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1、-一种仿真模型动态加载技术研究_硕士学位论文-第 55 页中 国 舰 船 研 究 院硕 士 学 位 论 文一种仿真模型动态加载技术研究作 者 ： 卞春丽指 导 老 师 ： 徐海樵 研究员学 科 专 业 ： 计算机应用技术武 汉 数 字 工 程 研 究 所二 一 一 年 四 月硕 士 学 位 论 文一种仿真模型动态加载技术研究Research on Technology of Dynamic Loading of Simulation Model指导教师姓名：徐海樵 职 称：研究员学位申请人姓名：卞春丽 申请学位级别：硕 士专 业 名 称：计算机应用技术 研 究 方 向：计算机网络与信息工程论文
2、提交时间：2011 年 4 月培养单位：武汉数字工程研究所学位授予单位：中国舰船研究院摘 要随着分布式仿真技术的不断发展，以及军事领域仿真应用需求的复杂化，仿真应用系统在建设过程中，日益暴露出模型重用性差、资源大量冗余、系统部署困难、资源静态分配、管理能力不足等问题，本文针对这些问题，从模型动态加载、反射式组件及仿真引擎技术方面，对仿真应用系统的开发和集成展开研究，并根据实际应用需求，设计和实现了仿真模型动态加载的演示系统。主要研究内容包括：提出了一种仿真模型动态加载方案。该方案可以在系统运行时，将模型组件部署到仿真环境中并加载和运行，具有模型即插即用的特性；支持 HLA 链路下的仿真通信和网
3、格链路下的模型部署，并能够基于模型组件建立仿真应用。设计了反射式仿真模型组件。该模型组件具有自描述能力，并能将自身的描述信息反射到上层应用程序中，使得上层应用程序能够利用模型组件反射上来的信息去构造并驱动仿真对象。分析了几种主要的组件技术及基本对象模型（BOM）的结构，采用.NET 组件技术和 BOM 规范设计了反射式仿真模型组件的内部结构与对外接口，给出了开发实例。设计了仿真计算引擎，并构建了仿真模型组件的通用运行环境。仿真计算引擎是模型组件运行的软件环境，设计了其逻辑结构和内部结构。在此基础上，给出了模型加载的具体流程和实现方法，设计了模型动态部署框架和该框架下仿真应用的封装形式，以及模型
4、组件间的信息交互方法及其执行结构，实现了模型组件加载、部署和运行环境的统一。开发了仿真模型动态加载技术的演示系统RCSM-LoadFrame。该系统具备模型重复使用、独立升级、动态加载与统一管理等功能，支持仿真环境的灵活配置和资源的全局监控。关键词：仿真模型；动态加载；仿真引擎；运行管理AbstractWith the development of the distributed simulation techniques and the complexity of thesimulation application requirement in military domain, some p
5、roblems are exposed in theconstructions of simulation application systems, such as poor reuse of simulation models,redundancy of mass resource, difficulty of system deployment, static assignment of resource,scarce capacity of management, etc. This thesis researches on the development and integration
6、 ofsimulation application systems from the technology of dynamic loading of simulation model,reflective components and simulate engine, and a demo system is designed and implementedaccording to the practical application requirement, the main contents have been listed as bellow:It is proposed in this
7、 thesis with a new technology solution, called dynamic loading ofsimulation model. In this novel method, simulation model components can been deployed intosimulation environment during running time, then load and run in the simulation system, and thesimulation models have the characteristic of plug
8、and play; The simulation models cancommunicate under High Level Architecture and been deployed under Grid, and simulationapplication can be structured in the form of components.The Reflection Component-based Simulation Model is designed in this thesis. This kind ofsimulation model not only has the a
9、bility of self-describing but also can reflect the information tothe upper application, then the upper application can genarate and drive simulation object byusing the information. Through analyses several main component techolologis, and the structureof Base Object Model, the RCSM takes the policy
10、of .NET and BOM as design guidelines, theinterior structure and the external interfaces of which are designed, and the example of which isgived.The Simulate Computing Engine is designed in this thesis, and based on which theall-purpose running environment for simulation models componets is construct
11、ed. The SimulateComputing Engine which is the software environment for the simulation models to run isdesigned from two aspects: the logistic structure and interior structure. And based on the design,the flow and approach for the model to load are gived, the dynamic loading frame and theencapsulatio
12、n of simulation application are designed, with the additional design of the dataexchange and the executive structure for the model componets, Through the above resarch, theunitive environment for simulation models to load, deploy and run is provided.The demo system - RCSM-LoadFrame is implemented at
13、 last. In this system, the simulationmodel can be upgraded independently, deployed dynamically, and managed centrally, and thesimulation environment can be configured flexibly, the resources can be monitored globally.Key words:Simulation Model; Dynamic Loading; simulation engine; Running management目
14、 次摘 要ABSTRACT图表目录.V第 1 章 绪论.11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 国外研究概况.21.2.2 国内研究概况.31.2.3 主要差距.41.3 主要研究内容.41.4 论文组织结构.5第 2 章 仿真模型动态加载技术.72.1 仿真模型动态加载.72.2 模型动态加载的总体框架设计 .82.2.1 模型运行环境的通信结构.82.2.2 仿真应用的层次式体系结构.92.3 模型动态加载的应用方案.102.4 本章小结 . 11第 3 章 反射式仿真模型组件设计.123.1 组件技术的研究 .123.1.1 几种组件对象模型分析.123.1.2
15、组件技术的分析与比较.143.2 基本对象模型（BOM）的结构研究.153.3 基于.NET 和 BOM 的反射式仿真模型组件.163.3.1 反射式仿真模型组件.173.3.2 反射式仿真模型组件的接口设计.183.3.3 反射式仿真模型组件的开发.193.4 本章小结 .22第 4 章 仿真模型通用运行环境.244.1 仿真计算引擎的结构建模.244.1.1 仿真计算引擎的逻辑结构.24学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均在导师指导下由作者本人独立完成。引用的有关观点、方法、数据和文献已在论文中注明，并与参考文献对应。除论文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或
16、集体已经公开发表的研究成果。对本文研究作出任何贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式注明并表示感谢。学位论文作者签名：日 期：2011 年 4 月 8 日学位论文版权使用授权声明中国舰船研究院和武汉数字工程研究所有权保存本人呈交的学位论文复印件及电子版，有权向国家有关部门或机构送交论文复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国舰船研究院和武汉数字工程研究所可以将本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、缩印或扫描手段保存或汇编本论文。本学位论文属于：公 开内 部秘 密 ，在 年解密后适用本授权书。（ 请在以上方框内打“” ）学位论文作者签名： 导师签名：日 期：
17、 2011 年 4 月 8 日 日 期：2011 年 4 月 8 日的内部结构.254.2 模型加载与类型反射设计.264.2.1 模型的加载及解析.264.2.2 模型加载与反射式解析实现方法.274.3 模型的动态部署设计.294.3.1 基于网格的模型动态部署设计.294.3.2 仿真应用的封装.304.3.3 模型动态部署的实现.314.4 仿真模型的运行管理.324.4.1 仿真模型间的信息交互.324.4.2 仿真模型的执行结构.334.5 本章小结 .34第 5 章 演示系统设计及实现.355.1 系统总体设计.355.1.1 RCSM-LoadFrame 的组成模块 .355.
18、1.2 RCSM-LoadFrame 的模块接口 .365.2 节点管理软件.375.2.1 节点管理软件的结构设计.375.2.2 主要技术及实现.375.3 仿真应用管理监控软件 .385.3.1 仿真应用管理监控软件设计.395.3.2 管理、监控功能的实现.405.4 仿真计算引擎软件.415.4.1 仿真计算引擎软件功能设计.415.4.2 仿真计算引擎软件功能实现.415.5 系统的部署及运行流程 .425.6 本章小结 .43第 6 章 总结与展望.456.1 全文工作总结.456.2 未来工作展望.47致 谢 .48学术论文和科研成果目录.52参考文献.48用的复杂仿真系统的开
19、发与集成效率。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究概况(1) 国外仿真框架研究现状国外仿真技术的发展以美军的技术为主要代表，美军仿真技术的发展方向基本可以概括为：由仿真网络（Simulation Network，SIMNET）到分布交互式仿真（Distributed InteractiveSimulation，DIS），到聚合级仿真（Aggregated Level Simulation Protocol，ALSP），到高层体系结构 HLA，再到可扩展建模与仿真框架（Extensible Modeling and SimulationFramework，XMSF）。目前 HLA 是最主流
20、的分布式仿真技术协议。HLA 技术体制的特点是，所有仿真应用都采用 C/S（客户/服务器）机制通过运行支撑框架12（Run Time Infrastructure，RTI）进行通信，仿真应用只负责仿真功能的实现，所有的通讯、管理功能由 RTI 来实现。HLA 的基本思想是采用面向对象的方法来分析和设计系统，建立不同层次的对象模型13（ObjectModel，OM），从而促进仿真系统中联邦成员间的互操作和仿真系统与仿真部件间的重用，提高各种仿真实体之间、仿真实体和系统之间的互操作性，同时提高建模与仿真的可重用性。HLA为分布式仿真系统提供了一个通用的技术框架，已被电气电子工程师协会（Instit
21、uteof Electrical and Electronics Engineers，IEEE）采纳为 IEEE1516 系列标准。XMSF 是仿真系统框架基于 Web 的新技术标准，它将仿真技术与 Web/XML、Internet/Networking 技术进一步结合14，使用商用的 Web 技术15作为共享的通信平台和通用的传输框架，增强 M&S 的功能。近年来，美国军事仿真领域又利用仿真网格、普适计算等概念，进一步研究仿真框架技术，以实现资源的共享并提高仿真系统的运行效率。(2) 仿真模型重用和模型加载技术研究概况为了实现仿真模型的重用以及仿真系统的灵活配置，提高仿真应用集成的效率，国外
22、还提出了重用仿真模型的规范和支撑技术。仿真互操作标准化组织 SISO（Simulation Interaction Standard Organization，SISO）提出了基本对象模型（Base Object Model，BOM）的概念，目的是解决 HLA 联邦开发过程中联邦对象模型 FOM（Federation Object Model，FOM）设计和使用时重用性差、重复性工作太多的问题16。SISO 发布了 BOM 模板规范和 BOM 使用指南，将其作为快速构建可组合和可扩展仿真系统的重要手段。欧洲航天局（Europe SpaceAgency，ESA）提出了仿真模型可移植性规范（Sim
23、ulationModel Portability，SMP），它提供一个仿真模型开发框架，将模型的设计信息与运行信息分离，实现仿真模型的平台独立、跨平台重用和集成17。SMP2.0 强调仿真中平台独立模型与平台相关模型的概念，通过抽取基本的模型描述和模型互操作模式，使模型能在抽象21第1章 绪论1.1 研究背景建模与仿真（Modeling and Simulation，M&S）技术1是指以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域等有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。建模与仿真技术目前已经广泛应用于
24、我国国防军事领域2，对提高军事信息系统和武器装备的性能、研制效率及军事威慑能力，发挥着日益重要的作用。建模与仿真技术发展的趋势是仿真模型的组合化，仿真系统的互操作、重用和虚拟化等3，而分布式仿真技术的主要工作就是发展仿真系统的重用和互操作技术。自从美国国防部发布建模与仿真主计划（M&S Master Plan，MSMP），提出建立以高层体系结构（HighLevel Architecture，HLA）为核心的通用仿真技术框架以来，HLA 作为分布交互式仿真标准4，从很大程度上提高了仿真系统的可重用性和互操作性。然而，随着仿真任务范围的扩展以及仿真应用需求的复杂化和多样化，在仿真应用系统的构建过程
25、中，日益暴露出仿真模型重用性差，资源大量冗余5，系统部署困难，资源静态分配，以及管理能力不足等问题，主要体现在以下几个方面：1) HLA 解决了系统级分布式仿真（联邦成员）之间的重用和互操作6，但没有有效支持更低层次仿真模型组件之间的重用和互操作72) 模型与模型载体，如模拟器之间紧耦合，导致模型重复开发，资源浪费；3) 每个模拟器往往固定对应一台计算机，改变仿真对象则需要更换模拟器或重新部署软件，仿真环境不能灵活配置，资源消耗大；4) 仿真模拟器和仿真资源间静态绑定8，资源的分配在仿真系统的设计之初被确定且固定不变，框架灵活性差；5) 在进行大规模的分布仿真时，所需的资源会发生动态变化。而
26、HLA 标准中并不提供对于分布交互式仿真运行时所需资源进行管理的机制9-11本文针对以上问题开展仿真模型组件及其动态加载技术的相关研究，通过反射式组件、模型动态加载、仿真引擎技术，提高模型的重用性和利用率，解决模型静态加载限制的问题，加强对仿真模型和仿真资源的管理能力，实现仿真应用基于模型组件的快速生成与灵活配置。本文提出的“一种仿真模型动态加载技术”，是指系统在运行时，能够将仿真模型按需的加入到仿真环境中，模型无需预先加载，具有即插即用的特性。主要设计方法为：首先，将仿真模型封装成仿真模型组件，实现仿真模型的可执行代码级重用；其次，构建仿真模型组件的运行环境，包括模型组件的软件运行环境、部署
27、环境、数据交互环境；最后，实现仿真模型在仿真环境中的部署、加载和运行。论文研究的目的是在现有开放的标准和资源基础上，建立能够支持各类军事信息系统仿真的应用集成平台，从而提高仿真模型的3层次上描述，形成与平台无关的仿真模型。在组件的加载技术研究方面，针对仿真领域的模型加载的相关研究很少，在软件工程领域已有实例。美国的 Richmond M 等在国际计算机语言会议上提出一种基于 Java 的动态组件加载技术18，它支持 Java 在运行时安装程序组件，该技术主要依靠 Java 的动态加载功能，实现了用户自定义加载策略。在组件动态分布支持方面，Prism Tech 公司实现了对象管理组织（Objec
28、t ManageGroup，OMG）定义的 Object Trading 服务19，该服务查找属性值满足某种条件的特定类型的对象实例，通过 export-import-execute 模型提供服务的动态发布和后期绑定的能力。美国的Lyu Janghoon等人设计了应用于嵌入式环境下的一种基于文件格式的组件动态加载机制20，系统可以利用该机制动态加载应用模块，配置各种不同应用需要的嵌入式系统。其优点是灵活性好，如可以动态地修改或者升级等。美国的 Segal M E 等人提出一种适用于小型系统的组件动态加载技术21，设计实现简单，占用资源少，开销小，并且成功运用于 Window CE 系统，可提高系统的灵活性和扩展性。1.2.2 国内研究概况(1) 国内仿真框架研究现状国内对于仿真技术的研究基本上是在跟踪国外技术基础上进行的。随着分布式仿真技术的发展，以及 HLA 理论和技术的成熟，国内已经出现了许多 HLA 联邦成员框架的开发工具。如国防科学技术大学研制出联邦成员框架代码自动生成工具 KD-FedWizard 以及联邦成员泛型框架 YH-FWF。但是它们没有完全支持仿真模型的