Web仿真中的多分辨率建模研究*

齊禎超 馬良荔 孫煜飛

(海軍工程大學(xué)計算機(jī)工程系 武漢 430033)

Web仿真中的多分辨率建模研究*

齊禎超 馬良荔 孫煜飛

(海軍工程大學(xué)計算機(jī)工程系 武漢 430033)

多分辨率建模與仿真技術(shù)已經(jīng)成為系統(tǒng)建模與仿真發(fā)展的必然趨勢。介紹了多分辨率建模相關(guān)概念,針對基于Web的仿真環(huán)境下多分辨率建模與仿真的方法進(jìn)行研究,并提出了可以動態(tài)維護(hù)仿真模型分辨率層次視點建模的方法,結(jié)果表明能夠在有效提高仿真模型的可重用性和互操作性的同時,減小對服務(wù)器資源和網(wǎng)絡(luò)資源的占用。

Web仿真; 多分辨率建模; 可重用性

ClassNumberTP391.9

1 引言

1996年圣地哥的冬季仿真會議,“基于Web的仿真”專題會議第一次召開[1],建立在Internet和Web技術(shù)之上的建模與仿真技術(shù)逐漸成為當(dāng)前研究的熱點之一,美國海軍研究生院(NPS)、喬治-梅森大學(xué)(GMU)以及SAIC公司等組織機(jī)構(gòu)的研究人員于2002年提出并啟動了可擴(kuò)展建模與仿真框架(XMSF)。XMSF的出現(xiàn)彌補(bǔ)了高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的不足,代表了未來建模與仿真的發(fā)展方向,其核心是使用通用的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和開放的體系結(jié)構(gòu)促進(jìn)建模與仿真應(yīng)用在更大范圍的互操作性和重用性[2]?；赪eb瀏覽器三層B/S架構(gòu)的分布式仿真系統(tǒng)具有易于維護(hù)性、跨平臺性、廣泛的互操作性和可重用性等諸多優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研和軍事訓(xùn)練中[3～4]。但隨著仿真模擬規(guī)模擴(kuò)大及對模擬逼真度要求的提高,考慮到不同用戶對仿真模型有不同分辨率的要求以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力有限,單一分辨率建模已經(jīng)無法解決模擬復(fù)雜性與資源有限性的矛盾[5]。多分辨率建模技術(shù)可以有效提高仿真的互操作性和可重用性。目前,多分辨率建模技術(shù)的研究還處于起步階段,本文針對Web仿真的特點,研究了Web仿真環(huán)境下多分辨率建模的方法并提出了相關(guān)的實現(xiàn)方式。

2 多分辨率建模相關(guān)概念

模型分辨率是指在模型和仿真中表示現(xiàn)實世界的詳細(xì)和精確程度。不同分辨率的模型之間體現(xiàn)的是一種微觀細(xì)節(jié)與宏觀世界的一種辯證關(guān)系。多分辨率建模[6](Multi-Resolution Modeling,MRM)是指為同一物體或過程建立具有不同分辨率的模型、一個模型族或兩者的組合。國內(nèi)外學(xué)者提出了一些多分辨率建模方法,常見的有聚合解聚法、視點選擇法、一體化層次法等[2]。由于建模與仿真系統(tǒng)應(yīng)用范圍極廣,大部分多分辨率建模方法都只能針對特定領(lǐng)域而提出并且有相應(yīng)的不足[7]。比如聚合解聚法使高分辨率模型和低分辨率模型通過聚合和解聚來實現(xiàn)交互,符合軟件開發(fā)人員的思維方式,但存在的鏈?zhǔn)浇饩蹎栴}和暫態(tài)不一致性問題不易解決。視點選擇法使模型始終運(yùn)行在最高分辨率條件下,針對不同的需求生成相應(yīng)的低分辨率模型,該方法模型的一致性比較容易維護(hù),但系統(tǒng)始終運(yùn)行高分辨率模型,即使在不需要的情況下,這對系統(tǒng)資源是一種浪費(fèi)[8]。

模型的屬性分為兩種:相關(guān)屬性和無關(guān)屬性。相關(guān)屬性是與多分辨率建模有關(guān)的屬性,當(dāng)某一分辨率模型的該屬性變化時,其他模型也要改變,無關(guān)屬性是指只存在于高分辨率中的屬性,為某高分辨率模型所特有,該屬性的更改只在相應(yīng)的該分辨率下的更新,不會影響其他模型。假設(shè)模型M是一個屬性與狀態(tài)S的集合:M={Si},則低分辨率模型M1、M2與高分辨率模型之間的關(guān)系為M1、M2?M,如圖1所示。

圖1 不同分辨率模型之間的包含關(guān)系

仿真過程中,低分辨率模型M1、M2的屬性值都是高分辨率模型M的相關(guān)屬性進(jìn)行映射得到,映射關(guān)系為

ML=K·MH

(1)

K為MH到ML的映射矩陣[9],式(1)寫成向量形式為

(2)

S為多分辨率相關(guān)屬性時,kij不全為0,否則全為0,同理其關(guān)系也可以寫成

MH=K-1·ML+K0

(3)

K0是對無關(guān)屬性進(jìn)行初始化的映射矩陣。

3 系統(tǒng)設(shè)計

由于基于Web的模擬仿真系統(tǒng)仿真的運(yùn)行和交互主要在服務(wù)器端運(yùn)行,客戶端只負(fù)責(zé)提交控制信息,接受服務(wù)器消息,進(jìn)行仿真結(jié)果的顯示。這有可能會增加服務(wù)器的負(fù)擔(dān)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。本文設(shè)計了多層次視點選擇法的建模方式,將模型分辨率由高到低劃分為幾個層次,每個層次的模型又有多個視點的選擇。比如飛機(jī)有編隊和每架兩個層次,每架飛機(jī)又有本機(jī)飛行員和戰(zhàn)友,敵方飛行員等多個視點,不同視點所獲取的該飛機(jī)的信息是不一樣的,但本機(jī)飛行員掌握的一定是最詳細(xì)和精確的信息。該方法是采用類似視點選擇法的多分辨率建模方式,針對不同用戶的需求生成不同分辨率的模型供用戶使用,系統(tǒng)只負(fù)責(zé)維護(hù)運(yùn)行相對的模型中分辨率比較高的那一個模型,與視點選擇法不同的是,系統(tǒng)中運(yùn)行的模型的分辨率不是一成不變的,當(dāng)用戶沒有高分辨率的需求時,系統(tǒng)會放棄維護(hù)高分辨率模型,選擇較低分辨率模型進(jìn)行運(yùn)行,這樣在滿足對高分辨率要求的用戶的同時,省去了對低分辨率模型用戶多余的不必要的細(xì)節(jié)的顯示與處理,在提升仿真模型的可重用性與互操作性的同時,可以有效減輕對服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)造成的壓力。圖2是基于Web的多分辨率模型仿真的系統(tǒng)組成示意圖,有單獨(dú)的模型服務(wù)器進(jìn)行多分辨率建模和模型的維護(hù)。

圖2 基于Web的多分辨建模與仿真框圖

模型庫中存儲的是各模型的最高分辨率的信息和到各級分辨率的映射方式。仿真開始前,用戶通過TCP/IP協(xié)議遠(yuǎn)程訪問仿真服務(wù)器進(jìn)行注冊,仿真服務(wù)器對用戶身份和權(quán)限進(jìn)行驗證,對用戶請求進(jìn)行判斷,并將處理結(jié)果發(fā)送給建模服務(wù)器,建模服務(wù)器根據(jù)用戶的興趣搜索模型庫,生成相關(guān)級別分辨率的模型并對模型進(jìn)行初始化,生成XML文檔,則仿真服務(wù)器就可以對該模型進(jìn)行調(diào)用和仿真。Web服務(wù)器將模型進(jìn)行渲染,最終對用戶進(jìn)行可視化顯示。建模服務(wù)器在仿真過程中負(fù)責(zé)模型的動態(tài)生成和注銷,以及對多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行時進(jìn)行維護(hù)。

大型軍用仿真中,不同分辨率的模型常常需要進(jìn)行協(xié)同仿真和并行交互。仿真系統(tǒng)多分辨率建模和仿真的運(yùn)行和維護(hù)原理如圖3所示。模型M1和模型M2,模型N1和模型N2都是由高分辨率模型M和N映射得到,稱M、N為元模型。用戶1,用戶2,用戶3,用戶4仿真交互過程中,M1、M2不允許擅自更改屬性值,假如對M1的某個屬性值產(chǎn)生更改,必須對元模型M的相應(yīng)值進(jìn)行修改,M修改后對M1、M2進(jìn)行刷新,則M2的相關(guān)屬性和狀態(tài)自然也會做相應(yīng)改變。M1和M2就像M的兩個影子一樣,我們可以將M1、M2稱作是元模型M的影子模型。系統(tǒng)實際上只需要維護(hù)最高分辨率的元模型M,N的屬性就可以了。因此采用該方式的多分辨率建模與仿真系統(tǒng),多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行時的模型間的一致性的維護(hù)是非常容易的。

圖3 多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行

雖然仿真系統(tǒng)的模型庫中存儲的始終是最詳細(xì)和最精確的模型,但在仿真中運(yùn)行和維護(hù)的元模型卻不一定是系統(tǒng)能夠創(chuàng)建的最高分辨率的模型,而是相對的高分辨率模型。在圖3中,影子模型M1、M2,都是通過高分辨率元模型M映射得到的兩個低分辨率模型,我們要求M的分辨率級別是能夠映射得到M1、M2的最低分辨率級別,即如果需要,模型庫中仍可能創(chuàng)建更高分辨的模型M0,即元模型并不是特指某一固定的分辨率的模型,而是可能改變的,是當(dāng)前服務(wù)器正在維護(hù)和運(yùn)行的模型。這樣能保證服務(wù)器在盡可能小的負(fù)荷下運(yùn)行仿真。基于Web的仿真提升了仿真的動態(tài)可擴(kuò)展性,仿真過程中常常需要不斷的創(chuàng)建和加入新的模型以及注銷原來的模型,針對該情況,下面設(shè)計了仿真運(yùn)行中動態(tài)確定和修改元模型M的分辨率的方法。

仿真開始之前,以生成的第一個模型M作為元模型。仿真過程中,需要生成一個新的模型M3時,首先對M3的分辨率層次進(jìn)行判斷,設(shè)M3的分辨率層次表示函數(shù)為fR(M3),如果M3分辨率層次比元模型M的分辨率低,即fR(M3)≤fR(M),則M3作為M的影子模型直接由M映射得到,M3=K3·M。否則由模型庫對M3進(jìn)行創(chuàng)建,并用M對M3進(jìn)行逆映射,M3=K-1·M+K0,同時M3作為元模型由系統(tǒng)維護(hù)并生成對影子模型M1、M2的映射K1和K2,M自動注銷,執(zhí)行過程如圖4所示。

圖4 添加新模型時流程圖

如果要注銷一個影子模型如M3時,注銷M3并對模型庫進(jìn)行檢索,如果存在模型M0使剩下的影子模型(M1∪M2)?M0?M,fR(M0)≤fR(M),即存在模型M0的分辨率比元模型M的分辨率低,并且M0能夠映射得到影子模型M1、M2,則由M0作為元模型取代M,M0=K0·M,同時注銷M。之后系統(tǒng)只運(yùn)行和維護(hù)M0。若不存在M0,則M仍為元模型,執(zhí)行過程如圖5所示。

圖5 注銷舊模型時流程圖

由圖4和圖5可知,仿真運(yùn)行時,可以根據(jù)實際情況對元模型分辨率進(jìn)行動態(tài)維護(hù),這樣系統(tǒng)能夠在滿足仿真要求的情況下使用和維護(hù)小分辨率的元模型,可以有效減小仿真開銷。

4 結(jié)語

隨著2012年HTML5相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提出,豐富的交互界面和優(yōu)秀的通信性能將極大推動Web技術(shù)的發(fā)展[10],Web服務(wù)的全球范圍內(nèi)動態(tài)可接入性使基于Web的仿真的優(yōu)勢越來越突出。本文結(jié)合基于Web仿真的特點對多分辨率建模技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了適合Web仿真的多分辨率建模和模型一致性維護(hù)方法,因為元模型的分辨率是動態(tài)可變的,可以看出該方法相比于視點選擇法運(yùn)行的服務(wù)器開銷要小,比聚合解聚法等其他方法的模型一致性更容易維護(hù)。實際仿真系統(tǒng)由于非常復(fù)雜,目前在這方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,多分辨率建模仍有很多問題需要發(fā)掘和解決。

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ResearchonMulti-resolutionModelinginWeb-basedSimulation

QI Zhenchao MA Liangli SUN Yufei

(Department of Computer Engineering, University of Naval Engineering, Wuhan 430033)

The multi-resolution modeling and simulation technology has become the inevitable developing trend of system modeling and simulation. The concepts of multi-resolution modeling are introduced, and the simulation environment of Web-based multi-resolution modeling and simulation methods are studied, and the dynamic resolution level maintenance simulation model is put forward, which can view modeling method, effectively improve the reusability and interoperability of simulation model at the same time reduce the server and network resources.

Web simulation, multi-resolution modeling, reusable

2013年10月4日,

:2013年11月21日

齊禎超,男,碩士研究生,研究方向:計算機(jī)仿真技術(shù)。馬良荔,女,博士,教授,研究方向:計算機(jī)軟件與理論、計算機(jī)仿真技術(shù)。孫煜飛,男,博士研究生,研究方向:計算機(jī)軟件與理論。

TP391.9DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.027