多分辨率模型一致性維護(hù)模板框架設(shè)計(jì)

朱 濱， 朱敏潔， 周深根

(裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

多分辨率模型一致性維護(hù)模板框架設(shè)計(jì)

朱 濱， 朱敏潔， 周深根

(裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系， 北京 100072)

針對(duì)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中模型并發(fā)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的不一致問(wèn)題，分析了其原因，介紹了6種一致性維護(hù)的方法。以面向功能的方式提出了一種一致性維護(hù)模板的設(shè)計(jì)思路，確定了維護(hù)模板由判定模塊、加解鎖模塊、另存模塊和維護(hù)模塊4部分組成，以交互時(shí)間順序設(shè)計(jì)了維護(hù)模板的框架，并依據(jù)多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行的3個(gè)必要條件，以坦克連模型一致性維護(hù)流程為例，驗(yàn)證了該模板框架的可行性。

多分辨率模型；一致性維護(hù)模板；框架設(shè)計(jì)

在建模仿真領(lǐng)域，仿真系統(tǒng)往往龐大冗雜，系統(tǒng)中不同分辨率的模型關(guān)于對(duì)象、事件、仿真算法、仿真時(shí)間以及仿真環(huán)境等存在不同的假設(shè)[1]，在模型并發(fā)運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)序不一致、端口不兼容、算法不合理等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致不一致情況的出現(xiàn)。根據(jù)不同分辨率模型運(yùn)行的時(shí)機(jī)和方式，目前已有針對(duì)聚合解聚、并發(fā)運(yùn)行等情況下一致性維護(hù)方法的研究，但其通用性有限。針對(duì)這一問(wèn)題，本文以面向功能的方式，結(jié)合多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出一致性維護(hù)模板的框架，以提高一致性維護(hù)的簡(jiǎn)易度。

1 不一致問(wèn)題出現(xiàn)的原因

一致性維護(hù)是指當(dāng)同一層次上的實(shí)體模型之間發(fā)生交互時(shí)，若模型屬性發(fā)生了變化，則要反映到與此實(shí)體相關(guān)的所有分辨率模型中，從而保證同一實(shí)體的不同分辨率模型在屬性上保持一致[2]。造成模型間不一致問(wèn)題出現(xiàn)的原因主要有以下5個(gè)方面：1)因模型建模機(jī)理的差異而導(dǎo)致交互時(shí)數(shù)據(jù)缺失或無(wú)法匹配；2)因聚合解聚算法不合理而導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂；3)因系統(tǒng)無(wú)記憶性而導(dǎo)致信息丟失[3]；4)因并發(fā)交互而導(dǎo)致多個(gè)仿真以不同時(shí)間步運(yùn)行[4]；5)因模型程序互不兼容而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。

2 一致性維護(hù)的方法

從不同的角度出發(fā)，對(duì)模型進(jìn)行一致性維護(hù)的方法主要有以下6種。

1) 嵌套2段式提交協(xié)議算法[2]。參與交互的多分辨率模型充當(dāng)協(xié)調(diào)者，詢問(wèn)所有相關(guān)模型是否準(zhǔn)備好參與交互，相關(guān)模型向上下級(jí)相關(guān)模型詢問(wèn)，只有當(dāng)所有參與者作出肯定回饋，交互才繼續(xù)進(jìn)行；只要有一個(gè)模型作出否定回饋，則交互終止。

2) 參數(shù)修正法[3]。利用高(低)分辨率模型的結(jié)果來(lái)修正低(高)分辨率模型，這種方法主要運(yùn)用在聚合解聚過(guò)程中。

3) 增加系統(tǒng)記憶法[3]。在發(fā)生聚合時(shí)，在恰當(dāng)?shù)奈恢帽４娓叻直媛蕦?shí)體必要的屬性，并在低分辨率模型運(yùn)行期間及時(shí)進(jìn)行更新，以便在下一次解聚時(shí)利用這些信息計(jì)算出高分辨率模型當(dāng)前的狀態(tài)。

4) 加鎖法[5]。該方法是一種串行化方法，具體思路是：某實(shí)體具有高、低2個(gè)分辨率模型，其中一個(gè)模型在某時(shí)刻進(jìn)行交互前，會(huì)針對(duì)交互影響到的屬性向另一模型發(fā)送加鎖指令，鎖住另一模型的同態(tài)屬性，加鎖后的另一模型不能發(fā)送任何能夠引起同態(tài)屬性發(fā)生改變的交互；待發(fā)生交互的模型交互完畢后，發(fā)送解鎖指令對(duì)另一模型進(jìn)行解鎖。

5) 沖突檢測(cè)法[5]。模型在發(fā)送交互時(shí)并不考慮交互沖突問(wèn)題，而是發(fā)給多分辨率模型交互管理器。交互管理器已設(shè)定好不同的沖突處理程序與步驟，進(jìn)行檢查判斷后，依據(jù)情況來(lái)選擇解決方式。

6) 面向模型法[5]。從模型設(shè)計(jì)上避免交互沖突的出現(xiàn)，不同分辨率的模型不能獨(dú)立運(yùn)行，需要相互協(xié)調(diào)，共同達(dá)成仿真目的，高分辨率模型并不是脫離低分辨率模型而獨(dú)立存在的。

3 一致性維護(hù)模板框架設(shè)計(jì)

3.1 維護(hù)模板的優(yōu)勢(shì)

目前，每種一致性維護(hù)方法只能解決單一特定環(huán)境下的具體問(wèn)題，面對(duì)龐大冗雜的仿真系統(tǒng)，若只使用單一的方法，不僅適用性不強(qiáng)、維護(hù)效果不好，而且會(huì)造成大量數(shù)據(jù)丟失及失真，嚴(yán)重影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。運(yùn)用模板的方式來(lái)解決一致性維護(hù)問(wèn)題,其優(yōu)勢(shì)在于：可以將多種一致性維護(hù)方法按照不同的適用條件加以集成，設(shè)計(jì)出一種可以整體嵌套的模板，針對(duì)不同的適用環(huán)境，采用不同的維護(hù)方法，從而達(dá)到一致性維護(hù)的目的。這不僅能擴(kuò)寬一致性維護(hù)模板的使用范圍、減少工作量，還能提高維護(hù)的準(zhǔn)確率、降低維護(hù)難度，實(shí)現(xiàn)“套用后不管”。

3.2 維護(hù)思路的提出

以面向功能的方式，按照模型交互的時(shí)間順序，結(jié)合一致性問(wèn)題出現(xiàn)的各種原因，探討一致性維護(hù)模板需要實(shí)現(xiàn)的具體功能，引出一致性維護(hù)模板的設(shè)計(jì)思路，如圖1所示。在一個(gè)連級(jí)多分辨率作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，聚合級(jí)實(shí)體與平臺(tái)級(jí)實(shí)體并發(fā)運(yùn)行，t0時(shí)刻系統(tǒng)處于初始狀態(tài)。當(dāng)藍(lán)方7排低分辨率模型向系統(tǒng)發(fā)出與紅方1排低分辨率模型進(jìn)行交互的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)確認(rèn)并調(diào)出紅方1排低分辨率模型與之進(jìn)行交互，交互完成后形成t1時(shí)刻下新的紅方1排低分辨率模型。此時(shí)，紅方1連高、低分辨率模型，紅方1排高分辨率模型，以及紅方坦克1高、低分辨率模型的狀態(tài)仍處在t0時(shí)刻，而t1時(shí)刻的紅方1排低分辨率模型數(shù)據(jù)已發(fā)生了變化，導(dǎo)致不一致問(wèn)題出現(xiàn)，需要進(jìn)行一致性維護(hù)工作。

圖1 一致性維護(hù)模板設(shè)計(jì)思路

按照一般情況，需要選擇一種在系統(tǒng)模型出現(xiàn)不一致時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)的方法。但是，按照交互的時(shí)間、程序、邏輯順序，還需要考慮以下4種情況：

1)t0時(shí)刻，紅方1排低分辨率模型尚處在不一致?tīng)顟B(tài)，藍(lán)方7排低分辨率模型已發(fā)來(lái)交互命令并進(jìn)行交互；

2) 在藍(lán)方7排低分辨率模型與紅方1排低分辨率模型進(jìn)行交互的同時(shí)，出現(xiàn)其他模型與紅方1排高分辨率模型并發(fā)交互，導(dǎo)致同一實(shí)體的不同分辨率模型在同一時(shí)間段內(nèi)分別與不同模型發(fā)生交互的違現(xiàn)實(shí)情況；

3)t1時(shí)刻藍(lán)方7排低分辨率模型與紅方1排低分辨率模型之間的交互已完成，以紅方1排低分辨率模型為基準(zhǔn)模型進(jìn)行維護(hù)計(jì)算時(shí)，生成的新數(shù)據(jù)與原模型的舊數(shù)據(jù)混雜，導(dǎo)致模型數(shù)據(jù)失真；

4)t1時(shí)刻紅方1排低分辨率模型完成交互，進(jìn)行一致性維護(hù)時(shí)，生成新的各級(jí)模型數(shù)據(jù)所采用的方法不盡相同。

因此，應(yīng)從以上4種情況入手來(lái)實(shí)現(xiàn)模板一致性的維護(hù)：套用模板之后，從t0時(shí)刻開(kāi)始，確定各模型已做好交互準(zhǔn)備；在t1時(shí)刻，對(duì)不參加交互的模型進(jìn)行鎖定，消除并發(fā)交互的可能；在交互完成之后，先對(duì)原模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以備聚合解聚時(shí)使用；最后進(jìn)行聚合解聚時(shí)，綜合考慮各種可能，集成多種方法，針對(duì)不同的情況采用不同的算法，得到t1時(shí)刻彼此相一致的一組系統(tǒng)模型。

3.3 模板框架設(shè)計(jì)

從一致性維護(hù)模板設(shè)計(jì)思路可知模板至少由4部分組成，分別是：判定交互準(zhǔn)備部分、加鎖部分(必定存在解鎖部分)、系統(tǒng)記憶部分和維護(hù)算法部分。將各個(gè)部分以模塊的方式進(jìn)行劃分，分別命名為判定模塊、加解鎖模塊、另存模塊和維護(hù)模塊。同時(shí)，還需考慮到模板的各個(gè)模塊并不是獨(dú)立存在的，而是始終以交互時(shí)序?yàn)橹骶€，以系統(tǒng)交互命令為觸發(fā)點(diǎn)，逐一啟動(dòng)相應(yīng)模塊發(fā)揮作用，協(xié)調(diào)一致解決一致性維護(hù)問(wèn)題。因此，可以提出每一時(shí)序的具體內(nèi)容，構(gòu)建出整個(gè)維護(hù)模板的框架。

首先，設(shè)定提出交互需求的模型為紅方模型，待交互模型為藍(lán)方模型，模型運(yùn)行的底層框架為高層體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture，HLA)[6]，整個(gè)維護(hù)模板進(jìn)行維護(hù)的啟動(dòng)事件是接收到交互命令。同時(shí)，為便于表達(dá)，將加解鎖模塊從功能上分為加鎖模塊和解鎖模塊。收到交互命令時(shí)，具體步驟為：1)對(duì)紅、藍(lán)方模型進(jìn)行初始一致性狀態(tài)判定；2)對(duì)紅、藍(lán)方模型進(jìn)行另存操作；3)對(duì)不參加交互的紅、藍(lán)方模型進(jìn)行加鎖操作；4)對(duì)已加鎖的紅、藍(lán)方模型進(jìn)行解鎖操作；5)以交互后的紅、藍(lán)方模型為基準(zhǔn)，結(jié)合已另存的原模型，對(duì)整個(gè)紅、藍(lán)方模型進(jìn)行一致性維護(hù)。

在此需要指出:加鎖后的模型不能進(jìn)行任何操作；而參與交互的模型不加鎖。加鎖操作完成后，根據(jù)交互命令，參加交互的紅、藍(lán)方模型在HLA框架內(nèi)進(jìn)行交互。經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：1) 對(duì)紅、藍(lán)方模型確認(rèn)交互準(zhǔn)備時(shí)，模型間不一致；2)在判定、解鎖、另存、維護(hù)階段，仍接收到交互命令；3)解鎖模塊對(duì)已加鎖的紅、藍(lán)方模型進(jìn)行解鎖的時(shí)機(jī)判定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致提前解鎖問(wèn)題的出現(xiàn)。

因此，在進(jìn)行模板設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到以上問(wèn)題所引起的模塊關(guān)聯(lián)?？蓪⑦@些問(wèn)題的解決辦法化解為以下具體步驟，融入到模板框架中。

1) 當(dāng)紅、藍(lán)方模型初始狀態(tài)不一致時(shí)，先將模型另存，然后直接由維護(hù)模塊進(jìn)行一致性維護(hù)。

2) 為避免其他階段仍有交互發(fā)生，在此規(guī)定只有加鎖階段才能進(jìn)行交互。因此，維護(hù)模板啟動(dòng)時(shí)，判定模塊首先向HLA發(fā)送停止仿真時(shí)間命令；加鎖過(guò)程完成后，加鎖模塊向HLA發(fā)送仿真時(shí)間開(kāi)始命令；交互結(jié)束后，解鎖模塊向HLA發(fā)送停止仿真時(shí)間命令；一致性維護(hù)過(guò)程結(jié)束后，維護(hù)模塊向HLA發(fā)送仿真時(shí)間開(kāi)始命令。

3) 當(dāng)?shù)?次交互完成后，如果仍有交互命令且參加交互的模型仍是未加鎖模型，則可繼續(xù)進(jìn)行交互；如果仍有交互命令但參加交互模型是已加鎖模型或無(wú)交互命令，則此次交互結(jié)束，HLA向解鎖模塊發(fā)送解鎖命令。

按照以上各模塊的時(shí)序步驟，根據(jù)編號(hào)順序和內(nèi)容進(jìn)行整合和調(diào)整，可以得出整個(gè)一致性維護(hù)模板的框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)反復(fù)推演和修改，綜合考慮各種可能出現(xiàn)的情況并進(jìn)行排除，一致性維護(hù)模板的框架設(shè)計(jì)基本完成，如圖2所示。分3種情況進(jìn)行維護(hù)：模型初始一致的維護(hù)順序?yàn)棰佟凇邸堋?；模型初始不一致的維護(hù)順序?yàn)棰佟凇荨凇邸堋?；模型運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)不一致且仍未有交互需求的維護(hù)順序?yàn)棰佟凇荨?/p>

圖2 一致性維護(hù)模板框架設(shè)計(jì)

4 可行性驗(yàn)證

多分辨率模型在作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中并發(fā)運(yùn)行，考慮到受系統(tǒng)運(yùn)算效率的制約，并不需要所有模型在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都必須保持一致，而只需在以下3個(gè)時(shí)刻使所有模型保持一致，就能夠保證仿真的逼真度：1)某模型參與交互之前；2)某模型完成交互之后；3)系統(tǒng)無(wú)交互需求，所有模型自發(fā)運(yùn)行一定時(shí)間后。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)一致性維護(hù)模板框架的可行性，下面以坦克連模型維護(hù)過(guò)程為例進(jìn)行分析判斷。

坦克連一致性維護(hù)模板框架流程如圖3所示。在一個(gè)坦克連作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中，某一時(shí)刻并發(fā)運(yùn)行著紅方1連、1排低分辨率火力模型，以及藍(lán)方3連、7排低分辨率火力模型，假設(shè)雙方模型初始時(shí)刻不一致。HLA接到交互命令后，由紅方1連低分辨率火力模型與藍(lán)方3連低分辨率火力模型進(jìn)行交互。

圖3 坦克連一致性維護(hù)模板框架流程

1) 發(fā)生交互前，判定模塊判定初始狀態(tài)不一致后，另存模塊對(duì)所有模型進(jìn)行另存，作為維護(hù)的參考。接著，維護(hù)模塊根據(jù)設(shè)定的順序，以紅方1排、藍(lán)方7排低分辨率火力模型為基準(zhǔn)，參考另存的原模型，分別修正紅方1連、藍(lán)方3連低分辨率火力模型，使2組模型在參加交互前保持一致。

2) 交互完成后，解鎖模塊對(duì)紅方1排、藍(lán)方7排低分辨率火力模型進(jìn)行解鎖。維護(hù)模塊根據(jù)交互命令，判定完成交互的紅方1連、藍(lán)方3連低分辨率火力模型為此時(shí)一致性維護(hù)的基準(zhǔn)模型，并結(jié)合另存的原模型，對(duì)紅方1排、藍(lán)方7排低分辨率火力模型進(jìn)行一致性維護(hù)。維護(hù)完成后，各模型保持一致。

3) 4個(gè)模型運(yùn)行一定時(shí)間后仍未發(fā)生交互，判定模塊判定不一致后，另存模塊對(duì)所有模型進(jìn)行另存，并以紅方1排、藍(lán)方7排低分辨率火力模型為基準(zhǔn)，參考另存的原模型，分別修正紅方1連、藍(lán)方3連低分辨率火力模型，使2組模型此刻保持一致。

由此可見(jiàn):一致性維護(hù)模板的框架設(shè)計(jì)可以滿足多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行時(shí)的3個(gè)必要條件，表明所設(shè)計(jì)框架可行。

5 結(jié)論

以模板的方式進(jìn)行一致性維護(hù)，其優(yōu)勢(shì)是能夠簡(jiǎn)化各層級(jí)模型交互時(shí)一致性維護(hù)的工作，同時(shí)為更高層級(jí)模板的設(shè)計(jì)提供方法和借鑒；其不足是模板的針對(duì)性和單一性可能會(huì)導(dǎo)致模板套用時(shí)的僵化和呆板問(wèn)題發(fā)生。下一步將以模板的通用性為研究重點(diǎn)，擴(kuò)展套用條件，提高適用性，并在實(shí)例應(yīng)用中進(jìn)行檢驗(yàn)。

[1] 劉寶宏，黃柯棣.多分辨率模型系中的一致性問(wèn)題研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(9):2057-2060.

[2] 袁凌，張曉芳，李國(guó)徽，等.分布式仿真多分辨率建模方法及一致性維護(hù)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2011,38(11):140-143.

[3] 朱松巖，江敬灼，葉雄兵，等.聚合解聚及其一致性問(wèn)題研究[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2008,22(3):33-38.

[4] 高志年，邢漢承，張君.多分辨率仿真中一致性問(wèn)題研究[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2002,39(12):1625-1629.

[5] 劉寶宏，黃柯棣.分布交互式仿真中的多分辨率模型并發(fā)運(yùn)行問(wèn)題研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007,19(5):1038-1040.

[6] 劉寶宏，黃柯棣.多分辨率建模的理論與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2003.

(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Design of Consistency Maintenance Template Frame for Multi-resolution Model

ZHU Bin, ZHU Min-jie, ZHOU Shen-gen

(Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Aiming at the inconsistencies existing when the models of the combat simulation system run concurrently, the causes of inconsistencies are analyzed, six kinds of consistency maintenance approach are introduced, and a function-oriented design idea of consistency maintenance template is proposed. The consistency maintenance template is composed of the judging module, the lock/unlock module, the save module and the maintenance module. A maintenance template framework is designed according to the timing sequence, based on three necessary conditions for multi-resolution model running concurrently, taking the consistency maintenance process of tank company model for example, the feasibility of the template framework is verified.

multi-resolution model; consistency maintenance template; frame design

1672-1497(2015)03-0085-04

2015-03-02

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

朱 濱(1988-)，男，碩士研究生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.017