基于HLA的图形化控制系统仿真预案管理系统的研究与开发

朱国华，王　凯，曹　栋（江汉大学　数学与计算机学院，湖北　武汉，430056）

基于HLA的图形化控制系统仿真预案管理系统的研究与开发

朱国华，王凯，曹栋
（江汉大学数学与计算机学院，湖北武汉，430056）

摘要：针对控制系统并行仿真的需求，在基于高层体系结构（HLA）的仿真模型复用与模型组合技术的基础上，提出了一个图形化的预案管理系统框架，讨论了关键实现技术，通过所见即所得的操作方式，屏蔽了HLA底层的技术细节，降低仿真预案开发难度，从而提高仿真开发效率。

关键词：仿真预案；模型复用；可视化编辑

控制系统仿真是自动化与控制系统工程领域分析、研究、设计控制系统的重要工具，目前一般借助MATLAB和SIMULINK相关软件平台，针对简单控制系统仿真进行测试，面对功能模块较多的仿真项目就显得力不从心。

高层体系结构（high level architecture，HLA）的出现，使得并行仿真系统之间的可重用性和互操作性得到了很大的改善［1］。仿真预案一直以来都是HLA仿真系统中不可或缺的一部分。在以往的研究中，一方面，仿真预案的编辑没有针对控制系统的行业特点［2］，这不但增加了仿真预案编辑的难度和工作量，也不易对仿真预案的正确性和合理性进行检查和修正；另一方面，已有的仿真预案缺乏统一的组织和管理，不便于用户对已有仿真预案的获取和重用，使仿真预案重用低［3］。这就迫切要求仿真预案的编辑需要有简单、直观、可视化的工具支持，减少复杂的仿真预案编辑的难度，提高查错能力，减少不必要的重复劳动。

笔者在已有的方案［4］基础上针对控制系统的特点进行了简化，解决了仿真模型的重用和组合技术［5］，提出了一个图形化的仿真预案管理系统的框架，通过所见即所得的操作方式，屏蔽HLA底层的技术细节，使得仿真人员能便捷地完成仿真任务分析，系统资源设定，仿真过程和仿真任务的条件、约束、规则进行规范化的描述，仿真的运行调度分析等一系列工作，提高了仿真模型与仿真预案的重用度，降低了仿真开发成本，提高了仿真开发效率。

1　系统需求

仿真预案编辑是人机交互的过程，需要有底层模型的支持，实现可视化编辑。仿真预案编辑的结果对整个仿真结果影响很大，一个小的错误也可能会带来完全错误的结果。通过图形化设计界面，使得仿真预案方案开发人员可以在固化流程的引导下，对仿真预案进行方便快捷的编辑工作。

2　系统架构

根据仿真预案生成系统的任务和特点，设计仿真预案生成系统的体系结构如图1所示。

图1　仿真预案管理系统框架Fig.1 Framework of simulation scenario management system

仿真预案设计需要确定仿真系统所研究问题的范围，明确仿真的目标，给出仿真系统的初始状态和前提条件，设定仿真运行条件和相应约束，描述参与仿真的各个仿真节点及其基本属性等。

该系统具有几个核心的数据库。其中模型库存放了以COM形式封装的仿真联邦成员所需的数学模型，描述成员对外公布、订购的对象类、交互类的SOM.xml文件，以及相关的描述性文件，相关二维图片和三维模型数据。通用成员框架EXE负责加载描述成员动态行为的COM组件，以及读取SOM.xml中描述成员对外订购、公布的能力，并负责向外发送、接收数据。预案库用于存放数字化的仿真预案文件，其中包含了以XML形式存在的仿真预案描述文件；该文件的格式是RTI仿真服务器需要的FED文件的一个扩展，描述了所有联邦成员间为交互目的而达成的协议。在仿真运行期间RTI将根据FED文件提供的联邦执行的细节数据创建相应的联邦执行。

系统执行流程如图2所示。

图2　图形化仿真预案子系统的执行过程图Fig.2 Execution of graphical simulation scenario subsystem

3　关键技术

3.1HLA仿真模型的重用与自动组合技术

由于HLA具有一定的复杂性，开发一个基于HLA的控制系统，对开发人员的要求相当高。可重用的仿真模型主要由一个用于处理分布式数据的通用HLA仿真成员框架程序EXE、一个使用COM组件封装的成员所需的数学模型，以及描述成员对外公布、订购的对象类、交互类的SOM.xml文件组成。通用成员EXE框架是一个经过封装的HLA仿真成员，对HLA中一些规则和接口规范进行了封装，负责加载描述成员动态行为的COM组件，以及读取SOM.xml文件中描述成员对外订购、公布，并负责向外发送、接收数据。模型设计人员只要开发一个符合规定接口标准的COM组件，实现必须的模型功能，不需要了解HLA技术的细节问题。因此开发仿真过程变得简单且高效。

HLA仿真模型的重用机制如图3所示。

图3　通用仿真成员处理流程图Fig.3 Flowchart of universal simulation member

仿真成员的组合，是指利用已有的模型，组合成为新的组合模型。新产生的组合模型可以和基本模型一样，被系统重复使用作为仿真成员。所谓自动组合，就是无需用户指定数据传输关系或者较少的操作就可以得到正确的组合模型。

传统的模型组合方法是让用户选择特定模型，然后人工辨别模型是否适合组合。这样带来的问题有两个，一是人工工作量大、效率低，二是人为失误会降低组合模型的质量。经过技术考察，本系统从自动组合入手，只针对控制系统，业务特征比较固定，建设知识库难度相对较低。

自动组合的难点在于如何代替人工辨别哪些模型是适合组合，以及如何自动生成组合模型。文献［4］给出了本系统中模型组合的相关概念，模型组合的具体过程，以及基于这些概念和约束，模型自动组合的可行性证明。

3.2图形化界面技术

传统的仿真预案设计模式，大都采用先输入各种所需信息，然后内部建立联系的方式。这种模式简单明了，设计人员无需进行复杂的操作即可完成仿真预案的设计，不足之处在于需要仿真技术人员准确记忆大量复杂的仿真模型信息，任何输入上的失误，都会直接导致生成预案的失败，因此，这种设计模式对仿真预案设计的效率存在较大影响。

图形化操作界面的实现主要涉及到计算机图形学的人机交互技术。交互技术是关于计算机与人之间的双向通讯方式，能够使用户方便、高效地完成传统方法做起来较为困难的工作。用户可以利用多种输入设备对图形数据进行拖动、拾取、拷贝、删除等各种交互操作，涉及的具体交互技术包括橡皮筋技术、约束技术、引力场技术、操作柄技术等［6］。

图4展示了一个典型的闭环控制系统的仿真预案的设计界面。用户可以通过拖拽界面右侧的资源管理器中的模型到预案设计界面中，然后为仿真成员添加动态链接线，形成仿真成员之间的数据传递逻辑关系。仿真预案编辑界面中，用户可以为仿真成员添加对象类或者交互类，也可以对已添加的交互类与对象类进行删除、修改或查询操作。选中成员之间的动态链接线后，鼠标右击选中“添加现有成员类”菜单选项时，界面上就会弹出一个对话框，通过此对话框可以配置交互类或者订购类的详细内容。这种直观的操作方式提高了设计效率，降低了设计成本。

图4　仿真预案管理系统界面Fig.4 Interface of simulation scenario management system

4　结语

在HLA仿真体系基础上，解决了仿真模型的重用与组合的技术问题后，本系统提出了一个有实践意义的并行仿真预案管理框架。标准化接口的仿真模块能够不经修改重复应用于其他部门开发的各个仿真程序中。通过图形化的集成应用平台，屏蔽封装了HLA底层技术细节，仿真的使用者在可视化的操作界面上，按照引导依次进行必须的选择后，就可以正确地完成仿真设计流程和参数配置。这将显著提高仿真实验的效率。

目前该系统已经应用于某科研单位的仿真开发实践活动中，基本满足了用户的需求，同时也需要进一步改进和完善，如扩充完善规则库、知识库等，进一步提高系统的纠错能力；对外公布仿真预案的接口，使之能被其他的仿真系统重用；提高仿真预案的检索能力，使用户更加快速地查找到需要的仿真预案等等。

参考文献（References）

［1］肖田元，范文慧.系统仿真导论［M］.2版.北京：清华大学出版社，2010：384-386.

［2］姚青峰，朱元昌.Web模式的仿真想定与管理系统设计［J］.计算机数字工程，2012，40（5）：66-68.

［3］肖斌，肖田元.支持成员动态重用的HLA/RTI扩展［J］.清华大学学报，2014，54（3）：326-333.

［4］李群，王超，朱一凡，等.基于MDA的仿真模型开发与集成方法研究［J］.系统仿真学报，2007，19（2）：272-276.

［5］朱国华，王杰，余维伟.一种可重用可组合的并行仿真模型技术分析［J］.电子测试，2014，22：26-28.

［6］孟祥旭.人机交互基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2010：56-59.

（责任编辑：叶冰）

Research and Development of Graphical Simulation Scenario Management System for Control System Based on HLA

ZHU Guohua，WANG Kai，CAO Dong
（School of Mathematics and Computer Science，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Abstract：On the demand of parallel simulation of control system，a framework of graphical simulation scenario management system was proposed based on the reuse of HLA federation and the technology of model combination，and the key technologies were discussed，with the aid of the graphical scenario management system，underlying HLA technology was shielded，the difficulty of development was reduced，the efficiency of development was improved.

Keywords：simulation scenario；reuse of model；visual editing

作者简介：朱国华（1969—），男，讲师，博士，研究方向：并行仿真、企业信息化、信息安全。

收稿日期：2015-04-27

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.04.011

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）04-0340-05