基于HLA的圖形化控制系統(tǒng)仿真預(yù)案管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

朱國(guó)華，王　凱，曹　棟（江漢大學(xué)　數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北　武漢，430056）

基于HLA的圖形化控制系統(tǒng)仿真預(yù)案管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

朱國(guó)華，王凱，曹棟
（江漢大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢，430056）

摘要：針對(duì)控制系統(tǒng)并行仿真的需求，在基于高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）的仿真模型復(fù)用與模型組合技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)圖形化的預(yù)案管理系統(tǒng)框架，討論了關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過所見即所得的操作方式，屏蔽了HLA底層的技術(shù)細(xì)節(jié)，降低仿真預(yù)案開發(fā)難度，從而提高仿真開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：仿真預(yù)案；模型復(fù)用；可視化編輯

控制系統(tǒng)仿真是自動(dòng)化與控制系統(tǒng)工程領(lǐng)域分析、研究、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要工具，目前一般借助MATLAB和SIMULINK相關(guān)軟件平臺(tái)，針對(duì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行測(cè)試，面對(duì)功能模塊較多的仿真項(xiàng)目就顯得力不從心。

高層體系結(jié)構(gòu)（high level architecture，HLA）的出現(xiàn)，使得并行仿真系統(tǒng)之間的可重用性和互操作性得到了很大的改善［1］。仿真預(yù)案一直以來都是HLA仿真系統(tǒng)中不可或缺的一部分。在以往的研究中，一方面，仿真預(yù)案的編輯沒有針對(duì)控制系統(tǒng)的行業(yè)特點(diǎn)［2］，這不但增加了仿真預(yù)案編輯的難度和工作量，也不易對(duì)仿真預(yù)案的正確性和合理性進(jìn)行檢查和修正；另一方面，已有的仿真預(yù)案缺乏統(tǒng)一的組織和管理，不便于用戶對(duì)已有仿真預(yù)案的獲取和重用，使仿真預(yù)案重用低［3］。這就迫切要求仿真預(yù)案的編輯需要有簡(jiǎn)單、直觀、可視化的工具支持，減少復(fù)雜的仿真預(yù)案編輯的難度，提高查錯(cuò)能力，減少不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

筆者在已有的方案［4］基礎(chǔ)上針對(duì)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，解決了仿真模型的重用和組合技術(shù)［5］，提出了一個(gè)圖形化的仿真預(yù)案管理系統(tǒng)的框架，通過所見即所得的操作方式，屏蔽HLA底層的技術(shù)細(xì)節(jié)，使得仿真人員能便捷地完成仿真任務(wù)分析，系統(tǒng)資源設(shè)定，仿真過程和仿真任務(wù)的條件、約束、規(guī)則進(jìn)行規(guī)范化的描述，仿真的運(yùn)行調(diào)度分析等一系列工作，提高了仿真模型與仿真預(yù)案的重用度，降低了仿真開發(fā)成本，提高了仿真開發(fā)效率。

1　系統(tǒng)需求

仿真預(yù)案編輯是人機(jī)交互的過程，需要有底層模型的支持，實(shí)現(xiàn)可視化編輯。仿真預(yù)案編輯的結(jié)果對(duì)整個(gè)仿真結(jié)果影響很大，一個(gè)小的錯(cuò)誤也可能會(huì)帶來完全錯(cuò)誤的結(jié)果。通過圖形化設(shè)計(jì)界面，使得仿真預(yù)案方案開發(fā)人員可以在固化流程的引導(dǎo)下，對(duì)仿真預(yù)案進(jìn)行方便快捷的編輯工作。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)仿真預(yù)案生成系統(tǒng)的任務(wù)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)仿真預(yù)案生成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　仿真預(yù)案管理系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of simulation scenario management system

仿真預(yù)案設(shè)計(jì)需要確定仿真系統(tǒng)所研究問題的范圍，明確仿真的目標(biāo)，給出仿真系統(tǒng)的初始狀態(tài)和前提條件，設(shè)定仿真運(yùn)行條件和相應(yīng)約束，描述參與仿真的各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)及其基本屬性等。

該系統(tǒng)具有幾個(gè)核心的數(shù)據(jù)庫。其中模型庫存放了以COM形式封裝的仿真聯(lián)邦成員所需的數(shù)學(xué)模型，描述成員對(duì)外公布、訂購的對(duì)象類、交互類的SOM.xml文件，以及相關(guān)的描述性文件，相關(guān)二維圖片和三維模型數(shù)據(jù)。通用成員框架EXE負(fù)責(zé)加載描述成員動(dòng)態(tài)行為的COM組件，以及讀取SOM.xml中描述成員對(duì)外訂購、公布的能力，并負(fù)責(zé)向外發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。預(yù)案庫用于存放數(shù)字化的仿真預(yù)案文件，其中包含了以XML形式存在的仿真預(yù)案描述文件；該文件的格式是RTI仿真服務(wù)器需要的FED文件的一個(gè)擴(kuò)展，描述了所有聯(lián)邦成員間為交互目的而達(dá)成的協(xié)議。在仿真運(yùn)行期間RTI將根據(jù)FED文件提供的聯(lián)邦執(zhí)行的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的聯(lián)邦執(zhí)行。

系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2　圖形化仿真預(yù)案子系統(tǒng)的執(zhí)行過程圖Fig.2 Execution of graphical simulation scenario subsystem

3　關(guān)鍵技術(shù)

3.1HLA仿真模型的重用與自動(dòng)組合技術(shù)

由于HLA具有一定的復(fù)雜性，開發(fā)一個(gè)基于HLA的控制系統(tǒng)，對(duì)開發(fā)人員的要求相當(dāng)高?？芍赜玫姆抡婺Ｐ椭饕梢粋€(gè)用于處理分布式數(shù)據(jù)的通用HLA仿真成員框架程序EXE、一個(gè)使用COM組件封裝的成員所需的數(shù)學(xué)模型，以及描述成員對(duì)外公布、訂購的對(duì)象類、交互類的SOM.xml文件組成。通用成員EXE框架是一個(gè)經(jīng)過封裝的HLA仿真成員，對(duì)HLA中一些規(guī)則和接口規(guī)范進(jìn)行了封裝，負(fù)責(zé)加載描述成員動(dòng)態(tài)行為的COM組件，以及讀取SOM.xml文件中描述成員對(duì)外訂購、公布，并負(fù)責(zé)向外發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。模型設(shè)計(jì)人員只要開發(fā)一個(gè)符合規(guī)定接口標(biāo)準(zhǔn)的COM組件，實(shí)現(xiàn)必須的模型功能，不需要了解HLA技術(shù)的細(xì)節(jié)問題。因此開發(fā)仿真過程變得簡(jiǎn)單且高效。

HLA仿真模型的重用機(jī)制如圖3所示。

圖3　通用仿真成員處理流程圖Fig.3 Flowchart of universal simulation member

仿真成員的組合，是指利用已有的模型，組合成為新的組合模型。新產(chǎn)生的組合模型可以和基本模型一樣，被系統(tǒng)重復(fù)使用作為仿真成員。所謂自動(dòng)組合，就是無需用戶指定數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系或者較少的操作就可以得到正確的組合模型。

傳統(tǒng)的模型組合方法是讓用戶選擇特定模型，然后人工辨別模型是否適合組合。這樣帶來的問題有兩個(gè)，一是人工工作量大、效率低，二是人為失誤會(huì)降低組合模型的質(zhì)量。經(jīng)過技術(shù)考察，本系統(tǒng)從自動(dòng)組合入手，只針對(duì)控制系統(tǒng)，業(yè)務(wù)特征比較固定，建設(shè)知識(shí)庫難度相對(duì)較低。

自動(dòng)組合的難點(diǎn)在于如何代替人工辨別哪些模型是適合組合，以及如何自動(dòng)生成組合模型。文獻(xiàn)［4］給出了本系統(tǒng)中模型組合的相關(guān)概念，模型組合的具體過程，以及基于這些概念和約束，模型自動(dòng)組合的可行性證明。

3.2圖形化界面技術(shù)

傳統(tǒng)的仿真預(yù)案設(shè)計(jì)模式，大都采用先輸入各種所需信息，然后內(nèi)部建立聯(lián)系的方式。這種模式簡(jiǎn)單明了，設(shè)計(jì)人員無需進(jìn)行復(fù)雜的操作即可完成仿真預(yù)案的設(shè)計(jì)，不足之處在于需要仿真技術(shù)人員準(zhǔn)確記憶大量復(fù)雜的仿真模型信息，任何輸入上的失誤，都會(huì)直接導(dǎo)致生成預(yù)案的失敗，因此，這種設(shè)計(jì)模式對(duì)仿真預(yù)案設(shè)計(jì)的效率存在較大影響。

圖形化操作界面的實(shí)現(xiàn)主要涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的人機(jī)交互技術(shù)。交互技術(shù)是關(guān)于計(jì)算機(jī)與人之間的雙向通訊方式，能夠使用戶方便、高效地完成傳統(tǒng)方法做起來較為困難的工作。用戶可以利用多種輸入設(shè)備對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行拖動(dòng)、拾取、拷貝、刪除等各種交互操作，涉及的具體交互技術(shù)包括橡皮筋技術(shù)、約束技術(shù)、引力場(chǎng)技術(shù)、操作柄技術(shù)等［6］。

圖4展示了一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真預(yù)案的設(shè)計(jì)界面。用戶可以通過拖拽界面右側(cè)的資源管理器中的模型到預(yù)案設(shè)計(jì)界面中，然后為仿真成員添加動(dòng)態(tài)鏈接線，形成仿真成員之間的數(shù)據(jù)傳遞邏輯關(guān)系。仿真預(yù)案編輯界面中，用戶可以為仿真成員添加對(duì)象類或者交互類，也可以對(duì)已添加的交互類與對(duì)象類進(jìn)行刪除、修改或查詢操作。選中成員之間的動(dòng)態(tài)鏈接線后，鼠標(biāo)右擊選中“添加現(xiàn)有成員類”菜單選項(xiàng)時(shí)，界面上就會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，通過此對(duì)話框可以配置交互類或者訂購類的詳細(xì)內(nèi)容。這種直觀的操作方式提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本。

圖4　仿真預(yù)案管理系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of simulation scenario management system

4　結(jié)語

在HLA仿真體系基礎(chǔ)上，解決了仿真模型的重用與組合的技術(shù)問題后，本系統(tǒng)提出了一個(gè)有實(shí)踐意義的并行仿真預(yù)案管理框架。標(biāo)準(zhǔn)化接口的仿真模塊能夠不經(jīng)修改重復(fù)應(yīng)用于其他部門開發(fā)的各個(gè)仿真程序中。通過圖形化的集成應(yīng)用平臺(tái)，屏蔽封裝了HLA底層技術(shù)細(xì)節(jié)，仿真的使用者在可視化的操作界面上，按照引導(dǎo)依次進(jìn)行必須的選擇后，就可以正確地完成仿真設(shè)計(jì)流程和參數(shù)配置。這將顯著提高仿真實(shí)驗(yàn)的效率。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某科研單位的仿真開發(fā)實(shí)踐活動(dòng)中，基本滿足了用戶的需求，同時(shí)也需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善，如擴(kuò)充完善規(guī)則庫、知識(shí)庫等，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力；對(duì)外公布仿真預(yù)案的接口，使之能被其他的仿真系統(tǒng)重用；提高仿真預(yù)案的檢索能力，使用戶更加快速地查找到需要的仿真預(yù)案等等。

參考文獻(xiàn)（References）

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［3］肖斌，肖田元.支持成員動(dòng)態(tài)重用的HLA/RTI擴(kuò)展［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，54（3）：326-333.

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［5］朱國(guó)華，王杰，余維偉.一種可重用可組合的并行仿真模型技術(shù)分析［J］.電子測(cè)試，2014，22：26-28.

［6］孟祥旭.人機(jī)交互基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010：56-59.

（責(zé)任編輯：葉冰）

Research and Development of Graphical Simulation Scenario Management System for Control System Based on HLA

ZHU Guohua，WANG Kai，CAO Dong
（School of Mathematics and Computer Science，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：On the demand of parallel simulation of control system，a framework of graphical simulation scenario management system was proposed based on the reuse of HLA federation and the technology of model combination，and the key technologies were discussed，with the aid of the graphical scenario management system，underlying HLA technology was shielded，the difficulty of development was reduced，the efficiency of development was improved.

Keywords：simulation scenario；reuse of model；visual editing

作者簡(jiǎn)介：朱國(guó)華（1969—），男，講師，博士，研究方向：并行仿真、企業(yè)信息化、信息安全。

收稿日期：2015-04-27

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.04.011

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-0143（2015）04-0340-05