（计算机软件与理论专业论文）实时仿真支撑平台的操作功能和模型管理的设计与实现.pdf

武汉避工大学硕士学位论文 摘要 实时仿真支撑软件是开发实时仿真程序的专用软件工具，而实时仿真程序 楚费卖壤瓣核心软馋。安簿蕊囊支撑较传可运行子多秽墅号熬诗算秘疆件嚣装 和多用户、开放挺操作系统，以扩大其应用范围。它提供美观商效的人机界面， 懿毒丰蜜貔查镄功能，调试效率麓，蕊囊程序野发方馁，以宓嚣炔镑寞捉豹割箨， 保证质爨，提高仿真的能力与水平。 实时接真支撑软件燕一个集多静谤囊功能予一终静大型软馋乎套。它可以 提供仿真模块的编制和编译、遣接和装入、调试和控制功能。除了这燎基本的 鞫戏，实对仿真支撵软件包含特有约掬裁，包攮实时控潮系统、数据黪管理系 统以及相关的实辩仿真数据库和共享内存区。 仿囊支撑平叁软件开发中的功能要袋比较多，薅且在技术上也存在许多的 难题，萋于多种原因，该w m s 2 0 0 5 实时仿真支撑平台柱设计开发中，分为两部 分，由不同人员凝对进 亍开发。奉文主要要完成以下工作：l 、模型管瑷模块的 开发，2 、平台对外接口，3 、平台操作功能的实现。模疆管理模块主要实现仿 真程序编制和编译系统、连接和装入系绕、实f 寸执行理序、调试系统以及共享 内存医。平台对外接口将仿真支撑平台的部分功能迸行对装并鲢导出，完成与 平台外部应用程序的挂接。同时平台内掷提供了友好的操作界麟，用户可以通 j 筵操作界瑟完成仿真过程的处理。通过系统各个模块的遮作，w m s 2 5 仿真支 撑平台可以完成通用c c + + 数学模型的处理，生成任务模型，并鼹完成对该模型 的监视和控制。稀置逶j 建两络，可以形成分布式的仿真环境。在整个轮机模拟 培训系统中起到了中间桥梁的作用。 w m s 2 5 实辩仿翼支撵乎螽成功滤将面向对象的方法融入翻开发中。软件 开发过穰符合现代软件工程理论基础。在软件开发过程中采用了多进稷、多线 程，a e t b 瞎x ，两存数据簿等技术保证待粪过程靛实现。 必键词；仿真丽向对蒙a c t i v e x 调试仿真支撑平台模型 武汉理王大学疆士学位论文 a b s t r 蠢e 耄 r e 蠢- t 量擞es 浊糠鑫畦。珏s 糖争。越鲳s 。觑鑫瓣i sa 擘e 0 滋t o o lf o f 氆ed e v e l o p 擞e 建o f r e a l t i r n es i m u l a t i o np r o g r a m ，a n dr e a l - t i m es i m u i a t i o np r o g m mi st h ec o r ep a r to fm e s i m u l 菇o r 龆l 一斑鞋es i 撙u l 越i o 珏s 壤) 耋斌遮g 鑫w 箍瓣c a 硅w o 擞黼f 撒澈i 一秭零 c o m p m e rh a r d w a 托a i l do p e no p e r a t i n gs y s t e mf o rm u l t i u s e r ，m u si tc a ne m a 雌e 也e s o 黼瓣s 姥p l i e d 鼓嚣l d r e 砖一t i m es i 瓣l l a 蛀熊s 印p o 娃i n g 鼢a h 舔 沁珏量。e 勰d u s e m lh u m a n m a c h i n ei n 把尚e ，t h ea b l l n d a n td e b u gf u n c t i o n s ，m e1 1 i 灿e re 币c i e n c y f b fd e b u g g i n 娶s ow ee a nd e v e l o p 搬es i m 试采i o 珏p r o 簪a 壤e o 瓢v 耐e 嫩l 舄 s p e 嚣硅印 m em a k i n go fs i m u l a t i o nm a c h i n e ，a t _ 【h es a m et i m ea s u f em ed e v e l o p m e m sq u a l i 瓴 i m p r o v et h ea b i l t y 嚣n dl e v e lo f t h es i m u l a t i o n 1 k a l 一t i m es i m m a t i o ns ) p o r t i n gs o r w a r ei sal a 昭es o n w a r ep l 曲r n l ，w l i c h i n t e g r a t e sm a n y 垴堪so fs i 搬m l 撕o n 如n c 蛀o l l s ，s u c ha st h e 州匹n g 敞dc o m p i l i n g ， l i n k i n ga n de n c a s m 毁d e b u g g i n ga n dc o n 仃o l l i n go fs i m u l a t i o nm o d u l e s b e s i d e sm e s e ， r c a l - t i m es i m u l a t i o ns u p p o r t i n gs o 量w a f eh a si t so 啪m p o s i n i n c l t l d 主n gr e a l 城m e c o n t r o l l i n gs y s t e m ， d a t a b a s e m a n a 萨m e n ts y s t e m ，m e i m e r r e l a 把df e a l 以i m e s i m u l a t i o n 出哇a b a s ea n dt h eb l o c ko fs h a r em e m o f y 了h e r ea r em a n y c 矗o nr e q 试r 嘲e n t s 洫t h ed e v e l o p m e n to ft h es m u l a t i o n s u p p o n i n gp l a t f b n a n dai o to ft e c h n o l o g i c a lq u e s t i o n sa r e t ob er e s o l v e d b e c a u s e o f t h e s er e a s o n s ，也od e v e l o p i n gw o r k sh a v eb e e nd i 讲d e di n t o 柳op a r t s ，a 1 1 d 吐l e n 也e d i 牖r e mp a r tc o u l d b ed e v e l o p p e db yd i 恐r e n tp e o p l e 。t h i sp a p e rs h o u l d 蹦s hn l e f o l o w 堍w o 暾m 瓤n l y ：l 、溉m o 姒eo fm a i l a g l m gt h em 轴e m a t i cm o d e l 2 、 e x t e r n a li n t o r f a c eo fp l a t f o r n l 3 、t l l er e a l i z a t i o no fm ep l a t f o m l so p e r a t i o n a l f h 粥 i o n t h em o d 糠em a n a g i n gt h em 瓶鼬a t i cm o d e l c a n m p l e 地t h c s i m u l a t i o np r o g r 鼬sw r i t i n ga n dc o m p i l i n gs y s t e m ，l i n k i n ga r l de n c a s i n gs y s t e m ，t h e 毽a i m e 谴go fs i m u l 越i o np r o g 臻m ，d e b u g g i n gs y s t e ma n d 氆e 攒o e k 西s h a r e m e m o ue x t e m a li n t e r f a c eo fp i a t f o r mp a c k a g e ss o m on m c t i o no ft 1 1 es i m u l a t i o n s 强p o np l a l f o 轻n ，氆始e x p o 戒st 沁留氇eb t o r f & ef 酝e t i o n s ，垃m sa c c o m p l i s ht h e c o m m u 王1 i c a t i o nw i t ho 血e r a p p i i c a t i o n s m o r e o v e rl h e p i a 廿o r mh a 8l h ef r i e n d l y 蹄髅a t 呈。越i n 鼋e 疗a e e ，下h e 瞄e rc a nw 鞠a c c o m 鼬h 钠es | m u l a 蝣。nc o u r s eb yo p e r a 畦o n a i l i 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c e b yt h em n i l i n go fp l a t f o m sm o d u l e s ，w m s 2 0 0 5s i m u l a t i o ns u p p o n i n g p l a t f o r mc a nm a n a g e 也ec o m m o nm a 也e m a t i cm o d e l sw r i t e dw i mc c + + p r o g 姗 l a n g u a g e ，a i l dc o m p l e t et h em o n i t o r i n ga i l dc o n t r 0 1 l i n gf u n c t i o n sf o rt h em o d e l s n e nm cp l a t f o r n lc a l lc r e a t ead i s t r i b u t e ds i m u l a t i o nc o n d i t i o nb yt h el o c a la r e a n e t w o r k i na 、v o r d ，t l l ep l a t f b m lp l a y sa 昏e a tp a r ti nm em a r i n es i m u l a t i o ns o m a r e ， t h ew m s 2 0 0 5s i 舢1 a t i o n s u p p o n i n gp l a t f b r n l s u c c e e d si n u s i n g恤 o b j e c t o r i e n t e dm e t h o di nt 1 1 ec o u r s eo ft 1 1 ed e v e l o p m e n t a n dt h es o r 僦sd e s i g n a i l dd e v e l o p e m e ma c c o r dw i t ht h e 也e o r e t i c so fm o d e ms o f t w a r ee n 舀n e e r i n g s o m e t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e dt om a k et h es y s t e mm o r ee 艏c i e m l y ，s u c ha sa c t i v e x ， c o m ，m u l t i p r o c e s s e s ，m u l t i t h r e a d i n ga n dm e m o r yd a t a b a s e k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ，o b j e c t - o r 主e n t e d ，a c t i v e x ，d e b u g ，s i m u l a t i o ns u p p o m n gp l a t f o n n ， m o d e l i i i 武汉理工大学硕士学篷论文 第 章绪论 ； 选题背景及意义 计算枫仿真技术是壁努售晷磐耋巍熬一壕蹇凝技术。仿真是以诗算撬 系统为基础，根据确户的辩求，建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿 真模型，程不同蛇王援下，在计算枧系绞中运行演示，然箍真实缝展现实际 系统运行状态的过糕。它鼹涉及计算数学、工程拔制、备种实际系统的专业 知识、计算枧软硬件技术等多学科领域的一项综台性商辩按技术。是科学工 作翥、工程鼗术入员、运行操作人员进行系统分析、优化设计、性能评估、 运行试验、激育培训、操律训练躲鸯力工具。它在犀防、能源、交通、航空、 靛天簿重要的军事与菲军攀领域，得到了越来越广泛韵威用。荧函1 9 9 2 年 提出的2 2 颁国家重点发展的关键技术报告中，计簿枫仿真技术被剥为熬1 6 顼；褥年瑟掰韵2 l 颈窝蕊及军事蘧点发髓酶关键技术报告中，被列为第6 项。 诗算稳仿真技术集成了计冀辘技求、丽络技术、謦形图像技术、诼商 对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域鼬 氯谈。诗舅瓣嫠寞技术是豁数学理论、穗能蘸理、信惠技术、系统技术及箕 应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各籼物理效应设备为工具，裂 焉系统模墨鬟雪实藩瓣或设慧瓣系统避抒试验硬究稳一门综台毪技术。诗葬机 仿真是利用计算枫埘自然现象，系缆工程，运动规槔以至人脑思缎等客观世 雾遘嚣遥囊斡搂蒙。这释镑真是数德搂援邀一步发震翡必然结果。德者诗算 机的游及与进步，计算机仿真在工稷设计、生产管理、实验研究、人员培训、 系笺分爨等各夺领蠛蒋翼愈寒塞广泛藜应藤，数俊模熬与诗算瓿鬻彩、燕稼 技术，可视化技术棚结合以后，计弹机仿舆的应用范围更加扩大，其发展速 度恣跫为遗速，计算撬萤真不霞在辩学诗葬方嚣褥剜交溺于，舅蔑在蚕防、 工农业、服务业及社会经济、文化髂各方灏都有成功应用的例子。例如，计 冀橇仿真臻予军事裂练翡模羧，霹在没毒实嚣襞太委燕亡、无嚣广懑辫堍黪 条件和在没脊实际弹药消耗的情况下进行战斗训练。 计募梳傍真是遴蓬对系统模蟹簸实验去翳突令存在熬或浚诗孛辩系 鼗汉理王大学疆圭学盘论文 统，这里的系统包括技术系统，如土木、电气、机械、机电、水力、电子、 热攀等，氇包括社会、经济、生态、生秘裙管理系统等菲技术系统。谚真技 术的实质也就是迸行建模、实验，现代仿真技术的发展媳与控制工程，系统 工稔及诗冀橇技术酌发震密翡稿关联静。控割工程秘系统工程静发震鼹避了 仿真技术的广泛应用。而计算机出现及计算技术发展，则为仿真提供了强有 力豹手段黎工兵。辍魏，诗舞掇彷囊在谤真中占越来越瀵要懿箍谴。3 。 据最新的统计资料表明，计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 技术是当 翦瘟爰最广泛夔实媛技术之一。它集藏了诗葵撬技寒、瓣终技术、蚕形图像 技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新 技零镶域嚣熟识，潋数学壤论、镶叛蒙毽、基怠授末、系统技术及其应矮领 域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设餐为工具，利用系统 模型对实隧的或设想敖系缓进萼亍实验磅究黪一门综合缝技术“3 。 仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，正在极大地扩展 羞人类的视野、嚣誊隈窝能力，在科学技术领域中产生羞隧莛重要黪终爨。蟊 今计算机仿真技术被广泛运用于众多的领域中。这些领域有：航天、航海、 交邋工程、运输、农业、暇药、金融、人瓣、化工、气象举、生物学、瀵蓬、 天文学、自动装置、机器人和自动化、发射学和军事应用等等。对于航天、 交遴、化工、电力、核能等庞大、昂贵或恁险姓的工程系绞和难戳进行实验 的社会经济、生态环境和自然灾害等问题，仿真技术可以提供缀济、安全、 快速的定量分板结果；在复杂的科研误题、产品礤制中，仿真技术可用泉实 现特定理想条件下的原理性检验和方案论证，并贯穿于研制工作的各个阶 段。其中，传真技术的最重要应用之一就怒用来模拟实隧的工作坯境以避行 入一机接口实验和人员培训。 一个现代企业的成功运行与许多因素有关，其中一个重要的阪素就是具 有较高技术水平和操作技髂的操作入员和工程技术人员。传统培训操作人员 的方法是在实际装露上以师傅带德弟的方式进行。由于实际装置通常在正常 工况下运行，所醴被培训者很少有自己动手练习操作的槐会，开停车过程和 故障处理内容的学习则更加困难，而开停窜和故障处理这些特殊技能往往是 操作人员求平的重簧组成都分。隧蒲一些大型、簧杂的生产装置不断出现和 集散控制系统的应用，现代企业的人员培训问题越来越突出。计算机仿寞培 调系统静应鞠为解狭上述润题提供了一种有效秘方法。与实际装鼹上进行培 2 武汉理王大学酸士学位论文 训相比，计算机仿真培训系统具商如下优点： 1 ) 藐蠢豳安辩瞎调顼秘，不受客蕊象 孛的黻潮； 2 ) 允许人员在培训中发生错误，并能演示出错误造成的种种后果而不带 来镁蔼危密； 3 ) 可人为制造各种故障来培训操作人员处理敞障的能力； 4 ) 可逡行重笺瞧搡俸调练，甄磊镬搡雩霉人虽程短期内接受大藿懿谖练项 目，缩短培训i 周期； 5 霹节约大量黪经费与薅凌。 计算机仿真培训系统怒以计算机仿真为基础的人一机实时仿真系统。它 集戏了诗葵凝科学、系绞理论、臻惠技术、光邀技术蟊c a l 瓣最毅成暴， 其目的是利用计算机仿真及各种物理工程技术，构造一种以训练和教学为目 鲍系统，以在菜秘程度上疆瑷一个真实懿系绞，锼接受蟪训者获餐必要瓣有 关真实系统的感性与理性如识。各种仿真训练器鼹提供给企业职工的最佳选 择，曩翦在逛力、核裁、交逶和虿 蜜工业等领域蹇较广泛瓣用途。毖麴，垒 世界核电站的操作人员都被安全局规定为，如果不在全仿真的实时核电站仿 真枫上培训合掇，羧不能上岗操 乍，中华人民共和国海船躲爨逶任考试评 估和发证规则规定，凡申请船长、轮机长等高级船员必须完成通过岸上相 应仿真训练器的训练。但怒，在开发大型、复杂、模型邋真度高豹蕊真系统 时，如全任务飞行模拟器、轮机仿真模拟器等，系统的软件开发和集成的工 作量是十分庞大的。为了提高开发效率、缩短研制周期，同时保涯软l 牛系统 的可靠性，提高软件的重用性，必须创建一个电好的软件开发环境。针对仿 真系统的要求，这种环境斑该具蠢实时运锝、并行开发和无缝集成的功能， 并飘，使仿真系统软件具肖良好的熏用性嗣维护性，应该采用面向对象的设 计技术开发系统框架，兼餐已有的成熟的软件模块。而熙，为了便于用户的 使粥，系统环境必须拥有良好的人一机交互界面和可视化工作环境。 我校轮机仿真中心自1 9 9 4 年成功开发出国内第一螽“w m s j 轮机仿真 训练器”敬来，迄今已有数台硼s 系列仿嶷诩练器运行在上海、广朔、深圳、 武汉、舟山等地。现有的轮机仿真训练器不少是谯亚洲仿真控制系统工程有 限公司在u n i x 操作系统上开发的高级仿真支撑软件( a s c a ) 基穑上开发 的而且仿真语言是f o r t r a n 语言，但u n i x 操作系统专业性强，没有达到普 及，操作弊蕊不友好，受羹要的怒该支撵软件价格昂贵，磊前随着p e 视性 3 武汉理工大学硕士学位论文 能不断提高和价格的降低，以及w i n d o w s 操作系统的广泛普及，近几年来， 国外各大仿真公司都在进行基于w i n d o w s 系统的仿真支撑系统的研究，并以 投入了实际应用。本课题正是基于这种背景下提出来的，具有很重要的研究 价值。 1 2 国内外研究动态 实时仿真支撑软件是一个完整的支撑实时仿真开发、调试、运行和维护 的大型软件平台。仿真技术的应用在中国有相当长的历史，但直到7 0 年代 末和8 0 年代初才认识到仿真支撑软件对仿真技术的发展有至关熏要的作 用。对世界各国仿真技术加以考察和分析，可以清楚的了解到各国仿真技术 的差异就在于仿真支撑软件的水平。 国际上，仿真技术在高科技中所处的地位日益提高。北约在1 9 8 9 年制 定的“欧几里得计划”中，把仿真技术作为1 1 项优先合作发展的项目之一。 2 0 世纪8 0 年代初，随着军事需求与技术的发展，1 9 8 3 年，美国国防高级计 划研究局( d a r p a ) 首先提出，并与陆军共同制定了一项合作研究计划一一 仿真组网( s i m n e t ) 计划。8 0 年代末，s i m n e t 计划结束，已形成了约2 6 0 个地面装甲车辆仿真器以及通讯网络、指挥所和数据处理设备等互连的网 络，结点分布在美国和德国的1 1 个城市。为了大幅度增加仿真器的数量， 逐步发展了异构型互连的分布交互仿真( d i s ) 系统。2 0 世纪9 0 年代，针 对扩展防空体系概念，美国陆军战略防御司令部及陆军导弹司令部，合作进 行了“扩展的防空仿真系统”( e a d s i m ) 研制计划。e a d s i m 是一个能用于攻 防体系对抗研究的作战仿真系统，它连接美国本土、北约、英国、以色列等 地1 0 0 多个军事、工业部门，可给用户提供一个逼真的环境。近年来，美国 在总结成功经验的基础上，更加重视仿真，已将发展“合成仿真环境”作为 国防科技发展的七大科技推动领域之一。所谓合成仿真环境，就是在广泛采 用d i s 及相关的计算机技术的基础上，创造一种进行武器系统研究和训练的 合成环境，在新武器研制过程中，用仿真实验代替实际样机实验，使新技术、 新概念、新方案在虚拟战场条件下反复进行演示验证和分析比较，从而确定 最佳方案，选择最优技术途径“1 。1 9 9 5 年针对d i s 系统存在的问题又提出了 高层体系结构h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 我国计算机仿真技术的研究与应用开展较早，发展迅速。2 0 世纪5 0 年 代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向方程建模和采用模拟计算 机的数据仿真获得较普遍的应用，同时采用自行研制的三轴模拟转台的自动 飞行控制系统的半实物仿真实验已开始应用于飞机、导弹的工程型号研制 中。6 0 年代，在开始连续仿真系统的同时，已开始对离散事件系统( 例如 交通管理、企业管理) 的仿真进行研究。7 0 年代，我国训练仿真器获得迅 速发展，我国自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机组培训仿真系统、 化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器等相继 研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起到了很大作用。8 0 年代， 我国建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物 仿真系统、红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机 半实物仿真系统、驱逐舰半实物仿真系统等，这些半实物仿真系统在武器型 号研制中发挥了重大作用。9 0 年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实 等先进仿真技术及其应用进行了研究，开展了较大规模的复杂系统的仿真。 国内八十年代中期，随着改革开放的不断深入，过程工业新装置的不断 投产，先进集散控制系统控制的广泛应用，各企业都遇到了如何提高其应用 效果，加强人员培训的问题，因此开始了仿真训练器的引进和研制工作。当 时清华大学、中国科技大学、石油大学、北京化工学院都投入了研制工作， 到9 0 年代初相继推出三代系统： 1 ) 以盘台模拟仪表为控制环境的设备或工段级培训系统( 单机系统) 。 2 ) 以d c s 为控制环境的工段级培训系统。 3 ) 建立通用平台环境的d c s 仿真培训系统( 多机系统) 。 1 9 9 3 年由中国科技大学自动化系推出的d e t e c t 通用工业过程d c s 仿真开 发和应用平台，标志着过程工业训练仿真器的研制水平处于国际先进行列。 d e t e c t 实现了硬件平台的无关性，可以在微机系统、工作站和小型机上使 用。1 9 9 4 年由亚仿公司开发的高级仿真支撑软件( a s c a ) ，是一个完整的 支撑实时仿真软件开发、调试、运行和维护的大型软件平台。以此平台为基 础开发出了四川电力局3 0 0 m w 火电站全范围仿真机，远洋船舶轮机仿真机， c e s s n a 3 1 0 r 飞机飞行训练器等仿真培训系统。 现代仿真系统都使用支撑软件作为开发工具和运行环境。国内外有关各 公司均有自行开发的这类软件，比较著名的有加拿大c a e 公司的r o s e ， 5 武汉理工大学硕士学位论文 美国a b b 公司的c e t r a n ，法国的汤姆森公司的f l o w n e t 、r e g n e t 和l o g e n e t ， 我国清华大学的c n e t ，华北电力大学的s t a r 9 0 ，亚仿公司开发的高级仿 真支撑软件( a s c a ) ，以及深圳市本鲁克斯仿真控制有限公司的p r o s i m s 。 目前公开发表的国内基于w i n d o w s 操作系统的仿真支撑软件有深圳市本鲁 克斯仿真控制有限公司的一体化仿真支撑软件p r o s l m s 和清华大学热能工 程系研制的仿真支撑系统v c s 3 ( s u a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns u p p o r t s y s t e m ) 等。 1 3 本文的工作 本课题根据实时仿真模型支撑软件的特点和要求，以我校轮机仿真训练 器为基础，在w i n d o w s 2 0 0 0 n t 环境下，研制开发满足轮机仿真模拟器实时 性要求的仿真支撑软件，其集成了教练员、工程师站等功能于一体。 本文的主要工作如下： l ) 仿真平台功能模块。对上位机和下位机的通讯提供接口，可以方便 的通过下位盘台硬件的操作，及时的反映到运行仿真模型中，模型运算结果 又通过接口发送给上位机即前台的监控软件，让前台及时地得到后台的运行 状态，同时也可以通过在前台监控软件的操作，反应给后台，让其做出反应， 以达到模拟培训的任务，本软件还实现了平台内部的动态操控，以实现教练 员和工程师的功能，统一管理前后台的实现情况。 2 ) 模型实时编制、调试、调度模块。实现了平台内实时地模型模块的 编写，动态的进行调试，编译等，联合其他模块实现对仿真模块运算的实时 调度和控制。利用面向对象方法建立的任务模型，通过模型调度程序的调度 运行，表现出模型的具体行为特性。 3 ) 数据接口函数模块。实现了平台外部相关程序对仿真数据的动态访 问 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章洲s 2 0 0 5 仿真平台设计方法和思想 2 1 软件开发设计的方法 经过3 0 多年来的软件工秘的实践，人们融经成功地采用了多种软件开 发方法。爨疆款软转j 开发方法辘是霞热定义好豹鼓拳( 集) 及表示蟹号来缎 织软件生产过程的方法。一般来说，软件开发方法必须在以下三个方面作出 娥定：开发步骤( 包括每步稳痰的技术秘符号) ；软传文挡掺式；开发方案 评价标准。 2 1 结构纯方法 缝梭纯方法跫基于软律工骥生存瘸颓戆壤念之上豹。嚣麓，稷援款静工 程生存周期的不同阶段已形成了一整爨的结构化系列方法，即结构化分析方 法( s t r u c t 璐e d a 致a l y s i s ) 、缝擒讫羲诗方法 、嚣向对象设计( 0 翻e c t * 0 蠢e n t e 鑫d e s i g n ) 、蟊两 对象程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 等组成。从方法论上来看， 磷向对象方法认为系统是由一些对象的相互联系、柏互作用而形成的。对象 与功姥耪弦，爨荔于毅人们毽舞、接受、帮掌握，定义菱客鼹熏稳定，豆穆 改起来也更容易。实际上，在面向对象方法中，软件开发阶段的划分是比较 横糊的，通常骚在分析、设计与实现锋阶段间进行多次迭代。 2 。3 彩式佬方法汹3 计算机被越来越多的用于解决那必敞障可能会导数严重后果( 包括危及 生命) 的任务。近年来，翻外对形式化方法在软件开发中的应用进彳亍了大量 懿磷究与实跤王作，形式佬方法己不褥建只是一释研究瑟量静学术研究工 作，而是已经开始被工业界接受并用于开发实际的系统。国外融有包括形式 化方法、形式化语言、形式化工具在内的比较成熟的形式化系统，如v d m 系绞、z 系统、装a l s e 系统等。形式他方法生戒载挨整跑结橡纯方法或嚣悫 对象方法得到的模型更宠熬、一致且无= 义性。但使用形式化方法必须考虑 和始成本及与之相关的技术变更。 2 ，4 缝梅能穷法、纛惩薅蒙方法耦澎式纯骞法的综会戮究 虽然传统的结构化方法是软件工程中最为成熟的方法。对于能够预先确 定裳求的系统开发，采用传统的结构化方法非常有效；但是，对予需求模糊 袋隧霄阔交仡靛系统开发，实践证臻这耪方法不缒镶好适应。阂藏，对于需 求不能预先确定的系统开发，人们又提出了原型化( p r o t o t y p i n g ) 的开发方 法。原型化方法便于系统开发者与最终用户进行沟邋，因而开发出真正满足 最终震户曩袋靛系统。飙蜜鬻懿受痉澎发，嚣整纯方法与瑟鳌蕊鞭窝对象方 法结合，这样髋能够吸收酾向对象方法所其有的稳定性好、可爱用性好和可 维护性好的优点。 考虑到本系统开发的难壤鞍功能要求豹不确定蠛，本系统采瘸了最后提 滋这种综合方法作为系统靛开发方法。褥系统开发绫一分成霹大模块，每一 8 武汉理工大学硕士学位论文 禳涣都革独完成一部分功能，这样可| 美方便系统功熬豹添秀酲稀维护。 2 。2 传统实时仿囊支撑软件的整体架掏 实时仿真支撑平台楚一个党整的支撑实时仿真软 牛开发、调试、运行、 和维护的大型软件平台，除了这些基本的构成，实时仿真支撑软件还有两个 特有系统：实时控制系统、数攒库管理系统以及其相关的实时仿真数据库和 蔟享内存区”1 。箕整体缩构图如下所示： 用户 软件开笈工其的 基本构成 实薛傍龚支撵软 件的特有构成 图2 。1传统实时仿真支撑平台的结构 2 3 实时仿真支撑平台的设计思想 整个仿真支撵平台建根据w i n d o w 8 操作系统的多任务机制，根据仿真 支撑平台的实时性要求，采用了多进程多线程熬整体设计思想，乎台以内存 数据库为中心，通过任务模型的运行，完成整个仿真过程。按照软件设计的 螈想以及实际应用的要求，对传绞的实时仿真鼍五台的功能进行了扩展昶重新 甜装。整个系统按照功能作用分成四大部分：模型模块、外部接口、数据管 遐模块、阚络通讯模块。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 实时仿真支撑软件并行程序设计 w m s 2 0 0 5 平台进程 图2 2w m s 2 0 0 5 平台进程框架 系统采用c c h 语言开发而成，开发的平台使用了v is u a lc + + 和v is u a l c + + n e t 充分运用w i n d o w s 操作系统的多任务处理机制，采用了多进程多线 程两种层次的并行程序设计。服务器平台开设了两个独立的进程，即实时算 法运算调度进程和主平台进程，每个进程根据需要又设置了一个或多个线 程，在共享一个仿真数据库的前提下完成各自的任务。由于仿真数据库是不 同进程和线程的共享资源，在仿真数据库的实现中，利用互斥事件实现了同 步。其程序设计结构如图2 2 所示。 2 2 2 进程与线程的介绍 线程是操作系统的一个重要概念，因此，支持多线程是现代操作系统的 一个重要特征。到目前为止w i n d o w s 系列的操作系统都支持线程。线程与进 程相比较，线程所占用的资源更少，它同时是c p u 调度的一个最基本的单位， 因此对于一个进程来说，如果系统有多个c p u ，那么支持多线程的应用程序 将能充分利用系统资源。 进程是由两个部分构成的，一个部分是进程内核对象，另一个是地址空 间。同样，线程也是由两个部分组成的：一个组成部分是线程的内核对象， 操作系统用它来对线程实施管理。内核对象也是系统用来存放线程统计信息 的地方；另一个部分是线程堆栈，它用于维护线程在执行代码时需要的所有 函数参数和局部变量。 进程是不活泼的。进程从来不执行任何东西，它只是线程的容器。线程 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 总是在某个进程环境中创建的，而且它的整个寿命期都是在该进程中生存 的。这意味着线程是在它的进程地址空间中执行代码的，并且在进程的地址 空间中对数据进行。因此，如果在单进程环境中，若有两个或多个线程正在 运行，那么这两个线程将共享单个地址空间。这些线程能够执行相同的代码， 对相同的数据进行操作。这些线程还能共享内核对象旬柄，因此旬柄表是每 个进程的，不是每个线程的。 作为实时控制系统的实时仿真支撑软件，必然涉及到多个任务的并发控 制，因此，程序设计中引入了w i n d o w s 多任务机制一一进程和线程。 进程是应用程序的运行实例。它可以被认为是应用程序的一次动态执 行。它是资源分配的单位，系统为每个进程分配独立的4 g b 地址空间，里 面包含代码和数据以及堆栈等等。每个进程所拥有的资源随着进程的产生而 产生，也随着每个进程的终止而撤消。而线程是c p u 调度的单元，是进程 的一个执行单元。系统根据线程的优先级进行c p u 调度，分配每个线程相 应的时间片。可以认为只有线程才是一个程序动态执行的部分。而进程可以 被认为只是容器，是代码存放的地址空间。 2 3 3 多进程与多线程的运作 在进程的生命周期内，一个进程具有至少三种基本状态，执行状态、等 待状态和就绪状态。一个进程在并发执行中，有时处于执行状态，有时进程 因为等待某种事件发生处于就绪状态。在单c p u 系统中，任一时刻中处于 执行状态的进程只有一个，只有处于就绪状态的进程经调度选中之后才可进 入执行状态，c p u 为处于就绪状态的进程按一定规则分配时间片，当一处 于执行状态的进程时间片用完，操作系统调用下一个进程由就绪状态转入执 行状态，如图2 3 所示。 造 图2 3 进程的状态转换 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 与传统的进程( 如，只有一个线程的进程) 一样，线程处于以下几种 状态之一：运行、阻塞( 等待) 、就绪或者结束。正在运行的线程占用c p u ， 并且是激活的。个阻塞的线程等待另一个线程来唤醒( 例如通过信号量) ， 一个就绪的线程当其时间片被分配到时立即被调度运行。线程像进程一样共 享处理机：首先是一个线程运行，然后是另一个线程运行( 分时) 。仅在多 处理机时它们才真正并行。在单处理机上，并行是宏观上的。一个线程被阻 塞时，运行同一进程的另一个线程。 每个线程都有一个与它关联的优先级设置。线程的优先级决定线程接受 多少c p u 时间。低优先级的线程接受的时间少。线程的实际优先级由进程 的优先级类和线程本生的优先级别的组合来决定。用g e t p r i o r i t y c l a s s s e t p r i o r i t y c l a s s 可以获得和设置当前进程的优先级类，用g e t t h r e a d p r i o r i t y s e t t h r e a d p r i o r i t v 可以设置线程的优先级。 2 3 4 线程同步 多线程的方法确实能够帮助我们解决一些复杂的问题。创建线程的方法 并不复杂，可是要编写个好的稳健的多线程程序远不是想象中的那么简 单。由于一个进程内的所有线程共享同一个地址空间，因此某个线程的操作 会不会给其他线程的数据造成影响呢? 比如，某个负责写数据的线程在没有 写完的时刻，另一个负责读取这个数据的线程开始工作，可想而知，读出的 数据肯定不是最后的结果。诸如此类的例子还很多，因此，线程的同步就是 多线程程序多加关注的问题。 此外，不同进程的线程访问同一内存区域时也应该考虑线程的同步。线 程同步问题可以从w i n d o w s a p i 和m f c 类两个方面得到解决。 1 ) w i n d o w s 中的同步对象 互斥体( m u t e x ) 信号灯( s e m a p h o r e ) 事件( e v e n t ) 临界区( c r i t i c a ls e c t o i n ) 2 ) m f c 提供的同步类 c m u t e x ：互斥体类 c s e m a 口h o r e ：信号灯类 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 c e v e n t ：事件类 c c r i t i c a l s e c t i o n ：临界区类 在m f c 的类层次关系中，c s y n c o b j e c t 为上面四个类的基类。 这四个类分别对应于前面讲过的互斥体、信号灯、事件、临界区。用法 比较简单：第一步：使用类的构造函数构造一个类的对象。第二步：使用类 的成员函数c s y n c o b j e c t ：l o c k ( ) 获得同步对象的占有权。第三步：不使用时， 可以通过调用c s y n c o b j e c t ：u n l o c k ( ) 函数释放对同步对象的占有权。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章仿真支撑平台的数学模型的管理与调度 世界上一切事物都是按照一定的客观规律运动、变化着，事物之间亦彼 此联系和制约着，无论是从浩瀚的宇宙到渺小的粒子，还是从自然科学到社 会科学都是这样。要改造世界，首先要认识世界，其中包括要会用数学的方 法来反映、描述或模拟各种各样的现象，即建立这些现象的数学模型。简单 的说，所谓数学模型是自然或社会现象某些特征的本质的数学表达式。 模型是仿真的基础，数学模型是数学仿真的基础，现代计算装置的进步， 大大提高了数学表示的地位，也使得数学仿真在仿真技术中占有特殊重要的 地位，它的灵活、方便和通用性是其他仿真方法与之无法比拟的。所以仿真 支撑平台的模型管理模块是该系统的核心模块，其中的技术包括模型程序的 在线编写，模型程序的调试，模型程序中的输入输出变量的扫描和加入内存 数据库，模型框架的动态生成，模型程序模块的动态加入到模型框架中，模 型进程的生成，模型进程的运行，编译信息的动态获得，模型模块的实时调 试等。 3 1 模型管理模块的设计思想 3 1 1 仿真支撑平台数学模型管理的整体思想 仿真支撑平台的所有仿真活动都是基于模型的，但是平台对于模型又具 有通用性，因此要对模型的生成和管理做统一的管理，做到实时的调度，该 模型管理模块的整体框架图如图3 1 。 整个模型管理模块通过三条通道将仿真支撑平台与仿真支撑模型紧密 地联系起来，完成了仿真模型程序( 即仿真平台的任务模块) 同仿真支撑平台 的仿真数据的实时刷新，以及模型运行信号和子模块的执行信号的激活触 发。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 数据映射 一 共享内存区 | 数据映射 1 r k ；平台内御卜遥删信卜紫外鋈萨务 消息管理 模块运行状态 宿号 激活触发 消息管理 图3 + 1模型管理模块整体框架 3 1 2 源程序文件在平台中处理流程 仿真支撑平台的平台管理中心主要是要完成对通用模型程序的写入，调 试，以及将正确的程序模块放入到用户指定的子模块程序的统一保存和统一 的管理。当需要生成任务的时候，用户可以使用仿真支撑平台从用户指定的 文件夹下，将需要使用的自模型程序从中选出。设定需要的运行精度后，将 所有选定的子模块嵌入到平台中已经设计好的模型程序框架中，自动生成平 台可以控制运行的任务模块的源程序，在生成源文件后，要对其进行变量扫 描，将模型中的所有的变量检测出来，该源程序中同时被嵌入了一些映射代 码，将源程序中的所有i 0 变量映射到平台开辟的共享内存区中。具体的流 程如下图所示： 1 5 叫叫j j j窿l 武汉理：【大学硕士学位论文 变垂入库 建立映射 毒i 姗蝴i 毒麓鬻 ：j| _ _ _ 竺塑i 图3 2 源文件处理 3 1 3 横型程序生成任务的思路 图3 3 任务模型框架 6 令。一一 武汉理工大学硕士学位论文 w m s 2 0 0 5 实时仿真支撑平台是建立在开放软件平台基础上的，具有建 立实时仿真系统生命周期内多支撑能力、多用途的仿真平台，全面支撑实时 分布式应用，支撑半自动化的程序编程。平台主要支持c + + 模型程序的仿真 活动，c + + 模型程序按照c + + 语言的编程规范，平台将需要支撑的模型程 序主要可以分为三大部分，变量定义部分，函数定义部分，函数调用部分。 每一部分都是按照这样三部分处理的，最后生成可以调度的子模块，每一个 子模行程序都作为一个完整的子模块加入到子模块库中。为了支持通用的子 模块程序，支撑平台对能够在平台中运行的仿真模型做了统一的框架设计， 具体的框架图如图3 3 所示。 在模型程序的框架中，主要考虑了一下几点问题：首先要保证支撑平台 能够对整个仿真模型的每次运算开始和终止有着绝对的控制权。其次，要对 每个嵌入到仿真模型中的每个子模块的运行有所控制，例如：该子模块是否 加入到本次仿真运算中，要取得该模块在本机上的单次运行时间等等。最后 要考虑到平台此次任务所选定的予模块要如何嵌入到整个仿真模型中。 针对上述问题，平台对模型程序的框架作了系统的设计，其中包括了对 每个子模块的框架设计。整个任务模块是一个独立的控制台程序，按照c + + 语言的特点，平台将任务模块分成三部分，第一部分时该任务模型框架需要 引用的一些系统函数库的头文件和一些该框架中需要使用的一些公共函数， 这些公共函数主要是用来操作模型中的变量和共享内存中的指定位置建立 数据映射关系的。第二部分是任务模型的计算线程的主体，这一部分需要动 态的生成，所有选定的子模块也都是嵌入到这一部分的。第三部分是任务模 型框架的主函数体，这部分主要是整个框架的控制中心。使用这种方式生成 的任务模型可以很好的满足仿真支撑软件中对于仿真控制的要求。 3 2 仿真支撑平台实现源程序的处理 3 2 1 任务模块的编写与调试 仿真支撑平台支持c + + 语言作为用户的编程语言，主要实现了模型程序 的编写，扫描，调试，编译同时生成模型程序的框架和可执行程序。模型程 序执行时，是另外启动了一进程，在该进程中运行生成的模型程序，这样保 证了模型执行时的稳定性，不受平台资源的限制。 1 7 一一一。塑婆墨王壁受主兰望燮 1