huán)境RTI將各成員適配器組合在一起，便可形成導(dǎo)彈攻防仿真系統(tǒng)分布式仿真框架，如圖4所示。

該仿真框架為導(dǎo)彈攻防仿真的聯(lián)邦原型，各仿真成員可以在仿真管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)下完成仿真運(yùn)行過程中的相關(guān)操作，如初始化、運(yùn)行、終止等。但是，由于沒有計(jì)算模型參與，因此沒有相關(guān)數(shù)據(jù)交互。各仿真適配器在本地節(jié)點(diǎn)通過共享內(nèi)存與各自模型計(jì)算進(jìn)程實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行，便可完成彈道導(dǎo)彈攻防仿真系統(tǒng)構(gòu)建。在這種機(jī)制下，仿真計(jì)算模型的接入更加靈活，從而方便不同粒度模型的替換和使用。

Figure 4 Distributed simulation framework of missile combat圖4 導(dǎo)彈攻防分布式仿真框架

6 結(jié)束語

隨著基于HLA的分布式仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用，如何進(jìn)一步簡化仿真系統(tǒng)開發(fā)流程，對來自不同用戶的仿真模型進(jìn)行快速有效集成成為大家普遍關(guān)注的問題。本文對此開展了深入研究，采用仿真適配器對RTI服務(wù)程序進(jìn)行封裝，并研制了相關(guān)軟件使得用戶無需編寫程序即可自動生成仿真適配器，提高了仿真系統(tǒng)開發(fā)效率。在仿真系統(tǒng)運(yùn)行效率方面，由于采用仿真適配器作為中間件，增加了共享內(nèi)存數(shù)據(jù)交換和中斷回調(diào)的時(shí)間消耗，使運(yùn)行效率有所降低。仿真實(shí)驗(yàn)表明，這種機(jī)制下額外增加的仿真時(shí)延約為原仿真推進(jìn)時(shí)延的1%左右，在可接受范圍之內(nèi)。

此外，該適配器目前只適用于基于時(shí)間步長推進(jìn)的連續(xù)系統(tǒng)仿真，只實(shí)現(xiàn)了RTI服務(wù)中的部分功能，仍需要在數(shù)據(jù)分發(fā)管理、仿真推進(jìn)管理等方面進(jìn)一步開展研究。

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LIANG Yan－gang，born in 1979，PhD，lecturer，his research interests include modeling and simulation of weapon system，and distributed simulation system integration.

高曉升（1979－），男，山東青島人，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)轱w行器系統(tǒng)建模與仿真。E－mail：gaoxiaosheng＠sohu.com

GAO Xiao－sheng，born in 1979，MS，assistant engineer，his research interests include modeling and simulation of spacecraft system.

張翼（1975－），男，云南鹽津人，博士生，講師，研究方向?yàn)楹教煜到y(tǒng)仿真和仿真平臺技術(shù)。E－mail：zhangyi＠263.net

ZHANG Yi，born in 1975，PhD candidate，lecturer，his research interests include simulation of aerospace system，and simulation platform technology.