第八章-現(xiàn)代仿真技術(shù)

第八章現(xiàn)代仿真技術(shù)

在本書(shū)的前七章，已向讀者系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的基本原理﹑方法和仿真軟件。在上世紀(jì)80年代，由于對(duì)復(fù)雜大系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)的需要，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和周邊學(xué)科的某些理論與技術(shù)問(wèn)題的突破，使得計(jì)算機(jī)仿真這一學(xué)科得以迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在日益拓寬和加深。為使讀者能更好地了解仿真技術(shù)的一些最新發(fā)展，以及今后能在仿真領(lǐng)域做進(jìn)一步的研究，或?qū)⒎抡婕夹g(shù)應(yīng)用于一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)之中，本書(shū)的后兩章將向讀者介紹仿真這一學(xué)科的新思想﹑新概念和新方法。由于篇幅有限，涉及問(wèn)題均是基本的，有興趣的讀者可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)

面向?qū)ο蟮母拍詈吞攸c(diǎn)面向?qū)ο蟮姆椒ㄊ且环N在分析和設(shè)計(jì)階段獨(dú)立于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的概念化過(guò)程。它不僅僅是一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)，更重要的它是一種新的思維方式。它能夠幫助分析者、設(shè)計(jì)者以及用戶清楚地描述抽象的概念，使相互之間容易進(jìn)行信息交流。在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法中，對(duì)象(Object)和傳遞消息(MessagePassing)分別是表現(xiàn)事物及事物間相互聯(lián)系的概念；類(Class)和繼承(Inheritance)是適應(yīng)人們一般思維方式的描述范式；方法(Method)是允許作用于該類對(duì)象上的各種操作，以及對(duì)象的封裝性(encapsulation)、實(shí)體的多態(tài)性(polymorphism)以及動(dòng)態(tài)聯(lián)編(dynamicbinding)等特點(diǎn)。下面介紹這些有關(guān)的術(shù)語(yǔ)。

8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(1)對(duì)象客觀世界中的任何事物在一定的前提下都可以成為認(rèn)識(shí)的對(duì)象。一個(gè)人可以是一個(gè)對(duì)象，一個(gè)學(xué)校也可以是一個(gè)對(duì)象。對(duì)象不僅僅是物理對(duì)象，還可以是某一類概念實(shí)體的實(shí)例。例如操作系統(tǒng)中的進(jìn)程、室內(nèi)照明的等級(jí)等?？梢?jiàn)，世界上的任何事物都是對(duì)象，或是某一個(gè)對(duì)象類的一個(gè)元素。復(fù)雜的對(duì)象可由相對(duì)比較簡(jiǎn)單的對(duì)象以某種方法組成，甚至整個(gè)客觀世界可認(rèn)為是一個(gè)最復(fù)雜的對(duì)象。為了研究對(duì)象，必須用某種形式去表示對(duì)象。在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中，對(duì)象是基本的運(yùn)行實(shí)體，它有兩個(gè)方面的內(nèi)容需要表示，一是對(duì)象的種類所屬，即屬性，二是對(duì)象的行為活動(dòng)。屬性和活動(dòng)是相互影響的，屬性界定了對(duì)象的可能活動(dòng)，而活動(dòng)又能改變對(duì)象自身的屬性狀態(tài)，同時(shí)對(duì)象之間存在相互作用于依存關(guān)系。因此，對(duì)象表示包括三個(gè)方面，即屬性、活動(dòng)、關(guān)聯(lián)關(guān)系。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，對(duì)象通?？捎萌P(guān)系來(lái)表示：對(duì)象：＝<接口，數(shù)據(jù)，操作>其中接口描述對(duì)象與其他對(duì)象的關(guān)系，數(shù)據(jù)描述對(duì)象的屬性，操作描述對(duì)象的行為活動(dòng)。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(2)消息消息是描述對(duì)象間的相互作用的一種方法。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ校瑢?duì)象間的相互作用用對(duì)象間的通信——收發(fā)消息來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)消息發(fā)送給某個(gè)對(duì)象時(shí)，該消息包含要求接收對(duì)象去執(zhí)行某些活動(dòng)的信息，接到消息的對(duì)象經(jīng)過(guò)解釋，然后予以響應(yīng)，這種通信機(jī)制稱為消息傳遞。程序的執(zhí)行是由對(duì)象間傳遞消息來(lái)完成的。發(fā)送消息的對(duì)象稱為發(fā)送者，接收消息的對(duì)象稱為接收者。消息中只包含發(fā)送者的要求，它告訴接收者需要完成哪些處理，但并不指示接收者應(yīng)該怎樣完成這些處理。發(fā)送消息的對(duì)象不需要知道接收消息的對(duì)象如何對(duì)請(qǐng)求予以響應(yīng)。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(3)類類是一組相似對(duì)象的集合，它描述了該組的共同行為和屬性。例如，Integer是一個(gè)類，它描述了所有整數(shù)的共有性質(zhì)(包括整數(shù)的大小和算術(shù)運(yùn)算)。3、4、5等具體的整數(shù)都是類的對(duì)象，都具備算術(shù)和大小比較能力。類是在對(duì)象之上的抽象，有了類以后，對(duì)象則是類的具體化，是類的實(shí)例。對(duì)象在軟件運(yùn)行過(guò)程中由其所屬的類動(dòng)態(tài)生成。一個(gè)類可以生成多個(gè)不同的對(duì)象，這些對(duì)象雖然外部特性和內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都相同，但它們可以有不同的內(nèi)部狀態(tài)值。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(4)方法方法是指在對(duì)象中被定義的過(guò)程，即對(duì)類的某些屬性進(jìn)行操作以達(dá)到某一目的的過(guò)程。它的實(shí)現(xiàn)類似于非面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中的過(guò)程和函數(shù)，它是與類的屬性封裝在一起的。如果一個(gè)類的公有方法可用在許多領(lǐng)域，這個(gè)類就可作為重復(fù)利用的軟件組件。(5)繼承性一個(gè)類可以有父類和子類，繼承性描述了它們之間的關(guān)系，是父類和子類之間共享數(shù)據(jù)和方法的機(jī)制。一個(gè)類能繼承其父類的全部屬性與操作，在定義和實(shí)現(xiàn)一個(gè)類時(shí)，可以在一個(gè)已存在的類的基礎(chǔ)上進(jìn)行，把這個(gè)已存在的類所定義的內(nèi)容做為自己的內(nèi)容，并加入若干新的內(nèi)容。一個(gè)類如果只從一個(gè)父類得到繼承稱為單繼承，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的父類，則稱為多繼承。繼承性是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言不同于其他語(yǔ)言的最主要的特點(diǎn)，是其他語(yǔ)言所沒(méi)有的。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(6)封裝性將一個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)和操作過(guò)程組合起來(lái)，然后將其封裝并限定在一嚴(yán)格的范圍內(nèi)，只能被同類中的操作過(guò)程直接訪問(wèn)，不允許其它類的對(duì)象的介入，這稱為封裝?？梢岳斫鉃橐粋€(gè)模塊的內(nèi)部狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)方法完全隱藏在模塊內(nèi)部，模塊間的依賴性很小，或者說(shuō)封裝的方法就是把應(yīng)用程序分解為較小的功能組件。(7)多態(tài)性在收到消息后，對(duì)象要予以響應(yīng)，不同的對(duì)象收到同一消息可產(chǎn)生不同的結(jié)果，這一現(xiàn)象稱為多態(tài)性。應(yīng)用多態(tài)性，用戶可以發(fā)送一個(gè)通用的消息給多個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象按自身的情況決定是否響應(yīng)和如何響應(yīng)，這樣，同一消息就可以調(diào)用不同的方法。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(8)動(dòng)態(tài)聯(lián)編在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言中，消息的傳遞用過(guò)程調(diào)用的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。聯(lián)編是把過(guò)程調(diào)用和響應(yīng)調(diào)用的執(zhí)行碼結(jié)合在一起的過(guò)程。在一般的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，這個(gè)過(guò)程在編譯時(shí)進(jìn)行，叫做靜態(tài)聯(lián)編，而面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言采用動(dòng)態(tài)聯(lián)編的方式，即在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行聯(lián)編。這是由類的繼承性和多態(tài)性決定的，面向?qū)ο蟪绦螂y以靜態(tài)地確定要執(zhí)行的代碼，而只能在運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)找到響應(yīng)方法，并把它和代碼加以結(jié)合。8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言20世紀(jì)80年代末90年代初，在專著、論文或技術(shù)報(bào)告等形式提出的OOA/OOD方法或OO建模語(yǔ)言有近50種以上，這些面向?qū)ο蠓椒ǜ髯杂幸惶赘拍睢⒍x、表示法、術(shù)語(yǔ)和使用的開(kāi)發(fā)過(guò)程，它們之間的細(xì)微差別使人覺(jué)得不知依據(jù)哪個(gè)概念更好，特別是對(duì)于非專業(yè)的讀者。從1994年開(kāi)始，美國(guó)Rational軟件公司的G.Booch、J.Rumbaugh和L.Jacobson把他們各自提出的方法統(tǒng)一并吸收了許多其他面向?qū)ο蟮姆椒?，?997年9推出了UML1.1并提交到OMG(ObjectManagementGroup)，同年11月被OMG采納。統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML：UnifiedModelingLanguage)是一個(gè)通用的可視化建模語(yǔ)言，用于對(duì)軟件進(jìn)行描述、可視化處理、構(gòu)造和建立軟件系統(tǒng)制品的文檔。它記錄了對(duì)必須構(gòu)造的系統(tǒng)的決定和理解，可用于對(duì)系統(tǒng)的理解、設(shè)計(jì)、瀏覽、配置、維護(hù)和信息控制。UML適用于各種軟件開(kāi)發(fā)方法、軟件生命周期的各個(gè)階段、各種應(yīng)用領(lǐng)域以及各種開(kāi)發(fā)工具，是一種總結(jié)了以往建模技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)并吸收當(dāng)今優(yōu)秀成果的標(biāo)準(zhǔn)建模方法。8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML的概念模型包括三方面的內(nèi)容：UML的基本構(gòu)造塊、支配這些構(gòu)造塊如何放在一起的規(guī)則和一些運(yùn)用于整個(gè)UML的公共機(jī)制。本書(shū)簡(jiǎn)單介紹UML的基本構(gòu)造塊的內(nèi)容，請(qǐng)感興趣的同學(xué)參考有關(guān)UML的書(shū)籍。UML的構(gòu)造塊有3種構(gòu)造塊：事物、關(guān)系和圖。(1)事物事物是對(duì)模型中最有代表性的成分的抽象；關(guān)系把事物結(jié)合在一起；圖聚集了相關(guān)的事物。在UML中的事物有4種：結(jié)構(gòu)事物(structuralthing)、行為事物(behavioralthing)、分組事物(groupingthing)和注釋事物(annotationalthing)。結(jié)構(gòu)事物：通常是模型的靜態(tài)部分，描述概念或物理元素。包括類、接口、協(xié)作、用況、主動(dòng)類、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)這7種元素。8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言行為事物：是UML模型的動(dòng)態(tài)部分，描述了跨越時(shí)間和空間的行為，共有2類行為事物：交互和狀態(tài)機(jī)。前者由在特定語(yǔ)境中共同完成一定任務(wù)的一組對(duì)象之間交換的消息組成，后者描述了一個(gè)對(duì)象或一個(gè)交互在生命周期內(nèi)響應(yīng)事件所經(jīng)歷的狀態(tài)序列。分組事物：是UML模型的組織部分，是一些由模型分解成的“盒子”，最主要的分組事物是包。注釋事物：是UML模型的解釋部分，這些注釋事物用來(lái)描述、說(shuō)明和標(biāo)注模型的任何元素。(2)關(guān)系UML中有4種關(guān)系：依賴(dependency)、關(guān)聯(lián)(association)、泛化(generalization)和實(shí)現(xiàn)(realization)。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言依賴是兩個(gè)事物間的語(yǔ)義關(guān)系，其中一個(gè)事物(獨(dú)立事物)發(fā)生變化會(huì)影響另一個(gè)事物(依賴事物)的語(yǔ)義；關(guān)聯(lián)是一種結(jié)構(gòu)關(guān)系，描述對(duì)象之間的連接；泛化是一種特殊/一般關(guān)系，特殊元素(子元素)的對(duì)象可替代一般元素(父元素)的對(duì)象；實(shí)現(xiàn)是類元之間的語(yǔ)義關(guān)系，其中的一個(gè)類元指定了由另一個(gè)類元保證執(zhí)行的契約，實(shí)現(xiàn)關(guān)系主要用在一是接口和實(shí)現(xiàn)它們的類或構(gòu)件之間，二是用況和實(shí)現(xiàn)它們的協(xié)作之間。(3)圖UML最常用的9種圖是：①類圖；②對(duì)象圖；③用況圖；④順序圖；⑤協(xié)作圖；⑥狀態(tài)圖；⑦活動(dòng)圖；⑧構(gòu)件圖；⑨實(shí)施圖。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言①類圖(classdiagram)：類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。不僅定義系統(tǒng)中的類，表示類之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等，也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類的屬性和操作)。類圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系，在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期都是有效的。圖為自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）系統(tǒng)的取錢使用案例的類圖。8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言

圖8.1.1ATM系統(tǒng)的取錢使用案例的類圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言②對(duì)象圖(objectdiagram)：對(duì)象圖是類圖的實(shí)例，幾乎使用與類圖完全相同的標(biāo)識(shí)。它們的不同點(diǎn)在于對(duì)象圖顯示類的多個(gè)對(duì)象實(shí)例，而不是實(shí)際的類。一個(gè)對(duì)象圖是類圖的一個(gè)實(shí)例。由于對(duì)象存在生命周期，因此對(duì)象圖只能在系統(tǒng)某一時(shí)間段存在。③用況圖(UseCasediagram)它顯示用況與角色及其相互關(guān)系，從用戶角度描述系統(tǒng)功能，并指出各功能的操作者。圖表示了自動(dòng)柜員機(jī)(ATM)系統(tǒng)的用況圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言

圖8.1.2自動(dòng)柜員機(jī)(ATM)系統(tǒng)的用況圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言④順序圖(sequencediagram)：順序圖顯示對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)合作關(guān)系，它強(qiáng)調(diào)對(duì)象之間消息發(fā)送的順序，同時(shí)顯示對(duì)象之間的交互。⑤合作圖(collaborationdiagram)：合作圖和順序圖相似，顯示對(duì)象間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。除顯示信息交換外，合作圖還顯示對(duì)象以及它們之間的關(guān)系。如果強(qiáng)調(diào)時(shí)間和順序，則使用順序圖；如果強(qiáng)調(diào)上下級(jí)關(guān)系，則選擇合作圖。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言⑥狀態(tài)圖(statechartdiagram)：狀態(tài)圖在UML中也稱狀態(tài)機(jī)。它表現(xiàn)一個(gè)對(duì)象或一個(gè)交互在整個(gè)生存周期內(nèi)接受刺激時(shí)的狀態(tài)序列以及它的反應(yīng)與活動(dòng)，附屬于一個(gè)類或一個(gè)方法。狀態(tài)圖描述類的對(duì)象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時(shí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件。通常，狀態(tài)圖是對(duì)類圖的補(bǔ)充，在實(shí)際效用上并不需要為所有的類畫(huà)狀態(tài)圖，僅為那些有多個(gè)狀態(tài)、其行為受外界環(huán)境的影響并且發(fā)生改變的類畫(huà)狀態(tài)圖。圖表示了銀行中帳目的狀態(tài)圖。圖8.1.3銀行中帳目的狀態(tài)圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言⑦活動(dòng)圖(activitydiagram)：活動(dòng)圖描述滿足用況要求所要進(jìn)行的活動(dòng)以及活動(dòng)間的約束關(guān)系，有利于識(shí)別并行活動(dòng)。⑧構(gòu)件圖(componentdiagram)：構(gòu)件圖描述代碼部件的物理結(jié)構(gòu)及各部件之間的依賴關(guān)系。一個(gè)部件可能是一個(gè)資源代碼部件、一個(gè)二進(jìn)制部件或一個(gè)可執(zhí)行部件。它包括邏輯類或?qū)崿F(xiàn)類的有關(guān)信息，有助于分析和理解部件之間的相互影響程度。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言⑨實(shí)施圖(deploymentdiagram)：實(shí)施圖定義了系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)。它可以顯示實(shí)際的計(jì)算面和設(shè)備(用節(jié)點(diǎn)表示)以及它們之間的連接關(guān)系，可顯示連接的類型及部件之間的依賴性。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，放置可執(zhí)行部件和對(duì)象以顯示節(jié)點(diǎn)跟可執(zhí)行軟件單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。UML是一種建模語(yǔ)言而不是一種方法。它不包含任何過(guò)程指導(dǎo)。也就是說(shuō)，它并不講述如何運(yùn)用面向?qū)ο蟮母拍钆c原則去進(jìn)行系統(tǒng)建模，而只是定義了用于建模的各種元素，以及由這些元素所構(gòu)成的各種圖的構(gòu)成規(guī)則。UML的功能(表達(dá)能力)無(wú)疑是很強(qiáng)的，它吸取了多種面向?qū)ο蠓椒ǖ母拍詈蛨D形表示法，但UML也是復(fù)雜的，這意味著，無(wú)論是學(xué)習(xí)它還是在工程中使用它，都要付出比以往高得多的代價(jià)。但是如果UML的使用是普遍的，復(fù)雜的問(wèn)題又會(huì)變得簡(jiǎn)單，這就是面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真?zhèn)鹘y(tǒng)仿真軟件主要提供仿真運(yùn)行的機(jī)制和通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)。建模的任務(wù)就是把實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)象之間的相互作用關(guān)系轉(zhuǎn)換成在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)的操作。不同的仿真軟件使用不同術(shù)語(yǔ)、概念，采用不同仿真建模策略，具有不同語(yǔ)義和語(yǔ)法。因此使用這些軟件進(jìn)行研究就必須利用軟件提供的設(shè)施來(lái)建立仿真模型。面向?qū)ο蟮姆抡嬖噲D消除這種過(guò)程，使用戶能夠以應(yīng)用領(lǐng)域熟悉的直觀的對(duì)象概念來(lái)建立仿真模型。建模觀念與人們認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界的思維方式一致，因此不需要多少概念上的轉(zhuǎn)換。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真在面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)中，系統(tǒng)中的對(duì)象往往與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)際對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，建模的主要任務(wù)就是把系統(tǒng)類庫(kù)中提供的對(duì)象，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷呐c組合形成仿真模型，而且用戶也可以根據(jù)問(wèn)題的需要自己建立適當(dāng)?shù)膶?duì)象，并可以保存在系統(tǒng)類庫(kù)中。這種方法既有利于預(yù)定義對(duì)象的方便性，也具有用戶建立對(duì)象的靈活性。在面向?qū)ο蟮姆抡嬷薪M成系統(tǒng)的對(duì)象是仿真的主要成分。Shannon清楚地描述了仿真對(duì)象的概念，指出：“仿真模型的目的就是用一組雜亂五章的對(duì)象及其相互關(guān)系組織成一個(gè)系統(tǒng)的整體，而這個(gè)整體將顯示這些關(guān)系相互作用的效果”。Booch研究了面向?qū)ο蟮姆纸馀c功能分解之間的區(qū)別，認(rèn)為在許多情況下，面向?qū)ο蠓纸馐歉鼮樽匀坏姆纸?，并提出了面向?qū)ο蠼５囊话悴襟E：

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真

確定構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)組成部分和它們的屬性；

確定每個(gè)對(duì)象的操作和功能；

確定每個(gè)對(duì)象相對(duì)于其他對(duì)象的可見(jiàn)度；

確定每個(gè)對(duì)象的接口；

實(shí)現(xiàn)每個(gè)對(duì)象。具體地說(shuō)就是，第一步把系統(tǒng)分解成在問(wèn)題空間活動(dòng)的實(shí)體或?qū)ο螅@些對(duì)象應(yīng)當(dāng)是系統(tǒng)中的活動(dòng)實(shí)體，相似的對(duì)象可以分組成對(duì)象類。第二步，定義對(duì)象的操作，用以刻畫(huà)對(duì)象或?qū)ο箢惖男袨樘卣?。操作的定義確定了對(duì)象的靜態(tài)語(yǔ)義，通過(guò)定義每個(gè)對(duì)象必須遵守關(guān)于時(shí)間和空間上的約束，可以確定每個(gè)對(duì)象動(dòng)態(tài)行為。第三步確定對(duì)象或?qū)ο箢愔g的靜態(tài)關(guān)聯(lián)性，即確定每個(gè)對(duì)象需要與哪些對(duì)象進(jìn)行通信。第四步確定對(duì)象的接口。接口是對(duì)象與外界進(jìn)行通信的唯一通道，它確定了對(duì)象之間以及與仿真環(huán)境進(jìn)行通信的形式。最后一步是為每個(gè)對(duì)象選擇一種適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)，并實(shí)現(xiàn)上一步確定的接口。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真面向?qū)ο蟮姆抡鏋榉抡嫒藛T提供了開(kāi)發(fā)模塊化可重用的仿真模型的工具。它把系統(tǒng)看成由相互作用的對(duì)象所組成，而對(duì)象則往往表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的真實(shí)實(shí)體，從而提高了仿真模型的可理解性、可擴(kuò)充性和模塊性，并且便于實(shí)現(xiàn)仿真與計(jì)算機(jī)和人工智能的結(jié)合。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：(1)可理解性面向?qū)ο蠓抡鎸?duì)設(shè)計(jì)者、實(shí)現(xiàn)者以及最終用戶來(lái)說(shuō)都改進(jìn)了仿真的可理解性。因?yàn)榉抡嫦到y(tǒng)中的對(duì)象往往直接表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的真實(shí)實(shí)體，這些實(shí)體在面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)中可以用外觀上類似人們熟悉的實(shí)際系統(tǒng)的對(duì)象的圖形或圖像來(lái)表示。用戶可以通過(guò)圖形界面與仿真模型進(jìn)行交互，利用圖形或圖像來(lái)直接建立仿真模型，這對(duì)于熟悉實(shí)際系統(tǒng)的用戶來(lái)說(shuō)是很容易理解的。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(2)可重用性和可擴(kuò)充性在面向?qū)ο蟮姆抡嬷校梢越⑵鹨粋€(gè)模型庫(kù)，用以保存以前建立的模型。模型庫(kù)中的模型可以作為建立新模型的可重用構(gòu)件，通過(guò)面向?qū)ο蠹夹g(shù)內(nèi)在的繼承機(jī)制可以容易地和系統(tǒng)地修改現(xiàn)有的對(duì)象(類)以建立新的對(duì)象，并且可以加入現(xiàn)有的類庫(kù)中。類庫(kù)提供了仿真建模所需要的一般設(shè)施，通過(guò)修改現(xiàn)有的類，可以建立各種應(yīng)用中所需要的特殊對(duì)象。(3)模塊性面向?qū)ο蟮姆抡媸悄K化的，對(duì)象作為模型，已知對(duì)象的所有信息都保存在該模塊中，因此不需要特殊的過(guò)程來(lái)尋找相應(yīng)的信息。這種信息的封裝意味著容易改變一個(gè)對(duì)象的含義或修改其性能，而且不會(huì)影響其他的對(duì)象。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(4)圖形用戶界面面向?qū)ο蠓抡嫦到y(tǒng)中的對(duì)象往往表示實(shí)際系統(tǒng)中的真實(shí)實(shí)體，因而在系統(tǒng)中可以用相似的圖形或圖像來(lái)表示，因此更便于建立非常直觀的圖形用戶界面。用戶可以直接在屏幕上建立系統(tǒng)的圖形描述，直觀地構(gòu)造仿真模型。在仿真過(guò)程中利用動(dòng)畫(huà)顯示仿真模型地運(yùn)行過(guò)程，各種仿真統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也可以利用圖形來(lái)顯示。這種圖形表達(dá)能力對(duì)于用戶了解仿真過(guò)程、理解仿真結(jié)果都有很大幫助。(5)仿真與人工智能的結(jié)合在面向?qū)ο蟮姆抡嬷?，?duì)象封裝了它們的功能，而功能可以包含智能。因而利用人工智能與專家系統(tǒng)的方法可以在功能中嵌入智能，使對(duì)象也具有決策與學(xué)習(xí)能力。仿真與人工智能的結(jié)合可以增強(qiáng)仿真的能力。在基于知識(shí)的仿真系統(tǒng)和專家仿真系統(tǒng)方面，許多學(xué)者已進(jìn)行了廣泛的研究，表明了人工智能與專家系統(tǒng)在輔助仿真建模、仿真結(jié)果的解釋和仿真模型靈敏度分析等方面的重要作用。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(6)并行仿真面向?qū)ο蟮姆抡媸窃诙嗵幚砥魃喜⑿袌?zhí)行的面向?qū)ο蟮姆抡?。?duì)于仿真封裝了所有的信息，因而每個(gè)對(duì)象都能按分配給自己的處理程序執(zhí)行它的功能。這樣，對(duì)象在某種程度上可以相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行。正是由于對(duì)象之間地這種相對(duì)獨(dú)立性，產(chǎn)生了并行仿真執(zhí)行的可能性。仿真的并行執(zhí)行可以極大地降低仿真時(shí)間，允許仿真更多的對(duì)象，能夠?qū)崿F(xiàn)更詳細(xì)的仿真。離散事件系統(tǒng)仿真是面向?qū)ο蠓椒ㄗ钸m合的應(yīng)用領(lǐng)域之一，這是因?yàn)槊嫦驅(qū)ο蟮碾x散事件系統(tǒng)仿真和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)一樣都是以對(duì)象為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο笈c仿真的一致性在這里得到很好的體現(xiàn)。目前主要應(yīng)用在制造系統(tǒng)，因?yàn)橹圃煜到y(tǒng)的物理組成部分很容易直觀的用對(duì)象來(lái)進(jìn)行描述。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真由于連續(xù)系統(tǒng)的模型通常是用微分方程來(lái)描述的，仿真算法主要是數(shù)值積分法及離散相似法，它與離散事件系統(tǒng)的模型及算法有很大的不同，所以在應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒ㄉ希灿兴煌?。?duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蠼?，可以把常用的模塊化建?？醋魇且环N廣義的面向?qū)ο蟮姆椒?。即將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成許多模型塊，每個(gè)模型塊又可劃分成若干個(gè)子模型，直到不能再(或不必)分為止，最基本的子模型被稱為模型元素或基本模型。這樣，建模過(guò)程就變成對(duì)各種基本模型進(jìn)行定義，然后利用模型拼合技術(shù)將它們組成模型塊(稱為拼合模型)；若干個(gè)下層模型塊又可拼合成上層模型塊，直到形成整個(gè)系統(tǒng)。顯然，這里的模型塊與面向?qū)ο蠓椒ㄖ械膶?duì)象類有許多相似之處，它同樣具有封裝、繼承等性質(zhì)。需要指出的是，拼合模型與基本模型之間的關(guān)系是一種組合關(guān)系，不能生搬硬套地將拼合模型看成父類，而將基本模型看作是子類。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真在建模和仿真的不同階段，如仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)、動(dòng)畫(huà)輸出等，面向?qū)ο蟮姆椒ǘ家勋@得了應(yīng)用，比如面向?qū)ο蟮慕换ナ綀D形技術(shù)、人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，特別是利用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒏鞣N復(fù)雜系統(tǒng)的模型，如大型軍用系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，已取得了許多實(shí)際成果。例如，美國(guó)NASA的軟件工程實(shí)驗(yàn)室(SEL)已將面向?qū)ο蠹夹g(shù)成功地用于11個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，面向?qū)ο蠹夹g(shù)的采用使這些項(xiàng)目的代碼重用率從20%增至80%，同類新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)費(fèi)用降低三分之二，開(kāi)發(fā)周期減少一半，修改與出錯(cuò)率僅為原來(lái)的十分之一，被它們稱之為到目前為止最有影響的方法；由CAE-Link公司為Johnson太空中心開(kāi)發(fā)的Freedom空間站驗(yàn)證與訓(xùn)練設(shè)備(SSVTF)是一項(xiàng)源代碼超過(guò)180萬(wàn)行的大型仿真項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要為空間站宇航員和地面飛行控制者提供全面訓(xùn)練，從基本操作、任務(wù)規(guī)劃到?jīng)Q策驗(yàn)證，計(jì)劃將面向?qū)ο蠼７椒ㄅc軟件重用技術(shù)貫穿于需求分析、設(shè)計(jì)、編碼全過(guò)程；McDonnellDouglasAerospace將面向?qū)ο蠹夹g(shù)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真及任務(wù)規(guī)劃；Hewlett-Packard采用面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了16個(gè)商業(yè)項(xiàng)目；Rand公司成功開(kāi)發(fā)了“蘭德面向?qū)ο蠓抡嫦到y(tǒng)(ROSS)”等等。

面向?qū)ο蠓抡媾e例面向?qū)ο蟮姆抡嬉馕吨脩粢沧兂梢环N語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者。用戶不僅只利用語(yǔ)言中預(yù)定義的對(duì)象，而且還可以利用一組工具建立自己新的對(duì)象；用戶不僅要知道如何使用對(duì)象，而且必須知道如何描述對(duì)象與實(shí)現(xiàn)它們。一旦建立了對(duì)象類庫(kù)，建模工作就很簡(jiǎn)單，任務(wù)就是創(chuàng)建控制與刪除對(duì)象，用以模擬實(shí)際系統(tǒng)的活動(dòng)。在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的階段，要確定組成系統(tǒng)的對(duì)象、對(duì)象的屬性和功能，以及對(duì)象間的關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)階段，就要用某種程序語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)模型。當(dāng)然，不用面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，也能夠?qū)崿F(xiàn)面向?qū)ο蟮姆抡妗５褂妹嫦驅(qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易。由于C++語(yǔ)言較好地兼顧了C語(yǔ)言和面向?qū)ο笳Z(yǔ)言地特點(diǎn)，C++語(yǔ)言成為目前使用最廣泛地面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。下面以微分方程組的四階龍格－庫(kù)塔解法為例，用BorlandC++簡(jiǎn)要說(shuō)明面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)仿真算法過(guò)程。

面向?qū)ο蠓抡媾e例classVector{private：float*v//向量的值intsz//向量的維數(shù)public：Vector()；Vector(ints)；Vector(ints,float*a)；Vector(constVector&.a)；//以上皆為構(gòu)造函數(shù)～'Vector()；//析構(gòu)函數(shù)Vectoroperator+(constVector&.)//向量與向量相加Vectoroperator+(constfloat&.)//向量與實(shí)數(shù)相加Vectoroperator*(constfloat&.)//向量子函數(shù)相乘float&.operator[](constint&.)//向量各分值Vector&.operator=(constVector)；//等式重加載}；在龍格－庫(kù)塔算法中，為了符合人們的思維習(xí)慣和體現(xiàn)人類的習(xí)慣寫法，引入了兩個(gè)類：向量類和微分方程組類。向量類具有兩個(gè)私有狀態(tài)，即向量的值與向量的維數(shù)，重載了“＋”、“×”等操作，其定義如下：

面向?qū)ο蠓抡媾e例classDiffEqutionsprivate：floatStep，TO，*Inn；//Step：步長(zhǎng)，TO：起始時(shí)間，Inn：微分方程組初值intStepNum，Dim；//StepNum：仿真時(shí)間，Dim：微分方程組維數(shù)virtualVectorEqutions(VectorYY.floata)；//虛函數(shù)，微分方程組VectorRunge(VectorYin,floatt)；//龍格－庫(kù)塔算法public：DiffEqutions(floatSl，floatTl，intStepNum1，intDim1，float*In)；//構(gòu)造函數(shù)~DiffEqutions()；//析構(gòu)函數(shù)voidSlvRg()}；

微分方程組類把微分方程組的共性抽象出來(lái)，如長(zhǎng)、起始時(shí)間、方程組初值、方程組維數(shù)等，定義如下：

面向?qū)ο蠓抡媾e例對(duì)于微分方程組表達(dá)式的操作，定義為虛函數(shù)；在具體求解一個(gè)微分方程組時(shí)，把這個(gè)微分方程組類作為父類，具體的微分方程組作為導(dǎo)出類，重新定義微分方程組這個(gè)操作，那么這個(gè)導(dǎo)出類就繼承了父類型微分方程組類的數(shù)據(jù)操作，這就是繼承性。采用上述方法求解微分方程組，，初值為，初始時(shí)間，仿真時(shí)間為10秒，仿真步長(zhǎng)為0.1。用龍格－庫(kù)塔法求解的源程序如下。

面向?qū)ο蠓抡媾e例//DiffEqu.hpp#ifndefDiffEqu_HPP#defineDiffEqu_HPP#endif//ThedefinationofVectorClass向量類的定義classVector{private：float*v；intsz；public：Vector()；Vector(ints)；Vector(ints,float*a)；Vector(constVector&.a)；～'Vector()；Vectoroperator+(constVector&)；Vectoroperator+(constfloat&)；Vectoroperator*(constfloat&)；float&operator[](constint&)；Vector&operator=(constVector&)；}；//ThedefinationofDiffEqutionsClass微分方程組類的定義

面向?qū)ο蠓抡媾e例classDiffEqutions{private：floatStep，TO，*Inn；intStepNum,Dim；virtualVectorEqutions(VectorYY.floatac){return(YY)；}VectorRunge(VectorYin,floatt)；public：DiffEqutions(floatSl,floatTl.intStepNum1,intDim1,float*IN)；~DiffEqutions()；voidSlvRg()；}；//DiffEqu.cpp#ifndefDiffEqu_HPP#include"DiffEqu.hpp"#endif#include<iostream.h>//ThemembersofVectorClass向量類成員函數(shù)Vector::Vector(){}Vector::Vector(ints,float*a){sz==s；v=newfloat[s]；for(inti=0；i<s；i++)v[i]=a[i]；}

面向?qū)ο蠓抡媾e例Vector::Vector(ints){sz=s；v=newfloat[s]；}Vector::Vector(constVector&a){sz==a.sz；v=newfloat[sz]；for(inti=0；i<s；i++)v[i]==a.v[i]；}Vector::Vector(){deletev；}VectorVector::operator+(constVector&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]+an.v[i]；returntemp；}VectorVector::operator+(constfloat&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]+an；return(temp)；}VectorVector::operator*(constfloat&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]*an；return(temp)；}float&Vector::operator[](constint&i){returnv[I]；}；Vector&Vector::operator=(constVector&a){sz=a.sz；v=newfloat[sz]；for(inti=0；i<sz；i++)v[I]=a.v[I]；return*this；}；

//ThemembersofDiffEqutionsClass

面向?qū)ο蠓抡媾e例DiffEqutions::DiffEqutions(floatSl,floatTl，intStepNum1，intDim1，float*IN){Step=S1；T0=t1；Dim=Dim1；StepNum=StepNum1；INN=newfloat[Dim]；for(inti=0；i<Dim；i++)INN[i]=IN[i]；}；DiffEqutions::～DiffEqutions(){deleteINN；}VectorDiffEqutions::Runge(VectorYin,floatt){VectorKl,K2.K3.K4,Yout；Kl=Equtions(Yin,t)*Step；K2=Equtions(Yin+Kl*.5,t+Step*.5)*Step；K3=Equtions(Yin+K2*.5,t+Step*.5)*Step；K4=Equtions(Yin+K3,t+Step)*Step；Yout=Yin+(K1+K2*2.+K3*2.+K4)*(1/6.)；return(Yout)；}；

面向?qū)ο蠓抡媾e例voidDiffEqutions::SlvRg(){floath,t；VectorYIN(Dim,INN)；for(inti=0,i<StepNum,i++){t=TO+I*Step；YIN=Runge(YIN，t)；for(intj=0,j<Dim,j++){h=YIN[j]；cout<<YIN[j]；}cout<<endl；}}//tl.cpp#include"tl.hpp"Vectortl::Equtions(VectorYin,floatt){VectorTEMP(2),TEMP[0]=l./Yin[1]；TEMP[l]=-l./Yin[0]；return(TEMP)；}#ifndefTl_HPP#defineTl_HPP#endif//tl.hpp

面向?qū)ο蠓抡媾e例#ifndefDIFFEQU_HPP#include"DIFFEQU.HPP"#endifclasstl:publicDiffEqutions{public:t1(floatSl,floatTl,intStepNum1,intDim1,float*IN):DiffEqutions(Sl,Tl,StepNum1,Dim1,IN){}；virtualVectorEqutions(VectorYin,floatt)；}；//Mainprogram#include"tl.hpp"voidmain(){floata[3]={1.1,0.9}；t1CC(0.1,0.1,10,2,a)；CC.SlvRg()；}8.2分布交互仿真技術(shù)

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程分布交互仿真(DistributedInteractiveSimulation,DIS)是“采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)將分布在各地的仿真設(shè)備互聯(lián)并交互作用，同時(shí)可由人參與交互作用的一種綜合環(huán)境”。它以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為支撐，將分散于不同地域的相對(duì)獨(dú)立的各類仿真器互聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)大規(guī)模、多參與者協(xié)同作用的綜合虛擬環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)含人平臺(tái)、非含人平臺(tái)間的交互以及平臺(tái)與環(huán)境間的交互。分布交互仿真在軍事方面的應(yīng)用主要有：

在新型武器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)早期對(duì)其功能做先期演示驗(yàn)證；

開(kāi)發(fā)新的戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)概念；

規(guī)劃、推演和重演作戰(zhàn)任務(wù)；

在一個(gè)虛擬環(huán)境中訓(xùn)練大規(guī)模兵力并進(jìn)行武器系統(tǒng)效能評(píng)估。分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：DIS階段、ALSP階段和目前的HLA階段，可以用圖表示其發(fā)展過(guò)程如圖所示

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程圖8.2.1分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展歷程

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程1983年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DAPAR)正式提出了SIMNET(SimulationNetworking)研究計(jì)劃，并得到美國(guó)陸軍的支持，該計(jì)劃的最初目的是希望將分散于各地的多個(gè)地面車輛(坦克、裝甲車等)訓(xùn)練模擬器用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來(lái)，進(jìn)行各種復(fù)雜任務(wù)的綜合訓(xùn)練。到80年代末，SIMNET計(jì)劃結(jié)束時(shí)，已形成了約260個(gè)地面車輛仿真器和飛機(jī)仿真器以及指揮中心和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等的綜合仿真網(wǎng)。SIMNET的成功應(yīng)用使美國(guó)軍方充分認(rèn)識(shí)到這一技術(shù)的潛在作用。1989年在美國(guó)陸軍、建模與仿真辦公室DMSO和DARPA的共同倡導(dǎo)和支持下，正式提出了分布交互仿真的概念，并制訂了一套面向分布式仿真的標(biāo)準(zhǔn)文件，以使這一技術(shù)向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化的方向發(fā)展。美國(guó)陸軍的CATT計(jì)劃、WARSIM2000計(jì)劃、NPSNET計(jì)劃、STOW計(jì)劃等都采用了DIS標(biāo)準(zhǔn)?；贒IS標(biāo)準(zhǔn)的分布

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程交互仿真系統(tǒng)的基本思想是通過(guò)建立一致的標(biāo)準(zhǔn)通信接口來(lái)規(guī)范異構(gòu)的仿真系統(tǒng)間的信息交換，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將位于不同地理位置上的仿真系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)異構(gòu)的綜合作戰(zhàn)仿真環(huán)境，滿足武器性能評(píng)估、戰(zhàn)術(shù)原則的開(kāi)發(fā)和演練以及人員訓(xùn)練等的需要。異構(gòu)的仿真系統(tǒng)間的互操作是建立在標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)基礎(chǔ)上的。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始研究使用聚合級(jí)作戰(zhàn)仿真為聯(lián)合演習(xí)提供支持。所謂聚合級(jí)仿真是指揮團(tuán)、營(yíng)、連等部隊(duì)單元級(jí)的構(gòu)造仿真，而不是單個(gè)作戰(zhàn)人員和實(shí)體的仿真。按DIS標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的仿真系統(tǒng)用于平臺(tái)級(jí)實(shí)時(shí)連續(xù)系統(tǒng)的描述，聚合級(jí)仿真協(xié)議ALSP(AggregateLevelSimulationProtocol)用于分布的聚合級(jí)以離散事件為主的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，它實(shí)質(zhì)上

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程是“構(gòu)造仿真”。構(gòu)造仿真的時(shí)間管理不同于DIS系統(tǒng)，它不一定與實(shí)際時(shí)鐘直接聯(lián)系，而是采用時(shí)間步長(zhǎng)、事件驅(qū)動(dòng)等方法，它只要保證聚合級(jí)仿真系統(tǒng)中時(shí)間對(duì)所有仿真應(yīng)用是一致的，而且保證事件的因果關(guān)系正確。1990年1月，美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃署提出了聚合級(jí)仿真協(xié)議的概念，主要研究聚合級(jí)的分布構(gòu)造仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并將基于ALSP標(biāo)準(zhǔn)的分布交互仿真系統(tǒng)應(yīng)用于1992年、1994年和1996年的軍事演習(xí)，使ALSP標(biāo)準(zhǔn)得到了改進(jìn)和完善。在DIS和ALSP的基礎(chǔ)上，為消除DIS在體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議等方面的局限和不足，又發(fā)展了新的分布交互仿真體系結(jié)構(gòu)HLA，它能提供更大規(guī)模的、將構(gòu)造仿真、虛擬仿真、實(shí)況仿真集成在一起的綜合環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各類仿真系統(tǒng)間的互操作、動(dòng)態(tài)管理、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊、系統(tǒng)和部件的重用、以及建立不同層次和不同粒度的對(duì)象模型。1995年美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了針對(duì)建模與仿真領(lǐng)域的通

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程用技術(shù)框架，該框架由任務(wù)空間概念模型(CMMS，ConceptualModelofMissionSpace)、高層體系結(jié)構(gòu)HLA(HighLevelArchitecture)和一系列的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)三部分組成，其中高層體系結(jié)構(gòu)是通用框架的核心內(nèi)容。美國(guó)國(guó)防部已宣布不再支持非HLA標(biāo)準(zhǔn)的仿真系統(tǒng)，HLA已經(jīng)成為目前分布交互仿真系統(tǒng)普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)。

分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)分布交互仿真與以往的仿真技術(shù)不同，具體表現(xiàn)在以下方面：

在體系結(jié)構(gòu)上，由過(guò)去的集中式、封閉式發(fā)展到分布式、開(kāi)放式和交互式，構(gòu)成在互操作、可移植、可伸縮及強(qiáng)交互的協(xié)同仿真體系結(jié)構(gòu)。

在功能上，由原來(lái)的單個(gè)武器平臺(tái)的性能仿真，發(fā)展到復(fù)雜環(huán)境下，以多武器平臺(tái)為基礎(chǔ)的體系與體系對(duì)抗仿真。

在手段上，從單一的構(gòu)造仿真、實(shí)況仿真和虛擬仿真，發(fā)展成集上述多種仿真為一體的綜合仿真系統(tǒng)。

在效果上，由只能從系統(tǒng)外部觀察仿真的結(jié)果或直接參與實(shí)際物理系統(tǒng)的測(cè)試，發(fā)展到能參與到系統(tǒng)中，與系統(tǒng)進(jìn)行交互作用，并可得到身臨其境的感受。分布交互仿真是計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與仿真需求不斷發(fā)展的結(jié)果，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在五個(gè)方面，即分布性、交互性、異構(gòu)性、時(shí)空一致性和開(kāi)放性。分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)(1)分布性：分布式交互仿真的分布性表現(xiàn)為地域分布性、任務(wù)分布性和系統(tǒng)的分布性。地域分布性是指組成仿真系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處于不同的地域。它們可以同處于一個(gè)局域網(wǎng)中，也可以處于不同的局域網(wǎng)中；可以處于同一個(gè)城市，也可以處于不同的城市甚至不同的國(guó)家。任務(wù)分布性是指同一個(gè)仿真任務(wù)可以由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)共同協(xié)同完成。比如一個(gè)實(shí)時(shí)仿真結(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)的通信、大量的模型解算和圖形的繪制等，其中每一項(xiàng)都需要大量的計(jì)算。為了保證該結(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，可以配置多臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)分別其任務(wù)。這種同一任務(wù)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)同完成的現(xiàn)象就是任務(wù)分布性。系統(tǒng)的分布性是指同一個(gè)仿真系統(tǒng)可以分布在不同的計(jì)算機(jī)上。這些計(jì)算機(jī)可以處于同一地域，也可以處于不同的地域。(2)交互性：分布式交互仿真的交互性包括人機(jī)交互和作戰(zhàn)時(shí)的對(duì)抗交互。所謂人機(jī)交互是指參與作戰(zhàn)演習(xí)的人員通過(guò)計(jì)算機(jī)將其對(duì)仿真系統(tǒng)的命令傳達(dá)給仿真系統(tǒng)。比如指揮人員通過(guò)計(jì)算機(jī)下達(dá)系統(tǒng)暫停命令等。所謂對(duì)抗交互是指參與作戰(zhàn)的對(duì)抗雙方相互之間交互作戰(zhàn)信息。比如紅方向藍(lán)方進(jìn)行了一次射擊，則紅方應(yīng)該將射擊PDU發(fā)送給系統(tǒng)中的藍(lán)方，以保證作戰(zhàn)環(huán)境的時(shí)空一致性。

分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)(3)異構(gòu)性：分布式交互仿真的另一個(gè)突出的特點(diǎn)是對(duì)已有系統(tǒng)的集成。如何將這些地域上分散、不同的制造廠商開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)的硬件和軟件配置各不相同、實(shí)體表示方法與精度各異的仿真結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)并實(shí)現(xiàn)互操作，就成為研究人員待解決的問(wèn)題，也是DIS技術(shù)中的關(guān)鍵。(4)時(shí)空一致性：在分布式交互仿真系統(tǒng)中，人是通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的綜合環(huán)境的各種真實(shí)的感受來(lái)作出響應(yīng)而形成＂人在回路”的仿真，所以DIS系統(tǒng)必須保證仿真系統(tǒng)中的時(shí)間和空間與現(xiàn)實(shí)世界中的時(shí)間和空間的一致性。時(shí)空一致性是指DIS各節(jié)點(diǎn)或各軟件對(duì)象的行為根據(jù)所模擬的時(shí)空關(guān)系，按嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行，以使用戶產(chǎn)生逼真的時(shí)空感受。為此必須建立統(tǒng)一的時(shí)間和空間基準(zhǔn)。時(shí)空一致性原則要求DIS網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)在交互作用時(shí)，其狀態(tài)信息應(yīng)具有統(tǒng)一的幾何和時(shí)間表達(dá)。(5)開(kāi)放性：開(kāi)放性是指體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性，其目的是建立一種具有廣泛適用性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，在這一框架下可以實(shí)現(xiàn)各類系統(tǒng)或子系統(tǒng)的集成，以構(gòu)建大規(guī)模的和多用途的作戰(zhàn)仿真。主要的集成包括：平臺(tái)級(jí)作戰(zhàn)仿真器、聚合級(jí)作戰(zhàn)仿真模型、評(píng)估和預(yù)測(cè)類分析模型、C4I系統(tǒng)和實(shí)際武器系統(tǒng)等。分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)分布交互仿真系統(tǒng)還有實(shí)時(shí)性的要求，即要求實(shí)體狀態(tài)必須是實(shí)時(shí)更新的、實(shí)體間的信息必須是實(shí)時(shí)傳播的、圖形顯示必須是實(shí)時(shí)生成的等。另外，在分布交互仿真系統(tǒng)中沒(méi)有中央計(jì)算機(jī)控制整個(gè)仿真演練。以往的仿真系統(tǒng)使用一個(gè)中央計(jì)算機(jī)來(lái)維護(hù)整個(gè)虛擬世界的狀態(tài)，并計(jì)算每個(gè)實(shí)體的行為對(duì)其他實(shí)體和環(huán)境的影響。而DIS系統(tǒng)中，通過(guò)分布式仿真方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各實(shí)體的互操作，由通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主機(jī)上的仿真應(yīng)用軟件來(lái)完成每個(gè)實(shí)體狀態(tài)的計(jì)算。當(dāng)新的主機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，它帶來(lái)了自己的資源。分布交互仿真的關(guān)鍵技術(shù)主要有：分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)(1)合理的分布式結(jié)構(gòu)合理平衡的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能是一切分布式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要解決的矛盾之一。從本質(zhì)上講，這意味著在給定可用資源(CPU計(jì)算速度、磁盤存儲(chǔ)容量、I/O吞吐率、鏈路帶寬、路由器轉(zhuǎn)發(fā)緩存容量、應(yīng)用程序、敏感信息等)及其代價(jià)的情況下，如何在網(wǎng)絡(luò)上合理分配以保證系統(tǒng)性能及設(shè)計(jì)約束(如某些信息只能置于某處或必須置于某組織監(jiān)控之下等)，解決方案直接體現(xiàn)于系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。(2)信息交換標(biāo)準(zhǔn)為了生成時(shí)空一致的仿真環(huán)境，并支持仿真實(shí)體間的交互作用，必須制定相應(yīng)的信息交換標(biāo)準(zhǔn)。目前，DIS中普遍采用的是IEEE1278標(biāo)準(zhǔn)，主要包括信息交換的內(nèi)容、格式的約定以及通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的選取等。對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，rotocolDataUnit)中的數(shù)據(jù)信息的格式和含義都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，這些PDU在仿真應(yīng)用之間、以及仿真應(yīng)用與仿真管理程序之間進(jìn)行交換。例如，實(shí)體狀態(tài)PDU的組成如圖所示：

分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

圖8.2.2實(shí)體狀態(tài)PDU(3)DR技術(shù)DR(DeadReckoning)是DIS中普遍采用的一項(xiàng)技術(shù),它可以在仿真精度和通信帶寬之間進(jìn)行很好的折衷，即可以在一定的仿真精度要求的前提下，大大減少仿真結(jié)點(diǎn)之間的狀態(tài)信息傳遞次數(shù)。DR算法的基本思想可概括為以下三點(diǎn)：①仿真實(shí)體除有一個(gè)精確的運(yùn)動(dòng)模型外，還在本結(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)模型(DR模型)；分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)②在每個(gè)仿真結(jié)點(diǎn)中放入可能與之發(fā)生交互作用的其他結(jié)點(diǎn)的DR模型，并以這些模型為依據(jù)推算這些結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，供本結(jié)點(diǎn)的有關(guān)功能模塊使用；③當(dāng)自身的精確模型輸出與DR模型輸出之差大于某一個(gè)給定閾值時(shí)，向其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送自身狀態(tài)的更新信息，同時(shí)更新自身DR模型的狀態(tài)。(4)時(shí)鐘同步技術(shù)時(shí)間一致性和空間一致性是DIS系統(tǒng)中的典型問(wèn)題，時(shí)空一致性是指DIS各仿真結(jié)點(diǎn)或各軟件對(duì)象的行為所模擬的時(shí)空關(guān)系，按嚴(yán)格規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行，以給用戶造成逼真的和符合實(shí)際的時(shí)空感受。作為一個(gè)分布式系統(tǒng)，導(dǎo)致DIS時(shí)空不一致性的因素包括：分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

各結(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘不同步(未校準(zhǔn)于某同一時(shí)鐘，即時(shí)間一致性問(wèn)題)；

網(wǎng)絡(luò)阻塞導(dǎo)致仿真結(jié)點(diǎn)間的信息傳遞延遲；

消息接收順序與發(fā)送順序不一致。在分布交互仿真系統(tǒng)中，時(shí)鐘同步方法分為三類：a.軟件同步算法。完全利用軟件完成分布式系統(tǒng)中各時(shí)鐘的同步，但這種軟件發(fā)生同步的工作量很大，且結(jié)點(diǎn)間的同步偏差容易積累，更重要的是，同步信息在廣域網(wǎng)上傳輸時(shí)延遲大，且有很大的不確定性，這會(huì)使軟件同步的效果不理想。b.硬件同步。硬件同步往往是借助于全球定位系統(tǒng)(GPS)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于GPS硬件的價(jià)格昂貴，完全依靠GPS進(jìn)行同步的成本很高，不現(xiàn)實(shí)。

分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)c.分層式混合同步。采用硬件和軟件同步一起工作來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步。具體描述如下：對(duì)于DIS中的每一個(gè)局域網(wǎng)，選擇某一個(gè)結(jié)點(diǎn)作為TIMERMaster，并在TM中引入一個(gè)GPS接收機(jī)及相應(yīng)的時(shí)鐘接口設(shè)備，這樣，在不同的LAN中的TM就可以通過(guò)GPS的時(shí)間信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步；在每一個(gè)LAN內(nèi)部，各結(jié)點(diǎn)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)與該LAN的TM同步。(5)接口處理技術(shù)由于分布式交互仿真是對(duì)已有系統(tǒng)的集成，這些系統(tǒng)可以是不同的制造廠商生成、系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)配置各不相同、實(shí)體表示方法與描述精度各異的且在地域上也是分散的。通常這些仿真結(jié)點(diǎn)具有自己的仿真約定，而這些約定不一定遵從分布交互仿真協(xié)議。因此，要將這些結(jié)點(diǎn)納入分布交互仿真環(huán)境中，就必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛿U(kuò)充。如果這些修改和擴(kuò)充完全通過(guò)仿真結(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，將會(huì)給仿真結(jié)點(diǎn)造成很大的負(fù)擔(dān)。此外，一旦結(jié)點(diǎn)脫離分布交互仿真環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，還需將上述改動(dòng)復(fù)原，這就破壞了仿真結(jié)點(diǎn)各自的獨(dú)立性。故這種方法通用性差，效率較低。分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)引入接口處理器(InterfaceProcessor,簡(jiǎn)稱IP)的目的正是為了解決由于聯(lián)網(wǎng)而附加給仿真結(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，從而減少對(duì)仿真結(jié)點(diǎn)所做的修改，最大限度地維護(hù)結(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性。換句話說(shuō)，結(jié)點(diǎn)間的交互作用首先通過(guò)接口處理器進(jìn)行預(yù)處理，從而將各個(gè)結(jié)點(diǎn)的差異封裝起來(lái)。因此，接口處理器是不同仿真結(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的必要裝置，也是分布交互仿真中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

分布交互仿真技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)(6)虛擬環(huán)境技術(shù)為了保證仿真的真實(shí)性，需要生成虛擬的天空、陸地海洋等地理環(huán)境及風(fēng)、雨、雷、電等自然現(xiàn)象。虛擬環(huán)境技術(shù)還包括計(jì)算機(jī)生成兵力CGF(ComputerGeneratedForces)和CCA(ComputerControlledAircraft)的智能技術(shù)。這對(duì)于構(gòu)造時(shí)空一致的逼真的仿真環(huán)境是極為重要的。

(7)仿真管理技術(shù)DIS中涉及大量的仿真結(jié)點(diǎn)，為了更好地使各結(jié)點(diǎn)在時(shí)空一致的仿真環(huán)境中運(yùn)行，必須對(duì)仿真結(jié)點(diǎn)的運(yùn)行過(guò)程(初始化、啟動(dòng)、暫停、中止)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和調(diào)度。8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)仿真實(shí)體(SimulationEntity)、仿真結(jié)點(diǎn)(SimulationNode)、仿真應(yīng)用(SimulationApplication)、仿真管理計(jì)算機(jī)(SimulationManager)、仿真演練(SimulationExercise)和仿真主機(jī)(SimulationHost)是DIS系統(tǒng)經(jīng)常遇到的幾個(gè)概念。其中，仿真結(jié)點(diǎn)可能是一臺(tái)仿真主機(jī)，也可能是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。很多情況下，仿真結(jié)點(diǎn)和仿真主機(jī)并不嚴(yán)格區(qū)分，均指參與仿真演練的計(jì)算機(jī)，在一個(gè)DIS網(wǎng)絡(luò)中，包含多個(gè)仿真結(jié)點(diǎn)；仿真應(yīng)用包括軟件和真實(shí)設(shè)備之間的計(jì)算機(jī)硬件接口，每一臺(tái)仿真主機(jī)中都駐留有一個(gè)仿真應(yīng)用；一個(gè)或多個(gè)互相交換的仿真應(yīng)用構(gòu)成一個(gè)仿真演練，參與同一仿真演練的仿真應(yīng)用共享一個(gè)演練標(biāo)識(shí)符；仿真實(shí)體是仿真環(huán)境中的一個(gè)單位，每一個(gè)仿真應(yīng)用負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)或多個(gè)仿真實(shí)體的狀態(tài)；仿真管理計(jì)算機(jī)中駐留有仿真管理軟件，負(fù)責(zé)完成局部或全局的仿真管理功能。圖形象地表明了以上各概念的含義及它們之間的關(guān)系。8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)圖8.2.3DIS中的幾個(gè)基本概念及其相互關(guān)系8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)DIS在邏輯上采用的是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如圖所示。其中的每一個(gè)仿真結(jié)點(diǎn)都將本結(jié)點(diǎn)的實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中其他所有的仿真應(yīng)用，同時(shí)又接收其他仿真應(yīng)用的信息。按照DIS的原則，由接收方來(lái)決定所收到的信息是否對(duì)本結(jié)點(diǎn)有用，如果是無(wú)用信息，就將其放棄。圖8.2.4DIS邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)DIS的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可概括為：

自治的仿真應(yīng)用負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)或多個(gè)仿真實(shí)體的狀態(tài)；

用標(biāo)準(zhǔn)PDU來(lái)傳送數(shù)據(jù)；

仿真應(yīng)用負(fù)責(zé)發(fā)送仿真實(shí)體的狀態(tài)金額交互信息；

由接收仿真應(yīng)用來(lái)感知事件或其他實(shí)體的存在；

用DR算法來(lái)減少網(wǎng)絡(luò)中的通信負(fù)荷。DIS的這種網(wǎng)狀邏輯結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)管理角度來(lái)說(shuō)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)規(guī)范異構(gòu)的仿真結(jié)點(diǎn)間信息交換的格式、內(nèi)容及通信規(guī)則，DIS實(shí)現(xiàn)了分布仿真系統(tǒng)間的互操作，構(gòu)成一個(gè)仿真環(huán)境。然而，這種建立在數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)之上的體系結(jié)構(gòu)畢竟是一種低層次的隨意的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)對(duì)與處理具有復(fù)雜的邏輯層次關(guān)系的系統(tǒng)是不完備的。由于自治的仿真結(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等的關(guān)系，所以每個(gè)仿真結(jié)點(diǎn)不僅要完成自身的仿真功能，還要完成信息的發(fā)送、接收、理解等處理。不同的仿真結(jié)點(diǎn)間的邏輯和功能

8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的層次關(guān)系只是通過(guò)在PDU中增加某些信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，隨著DIS需求的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)DIS結(jié)構(gòu)存在一定的局限性，主要表現(xiàn)是：(1)體系結(jié)構(gòu)方面的缺陷：由于DIS把數(shù)據(jù)定義于結(jié)構(gòu)之中，使得DIS協(xié)議不夠靈活和高效，例如如果某實(shí)體要通知其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)體它的狀態(tài)發(fā)生了變化，這一狀態(tài)改變只需要PDU數(shù)據(jù)的某一位發(fā)生變化，但它必須發(fā)送整個(gè)實(shí)體狀態(tài)PDU來(lái)表示這一改變。(2)對(duì)于聚合級(jí)仿真不太適合：DIS是定位于實(shí)時(shí)、平臺(tái)級(jí)的分布式仿真，對(duì)于聚合級(jí)仿真等要求不同時(shí)間推進(jìn)機(jī)制的仿真應(yīng)用則不太適合。(3)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷及處理負(fù)擔(dān)：DIS使用廣播方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣不僅加重了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，也加重了各結(jié)點(diǎn)的處理負(fù)擔(dān)。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)1992年，美國(guó)國(guó)防部提出了“國(guó)防建模與仿真倡儀”，要求在全新的結(jié)構(gòu)、方法和先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)上，建立一個(gè)廣泛的、高性能的、一體化的和分布的國(guó)防建模與仿真綜合環(huán)境，并提出了應(yīng)用性、綜合性、可用性、靈活性、真實(shí)性和開(kāi)放性的要求。在經(jīng)過(guò)四個(gè)原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)后，于1996年8月正式公布了HLA體系結(jié)構(gòu)。HLA是分布交互仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)通用的仿真技術(shù)框架，它定義了構(gòu)成仿真各部分的功能及相互間的關(guān)系。HLA涉及以下幾個(gè)基本概念：聯(lián)邦(Federation)：為實(shí)現(xiàn)某種特定的仿真目的而組織到一起，并能夠彼此進(jìn)行交互作用的仿真系統(tǒng)、支撐軟件和其它相關(guān)的部件就構(gòu)成一個(gè)聯(lián)邦，其執(zhí)行過(guò)程稱為聯(lián)邦執(zhí)行。聯(lián)邦成員(Federate)：組成聯(lián)邦的各仿真應(yīng)用系統(tǒng)稱為聯(lián)邦成員。對(duì)象(Object)：對(duì)象在這里是指對(duì)某一應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)所要進(jìn)行仿真的實(shí)體建立的模型。圖是HLA框架下聯(lián)邦組成的邏輯示意圖。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)

圖8.2.5HLA的邏輯拓?fù)湓贖LA框架下，聯(lián)邦成員通過(guò)RTI(RuntimeInfrastructure)構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放性的分布式仿真系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性。其中，聯(lián)邦成員可以是真實(shí)實(shí)體系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系統(tǒng)以及一些輔助性的仿真應(yīng)用。在聯(lián)邦的運(yùn)行階段，這些成員之間的數(shù)據(jù)交換必須通過(guò)RTI。運(yùn)行時(shí)間支撐框架RTI底層通訊支持系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)通訊或共享內(nèi)存方式等)聯(lián)邦成員2RTI接口模塊聯(lián)邦成員NRTI接口模塊聯(lián)邦成員1RTI接口模塊

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)HLA的基本思想就是利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的對(duì)象模型來(lái)獲得仿真聯(lián)邦的高層次互操作和可重用。HLA主要由三部分組成：(1)(Rules)：描述了定義HLA應(yīng)遵循的基本原則，共包括10條基本規(guī)則；相容性規(guī)則給出了使仿真納入HLA中所必須遵守的一些規(guī)則。這些規(guī)則分為聯(lián)邦(Federation)規(guī)則和聯(lián)邦成員(Federate)規(guī)則兩部分。聯(lián)邦規(guī)則主要概括為：1在一個(gè)聯(lián)邦中，每個(gè)對(duì)象的表現(xiàn)應(yīng)限于聯(lián)邦成員內(nèi)，不應(yīng)在RTI中；2在一個(gè)聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中，所有聯(lián)邦成員內(nèi)的FOM數(shù)據(jù)交換必須經(jīng)過(guò)RTI；3在一個(gè)聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中，所有聯(lián)邦成員與RTI間的接口必須符合接口規(guī)范；4在一個(gè)聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)對(duì)象的屬性在任何給定時(shí)刻必須從屬于唯一的一個(gè)聯(lián)邦成員；5每一個(gè)聯(lián)邦必須具有一個(gè)FOM來(lái)描述對(duì)象間的交互；

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)聯(lián)邦成員規(guī)則主要概括為：1每個(gè)聯(lián)邦成員必須具有一個(gè)SOM來(lái)描述對(duì)象的屬性；2聯(lián)邦成員應(yīng)能夠在SOM中更新和(或)接收對(duì)象屬性，并能夠發(fā)送和(或)接收外部對(duì)象的交互信息；3聯(lián)邦成員應(yīng)能夠在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地傳遞和(或)接收屬性所有權(quán)；4聯(lián)邦成員應(yīng)能夠變化相應(yīng)的條件值，以保證對(duì)象屬性的更新；5聯(lián)邦成員應(yīng)能夠管理局部時(shí)間，以協(xié)調(diào)與聯(lián)邦內(nèi)其它成員的數(shù)據(jù)交換；(2)對(duì)象模型模板(ObjectModelTemplate:OMT)：描述了建立HLA對(duì)象模型應(yīng)遵守的書(shū)寫規(guī)范；OMT是對(duì)仿真中的對(duì)象、對(duì)象屬性和對(duì)象間信息交互的格式和內(nèi)容進(jìn)行定義的標(biāo)準(zhǔn)化描述。HLA中的聯(lián)邦對(duì)象模型FOM(FederationObjectModel)和仿真對(duì)象模型SOM(SimulationObjectModel)是通過(guò)OMT來(lái)描述的，F(xiàn)OM借助于OMT提供的標(biāo)準(zhǔn)

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)化的記錄格式，為一個(gè)特定的聯(lián)邦中各聯(lián)邦成員之間需交換的數(shù)據(jù)的特性進(jìn)行描述，以便各聯(lián)邦成員在聯(lián)邦的運(yùn)行中正確、充分地利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行互操作。FOM中的數(shù)據(jù)主要包括：聯(lián)邦中的作為信息交換主體的對(duì)象類及其屬性，交互類及其參數(shù)，以及對(duì)它們本身特性的說(shuō)明。SOM描述的是各個(gè)仿真成員在聯(lián)邦運(yùn)行過(guò)程中可以提供(公布)給聯(lián)邦的信息，以及它需要(定購(gòu))從其它仿真成員接收的信息，它反映的是仿真成員具備的向外界“公布”信息的能力及其向外界“定購(gòu)”信息的需求。與FOM一樣，SOM中包含的數(shù)據(jù)也是作為信息交換主體的對(duì)象類及其屬性和交互類及其參數(shù)以及對(duì)它們本身特性的說(shuō)明。FOM/SOM是一種建模的標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)和方法，它便于模型的建立、修改、生成與管理，便于仿真資源的重用。OMT由對(duì)象模型鑒別表、對(duì)象類結(jié)構(gòu)表、屬性表、交互類結(jié)構(gòu)表、參數(shù)表、維數(shù)表、時(shí)間表示表、用戶定義的標(biāo)簽表、同步表、傳輸類型表、開(kāi)關(guān)表、數(shù)據(jù)類型和FOM/SOM詞典組成。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)(3)接口規(guī)范說(shuō)明(InterfaceSpecification)：描述了聯(lián)邦成員與HLA運(yùn)行時(shí)間框架(RunTimeInfrastructure:RTI)之間的功能接口。RTI是一組應(yīng)用軟件，在每個(gè)聯(lián)邦成員的主機(jī)中都有駐留程序，可看作是一個(gè)分布式的操作系統(tǒng)。它作為分布式仿真的運(yùn)行支撐系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)各類仿真應(yīng)用之間的交互操作，是聯(lián)接系統(tǒng)各部分的紐帶，是HLA仿真系統(tǒng)的核心。聯(lián)邦成員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中遵守相應(yīng)的規(guī)則和與RTI的接口規(guī)范，在運(yùn)行過(guò)程中也只與本機(jī)中的RTI駐留程序進(jìn)行直接交互，其余的交互任務(wù)全部由RTI來(lái)完成?？梢?jiàn)，HLA系統(tǒng)的通訊任務(wù)實(shí)際上是在分布的各個(gè)RTI部件之間完成的。RTI為多種類型的仿真間的交互提供了通用服務(wù)，這些服務(wù)主要包括如下六個(gè)方面：

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)1聯(lián)邦管理(FederationManagement)：對(duì)聯(lián)邦執(zhí)行的整個(gè)生命周期的活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)；2聲明管理(DeclarationManagement)：提供服務(wù)使聯(lián)邦成員聲明它們能夠希望創(chuàng)建和接收的對(duì)象狀態(tài)和交互信息，實(shí)現(xiàn)基于對(duì)象類或交互類的數(shù)據(jù)過(guò)濾；3對(duì)象管理(ObjectManagement)：提供創(chuàng)建、刪除對(duì)象，以及傳輸對(duì)象數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)等服務(wù)；4所有權(quán)管理(OwnershipManagement)：提供聯(lián)邦成員間轉(zhuǎn)換對(duì)象屬性所有權(quán)服務(wù)；5時(shí)間管理(TimeManagement)：控制協(xié)調(diào)不同局部時(shí)鐘管理類型的聯(lián)邦成員(如DIS仿真系統(tǒng)、實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、時(shí)間步長(zhǎng)仿真系統(tǒng)和事件驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)等)在聯(lián)邦時(shí)間軸上的推進(jìn)，為各聯(lián)邦成員對(duì)數(shù)據(jù)的不同的傳輸要求(如可靠的傳輸和最佳效果傳輸)提供服務(wù)；6數(shù)據(jù)分布管理(DataDistributedManagement)：通過(guò)對(duì)路徑空間和區(qū)域的管理，提供數(shù)據(jù)分發(fā)的服務(wù)。允許聯(lián)邦成員規(guī)定它發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)的分發(fā)條件，以便更有效地分發(fā)數(shù)據(jù)。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)HLA采用對(duì)稱的體系結(jié)構(gòu)。所謂對(duì)稱的體系結(jié)構(gòu)是指在整個(gè)仿真系統(tǒng)中，所有的應(yīng)用程序都是通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口形式進(jìn)行交互作用。共享服務(wù)和資源是實(shí)現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)。一方面，HLA正是分布仿真的開(kāi)發(fā)、執(zhí)行同相應(yīng)的支撐環(huán)境分離開(kāi)，這樣可以使仿真人員將重點(diǎn)放在仿真模型及交互模型的設(shè)計(jì)上，在模型中描述對(duì)象間所要完成的交互動(dòng)作和所需交互的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心交互動(dòng)作和數(shù)據(jù)交換是如何完成的；另一方面，RTI為聯(lián)邦中的仿真提供一系列標(biāo)準(zhǔn)的接口(API)服務(wù)，用以滿足仿真所要求的數(shù)據(jù)交換和交互動(dòng)作完成，同時(shí)還要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)方面各個(gè)層次上的信息流的交互，使聯(lián)邦能夠協(xié)調(diào)執(zhí)行。聯(lián)邦成員在對(duì)象模型中聲明的要求傳輸給相應(yīng)的成員，并完成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)操作，從而實(shí)現(xiàn)將變化的信息傳輸?shù)叫枰牡胤?，這樣可以大量減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而不像DIS那樣采用廣播的方式將所有信息傳輸?shù)剿薪Y(jié)點(diǎn)。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)在HLA的體系下，由于RTI提供了較為通用的標(biāo)準(zhǔn)軟件支撐服務(wù)，具有相對(duì)獨(dú)立的功能，可以保證在聯(lián)邦內(nèi)部實(shí)現(xiàn)成員及部件的即插即用(PlugandPlay)，針對(duì)不同的用戶需求和不同的目的，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦快速、靈活的組合和重配合，保證了聯(lián)邦范圍內(nèi)的互操作和重用。此外，防止同其支撐環(huán)境分離，通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的接口服務(wù)，隱蔽了各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以使這兩部分相對(duì)獨(dú)立地開(kāi)發(fā)，而且可以最大程度地利用各自領(lǐng)域的最新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的功能和服務(wù)，而不會(huì)相互干擾。這就使分布交互仿真的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展保持同步。HLA的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可概括為：

仿真應(yīng)用之間不直接通信，所以網(wǎng)絡(luò)通信功能集中由RTI實(shí)現(xiàn)。

向RTI發(fā)出某種接口服務(wù)的功能調(diào)用，RTI根據(jù)各個(gè)仿真應(yīng)用的需要，調(diào)動(dòng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布。

判斷服務(wù)請(qǐng)求所要求的通信機(jī)制，最后按照所要求的通信機(jī)制與相應(yīng)的仿真應(yīng)用通信。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)作為HLA核心的仿真運(yùn)行支撐系統(tǒng)RTI的開(kāi)發(fā)是HLA研究的重點(diǎn)，RTI實(shí)際上是一個(gè)中間件，它提供HLA接口規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)接口調(diào)用，按照HLA規(guī)則開(kāi)發(fā)的各類仿真應(yīng)用能夠方便地“插到”RTI之上，并通過(guò)RTI提供的服務(wù)完成各類仿真應(yīng)用之間的互操作。目前，有美國(guó)國(guó)防部推出的DMSORTI、瑞典PITCH公司的pRTI和美國(guó)MARK公司推出的MARKRTI，國(guó)內(nèi)也有國(guó)防科技大學(xué)推出了KDRTI。8．3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念近十余年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了虛擬世界的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)技術(shù)又是發(fā)展最快的一項(xiàng)多學(xué)科綜合技術(shù)，“虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計(jì)算機(jī)和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的一種技術(shù)”，它綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有向用戶提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感知功能的能力，人們能夠在這個(gè)虛擬環(huán)境中觀察、聆聽(tīng)、觸摸、漫游、聞賞、并與虛擬環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行交互，從而使用戶親身體驗(yàn)沉浸虛擬空間中的感受。虛擬現(xiàn)實(shí)通常是指頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境，人們通過(guò)這些設(shè)施以自然的技能、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等多種感官的反饋。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已不僅僅是哪些戴著頭盔顯示器和傳感手套的技術(shù)，而且還應(yīng)包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)與方法。它要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)酷似客觀環(huán)境又超越客觀時(shí)空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機(jī)環(huán)境，也就是一個(gè)由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。它的最重要的目標(biāo)就是真實(shí)的體驗(yàn)和方便自然的人機(jī)交互，能夠達(dá)到或部分達(dá)到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。從概念上講，任何一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以用三個(gè)“I”來(lái)描述其特性，這就是沉浸“(Immersion)”“交互(Interaction)”“想象(Imagination)”。如圖所示。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念這三個(gè)“I”反映了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人的主導(dǎo)作用，其表現(xiàn)是：(1)人能夠沉浸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中，而不是僅從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部去觀測(cè)計(jì)算處理的結(jié)果；(2)人能夠用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，而不是僅通過(guò)鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用；(3)人可從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認(rèn)識(shí)從而深化概念和萌發(fā)新意，而不僅從以定量計(jì)算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)和對(duì)事物的認(rèn)識(shí)。

圖8.3.1三I圖

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念構(gòu)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要軟、硬件的支持，硬件方面主要有：(1)高性能計(jì)算機(jī)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須有運(yùn)算速度高、圖形能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)硬件支持，以實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的圖像并縮短參與者的視覺(jué)延遲。例如，SGI公司的InfiniteRealityTM系統(tǒng)的紋理填充可達(dá)到每秒20.6G象素，紋理下載速度是336Mbyte/秒，每秒可以處理244M、5×5的RGBA圖像。(2)頭盔顯示器。頭盔顯示器提供一種觀察虛擬世界的手段，通常支持兩個(gè)顯示源及一組光學(xué)器件。這組光學(xué)器件將圖像以預(yù)先確定的距離投影到參與者面前，并將圖形放大以加寬視域。(3)跟蹤定位系統(tǒng)。為了與三維虛擬世界交互，必須感知參與者的視線，即跟蹤其頭部的位置和方向，這需要在頭盔上安裝頭部跟蹤傳感器。為了在虛擬世界中移動(dòng)物體或移動(dòng)參與者的身體，必須跟蹤觀察者的手位和手勢(shì)，甚至于全身的各肢體的位置，此時(shí)參與者需要穿戴數(shù)手套和數(shù)據(jù)服裝。另外，也可使用三維或六維鼠標(biāo)和空間球等裝置與虛擬世界進(jìn)行交互。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念(4)立體聲音響和三維空間定位裝置系統(tǒng)。借助立體聲音響可以加強(qiáng)人們對(duì)虛擬世界的實(shí)際體驗(yàn)。聲音裝置采集或合成自然聲音信號(hào)，并利用特殊處理技術(shù)使這些信號(hào)在360°球體中空間化，使參與者即使頭部在運(yùn)動(dòng)也能感覺(jué)到聲音保持在原處不變。(5)觸覺(jué)/力量反饋裝置。觸覺(jué)反饋裝置使參與者除了接受虛擬世界物體的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號(hào)外，同時(shí)還能接受其觸覺(jué)刺激，如紋理、質(zhì)地感；力量反饋裝置則可以提供虛擬物體對(duì)人體的作用力，或虛擬物體之間的吸引力和排斥力的信號(hào)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念在軟件方面，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)除一般所需的軟件支撐環(huán)境之外，主要是需要提供一個(gè)產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集或產(chǎn)生虛擬環(huán)境的"外殼"。它至少具有以下的功能:

能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息；

能生成立體的顯示圖形；

能把各種數(shù)據(jù)庫(kù)(如地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)、物體形象數(shù)據(jù)庫(kù)等)、各種CAD軟件進(jìn)行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。具有典型代表性的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件有:虛擬世界工具箱WorldToolKit(WTK)、MultiGenCreator、Vega、Maya、IRISPerformer、VTree、OpenGVS等等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念典型的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由效果產(chǎn)生器、實(shí)景仿真器、應(yīng)用系統(tǒng)和幾何構(gòu)造系統(tǒng)組成。(1)效果產(chǎn)生器。效果產(chǎn)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括能產(chǎn)生沉浸感的各類輸入裝置，例如，頭盔顯示器、立體聲耳機(jī)等，以及能測(cè)定視線方向和手指動(dòng)作的輸裝置，例如頭部方向探測(cè)器和數(shù)據(jù)手套等。(2)實(shí)景仿真器。實(shí)景仿真器是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心部分，它由計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、軟件開(kāi)發(fā)具及配套硬件(如圖形和聲效卡)組成，接收或發(fā)送效果產(chǎn)生器產(chǎn)生或接收的信號(hào)。(3)應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是面向具體問(wèn)題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容，包括仿真的時(shí)態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)，以及仿真對(duì)象之間和仿真對(duì)象與用戶之間的交互關(guān)系。應(yīng)用軟件的內(nèi)容直接取決于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用目的。(4)幾何構(gòu)造系統(tǒng)。幾何構(gòu)造系統(tǒng)提供了描述仿真對(duì)象的物理屬性(外形、顏色、位置等)信息，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)在生成虛擬世界時(shí)需要使用和處理這些信息。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本概念實(shí)物虛化、虛物實(shí)化和高效的計(jì)算機(jī)信息處理是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三個(gè)主要方面。實(shí)物虛化是將現(xiàn)實(shí)世界的多維信息映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界。主要包括實(shí)體建模、空間跟蹤、聲音定位、視覺(jué)跟蹤和視點(diǎn)感應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界中的各種事物的多維特性映射到計(jì)算機(jī)的數(shù)字空間生成虛擬世界中的對(duì)應(yīng)事物，并使得虛擬環(huán)境對(duì)用戶操作的檢測(cè)和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。虛物實(shí)化是使計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的對(duì)人的感官的各種刺激盡可能逼真地反饋給用戶，從而使人產(chǎn)生沉浸感。主要是視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、力覺(jué)和觸覺(jué)等感知技術(shù)。高效的計(jì)算機(jī)信息處理，包括信息獲取、傳輸、識(shí)別、轉(zhuǎn)換，涉及理論、方法、交互工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)實(shí)物虛化和虛物實(shí)化的手段和途徑。一般來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)中計(jì)算機(jī)信息處理需要高計(jì)算速度、強(qiáng)處理能力、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)特性等特征。主要涉及數(shù)據(jù)管理技術(shù)、圖形圖像生成技術(shù)、聲音合成與空間化技術(shù)、模式識(shí)別以及分布式和并行計(jì)算等等關(guān)鍵