（机械电子工程专业论文）虚拟仿真中资源重用技术研究.pdf

摘要 摘要 为了减少建模与仿真的开发周期和开发成本，有效地控制仿真软件的 规模，充分地利用仿真资源，仿真过程中资源重用技术的研究得到了兴起 并迅速发展开采。 本文以虚拟分娩仿真为铡，重煮研究了虚拟仿真中三维模型和元动画 的管理和重用技术，具体研究工作如下： 定义了仿真模型和元动画的基本概念，并按照模型粒度的大小把仿真 模型分为原子模型层、应用模型层和系统模型层三个层次，在此基础上建 立了基于元模型的甏向对象的模型描述方法和面向对象的元动番描述方 法，为仿真模型和元动画的管理和重用奠定了基础。 研究了资源库的管理技术，包括模型和元动画的管理、资源库的接网 管理、模型的组合、元动画的组合，并给出了具体的方法和规则。模型和 元动祗的管理分力两大部分：一是外壳，郎入机交互部分；二是内核，邸 资源库中对模型和元动画的具体操作部分。资源库中各模块之间的接墨通 过控制总线和数据传输总线来发生联系。模型的组合则要以模型纵向的、 横向的以及介于这两种关系之间的关系为基础。元动画的组合则需要遵循 有序性、局限性、疏密性和合理性等规则。 绘出了钫真资源管理鬻重爝的具体操作方法。分析了资源库的功能需 求，对资源库的总体功能结构、资源库的管理模块、模型和元动画字典进 行了设计；确定了资源库的存储结构，并建立了数据表结构及其之间的相 互关系。 开发了基于资源重用技术昀虚拟分娩仿真教育训练系统。首先简要分 缨了系统的开发环境和v r 开发平台 然后建立了人体及其各器官的虚拟 模型和虚拟分娩仿真的元动画，设计了虚拟分娩仿真系统的资源库，并利 用v i s u a lc + + 6 0 编程对a c c e s s 数据库和e o ns t u d i o 三维渲染引擎进行了 集成，完成了系统的开发；最籍利用所开发的训练系统实现了基于资源重 用技术的虚拟分娩仿真，体现了虚拟分娩仿真中资源的重用性，也验证了 本文所述的虚拟仿真中资源重用技术的有效性和可行性。 关键谲：资源管理：资源重用；仿真模壅；模型字典，元动画；资源库 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dc o s t s ，e f f e c t i v e l yc o n t r o l t h es c a l eo fs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dm a k ef u l lu s eo fs i m u l a t i o nr e s o u r c e s ，t h e r e s o u r c e sr e u s et e c h n o l o g yi ns i m u l a t i o np r o c e s si s w i d e l ys t u d i e di nt h e w o r l d 。 t h i sd i s s e r t a t i o nt o o kt h ev i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o na s 馒ed e m o n s t r a t i o n e x a m p l e ，f o c u s e do ns t u d y i n gt h em a n a g e m e n ta n dr e u s et e c h n o l o g yo f3 d m o d e l sa n dm e t a a n i m a t i o n si nv i r t u a ls i m u l a t i o n s p e c i f i cr e s e a r c hw o r k sa r e a sf o l l o w s ： w ed e f i n e dt h eb a s i cc o n c e p t so fs i m u l a t i o nm o d e la n dm e t a a n i m a t i o n a n dd i v i d e dt h es i m u l a t i o nm o d e l si n t ot h r e el e v e l s a c c o r d i n gt o t h e g r a n u l a r i t yo fm o d e l s 。i e a t o m i cm o d e ll a y e r ，a p p l i c a t i o nm o d e ll a y e ra n d s y s t e mm o d e ll a y e r b a s e do nt h e s ef a c t o r s ，w ep r o p o s e do b j e c t - o r i e n t e d d e s c r i p t i o nm e t h o db a s e do nm e t a - - m o d e lf o rm o d e la n do b j e c t - o r i e n t e d d e s c r i p t i o nm e t h o df o rm e t a a n i m a t i o n a l lo ft h e ml a i d af o u n d a t i o nf o r m a n a g e m e n ta n dr e u s eo fs i m u l a t i o nm o d e l sa n dm e t a - a n i m a t i o n s t h e nw es t u d i e dt h e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y o fr e s o u r c e sb a s e ： m a n a g e m e n tf o rm o d e l ，m e t a a n i m a t i o na n dt h ei n t e r f a c eo fr e s o u r c e sb a s e ，a s w e l la sc o m b i n a t i o no fm o d e l sa n dm e t a - a n i m a t i o n s a n dw ep u tf o r w a r dt h e d e t a i l e dm e t h o d sa n dr u l e sf o rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t t h em a n a g e m e n to f m o d e la n dm e t a a n i m a t i o nw a sd i v i d e di n t ot w op a r t s t h ef i r s ti sc r u s t ，i e h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h es e c o n di sk e r n e l ，i e 。s p e c i f i co p e r a t i o nf o r m o d e la n dm e t a - a n i m a t i o ni nr e s o u r c e sb a s e t h ei n t e r f a c et oe a c hm o d u l ei n r e s o u r c e sb a s ew a sr e a l i z e dt h r o u g hc o n t r o lb u sa n dd a t at r a n s m i s s i o nb u s t h er e l a t i o n s h i pi e t h ev e r t i c a l ，t h eh o r i z o n t a l ，a sw e l la st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e mo fm o d e l si st h ef o u n d a t i o nf o rm o d e l st oc o m b i n e t h e c o m b i n a t i o no fm e t a - a n i m a t i o n ss h o u l df o l l o ws e v e r a lr u l e s ：o r d e r ，l i m i t a t i o n s ， d e n s e n e s s ，r a t i o n a l i t ya n ds oo n m 广东工业大学工学顾士学位论文 o nt h eb a s i so ft h e s er e s e a r c h ，w eg o tt h es p e c i f i co p e r a t i o nm e t h o d sf o r m o d e la n dm e t a a n i m a t i o n sm a n a g e m e n ta n dr e u s e ：a n a l y z e dt h ef u n c t i o n r e q u i r e m e n t so fr e s o u r c eb a s e ，d e s i g n e dt h eo v e r a llf u n c t i o n a ls t r u c t u r eo f r e s o u r c e sb a s e ，t h em a n a g e m e n tm o d u l eo fr e s o u r c e sb a s e ，t h ed i c t i o n a r yo f m o d e la n dm e t a a n i m a t i o n ，f i x e do nt h es t o r a g es t r u c t u r eo fr e s o u r c e sb a s e a n de s t a b l i s h e dt h ed a t at a b l es t r u c t u r ea sw e l la st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m f i n a l l y ，w ed e v e l o p e dav i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o ns y s t e mf o rt r a i n i n ga n d e d u c a t i o nb a s e do nr e s o u r c e sr e u s et e c h n o l o g y ，f i r s to fa l l ，w ei n t r o d u c e dt h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dv rd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h i ss y s t e m t h e n ， w eb u i l to nt h ev i r t u a lm o d e l so fp r e g n a n tw o m a nb o d ya n di t sv a r i o u so r g a n s a n dt h em e t a a n i m a t i o n so fv i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o n ，d e s i g n e dt h er e s o u r c e s b a s eo fv i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o ns y s t e m ，i n t e g r a t e dt h ea c c e s sd a t a b a s ea n d e o ns t u d i o3 dr e n d e r i n ge n g i n eb yp r o g r a m m i n gu s i n gv i s u a lc + + 6 0 ，a n d c o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e m f i n a l l y ，t h ev i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o n b a s e do nr e s o u r c e sr e u s et e c h n o l o g yw a sr e a l i z e d i tn o to n l ye m b o d i e dt h e r e u s a b i l i t yo fr e s o u r c e si n v i r t u a ll a b o rs i m u l a t i o nb u ta l s ov e r i f i e dt h e e f f e c t i v ea n df e a s i b i l i t yo fr e s o u r c e sr e u s et e c h n o l o g yi nv i r t u a ls i m u l a t i o n w h i c hs t u d i e db yt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：r e s o u r c e sm a n a g e m e n t ，r e s o u r c e sr e u s e ，s i m u l a t i o nm o d e l ， m o d e ld i c t i o n a r y ，m e t a - a n i m a t i o n ，r e s o u r c e sb a s e i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢 意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 6 7 指导教师签名： 论文作者签名： 知诱年6 月f 日 第一露绪论 l l 。1 引言 第一章绪论 经过半个多世纪的发展，建模与仿真科学与技术已成为对人类社会发 展进步具有重要影响的一门综合性技术学科瑟】。它楚研究、分析和解决复 杂客观世界过程中的一个不可缺少的工具；是促进现代科学发展的技术支 柱；是伴随着各个学科，有利于各个学科发展的一门新兴学科：是创新理 念中的一个重要组成部分。 随着仿真系统复杂程度的增加，仿真软件规模的扩大和分布式交互仿 真的爨现，建模与仿真所覆向的领域越来越多，需要不嬲领域、不同地域 和不同专业人员的协作努力才能顺利开展，仿真技术的发展也从面向单独 的领域应用向着协同仿真发展。 然而，针对特定的任务开发特定的仿真模型，构造特定的仿真工程仍 是现阶段建模与仿真的主要特点珏】。开发者往往只是一味选针对特定任务 开发特定程序，甚至采用某些简化的方法和技巧，两很少考虑模型与仿真 的通用性和可重用性。这就使得为特定需求开发的模型与仿真很难为其他 任务再利用，严重阻碍了现代建模与仿真技术的发展。 归纳起来，雷前的建模与仿真工作主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 随着仿真任务藏围的不断扩展狸复杂化，模型和仿真的开发周 期越来越长，规模越来越大，耗资也越来越多； ( 2 ) 许多模型和仿真的应用范围与功能有相似之处，然而由于相容 性问题不雏解决而很难再剃雳，造藏资源浪费； ( 3 ) 仿真界还没能就模型与仿真的可重用性阀题给惠很好的解决方 案。 为了解决以上问题，美国军用仿真界于2 0 世纪8 0 年代中期率先提出 了模型的可重性闯题，并予1 9 9 5 年5 月制定了第一个建模与仿真主计划 ( m a s t e rp l a n ) ，该计划进一步明确了建模与仿真的工作嚣标，分绍帮定义 了建模与仿真的标准化过程，从丽确保此过程的通用性、可重用性、共享 性和互操作性。这一目标不仅代表了美国军方建模与仿真的发展方向，同 时也客观地反映了建模与仿真技术发展的最新动态。该计划有如下两个方 广东工业人学工学硕士学位论文 面涉及模型重用： ( 1 ) 提供一个通用的建模与仿真技术框架； ( 2 ) 实现建模与仿真资源的共享。 模型重用性问题一经提出，就得到了各国仿真界的高度重视，并纷纷 展开了对建模与仿真资源重用性的研究。 总之，随着现有建模与仿真资源的不断丰富，采用何种结构来组织建 模与仿真，从而达到充分利用已开发资源和保护原有投资目标变的日益重 要。建模与仿真开发过程的标准化是实现经济、有效地开展建模与仿真工 作的重要步骤，同时也是一项具有发展前景的研究。它可以使人们最大限 度地共享建模与仿真技术的开发成果。 1 2 资源重用技术概述 1 2 1 资源重用技术的内涵 重用是人类解决问题时普遍使用的一个概念和思维方法【3 】。它是一种 系统的快速开发理念，其基本思想是在搭建新系统时重用已经建立好的系 统构件。重用的好处是显而易见的：可缩短开发周期、减少开发成本、降 低开发风险、避免造成资源浪费等。重用在许多领域都有相关研究和实际 应用。如软件领域的软件复用，计算机辅助产品设计领域的设计重用，人 工智能领域的知识复用等。 在建模与仿真领域，重用很早就引起了研究人员的重视，并取得了一 系列研究成果。虚拟仿真中的重用问题是指在虚拟仿真应用的开发和运行 中要充分利用领域内现有的各种有用资源，以避免重复的无效劳动。通过 重用可以提高建模与仿真的开发效率和服务质量。归纳起来，虚拟仿真中 资源的重用问题大致可以包括两个方面：仿真模型的重用和仿真框架的重 用。其中仿真模型是最核心的仿真资源，直接影响着虚拟仿真的效果，因 此也具备最迫切的重用需求。而且，这两者的重用是不同的，后者由于具 有明确的接口语法和功能语义，再加上软件工程界的研究人员对软件资源 重用的研究已经取得了大量成果，重用相对比较容易。仿真模型重用的最 大不同就在于模型是对现实系统的抽象，不同的应用问题可能要求不同的 抽象。这种抽象的多样性给建模人员建立能够支持多个仿真应用的模型造 2 第一鬃绪论 成了困难。 一般意义上的重用有丽种思路，一种是分解，一种是泛化。分解的思 路是将待重用的构建降低到最小的规模，以充分解决专门的问题为佳。在 解决更大问题时通过将大问题分解为小问题，拼装小问题的求解构件，从 磊得到大阏题的解决方案。泛诧的思路是指通过抽象帮参数化等技术，使 一个构 牛具备尽可能多的求解问题的能力。在蘧对耨问题时，可将该构件 向问题空间投影或实例化来解决。在软件工程领域，模块化和组件化技术 通常用于分解重用；面向对象的设计模式通常用于对问题构件进行抽象， 以使箕充分通用，属于泛化豹范畴。 实现仿真领域的模型重用一般是基于二者混合的，即在泛化的同时分 解，在分解的基础上进行泛化。根据侧重的不同及其相关的共同特征，可 将当前的仿真模型重用方法分为下面4 大类： ( i ) 基于统一建模仿真语言的重用。建模仿真语言本身满于仿真框 架重用范畴。统一建模仿真语言( u n i f i e dm o d e l i n gs i m u l a t i o nl a n g u a g e ， u m s l ) 不同于般的仿真建模语言，其特点在于具有充分的表达能力和 平台无关性，u m s l 试图基于这两点来提高仿真模型的重用性。现实系统 一般是复杂的，涉及多个学科，并且是连续和离散混合的。充分的表达能 力使得u m s l 能够攒述系统多个学科领域的特征，能够对系统的离散特征 和连续特征进行致描述。平台无关性来源于u m s l 语言本身对底层计算 平台的抽象，使得复杂系统的描述可以不受限于特定的计算与仿真平台， 能跨平台使用。u m s l 的分解重用体现在仿真语言本身上( 分解为一个个独 立酶语言元素，并基于语言的拼装来构建仿真模型) ，泛化重焉体瑗在仿真 语言本身的平台无关性。基于u m s l 的重用方法存在的主要阀题是不支持 各已有异构模型的重用，对模型脱离当前应用重用于其他应用所需的情景 信息缺乏规范化描述。仿真参考标记语言( s i m u l a t i o nr e f e r e n c em a r k u p l a n g u a g e ，s r m l ) 1 4 1 ，仿真建模语言( s m u l a t i o nm o d e l i n gl a n g u a g e ，s m l ) 【5 】，m o d e l i c a l 6 】均是謦前比较热f - 】的u m s l 。 ( 2 ) 基于标准化模型规范与模型库技术的重用。基于标准化模型规 范是一种先进的模型重用方法。模型规范为可重用模型规定了统一的结 构，行为以及情景表示方式，丽不限制于模型的描述语言及计算平台，可 瘸于酉重用模型库豹构建。模型规范的标准化程开敖性使得模型痒中的模 j 乐工、l k 大学工字倾士掌位论文 i i - l l l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l l 型可以在更广漏的范匿内重瘸。薯蓠，各种技术与应用领域态均有基于标 准化模型规范的模型重用研究与实践，典型的如仿真互操作标准化组织所 支持的基本对象模型( b a s eo b j e c tm d o e l ，b o m ) 【，j ，d e v s ( d i s c r e t ee v e n t s y s t e ms p e c i f i c a t i o n s ) 团体所支持的系统实体结构霹模型库技术( s y s t e m e n t i t ys t r u c t u r e m o d e lb a s e ，s e s m b ) 曙】，e s a 所推行的仿真模型可移植性 标准( s i m u l a t i o nm o d e lp o r t a b i l i t ys t a n d a r d s ，s m p s m p 2 ) 9 1 。 ( 3 ) 基予通用模型的重用。通用模型是一种强调泛化的重用。其特 点是通过对基本类型仿真对象的建模，在新的应用需求出现时，通过继承， 组合和参数化等技术，重用基本模型来构造新模型。通用模型对于模型类 别楣对确定的研制部门比较适用，它可以基于面向对象技术，为这些系统 设计基本类的仿真模型，具体型号麓模型则可以从基类模型继承来得到， 实现基类的重用。典型的例子如美国国家航空航天局朗利研究中心的面向 对象适时仿真框架l a s r s + + 1 0 】，肯尼迪空间中心论证新一代可重用运载工 买论证时所采用的通震彷真模型( g e n e r i cs i m u l a t i o nm o d e l ，g s 方法。 ( 4 ) 基于统一仿真环境的重用。仿真模型在其开发所处的建模仿真 环境内重用一般是比较容易的，实际上各个仿真环境都宣称支持模型重 用，大多仿真环境应震部门也都在一定程度上基于统一的仿真环境，实践 蓿基于重用的仿真开发。例如s i m u l i n k ，s i m2 0 0 0 1 堙】，联合建模与仿真系 统( j o i n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e m ，j m s s ) ，d e v s c + + j a v a 等。然而 在领域或组织内采用统一的建模仿真环境一般存在以下阂题：单的建 模仿真环境所熊支持的建模范式是有限的，不一定能够支持领域肉各类系 统各个层次的模型描述；仿真环境的模型规范一般是不开放的，也不是 标准化的，因此其他系统的模型难以加入到该仿真环境中； 模型一般与 仿真环境紧密结合，难以移檀到其他仿真系统中。 1 2 2 资源重用技术的研究意义 茸前仿真包含的内容大大扩展，仿囊软件的规模也越来越庞大。然而， 纵观很多仿真软件，无论是仿真软件内部还是仿真软件之间的资源共享性 和重用性还显得很不够，这在很大程度土造成了资源的浪费，严重阻碍了 仿真技术的发展。研究仿囊软俘中的资源重用技术无论是对解决仿真软彳孛 内部还是仿真软件之间的资源的共享性和重用性都具有重大意义，对支持 4 第一鼗绪论 重鬟性的模型构建技术也有缀大的推动作用。 仿真资源的重用性是仿真系统开发中越来越重要的一个问题。具体表 现在以下几个方面： ( 1 ) 以往的仿真资源开发中，很少考虑仿真资源的未来应用，使仿 真资源在使焉一段时闻岳，越来越难以满足仿真应耀的需要，必须根据新 的仿真应用的需求重掰设计和开发，这对越来越多的仿真应用的开发而言 是很不利的，而且随着复杂系统仿真的发展，仿真需求变化越来越快，对 仿真资源的重用性也提出了迫切的要求。 ( 2 ) 仿真资源实现中采用模块纯器面向对象的设计与实现，使新的 仿真应用的开发可以部分地应用前面研究开发的成果，一定程度上减轻了 瓶的仿真威用开发的压力，但这种较低层次上的重用性带有很大的随意性 和不确定性。为了真正实现仿真资源的重用性，必须对仿真资源的设计、 实现、验证和管理的各个角度建立相应的标准，来保证仿真资源重用性的 实现。 ( 3 ) 在大型仿真项圈开发中，建模和仿真过程包含大量复杂的面向 多领域的活动，需要不同领域不同地域和不同专业人员的协作努力才能顺 利开展，仿真技术也从单独的领域应用向协同仿真发展。而协同仿真面临 的最根本阍题就是模型的描述翘范、模型的集成和模型豹重用阕题。 总之，虚拟仿真中资源的重用性问题是仿真技术研究发展到一定阶段 的必然产物。如果能够有效地解决仿真中资源的重用性问题，我们至少可 以从两个方面获得收益：从系统开发的角度来看，如果能够解决仿真资 源的可重用性闻题，就可以减少许多不必要的重复劳动，。使系统开发的费 用分摊在不同的系统当中，节约开发成本，同时也可以缩短系统的开发耀 期，避免仿真资源的浪费。 从系统使用的角度来看，用户适应新系统的 服务满意度与系统使用的训练周期有很大关系，虚拟仿真中资源重用的结 果促进了仿真方法与仿真系统的标准化与统一性的发展，大大缩短了系统 使用的训练周期，势必会提高系统鬟户的亲和力，充分体现仿真系统的价 值。 5 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 国内外资源重用技术的研究现状 1 2 3 1 国外研究现状 在军事界，仿真模型的可重用性问题是在2 0 世纪8 0 年代中期由美国 军用仿真界提出并发展起来的，并得到了各国仿真界的高度重视。 19 9 5 年，美国国防部提出实施建模与仿真的主计划( m o d e l i n ga n d s i m u l a t i o nm a s t e rp l a n m s m p ) ，提出了一系列协同研究纲要，也第一次提 出了创建建模与仿真资源库系统( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s o u r c e r e p o s i t o r y , m s r r ) 的需求【l3 1 。其目标和任务是通过仿真资源和信息的共 享和交换来减少或避免复制和冗余，节省费用，为国防建模与仿真活动共 享资源提供一个基础框架，提高建模与仿真的互操作性、可重用性和可信 度。未来的m & s 系统将有很大一部分直接或间接地通过m s r r 系统获得 【1 4 】，因此对m s r r 系统及其相关问题的研究有着十分重要的意义。随后， 美国国防部( d o d ) 国防建模与仿真办公室( d e f e n s em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o no f f i c e ，d m s o ) 就专门委派了一个主管委员会负责组建和管理 建模与仿真资源库。 二十年来，为了实现仿真资源的共享与重用，美国国防内部先后推出 了s i m n e t 、d i s 、a l s p 、h l a 等互操作技术标准，各军兵种内也先后推 出了许多支持重用的仿真系统。从实践来看，尽管取得了许多成功应用， 然而距离对仿真模型重用潜力的充分挖掘还有相当差距，“烟囱式仿真 系统与“烟囱式仿真开发仍然大量存在【l 引。为此，美国国防部( d o d ) 于2 0 0 3 年委托兰德公司对如何改进d o d 内仿真模型的可组合性进行了专 题研究【1 6 】，研究结果表明单纯技术标准难以从根本上解决d o d 内的模型 重用问题，必须重视建模与仿真理论方面的深入研究，并制定面向领域人 员的建模规范和技术标准。在此基础上，美国国防部( d o d ) 以可组合性 为主题组织了一系列的理论性研究课题，并取得了初步成果 1 7 - 2 1 】。在上述 研究成果的影响下，可组合性得以逐渐成为d o d 内仿真系统开发的一项公 认指导原则。仿真模型重用则是可组合性原则的核心目标之一，仿真模型 重用也因此成为仿真可组合性的关键使能技术。 在欧洲航天局( e s a ) 内，十多年来一直在进行着提高e s a 内各成员 第一零绪论 的仿真模型可移植性和可重瘸性的努力，苁2 世纪9 0 年代初麓模型接溺 规范标准雏形到后来得到广泛应用的仿真模型可移植标准( s m p ) 1 2 2 ，褥 到2 0 0 4 年推出的全新的s m p 2 标准【2 3 1 ，模型重用问题的重要性和紧迫性 不言而喻，考虑重用、支持重厢已经逐渐成为e s a 建模人员、仿真人员、 仿真平台供应商等的自觉意识器自擞行动。 澳大利亚国防仿真办公室( a d s o ) 、国防科学技术机构( d s t o ) 提 出建立了分布式仿真库( d i s t r i b u t e ds i m u l a t i o nr e p o s i t o r y , d s r ) ，研究了 企业到企业( p 2 p ) 结构的应用弘引。d s r 试图在国防科学技术机构仿真团 体志部提供一荦孛机制，邸虚拟集中的，僵物理主是分布的资源库服务，这 秘机制可以鼓励和促进物理上的分布工作小组之间的协作及其资源的重 用。 对军事仿真领域有着巨大影响的仿真互操作标准化组织( s i s o ) 的宗 旨就淹改善军事系统仿真的互操作性，通过相关的标准纯工作促进仿真资 源的重罴。从旱麓d i s 时代的r p r f o m 工作组到h l a 时代的基本对象模 型( b o m ) - e 作组，实现仿真对象模型重用以至仿真成员的重用一直就是 其核心目标。 在学术界，自从1 9 8 6 年r o nh o h n 2 5 j 等人首次明确提出仿真模型可重 用问题之看，有关仿真模型重用的讨论一直没有停止过，近年来逐渐成为 研究的焦点。仿真模型重用问题已成为新时期建模仿真领域越来越迫切需 要解决的一个重大理论问题。 1 9 9 4 年，s a u l n i e r , e t t 2 6 j 等入就以“s i m u l a t i o nm o d e lr e u s a b i l i t y ”为 题讨论了仿真模型重用与一体亿图形建模仿真环境的孝羹互关系，分析了一 体化图形建模仿真环境对仿真模型重用的支持，以及仿真模型重用对建模 仿真以及分析等仿真活动的影响。由于受当时技术与应用条件的限制，对 仿真模型重用的探讨主要围绕仿真环境的设计展开。 1 9 9 6 年，p o s ，a 羰习等人在支持工程建模的可重焉模型库的研究中开始 考虑到了仿真模型跨仿真应用的应周情豢问题，构造了模型假设描述框 架。该框架将模型假设分为下面六类：内容断言，即声明哪些对象在模 型中描述而哪些没有；目标陈述，即描述模型的目标，例如是因果分析 还是预测；行为陈述，包括定性的和定量的，典型倒子是仿真结果； 元级陈述，接述仿真模型的元级知识，铡如是否线性； 有效性假设，描 7 厂东工业大学工掌帧上掌位论义 述了仿真模型有效的相关要求和条件； 性能指标，例如所需计算时间等。 2 0 0 0 年，d a l ek p a c e 2 8 】等人明确指出了仿真概念模型对仿真模型重 用的重要意义，并建议重点考虑概念模型的重用，避免绑定到所采用的实 现方法和技术上。 2 0 0 2 年，在英国运筹学协会的仿真工作组会议上，五位仿真专家就仿 真模型重用问题进行了专题讨论【2 9 1 。其中m i c h a e lp i d d 教授从软件重用的 角度将仿真模型重用分为代码重用、函数重用、组件重用和完全模型重用 四个层次，并从复杂性和频繁性的角度对四个层次进行了分析。r i c h a r de n a n c e 教授给出了仿真模型重用的定义，分析了抽象程度、重用粒度、组 织层次三方面对模型重用的影响，在此基础上比较了仿真模型重用的利 弊，指出重用面临的最大技术挑战来自于建模仿真领域长期形成的“最小 建模思想”对面向重用建模的阻碍。s i m o nt y i o r 教授重点讨论了基于 c o t s 工具的离散事件仿真领域的模型重用问题，通过对基本建模组件重 用、子系统重用和类似模型重用三个重用层次的分析，指出模型重用的成 功实现必须是在有计划且考虑重用的情况下。 c m i c h a e lo v e r s t r e e t 3 0 】等人对仿真模型重用问题进行了一般性的研 究，讨论了实现重用必须解决的1 2 个方面的关键问题，即：如何定位 潜在的可重用的模型组件；如何识别组件之间的目标不兼容性；如何 识别模型组件之间的假设不兼容性； 如何建立面向重用的模型组件； 如何确定每个可重用组件的粒度水平； 获取每个组件的目标和约束； 描述目标、约束和假定；指定每个组件的精度水平； 确定可重用组件 的可修改性； 确定被重用组件的互操作性；确定选中的对象是否满足 约束；o 如果一个新仿真应用完全由v v & a 过的组件构造，组合形成的仿 真应用是否有效等。其中充分描述模型组件的目标、假设和约束( o a c ) 信息能够解决上述问题的大部分，然而描述o a c 本身具有相当难度。 l e v e n ty i l m a z 3 1 , 3 2 等人强调了应用情景( c o n t e x t ) 对模型重用的重要 作用，明确区分了仿真模型设计时刻的应用情景和仿真模型将要被使用时 的应用情景，认为除非建模仿真人员：形式化地描述仿真模型以便推断 其与新实验框架的匹配性；准确无二义地理解仿真模型的应用情景依赖 关系；否则仿真模型重用将是一项无效的、易犯错误的活动。l e v e n t y i l m a z 等人指出了概念模型形式化对仿真模型重用的重要意义，建立了应用情景 第一肇绪论 的概念模型，提出了面向重用的“模型仿真器应觜情景”( m s c 建模仿 真概念框架，在该框架下讨论了1 0 行为层模型重用的判定方法，提出了 一种基于内省机制的可重用仿真模型设计策略。 m a l a k 。r j j r 【3 3 】等人认为仿真模型重用需求在工程设计领域非常普 遍，技术领域的进展也使得模型重髑更加容易，然两模型重用将导致校验 所需知识的片段化，当不同的仿真应用在时空上分布时，校验模型在薪应 用中的有效性是非常困难的。这种困难主要源于对校验非常重要的相关知 识在重用时刻不可用，为此，m a l a k ，r j m 等研究了校验相关知识( v r k ) 的形式化描述，以支持v r k 知识的有效传递，在此基础上提出了露重用 仿真模型校验的概念框架。对于应用情景的描述，m a l a k ，r 。j 。k 等分析了 人工镑能领域基于假设的描述方法存在的不足，认为基于集合的方法更合 适。最简单的情况下，应用情景集合是一个由变量极值确定的超立方体， 而在复杂豹情况下，应用情景是一个由变量闻的功能关系定义的空间区 域，其中可能包含模型中不存在的变量约束。 m a r k oa h o f m a n n 博士对模型假设及其对实质互操作的影响进行了 系统的研究。在文献 3 4 】中，m a r k oa h o f m a n n 给出了模型假设的形式化 定义，介绍了对模型假设的实证主义( p o s i t i v i s m ) 和构成主义 ( c o n s t r u c t i v i s m ) 悉个截然不鼹的认识视觉，在对二者进行折中的基础上， 从变换函数、假设目的、假设可用性三个角度对模型假设进行了分类， m a r k oa 。h o f m a n n 将组合建模中不同仿真模型假设之间的关系分为冲突 和依赖两种。冲突关系分为逻辑冲突和语义冲突两类，其中逻辑冲突可以 通过形式能描述鸯动发现，语义冲突则更多遗必须依赖建模人员兹智慧。 模型假设之间的依赖关系则一般需要通过绘制模型假设依赖图的方法进 行分析。 s p i e g e l ，m 【3 5 】等人研究了应用情景信息中的有效性约束问题，将有效 性约束分为不变约束、动态约束帮对象闻约束三类，通过实铡说明了识剃 有效性约束的困难性，认为有效的重用要求研究是捕获关键约束并在设计 改变时维护该约束的高效方法。此外，p e t t y ，m 。d 18 - 1 9 , 2 1 】等人从仿真可组 合性的角度研究了基于模型重用形成的组合式仿真应用的有效性检验问 题。a n d r e a st o l k t 3 锚7 1 等入从仿真互操作性的角度研究了通过多层次互操 作实现仿真模型重用的理论与技术需求。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 2 国内研究现状 国内有关仿真资源重用的研究也取得了一些研究成果。但研究现状表 明目前尚缺乏对仿真资源重用的系统而深入的理论研究，已有的仿真资源 重用方法与应用实践也缺乏仿真资源重用理论的指导。对仿真资源重用的 研究主要集中在国防科技大学：雷永林【3 引、王维平【3 9 1 等人以导弹总体设计 为应用背景，针对总体设计过程中以论证和分析导弹总体方案为目的、在 攻防对抗条件下进行的系统级仿真中存在的仿真模型重用需求和异构仿 真模型集成问题，对仿真模型重用理论与方法、仿真模型表示方法与表示 规范、仿真模型映射与转换技术、异构仿真模型集成技术等重大理论问题 进行了一定的研究与工程实践。雷永林提出了以应用情景为核心的、面向 重用的建模仿真概念框架，形式化地给出了仿真模型可重用性的概念体 系，在此基础上给出了仿真模型可重用性的判定方法，以及提高可重用性 的若干途径，分析了可重用性与互操作性和可组合性的关系。张童等人在 文献【4 0 】中分析了w e b 服务、网格计算和高层体系结构h l a 三者之间的 潜在联系，设计了网格环境下以w e b 服务为中心的分布式仿真资源框架， 在该框架中所有仿真资源都封装为w e b 服务。张童重点研究了h l a 仿真 系统中联邦资源重用问题，对仿真服务的描述和仿真联邦的组合进行了深 入的探讨和具体的设计，论证了方案的可行性。刘晨【4 l 】等人总结了仿真模 型集成和重用的关键因素，并提出结合d e v s 、d e v s 定义语言，研究扩 展s r m l 的途径，重点介绍了d e v s 和s r m l 之间的映射关系，以及s r m l 用于描述仿真模型的能力。扩展的s r m l 实现了仿真模型与仿真执行的分 离，并继承了d e v s 的所有特性，是一种平台无关的仿真语言，可以有效 地支持仿真模型的集成和重用。陈刚 4 2 】等人针对实际工作中，重用s o m 构建f o m 的工作经常被不同s o m 中类的继承关系造成语义上的歧义问 题，提出了一种新的模型库分层构建方法。该方法按照对象之间的继承和 组合关系把对象模型库分成相互联系的两层，它使得模型库可以自由扩 展，避免库中信息之间语义上歧义的出现。 北京航空航天大学的惠天舒【2 】等人针对目前建模与仿真的现状和特 点，分析了解决仿真模型重用的关键技术一一面向对象的分析与设计方法 的基本原则和重要作用，指出了面向对象技术中的抽象、信息隐藏、多态 1 0 第一肇绪论 和继承等基本原则是隐藏复杂性、提高代码重耀性和标准化的基础，并进 一步给出了模型重用的分类和前提，重点论证了模型分类、公有属性提取、 结构与参数分离、数据与处理方法的封装和v v & a 技术是实现仿真模型可 重用性的技术步骤。宋晓等人在文献 4 3 】中基于总装虚拟样机支撑平台项 鼙，阐述了虚拟样机模型库系统在虚撅样机工程中的位置及作焉，介绍了 他们开发的基于p d m 技术的模型鹰管理系统的体系结构及主要功能，探 讨了项目管理平台与模型库系统的接i ：1 。在文献f 4 4 1 中宋晓等人开发了基 于n e t 框架技术的模型管理系统。该系统由用户界面层、业务逻辑层和文 件，数据层组成，其中，业务逻辑层包括基本服务、熠户安全管理、模型结 构管理和文档管理等模块。宋晓详缨介绍了该系统的体系结构、功熊、特 点及实现方法。该系统实现了虚拟样机工程中的建模、项目管理、可视化 等部分模型和数据的共享及规范管理。毛媛【4 5 】等人提出了基于元模型的复 杂系统建模方法，并给出了实现方案，实现了一个原型系统的元模型实例 一一复杂系统模型。将这种元建模技术用于复杂系统仿真平台中系统模型 的建立，可以使构成复杂系统的各子系统模型在比模型更高的层次上进行 集成，从而加速复杂系统仿真的设计、开发和实现。 哈尔滨工业大学的杜强芳等人在文献 1 4 】中初步探讨了建模与仿真资 源库系统的三个籀关运题：建模与仿真资源库系统用户群、资源内容及其 组织机制以及系统体系结构。杜强芳在传统w e b 数据库技术的基础上提出 了一个基于分层、符合组件化思想，且具有扩展性和互操作性的系统概念 体系结构。 琵南交通大学的龙时丹疆6 j 建立了基于w e b 的模型露的数据库管理系 统，可对模型进行三维浏览、查找、增加、修改和删除