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分布式仿真系统动态重构技术研究

作　者: 韩守鹏
导　师: 黄柯棣
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 分布式仿真动态重构离散事件系统规范形式语义动态结构模型时间管理高层体系结构仿真克隆模型驱动的仿真开发
分类号: TP391.9
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

分布式仿真技术应用领域和规模的不断扩大,对仿真系统的互操作能力和适应性提出了新的挑战。分布式仿真动态重构是在运行过程中按需对仿真进行在线调整的一种支持技术,其研究对于提高仿真系统的适应性、提升仿真在关键领域的应用层次具有重要价值,并已成为相关领域研究的前沿问题之一。论文从基本概念、体系结构、建模方法和设计实现等方面对分布式仿真动态重构的相关技术进行了系统的研究。论文从建模与仿真方法学的角度,利用动态系统层次描述规范和实体空间的概念,对仿真重构的内在本质进行了系统阐述,明确了模型语义对于仿真重构研究的重要性。为提供通用性的重构方法,论文以离散事件系统规范(Discrete EventSystem Specification,DEVS)作为系统描述的模型规范,提出了一种基于DEVS组件的可重构建模与仿真框架,该框架以具有反射能力的动态结构模型和调控机制作为仿真重构的实现技术。根据时间相关系统语义描述的基本理论,论文提出了DEVS模型的时间迹语义定义,并建立了时间转移系统(Timed Transition System,TTS)形式的DEVS语义描述方法。为提升DEVS模型的语义描述层次,进一步提出了DEVS向时间自动机(Timed Amomam,TA)模型的语义等价转换方法,从而可以利用时间自动机语义的时态逻辑校验方法对DEVS模型的语义验证问题进行研究。这些研究解决了现有非形式化的DEVS语义模型不利于进行语义性质定义和验证的问题。动态结构模型是仿真重构动作实施的依据。论文通过扩展并行DEVS模型,建立了具有分布-集中式反射能力的动态结构模型PVDSDE,该模型保持了并行DEVS模型的状态迁移结构和过程,并增加了原子及耦合模型层次的结构迁移元素和执行协议;此外,该模型满足耦合封闭性,能够支持组合式的仿真。论文对PVDSDE模型的实现机制进行了研究。对其在分布仿真支撑平台上的不同实现模式进行了对比分析,提出了扁平模式的PVDSDE/HLA仿真结构框架及调度机制;针对该实现模式下的时间管理问题,提出了一种映射式的时间推进算法,并通过实验验证了其推进效率的有效性。在仿真执行模式方面,论文对支持多剧情并发运行的分布仿真克隆技术进行了研究。将仿真克隆技术与动态结构模型相结合,实现了多剧情的并发仿真重构,从而为提高仿真执行效率及进行在线决策仿真提供了一种有效的执行手段。论文对HLA仿真克隆的体系结构和剧情区分算法进行了深入探讨,测试并分析了不同剧情区分算法对不同实现方案的适用性,并提出了基于挂接机制的仿真克隆中间件和松耦合成员体系结构的实现机制。实验结果表明,分布仿真克隆技术能够显著地提高仿真系统的运行性能。在分布仿真重构关键技术研究的基础上,论文利用模型集成计算(ModelIntegrated Computing,MIC)的方法,设计并实现了DEVS可重构仿真开发环境的原型系统。该系统支持模型驱动的仿真开发模式,并对调度器、适配器和仿真克隆工具等通用模块进行了详细设计和封装。通过该原型系统在XX对抗仿真系统的应用,验证了本文所进行的仿真重构技术研究工作的可行性。

全文目录

摘要  14-16
ABSTRACT  16-18
第一章绪论  18-35
  1.1 研究背景  18-21
  1.2 问题描述  21-23
  1.3 相关研究现状与立题依据  23-31
    1.3.1 分布式系统中的动态重构技术研究  23-25
    1.3.2 分布式仿真动态重构技术的相关研究  25-30
    1.3.3 立题依据  30-31
  1.4 论文的研究内容、组织结构和主要贡献  31-35
    1.4.1 论文的主要研究问题  31-32
    1.4.2 论文组织结构和研究内容  32-33
    1.4.3 论文的主要贡献  33-35
第二章基于DEVS与反射理论的可重构仿真框架  35-53
  2.1 仿真重构的相关概念  35-42
    2.1.1 建模与仿真框架  35-36
    2.1.2 动态系统描述的层次  36
    2.1.3 基于实体空间的仿真重构再认识  36-42
  2.2 基于DEVS的可重构建模与仿真开发框架  42-49
    2.2.1 DEVS形式化规范  42-46
    2.2.2 支持仿真重构的DEVS组件描述方法  46-48
    2.2.3 基于可确认组件装配的重构方法  48
    2.2.4 模型集成的仿真系统开发  48-49
  2.3 基于反射理论的仿真动态调整机制  49-52
    2.3.1 反射理论基础  50-51
    2.3.2 反射式分布仿真动态调整机制  51-52
  2.4 小结  52-53
第三章 DEVS模型的组合语义及其验证方法研究  53-74
  3.1 引言  53
  3.2 基于TTS的并行DEVS模型操作语义描述  53-59
    3.2.1 时间转移系统(TTS)  54-55
    3.2.2 并行DEVS模型执行语义的抽象仿真器描述  55-56
    3.2.3 基于时间迹的DEVS模型语义形式描述  56-58
    3.2.4 DEVS模型向TTS的语义等价转换  58-59
  3.3 DEVS向时间自动机的语义等价转换方法研究  59-69
    3.3.1 时间自动机  59-62
    3.3.2 转换原理  62
    3.3.3 转换过程及证明  62-69
  3.4 DEVS模型的理论验证方法  69-73
    3.4.1 相容性检验  69-70
    3.4.2 基于时态逻辑的DEVS模型语义性质验证  70-73
  3.5 小结  73-74
第四章 DEVS动态结构模型及其分布仿真方法研究  74-102
  4.1 引言  74-75
  4.2 DSDEVS与dynDEVS形式规范的比较  75-78
    4.2.1 DSDEVS规范  75-76
    4.2.2 dynDEVS规范  76-77
    4.2.3 DSDEVS与dynDEVS的比较  77-78
  4.3 PVDSDE动态结构模型  78-87
    4.3.1 总体结构  78-79
    4.3.2 原子模型  79
    4.3.3 耦合模型  79-82
    4.3.4 耦合封闭性的证明  82-84
    4.3.5 模型执行协议  84-87
  4.4 PVDSDE/HLA的扁平式仿真机制  87-91
    4.4.1 两种分布仿真实现模式的比较  87
    4.4.2 扁平式仿真的模型组织  87-89
    4.4.3 扁平式仿真的实现结构  89-90
    4.4.4 扁平式仿真的调度机制  90-91
  4.5 PVDSDE/HLA仿真的时间推进方法研究  91-101
    4.5.1 两种时间推进方式  91-92
    4.5.2 相关研究  92
    4.5.3 协调者控制的时间推进算法  92-93
    4.5.4 映射式时间推进算法  93-101
  4.6 小结  101-102
第五章支持多剧情并发重构的仿真克隆技术研究  102-128
  5.1 引言  102
  5.2 相关研究  102-104
  5.3 基本概念  104-109
    5.3.1 仿真克隆与仿真复制  104-105
    5.3.2 仿真克隆与动态结构模型的关系  105
    5.3.3 决策点  105
    5.3.4 HLA仿真克隆的层次  105-106
    5.3.5 主动和被动克隆  106
    5.3.6 完全克隆与递增克隆  106-109
    5.3.7 剧情树  109
  5.4 体系结构  109-113
    5.4.1 单联邦与多联邦方案  109-111
    5.4.2 采用与不采用DDM的单联邦克隆  111-112
    5.4.3 中间件方法  112-113
  5.5 剧情区分算法  113-120
    5.5.1 点区域算法  113-114
    5.5.2 递归区域分割算法  114-118
    5.5.3 算法的适用性分析  118-120
  5.6 实现机制  120-127
    5.6.1 具有反射能力的松祸合联邦成员结构  120-122
    5.6.2 克隆过程  122-127
  5.7 小结  127-128
第六章原型系统的实现与应用  128-146
  6.1 原型系统的总体结构  128
  6.2 模型集成的DEVS组件开发  128-135
    6.2.1 领域相关建模语言(DSML)  129-130
    6.2.2 模型集成计算的原理  130
    6.2.3 MetaGME元建模语言  130-132
    6.2.4 基于GME的DEVS领域相关建模  132-133
    6.2.5 基于DEVS GME的组件及仿真开发  133-135
  6.3 可重构DEVS仿真系统开发的通用支撑结构实现  135-139
    6.3.1 总体结构  135-136
    6.3.2 仿真调度器与适配器的内部实现  136-137
    6.3.3 HLA仿真克隆工具的内部实现  137-139
  6.4 应用实例  139-145
    6.4.1 应用背景  140
    6.4.2 系统结构  140-141
    6.4.3 剧情设计  141
    6.4.4 仿真实验的建立与执行  141-144
    6.4.5 实验结果  144-145
  6.5 总结  145-146
第七章总结与展望  146-149
  7.1 论文工作总结  146-147
  7.2 下一步工作展望  147-149
作者在学期间取得的学术成果  149-151
致谢  151-153
参考文献  153-164

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