第8章 分布式交互系统仿真《系统建模与计算机仿真》课件（下).ppt

系统建模与仿真第八章分布式交互仿真 陈无畏合肥工业大学机械与汽车工程学院 分布式交互仿真 分布式交互仿真 DistributedInteractiveSimulations DIS 是近年来发展起来的一种先进仿真技术 是一种基于计算机网络的仿真 多用于军事领域 可以支持作战人员训练 战术演练和武器装备论证等 它将地理上分布的训练模拟器和参训人员合成为一个逻辑上的整体 在逼真的视景和操作模拟环境中 进行人机交互度很高的仿真实验和演练 分布式交互仿真是当今仿真技术研究的重要领域之一 其较高的工程应用价值 尤其在军事领域的应用价值 已引起世界各国的广泛重视 本章内容 8 1分布交互仿真的起源及法阵历程 8 2分布式交互仿真 8 2 1DIS系统的基础结构概念 DIS的仿真节点负责维持实体的状态 该节点在必要情况下还有责任将消息传送给其他节点 以通知它们任何可观测到的动作 所有的节点都有责任解释和应答其他节点传来的与之有关的消息 事件通过仿真网络提供给所有与该事件有关的对象 发生事件的仿真节点不需要了解其他节点受该事件影响的情况 事件所触发的计算由感知事件的节点自行完成 每个仿真节点是完全自治的 通信协议允许节点在加入或脱离仿真运行的同时 不影响其他节点之间的交互作用 组成DIS系统的一个主要原则是把所研究的实物用对象模型的集合来描述 对象可以是人或设备 这些对象之间通过一系列的事件产生交互作用 一个事件可以对几个对象产生影响 1 采用对象 事件结构 2 仿真节点的自治性 仿真节点之间的信息交换是DIS的核心内容 为了使仿真数据能够正确传输 所有节点必须采用相同的局域网协议 当前的DIS协议的通信标准只是一个应用层的标准 即TCP IP的广播通信 在加入DIS仿真之前 各节点是按照自身的仿真协议独立运行的 在将遵守不同仿真协议的仿真节点集成到DIS环境中时 需要进行协议转换 使所有节点遵守同一个仿真协议 DIS协议 协议转换包括坐标系的转换 角度表示方法的转换和不同参数集之间的映射等 3 采用协议转换 4 采用通信 8 2 2DIS系统的体系结构 1 逻辑上的层次与物理上的网络互连结构相结合 DIS系统的应用对象普遍具有递阶层次型结构 这种层次结构在采用分布式计算机网络时 直接对应的是下图所表示的树状结构 这种形式虽然充分体现了对象的层次信息结构 树状结构 上文所述的树状结构有很多缺陷 如果通讯处理任务加重 节点的自治性遭到破坏 一般地 根据应用对象的地理分布情况 采用广域网和局域网互连的网络结构 以保证节点的自治性 如下图所示 对于网状结构 各节点之间的层次关系可采用信息包地址和层次关系来保证 网状结构 2 采用局部广播和点对点通讯相结合的通讯方式 若每个节点所产生的事件都在网络上进行广播传输 则不仅造成通讯资源的浪费 而且增加了各节点滤除不相关信息的负荷 因此 合理的通讯方式是局部广播与点对点通讯相结合 引入接口处理器是为了完成节点纳入DIS环境后所增加的必要的处理工作 3 引入接口处理器 8 2 3DIS系统的特性 1 DIS的基础结构和实现方式的特点 2 基于技术特性的DIS所具有的特点 1 互操作性 Interoperability 互操作性指多个仿真模型相互协调工作的能力 它在DIS中主要体现为实体间数据的交互能力 互操作性是DIS的最基本要求 相对于其他方面 这是研究最深入的一个方面 这一点主要体现在以下两个方面 1 标准的数据结构 在DIS中 将分布仿真模型交互的数据分为若干标准的类型 分别对这些交互数据定义一系列标准的数据结构 即IEEE1278 1995标准 这一标准构成DIS的核心 通过遵循这种统一的数据结构标准 任何分布仿真模型都可以处理这些统一结构的数据 从而实现互操作 2 TCP IP的广播通信 结合标准的PDU 协议数据单元 定义 并采用基于TCP IP的广播 组播 这种最常用的通信模式 构成了一个 软总线 仿真应用程序只要挂接在计算机网络上就可接收到任何交换的数据 同时也可将数据发送给任何一个其他的仿真应用程序 TCP IP广播通信 1 DR算法推算过程 2 可伸缩性 Scalability DIS的通用框架可以有效地适应一个数目不断增长的并发动态实体的仿真 并且数目的增长不会引入对该体系的结构性修改 在DIS中 可伸缩性的困难同时体现在网络资源和计算机的处理能力两个方面 目前 DIS采用的最有效的方法是引入DR DeadReckoning 推算和PDU过滤两种方法 DR推算过程 2 PDU层次化过滤 PDU的层次化过滤其中包括输出过滤和输入过滤 输出过滤一般应用在网关管理 指屏蔽本局域网内部的PDU数据包 它只将必要的PDU发送到广域网或其他局域网段上 输入过滤可以同时应用在网关和仿真计算机上 指屏蔽外部的PDU数据包 只将本局域网 仿真计算机 内部所预定的PDU接收进来 过滤包括五级 DIS演练号过滤 PDU类型的过滤 实体类型过滤 实体作用域过滤和实体位置过滤 这样通过层次过滤保证了网络带宽和计算机资源得到有效的利用 3 时空一致性 Time SpaceCoherence 和前二者相比 时空一致性是由人的感觉和行为来衡量的 因此较为抽象 复杂 时空一致性主要包括空间表达一致和分布仿真时间一致两个方面 1 空间一致性 相容的环境数据库 为实现空间表达的一致 首先要求采用统一的环境模型 参加DIS演练的实体只能在统一的虚拟战场环境中才能进行有效的对抗和协同 因此 相容的环境数据库是至关重要的 统一的坐标系统 由于研究领域的差异 不同的仿真模型 其建模和仿真常采用不同的坐标系 即使采用完全相同的环境模型 同一空间点在不同坐标系下的坐标表达也可能不一致 仿真世界中的位置是用一个右手笛卡尔坐标系来标注的 这一坐标系被称作世界坐标系 笛卡尔坐标系 实体坐标系的原点是实体的中心 X正半轴指向实体正面 Y正半轴指向实体右侧 Z正半轴指向实体底部 实体坐标系 2 时间一致性 大跨度 高精度的时间表达 仿真实际上是在真实的时空中构造出一个虚拟的时空 并将仿真模型置于该虚拟时空环境中运行的过程 因此 时间是仿真中的一个基本概念 仿真时间的一致性是仿真时空一致性问题中不可缺少的一环 是决定仿真品质的重要因素 在DIS中 时间管理在两个方面比较有特色 即时间的表达方式和分布时间的同步技术 仿真实体间交换的PDU在网络传输上有延迟 因此为了标记PDU的发送时刻 每个PDU都带有一个时间戳 时间戳标注的是时间值对小时的余数值 即时间戳的最大值为3600秒 因此32位时间戳在留出1位标志位后 其精度可以达到3600 231 1 676 10 6秒 32位时间戳最大只能表达3600秒 而DIS试验时间不局限于这一时间值 因此 为标识DIS中的时间 仅有时间戳是不够的 实际中 DIS是采用UTC时间 即取1970年1月1日0时为时间参考点 应用这种方式所描述的时间跨度可以达到49万年 时间精度可以达到1 6微秒 足以满足DIS的要求 递阶混合时间同步策略 为了使得DIS中的时间同步 仿真节点间的仿真时间保持一致 就要求仿真时间和自然时间保持同速率的推进 即保证仿真的实时性 DIS中采用递阶混合同步的方法 即对DIS中的每个局域网设置一台时间管理计算机 或称时间服务器 并给每一台时间管理计算机装备GPS时间同步系统 从而保证时间管理计算机之间的时间同步 这种同步称为硬同步 同时 在局域网内部采用一定的软件算法 通过在时间管理计算机与仿真计算机之间的网络数据交换方式实现每一台仿真计算机的实时时间同步 这种同步模式称为软同步 8 2 4分布式交互仿真技术在汽车驾驶模拟器中的应用 汽车驾驶模拟器 AutomobileSimulator 是一种能正确模拟汽车驾驶的动作 获得实车驾驶感觉的仿真设备 故其又称为汽车模拟驾驶仿真系统 借助驾驶模拟器 能对汽车 驾驶员 道路相互作用关系进行研究 也能对驾驶人员进行训练 交互式驾驶模拟器要求促使汽车驾驶模拟器的研究和开发采用分布式交互仿真DIS技术 真车感受的汽车驾驶模拟器 基于分布式交互仿真技术的汽车驾驶模拟器必须是基于网络的 它的实现除了要解决汽车运动操作模型 逼