（计算机科学与技术专业论文）基于组件的并行离散事件仿真应用开发技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学俺论文 摘要 基于组件的建模技术可降低模型间的耦合度，改善模型的重用性，有利于实 现仿真模型开发与使用的分离，从而提高仿真应用的开发效率。目前国内外并行 仿真由于缺少组件化建模技术的支持，往往需要采用集中式开发模式，存在开发 门槛高、二次建模困难，且模型间耦合度大，难以实现模型的快速组装和平台间 模型重用等问题，无法适应大规模并行仿真的需要。为此，研究基于组件的并行 仿真建模技术已成为当前需要迫切解决的重要课题。 论文针对并行离散事件仿真( p d e s ) 的特点，在综合分析相关技术的基础上， 对基于组件的p d e s 建模技术进行了深入分析和研究。主要工作和创新包括： 1 ) 事件调度是p d e s 中仿真对象交互的主要途径，为使组件适用于p d e s ，必 须先解决组件的事件调度问题。目前大部分p d e s 平台通过代码里的函数调用来实 现事件调度，这样仿真对象耦合在一起，模型重用性差。论文针对此问题提出了 p d e s 组件的事件调度方法一组件内事件之间直接调度，组件间通过端口发送事 件调度消息。该方法解决了组件的事件调度问题，为开发p d e s 组件提供了基础。 2 ) p d e s 之所以高效，原因在于它能乐观地推进，这要求仿真对象的状态是 可回滚的，而对于外来己封装好的组件，状态变量一般都定义为标准数据类型， 不能满足乐观机制的需要，论文针对此问题提出了组件的状态回滚方案建立 状态管理器，通过解析组件的配置文件，将模型的状态操作转化为可回滚数据类 型的操作。该方案解决了组件状态回滚问题，使得封装的组件能适用于乐观机制。 3 ) 为方便组件建模，需要建立一套简单的图元来表示组件的业务逻辑，针对 这一需求，论文依照并行离散事件仿真建模规范e d e v s 提出一套可视化的组件构 建方案包括描述组件的图元集和组件耦合的配置文件格式定义。该方案解决 了组件的可视化描述问题，为用户直观构建p d e s 组件模型提供了便利。 4 ) 通过可视化环境构建的模型实质上是对组件模型进行的可视化描述，为了 使其能在仿真引擎中运行，必须将其解析生成适用于相应仿真引擎的模型代码。 为此，论文以并行离散事件仿真引擎y h s u p e 为平台，提出了组件模型代码自动 生成方案建立适用于y h s u p e 的基本组件模型模板类，其他组件均继承此 类。该方案能自动生成y h s u p e 的组件模型代码，有助于提高开发效率。 基于上述研究成果，设计实现了基于组件的可视化p d e s 应用开发框架，使 用该框架能够可视化地构建组件，并能自动生成仿真应用代码。经测试表明，该 框架不仅具有良好的可视化操作界面，能帮助用户迅速建立仿真模型和生成仿真 应用，而且能较好地兼容外部组件模型，满足并行仿真高效开发的需求。 主题词：组件，并行离散事件仿真，可视化建模，应用开发框架，自动生成 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n gt e c h n i q u e sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o u p l i n gd e g r e e b e t w e e nm o d e l s ，s ot h a te x p e l si nt h ef i e l do fm o d e l i n gd e s i g nc o m p o n e n t b a s e d m o d e l s ，a n da p p l i c a t i o nd e v e l o p e r su s et h e s em o d e l st oa s s e m b l es i m u l a t i o na p p l i c a t i o n h o w e v e r , p a r a l l e ls i m u l a t i o n sd e v e l o p m e n to f t e nn e e d st ob ec e n t r a l i z e dd u et ot h e l a c ko fs u p p o r to fc o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y , t h et h r e s h o l di sh i g ha n dt h e s e c o n dm o d e l i n gi s d i f f i c u l t a c c o r d i n g l y , as t u d yo fc o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n g t e c h n o l o g yf o rp d e sh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp d e s ，p a p e ri n d e p t ha n a l y z e da n dr e s e a r c h e d c o m p o n e n t b a s e dm o d e l i n gt e c h n i q u e sf o rp d e s m a j o rw o r ka n di n n o v a t i o ni n c l u d e ： 1 ) e v e n ts c h e d u l i n gi st h em a i nw a yt oi n t e r a c tb e t w e e ns i m u l a t i o no b j e c t si n p d e s t om a k ec o m p o n e n t sa p p l i c a b l ef o rp d e s ，c o m p o n e n t sm u s tb ea b l et ob e s c h e d u l e d a tp r e s e n t ，e v e n ts c h e d u l i n gi nm o s tp d e sp l a t f o r mi st h r o u g ha ne x p l i c i t g l o b a ls c h e d u l i n gf u n c t i o n ，w i t ht h er e s u l tt h a tt w os i m u l a t i o no b j e c t sw e r ec o u p l e d t o g e t h e r t o r e s o l v et h i s p r o b l e m ，p a p e rp u tf o r w a r dap d e sc o m p o n e n te v e n t s c h e d u l i n gm e t h o d s c h e d u l i n gb e t w e e nc o m p o n e n t si st h r o u g hs e n d i n gs c h e d u l i n g m e s s a g e sb yp o r t s t h em e t h o dr e s o l v e dt h ec o m p o n e n t se v e n t ss c h e d u l i n gp r o b l e m ， a n d p r o v i d e dt h eb a s i sf o rp d e sc o m p o n e n t - b a s e dm o d e l i n g 2 ) m o v i n gf o r w a r dw i t ho p t i m i s mi sak e yp o i n to fp d e s e f f i c i e n c y , w h i c h r e q u i r e st h es t a t eo fs i m u l a t i o no b j e c t sc a nb er o l l e db a c k ，b u tf o re x t e r n a lp a c k a g e d c o m p o n e n t s ，s t a t ev a r i a b l e sa r eg e n e r a l l yd e f i n e da ss t a n d a r dd a t at y p e s ，t h e yc a r ln o t m e e tt h en e e d so fp d e s t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，p a p e rp r e s e n t sac o m p o n e n ts t a t e r o l l b a c ks c h e m e- e s t a b l i s h i n gas t a t em a n a g e r ，a n dt r a n s f o r m i n gm o d e l s s t a t e o p e r a t i o n st or o l l b a c k d a t at y p eo p e r a t i o n s t h es c h e m es o l v e dt h ep r o b l e ma n d c o m p o n e n tc a nb ea p p l i e dt ot h ep d e so p t i m i s t i cm e c h a n i s m s 3 ) i no r d e rt om o d e l i n ge a s i l y , as i m p l es e to fg r a p h i ce l e m e n t st or e p r e s e n tt h e c o m p o n e n t s l o g i ci sn e e d e d b u tt h e r ei sn os u c ham a t u r en o r mo rs o f t w a r e f o rt h i s d e m a n d ，p a p e rp u tf o r w a r dap r o g r a mf o rb u i l d i n gc o m p o n e n t sv i s u a l l y - i n c l u d i n ga s e t o fg r a p h i ce l e m e n t sa n dc o n f i g u r a t i o nf i l ef o r m a td e f i n i t i o nf o rc o m p o n e n t sc o u p l e d t h ep r o g r a ms o l v e dt h ep r o b l e m ，a n dp r o v i d e dag r e a tc o n v e n i e n c ef o rt h eu s e r st o b u i l dp d e sm o d e l s 4 ) ac o m p o n e n tm o d e li se s s e n t i a l l yad e s c r i p t i o nf i l e ，n o tam o d e lc a nb eu s e di n y h - s u p ed i r e c t l y , a n dt h e r e f o r e ，i ti sak e ys t e pt op a r s et h ed e s c r i p t i o nf i l et o y h - s u p em o d e lc o d e i nr e s p o n s et ot h i sd e m a n d ，p a p e rp r e s e n t e da ny h - s u p e c o m p o n e n tm o d e lg e n e r a t i n gp r o g r a m e s t a b l i s h e dt h eb a s i cc o m p o n e n tm o d e l t e m p l a t ec l a s sf o ry h - s u p e ，a n do t h e rc o m p o n e n t si n h e r i t e di t t h ep r o g r a mn o to n l y c o r r e c t l yg e n e r a t e dy h - s u p em o d e lc o d e ，b u ta l s os i m p l i f i e dt h ep r o c e s so fg e n e r a t i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 m o d e lc o d e ，r e d u c i n gt h ed e v e l o p m e n tt h r e s h o l d b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h r e s u l t s ，p a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da c o m p o n e n t - b a s e d v i s u a lp d e s a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tf r a m e w o r k u s i n g t h e f r a m e w o r k , u s e r sc o u l dv i s u a l l yb u i l da t o m i cc o m p o n e n t sa n dc o u p l e dc o m p o n e n t s ，a n d c o u l da u t o m a t i c a l l yg e n e r a t ea p p l i c a t i o nc o d e n l et e s t ss h o wt h a tt h ef r a m e w o r kh a sa g o o dv i s u a li n t e r f a c et h a th e l p su s e r st oq u i c k l yb u i l ds i m u l a t i o na p p l i c a t i o n s ，a n di tc a l l m e e tt h ed e m a n df o re f f i c i e n td e v e l o p m e n to fp d e s k e y w o r d s ：c o m p o n e n t ，p d e s ，v i s u a lm o d e l i n g ，a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t f r a m e w o r k 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 回滚框架支持的类型1 5 表3 1d e f i n es i m o b je v e n t 宏的参数列表一2 2 表3 2d e f i n ee v e n ti n t e 对a c e a r g 宏的参数列表2 2 表3 3s c h e d u l ei n t e r a c t i o n 的参数列表2 4 表3 4s e n d m s g t o p o r t 的参数列表2 6 表3 5 可回滚数据类型列表2 8 表3 6 原子组件各描述元素包含的属性列表3 2 表3 7 原子组件的可视化描述图元列表3 3 表3 8 耦合组件的可视化描述图元列表3 5 表3 9 组件基本信息描述内容列表3 7 第页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 并行仿真应用系统的体系结构2 图2 1 耦合模型定义示例1 2 图2 2y h s u p e 的体系架构图1 3 图2 3y h s u p e 的建模框架u m l 图1 4 图2 4 回滚框架中的类关系图1 7 图2 5y h s u p e 应用开发工具集软件结构18 图2 6y h s u p e 应用开发流程图19 图3 1 原子组件内的调度传递示意图2 5 图3 2s e n d m s g t o p o r t 的处理流程2 7 图3 3 组件间的端口互连来表示事件调度示意图2 8 图3 4y h s u p e 平台中仿真对象的状态回滚的实现过程示意图2 9 图3 5 状态变量管理器的类结构图3 0 图3 6 状态变量管理器与仿真对象的关系图3 0 图3 7 加入状态变量管理器后的回滚框架31 图3 8 原子组件的构建流程3 4 图3 9 针对自下而上开发模式的建模流程3 6 图3 1 0 针对自上而下开发模式的构建流程3 6 图3 1 1 基本组件模型模板类的结构图4 0 图3 1 2 基本组件与一般组件和y h s u p e 平台间的关系图4 1 图3 1 3 组件模型代码自动生成的过程4 2 图3 1 4 组件模型建立实体类的过程4 3 图3 15 仿真应用代码生成过程4 4 图4 1 基于组件的并行离散事件仿真应用开发框架整体结构图4 6 图4 2 构建仿真应用的流程4 8 图4 3 编辑器基本框架界面示意图4 9 图4 4 编辑器基本框架的类结构图5 0 图4 5 原子组件编辑器的操作晁面5 1 图4 6 原子组件编辑器的类结构图5 2 图4 7 原子组件编辑器里各元素之间的关系图5 3 图4 8 原子组件基本元素的类结构图5 3 图4 9 图元基本结构类的关系图5 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 0 原子组件编辑器内各图元的属性设置界面5 4 图4 1 1 耦合组件编辑器的界面5 6 图4 1 2 耦合组件编辑器的类结构图5 7 图4 1 3 两种构建耦合组件的图元列表5 8 图4 1 4 耦合组件编辑器里基本单元的类结构图5 8 图4 1 5 打开一个自定义组件时的工作流程5 9 图4 1 6 通过j m s 转发组件更新消息的过程示意图6 0 图4 1 7 耦合组件编辑器收到组件更新消息后的响应过程6 0 图4 18 状态配置的界面6 1 图4 1 9 生成组件模型类与组件编辑器间的关系类结构图6 2 图4 2 0 仿真应用生成类的结构图6 3 图5 1 测试原子组件编辑器的示例图6 5 图5 2 测试耦合组件编辑器的示例图6 6 图5 3 测试生成的仿真应用里组件事件调度示例图6 7 图5 4 状态回滚测试用例的被调度对象输出示例6 7 图5 5 状态回滚测试用例的调度对象输出示例6 7 图5 6 功能完备的仿真应用开发环境示意图6 8 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文题目：基王堑往鲍羞缸奁邀皇鲑笾裹廑用珏发揎盔盟究 学位论文作者签名： 垒耻 日期：9 哆年，手月哆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：基王塑佳数羞堑直邀皇鲑笾真廑周五塞这苤珏窒 学位论文作者签名：型邀日期：y 7 年，j 月】夕日 作者指导教师签名：d 心辞一 日期川年蝴z 7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 目前国内外并行离散事件仿真平台大都使用c + + 面向对象和事件调度相结合 的建模方式，在仿真应用的开发上存在开发门槛高、模型紧耦合、二次建模和模 型使用困难等不足，在现有的编程模式下，模型的表现形式是c + + 类，这就要求 模型使用人员必须对该类的成员变量及方法有深入的了解，而让不懂业务专业知 识的开发人员去深入了解模型是比较困难的。为了降低仿真应用的开发门槛，实 现由领域专业人员设计仿真模型，应用开发人员使用开发好的仿真模型快速构建 仿真应用的目标，研究基于组件的并行离散事件仿真应用开发技术具有重要的现 实意义。 1 1课题背景 1 1 1 研究背景和课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“基于a g e n t 的并行仿真支撑技术研究”( n o 6 0 7 7 3 0 1 9 ) 和国家十一五8 6 3 计划“面向分布式大规模虚拟仿真应用的并行支撑技 术研究”( n o 2 0 0 6 a a 0 1 2 3 3 0 ) 。 在“8 6 3 ”等项目的支持下，银河高性能仿真课题组已经完成了项目面向分 布式大规模虚拟仿真应用的并行支撑技术研究，开发了一个并行离散事件仿真 开发及运行支撑环境s u p e 1 1 ，但并行仿真存在二次建模困难、编程调试复杂 【2 】等不足，用户开发难度较大，特别是仿真模型的开发与应用，用户需要了解较多 的并行仿真知识，如果能实现在开发仿真应用时，由领域专业人员设计组件，仿 真开发人员利用组件进行组装，在不需要了解太多并行仿真知识的前提下，构建 并行仿真应用，就可以大大降低并行仿真应用开发的门槛，提高开发效率。 针对并行仿真建模方面的问题，我院刘刚博士等人研究并提出了一套基于事 件调度的并行离散事件仿真建模规范e d e v s ( e v e n t s c h e d u l i n gd i s c r e t ee v e m s i m u l m i o ns p e c i f i c a t i o n ) 1 3 】，能将大而复杂的模型递归地分解为小而简单的模型， 进行分步建模；能方便地利用已有的模型，从小模型构建大模型；能保证其模型 具有自包含特性，能独立封装、发布，而不依赖于其他模型。d e v s 4 j 是美国亚利 桑那大学z e i g l e r 教授等人建立的比较系统地离散事件仿真建模规范，e d e v s 借鉴 了d e v s 的组件化建模思想，并针对事件调度编程模型对规范进行了改善，使得 在该范式下建立的模型能直接映射到基于事件调度的建模框架上来。y h s u p e 的 建模框架正是基于事件调度的，从而遵从e d e v s 规范的模型能很好地应用于 第1 页 国防科学技术，、学研究生院硕士学位论文 y h s u p e 平台。因此，e d e v s 为基于组件的并行仿真应用开发提供了有效的理 论和技术支持。 并行仿真应用系统的体系结构”】，如图11 所示。用户可以通过可视化建模与 应用开发环境开发基于高性能并行计算机的仿真应用，通过仿真运行配置管理工 具启动、停止、及监控管理仿真运行，基于高性能并行计算机的仿真应用通过 h l a r t i 接口与外部仿真系统互联，通过x m l s q l 获取初始化信息及将仿真结 果数据输出，以供数据显示段分析使用，高性能仿真引擎为仿真高效运行提供平 台支持，主要通过在多个处理器上并行处理事件以及h p c 平台内部的高速通信束 加快仿真进程。 厂_ ：_ x m 。i a m t * ；“* ”* 。1 。， 图l1 并行仿真应用系统的体系结构 本课题研究的是基于组件的并行离散事件仿真可视化建模与应用开发技术 针对并行离散事件仿真( p d e s ) 的特点，分析和研究基于组件的p d e s 建模技术 并设计实现基于组件的可视化p d e s 应用开发框架。 112 国内外研究现状 国际上较成熟的组件式仿真开发商业软件有o p n e t 、s i m u l i n k 等，运用这 些仿真软件，用户可以通过拖放组件模型并连线组装的方式构建仿真应用。 o p n e t ( o p t i m a ln e t w o r ke n g i n e e r i n gt o o l s ) 是目前网络仿真中普遍使用的一 个软件，其在网络仿真中所采用的精确模拟方式及其呈现结果得到广大用户的充 分肯定。m o d e l e r 是o p n e t 的一个重要产品，它使用内置的标准模型，通过组网 的方式对企业网进行模拟，同时，提供了一个建模环境，让用户能够建立新的协 议和设备。m o d e l e r 提供三层建模机制塌底层为进程( p r o c e s s ) 模型，以状态机来 第2 页 筝磊竺 受芭 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 描述协议；其次为节点( n o d e ) 模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性；最上 层为网络模型。三层模型和实际的协议、设备、网络完全对应，全面反映了网络 的相关特性。经过二十多年的应用积累o p n e tm o d e l e r 已经具备了详尽的网络 模型库( 设备、链路及详细的协议) ，包括：路由器、交换机、服务器、客户机、a t m 设备、d s l 设备、i s d n 设备等，还有其他厂商提供的设备，随着o p n e t 版本的 提高模型库也不断增加，这给用户开发更复杂的网络系统提供了很好的支持【6 儿7 1 。 o p n e t 是优秀的网络仿真软件，但其模型间的简单网络协议无法完全支持并行仿 真应用中模型间多变多样的关系，不便于描述并行仿真领域的模型；同时o p n e t 不支持并行运行，无法直接用于大规模并行仿真。 m a t h w o r k s 公司推出的基于m a t l a b 平台的s i m u l i n k 是动态系统仿真领域中 最为著名的仿真集成环境之一，它在很多领域得到应用。s i m u l i n k 是一种图形化设 计环境，能够帮助用户迅速构建自己的动态系统模型，并在此基础上进行仿真分 析。s i m u l i n k 中内置了功能各异的组件模块库，如s o u r c e s ( 输入源模块库) 、s i n k s ( 输 出模块库) 和m a t ho p e r a t i o n s ( 数学模块库) 等组件模块库。用户也可以定义和创建 自己的组件模块，利用这些组件模块，用户可以创建层次式的系统模型1 8 j 。s i m u l i n k 适用的建模领域要比o p n e t 广得多，但它使用的是数据流的建模方式，且数据流 向是固定的，但很多领域，任意两个模型之间都有可能存在数据流，数据流的格 式和流向取决与两个模型所处的状态。这种情况下用数据流的方式建模是不合适 的；另外，与o p n e t 类似，s i m u l i n k 的模型不是事件驱动的，其2 0 0 9 版声称支 持多核并行，但只是做了类似o p e n m p 所做的多核优化，并行粒度太细，且未见 其能在c l u s t e r 类型的机器实现模型并行解算的报道。当前单个处理器核能集成的 核心数是很少的，且单个核心的处理能力及其有限，这就使得s i m u l i n k 无法支持 大规模的并行仿真【9 j 。 美国t e m i o n 公司的产品f l a m e s ( f l e x i b l ea n a l y s i sa n dm o d e l i n ga n de x e r c i s e s y s t e m ) 是当前著名的军事仿真集成环境之一，应用于战术、战役、装备体系仿真 等。为支持组件化建模，f l a m e s 把军事领域的模型分为以下几类：装备模型、认 知模型、消息模型、特征模型、效果模型、大气模型；并进一步把装备模型分为 通信装置、数据处理器、干扰机、弹药、平台、传感器、武器系统等子模型，且 为每一类模型都建立了一个基类，使用户能够基于这些基类开发自己的模型。 f l a m e s 还提供一套脚本语言帮助用户将仿真模型组装成仿真应用。f l a m e s 的脚本 加面向对象的建模方式实现了模型重用，但这种重用仅限于既定的模型( 上文提 及的模型) ，不支持模型的递归分解( 把模型分解为组件形式的子模型) ，重用 粒度过粗；同时f l a m e s 的建模方式与其仿真平台相绑定，而目前该平台并不支持 并行仿真，限制了其仿真应用的规模【1 o j 。 第3 页 国防科学技术：九学研究生院硕士学位论文 美军联合仿真三大项目之一的j s i m s ( j o i n ts i m u l a t i o ns y s t e m ) 执行了h l a ( h i g hl e v e la r c h i t e c t u r e ) 标准，达到将仿真应用和底层通信支撑结构分离的目标， 提高了系统中仿真成员之间的互操作性以及仿真组件的可重用性。j s i m s 系统由 作战单位、代理、联合模型、综合战场环境及应用支持工具组成。其中，公共组 件仿真引擎c c s e ( c o m m o nc o m p o n e n ts i m u l a t i o ne n g i n e ) 通过封装s p e e d e s ( s y n c h r o n o u sp a r a l l e le n v i r o n m e n tf o re m u l a t i o na n dd i s c r e t e e v e n ts i m u l a t i o n ) 并提供一些额外的功能，为j s i m s 的综合战场环境提供核心支撑服务【l 。 c c s e 借鉴了组件式建模的思想，提供了实体和组件两种基类，用户可以继承组件 基类开发自己的组件模型，在实体里对组件进行组装，然后应用到c c s e 的仿真 框架中去【1 2 1 。c c s e 中的组件可以由多个子组件构成，子组件之间通过订购属性和 交互进行通信。c c s e 建模框架中组件间公布订购式的通信方式使其难以在保持良 好的封装的情况下实现组件的灵活配置，而且其建模方式也与其仿真平台绑定， 不支持平台间的模型重用。 j m a s s ( 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 ) 也是美军联合仿真三大项目之 一，主要用于工程设计和交战级仿真，目标是促进组件级和平台级武器系统的模 型重用和互操作。与j s i m s 不同，j m a s s 是一个面向武器系统测试与评估领域的 建模与仿真( m & s ) 支撑环境，用以支持组件级和系统级武器系统研究、开发与 采办( r e s e a r c h ，d e v e l o p m e n ta n da c q u i s i t i o n ，r d a ) 。j m a s s 模型代表性地对应 于真实环境中的物理实体，诸如飞机、雷达、导弹、电子对抗系统或导弹寻的头 等。j m a s s 定义并提供了一整套标准化的文件格式和应用程序接口，它们可使这 些模型得以继续开发，使其具有互操作能力【1 3 】【1 4 】【1 5 】。与f l a m e s 一样，j m a s s 中 的重用仅限于既定的模型，不支持模型的递归分解，重用粒度过粗，不支持平台 间模型重用。 p d e v s ( p a r a l l e ld 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 ) 是美国亚利桑那大学的 z e i g l e r 教授所带领的课题组通过对其在1 9 7 6 年提出的d e v s 建模规范进行并行化 扩展，于2 0 0 0 年提出的并行离散事件系统组件化建模规范。该规范从控制论派生 而来，支持层次化、组件化建模【4 儿1 6 】。该规范对原子组件的建模及组件间的耦合方 法都有严格的形式化的规定，从理论上保证组件的自包含特性，使得组件易于封 装和重用( 组件间通过端口进行通信，每个组件只关心自身的端口，从自身的端 1 2 1 收发消息，组件之间没有耦合关系) 。z e i g l e r 教授的课题组还基于此规范实现 了d e v s j a v a 17 1 、c o s m o s 1 8 】等组件化仿真平台。但由于p d e v s 规范太复杂、 严格，使得基于其实现的仿真平台使用繁琐，且时间同步方式开销大，运行效率 不理想【1 9 】。 e d e v s ( e v e n t s c h e d u l i n gd i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 【3 j 是我院刘 第4 页 国防科学技术大学矽f 究生院硕士学位论文 刚博士等人提出的基于事件调度的并行离散事件仿真建模规范，它提供了两种组 件模型范式：原子组件和耦合组件。原子组件是构成组件的最小单元，包含组件 状态和事件调度与响应，耦合组件由原子组件和其他耦合组件组合而成，组件间 通过端口连线表示互连关系。e d e v s 能将大而复杂的模型递归地分解为小而简单 的模型，进行分步建模；能方便地利用已有的模型，从小模型构建大模型：能保 证其模型具有自包含特性，进行独立封装、发布，而不依赖于其他模型，并且， 利用e d e v s 建立的模型能用于基于事件调度的并行仿真平台y h s u p e 中，为基 于组件的并行离散事件仿真应用开发提供基础。 目前，国内外并行仿真由于缺少组件化建模技术的支持，开发效率比较低， 并且没有专门针对并行仿真组件开发的成熟软件，为适应并行仿真发展的需要， 我国迫切需要自主研发适用于并行仿真的可视化应用开发软件。本课题在e d e v s 的建模理论基础上，设计并实现了可视化的并行离散事件仿真应用开发框架，能 够对原子组件和耦合组件进行可视化建模，并自动生成y h s u p e 平台下的仿真应 用代码，为开发大规模并行仿真应用提供便捷、高效的平台。 1 1 3 课题研究面临的主要技术问题 离散事件仿真的基本构件是仿真对象和事件。仿真对象用于描述真实世界中 的实体，它包含构成系统状态的实体属性数据，并负责调度和处理事件。每个事， 件都分配一个逻辑时间戳，表明该事件发生的仿真时间，事件的处理可能产生两 种影响，一是更新仿真系统的状态，二是调度现在或将来的新事件【2 们。 研究实现本课题，必须解决以下技术问题： l 、组件间事件调度的实现 事件调度是p d e s 中仿真对象交互的主要途径，目前p d e s 平台的事件调度都 是通过显式调用被调度者提供的全局调度函数来实现的，这样两个仿真对象耦合 在一起，无法分离，模型重用性较差，而通过组件来开发模型正是将相互关联的 仿真对象解耦合，提高模型的重用性，因此，为了使组装的组件适用于p d e s 。必 须先解决组件的事件调度问题。 一 2 、组件状态回滚的实现 并行离散事件仿真之所以高效，原因在于它能乐观地向前推进，这要求仿真 对象的状态变量是可回滚的，而对于外来己封装好的组件，模型内的状态变量一 般都定义为标准数据类型，这无法满足p d e s 的状态可回滚的需求。因此，为了 使已封装好的未定义可回滚变量的组件模型适用于p d e s 的乐观机制，必须解决 其状态回滚问题。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 3 、如何可视化地描述组件 e d e v s 建模规范规定了组件分为原子组件和耦合组件，并规定了原子组件和 耦合组件的结构，但缺少一套简单的图元来表示组件的业务逻辑，为了方便组件 的可视化建模，必须解决组件的可视化描述问题。 4 、如何自动生成基于y h s u p e 的组件模型代码 通过可视化建模环境建立的组件模型实质上是一个描述文件，并不是能在y h s u p e 仿真平台中直接使用的模型代码，因此，如何将组件描述文件自动解析生 成y h s u p e 的模型代码也是课题需要解决的关键问题。 1 2 课题研究意义及目标 大规模并行仿真往往包含大量的实体，实体间存在错综复杂的交互，且这些 实体模型往往需要不同领域的专家分别完成，如果没有统一的组件化建模要求和 可视化开发环境，会导致系统协调及集成工作量大，模型重用性差。基于组件的 建模技术可有效降低组件模型间的耦合度，改善模型的重用性，有利于实现仿真 模型开发与使用的分离，由领域专家设计组件化的仿真模型，仿真开发人员使用 组件模型进行应用的快速组装，从而能够大大提高仿真应用的开发效率。为此， 研究基于组件的并行离散事件仿真应用开发技术具有重要的现实意义。 本课题的研究目标是：针对并行离散事件仿真的特点，分析和研究基于组件 的并行离散事件仿真建模技术，设计并实现基于组件的可视化并行离散事件仿真 应用开发框架，为建模人员提供可视化的建模环境，为仿真开发人员提供快速组 装仿真应用的平台。 1 3 本文的主要工作及创新 论文针对国内外并行离散事件仿真开发门槛高、二次建模困难等问题，分析 研究了基于组件的并行离散事件仿真建模与应用生成技术，并且，根据e d e v s 建 模规范，设计并实现基于组件的可视化p d e s 应用开发框架。主要工作与创新包 括： 1 ) 并行离散事件仿真中仿真对象的交互主要通过事件调度来实现，为了使组 装的组件适用于p d 苣s ，必须先解决组件的事件调度问题，目前p d e s 平台的事件 调度是由仿真对象类在代码里显式调用的，其模型耦合度高，可重用性较差，针 对这一问题，论文提出了组件的事件调度方法，即通过组件的输入输出端口来传 递事件调度的消息，组件间事件的直接调度模式由向端口发送调度消息的模式来 取代，这有效地解决了组件的事件调度问题，为开发p d e s 组件模型提供了基础。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 2 ) 并行离散事件仿真的乐观机制是它能高效运行仿真的重要因素，这要求仿 真对象的状态变量是可回滚的，而对于外来封装好的模型，其状态变量一般都定 义为标准数据类型，这无法满足p d e s 的状态可回滚需求，论文针对此问题提出 了组件的状态回滚方案，即建立状态变量管理器，通过解析组件模型对应的状态 变量配置文件，将该模型的状态变量操作转化为对可回滚数据类型的操作。这样 用户在构建组件时不需要了解可回滚数据类型，构建的组件也适用于p d e s 的乐 观机制。 3 ) 原子组件和耦合组件的组成已经在e d e v s 规范中定义好了，但缺少一个 可视化的描述手段，为了方便用户开发组件，论文提出一套简单的图元来表示组 件的业务逻辑，并规定了组件耦合的配置文件格式，这对于降低开发门槛意义重 大，可以使得用户甚至不用了解太多编程方面的知识，只需要拖拖拽拽就可以构 建一个自己想要的组件。 4 ) 组件模型是独立于仿真平台而建立的，它本质上是一个描述文件，并不是 能直接用于仿真平台的模型代码，因此，完成组件模型从描述文件到平台模型代 码的转化很重要。论文针对y h s u p e 的模型代码特点，提出了一套y h s u p e 组 件模型代码自动生成方案，建立了适用于y h s u p e 的基本组件模型模板类，其他 组件均继承此类，这样可以很简单地生成y h s u p e 的组件模型代码，使得组件与 y h s u p e 平台之间的操作对用户变得透明，提高了开发效率。 1 4 论文结构 本文结构如下： 第一章绪论 首先介绍了课题来源、国内外研究现状和课