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建模与虚拟现实仿真资源库系统的初探
2010年8月6日    评论:    分享:

    作者:杜强芳,霍炬,王子才

 

    摘要:建模与虚拟现实仿真资源库系统是虚拟现实仿真环境的核心,是实现建模与仿真资源重用 性和提高虚拟现实仿真应用系统开发效率的重要支撑。本文初步探讨了建模与仿真资源库系统三个相关问题:建模与仿真资源库系统用户群、资源内容及其组织机制以及系统体系结构.文章主要部分:在传统Web数据库技术的基础上提出了一个基于分层、符合组件化思想,且具有扩庸 和互操作性的系统概念体系结构。

 

    引言

 

    仿真技术作为一种研究工具可以提高开发和研究系统的效率,但仿真技术本身的研究与应用常常需要花费较长的时间和较多的费用,特别是在复杂大系统的仿真中这个问题尤显突出。目前解决该问题的主要方法是提高仿真及其组件的互操作性和可重用性。为此在发展新的仿真技术的同时,必须改变人们传统的仿真活动方式。与整个研究活动日益趋于协同化一样,仿真研究与应用活动也正在从各部门独立的、自治的分散活动方式,走向集成的、协同的全局活动方式,其内在原因是追求提高仿真研究与应用活动的效率。美国国防部的DoD 500059-P,建模与仿真主计划(MSMPModeling and Simulation Master Plan),正是顺应了这一发展的趋势,提出一系列协同研究的纲要。

 

    MSMP中,美国国防部第一次提出了创建建模与仿真资源库系统(MSRRModeling and Simulation ResourceRepository)的需求:“DoD 应当创建一个分布式的MSRR系统,目的是为了方便有效地为建模与仿真(M&SModelingand Simulation)领域用户提供及时的、校核的和有效的数据、元数据、算法、模型、仿真应用和工具集,同时提供一些背景信息,如,模型假设、数据源、数据分类法、数据范围、算法的有效性和VVAC历史情况。整个MSRR系统的创建将有利于提高M&S资源的重用性和共享性,增加M&S的可信度。系统提供有关M&S资源的配置管理、访问、浏览和检索等工具。”

 

    MSRR系统包含了M&S领域内所有的资源,是整个仿真环境的核心,是实现可重用和提高仿真应用系统开发效率的重要支撑;正如MSMP所描述的,未来的M&S系统中将有很大一部分直接或间接地通过MSRR 系统获得, 因此对MSRR系统及其相关问题的研究有着十分重要的意义。目前DMSO等多个研究机构己在MSRR系统方面作了大量工作,并己开发了基于传统Web数据库技术的MSRR系统,受到了很好的预期效果。在国内,在基于Web技术的仿真应用和仿真数据管理方面,尚未广泛地开展深入的研究, 因此有必要进行这方面的研究。本文就MSRR 系统三个相关问题进行初步的探讨:系统用户群,资源内容及其组织机制和系统体系结构。在传统Web数据库技术的基础上重点提出了一个基于分层、符合组件化思想,且具有扩展性和互操作性的MSRR 系统概念体系结构。这为深入研究MSRR系统奠定了基础。

 

    1MS砌王系统用户群

 

    创建MSRR系统的目的:在作战仿真中为M&S用户和开发者提供所需的资源, 以提高系统开发的效率和可靠性。为此MSRR系统用户群应当涉及所有国防领域内M&S开发及应用研究的参与者和M&S应用策略的制定者,其中包括模型创建人员,训练人员,研究、开发和采办人员,测试及评估人员,系统分析人员,M&S开发人员,从事制定军事行动方案以及其他从事作战仿真分析性任务的人员,还包括M&S项目资助者和应用策略指定者。

 

    MSRR系统中,用户既是MSRR系统的使用者也是系统的维护者:在进行M&S应用系统开发和研究阶段,MSRR系统为用户提供应用系统所需的资源;在完成M&S应用系统开发和研究工作阶段,用户向MSRR 系统返回研究结果和反馈信息,作为MSRR 系统中的资源,让其他用户访问使用。显然在MSRR 系统用户使用和维护系统的同时,也是实现资源的重用性和改善M&S应用系统开发的可靠程度的过程。图1所示的是MSRR系统用户和MSRR系统之问的关系。

图1 MSRR系统用户和MSRR系统之问的关系
图1 MSRR系统用户和MSRR系统之问的关系 

    MSRR 系统用户群的确定, 有利于系统资源内容的确定,也为分析MSRR 系统体系结构提供了一定的依据。下面我们简单分析MSRR系统资源内容和组织机制。

 

    2MSRR系统中资源内容和组织机制

 

    MSRR系统涵盖各种M&S相关资源。同时为了更有效的管理和利用这些资源,按照资源类型(如模型资源、算法资源等)进行组织,而且各资源库节点之间尽量消除资源的冗余。在众多的资源中模型和仿真应用资源是整个MSRR系统的核心资源,包含这两种资源是决定一个节点存在的必要条件;其它的资源根据节点特定的要求而存在:例如文件I用信息,模拟器,算法,工具,数据源数据,数据集,组织,部门等等。

 

    在创建MSRR 系统初期,各资源的存在形式并不为资源的实际内容和格式。考虑的因素有下面两个方面:一部分资源涉及到的是一些私人或绝密信息,不可能把实际的资源

 

    内容与其他人共享;另外资源种类多,数量大,资源的内容复杂且难以规范表达。所以针对这些实际情况,采用了元数据的描述方法。从实际应用角度分析,采用元数据还可以大大减少MSRR 系统的容量,减少资源填充的工作量,有利于提高MSRR 系统用户对资源的查询效率,最为重要的一点是:使体系结构中的接口软件的实现过程变得简单而有效。

 

    下面一节我们将详细介绍系统体系结构的设计。

 

    3 MsRR系统体系结构

 

    MSRR系统体系结构的研究主要受两个方面的影响,一方面是仿真应用需求的扩大,传统简单的集中式资源库系统已不能满足用户的需求。经过数十年的发展,已经积累了大量类型不同的仿真资源,而且这些资源分布在领域的各个部门,怎样有效集成这些资源已成为M&S领域迫切需要解决的问题。并且对于分布在各地的MSRR 系统的用户来说,也需要提供统一的界面来填充和获取资源。另一方面,信息技术,如系统工程技术、分布式处理技术、Web数据库技术和软件工程技术等的飞速发展, MSRR 系统的体系结构设计提供了有力的技术支持。

 

    在设计的过程中,还应该考虑以下的情况:系统中现存的各种操作配置和未来出现的新技术必须相匹配,即系统要满足一定的兼容性; 同时为了提高资源的重用性和使用效率,应尽量使访问和更新资源库的过程简单化;因为系统中存在很大一部分的私人资源,如直接涉及武器系统性能和军队结构的信息,要求大部分资源由所属用户所有和维护;在用户往系统输入资源时,为了保证资源的可靠性,必须进行一系列资源的确认工作,这包括模型和仿真应用的W &A和数据的V、,&C;在用户填充和查询资源时,为了保证系统的安全性,必须进行身份验证。

 

    基于上述前提得出如下结论:采用分布式的、可扩展的、基于标准的、分层的以及安全的资源库集成体系结构。具体的设计方法为:运用组件思想,根据定义完好的(Weudefin酣功能和接口协调地集成各个资源库节点(RRNResour~Repository Node),并且按照公共服务支撑的总目标配置具体节点的功能。

 

    31定义MSRR系统体系结构的各元素

 

    一般来说,系统的体系结构是指一个系统的组成部分、各部分之间的关系, 以及制约其设计与发展的原理和准则。参照HLA规范,MSRR系统体系结构框架也由下面三个元素来定义的:

 

    (1) MSRR规则集(MSRRRules)

 

    MSRR 规则集是指MSRR系统在操作和互操作时所遵守的事务规则。规则描述MSRR 系统运行的通用理论以及现有和未来的MSRR 系统节点必须遵守自嗟本规则。规则集确保一些公共服务的顺利执行, 同时有效支持分布式MSRR 系统资源的分布式发现。下面列举MSRR系统节点可能的一些规则:如所有的资源库节点可简单通过一个密码或用户II)进行访问:所有的资源库节点必须有鉴定和授权(A&AAuthenticationandAuthorization)功能;可以实现资源库节点中任何资源的搜索工作;使用单一的资源库模板(RTRepository Template);另外要求把验收、鉴定或验证信息在查找过程中列于优先的位置。

   

    (2) MSRR接口规范(MSRR Interface Specification)

 

    接口规范描述了每一个MSRR 系统节点上的公共服务集,同时也描述了作为公共服务集一部分的软件功能性— —软件互换功能。可能包括的公共服务集有:搜索引擎,安全程序,转换器,注册模块和帮助桌面。

 

    (3)资源库模板(Repository Template)

 

    资源库模板记录的是查询资源所需要的注册级信息的基本集合,也是每个节点与别的分布式MSRR节点进行数据交换时所使用的单一数据格式。

 

    这三个元素同时也应用于M&S领域相关的单个资源库节点,为系统体系结构的定义提供了一个通用框架,使得MSRR系统最终成为一个SoS (System ofsystems)系统。

 

    32 MSRR系统体系结构功能视图

 

    根据上面的分析,我们认为MSRR系统体系结构主要由四部分功能组件组成:组成MSRR系统的各资源库节点;公共服务支撑;用户与MSRR 系统交互的用户界面;还有各资源库节点和用户界面通向公共服务支撑的标准接口。该系统体系结构功能视图如图2所示。

图2 MSRR体系结构功能视图
图2 MSRR体系结构功能视图 

    33 MSRR互操作体系结构

 

    根据美国国防部建模与仿真主计划中描述的MSRR系统的需求以及MSRR 系统体系结构功能设计,并且结合当今快速发展的Web分布式计算技术和数据库技术,我们可以对MSRR系统作出如下的描述:

 

    MSRR系统使用www 协议、公共规则集、接口规范以及包括各公共服务集(如:注册模块,安全软件,搜索引擎和帮助桌面等)的资源模板,它是一个建立在www 软件平台上的分布式的管理信息系统,是放置在www 上的各分布式资源服务器系统(各资源库节点)中资源的联邦系统,是M&S领域内各资源的集合。其概念分层体系结构如图3所示。

 

    与传统的Web数据库BSS三层体系结构相比, 多了一层数据抽象层。数据抽象层,不但免除了在处理多个数据源时所面临的诸如接口、协议等的麻烦,也屏蔽了系统底层各节点数据模型结构和位置的变化。

 

图3 MSRR系统概念分层体系结构
图3 MSRR系统概念分层体系结构 

    各节点资源库是具体资源的载体,而且是与MSRR 系统公共框架结构(规则,结构规范和资源模板)相匹配的系统,这些系统根据特定的需求可能是集中式,也可能是分布式的。MSRR 系统的用户访问资源主要有两种途径:通过MSRR系统的用户界面进行访问;通过资源库节点的用户界面也可以访问同一资源。

 

    34 MSRR系统体系结构特点分析

 

    总的来说,MSRR系统体系结构设计综合考虑了以下几个方面:(1)应用需求,(2)当前信息技术发展现状,(3)结构的组成组件,(4)组件之间的关系。它基于分层并且符合组件化思想,是具有扩展性和互操作性的系统。

 

    (1) 基于分层

 

    分层为解决MSRR 系统软件复杂度提供了一个很好的方法,在分层系统的等级组织形式中,每一层都给上一层提供服务,对其下层则要求的服务,在这种组织方式中,容易得到很多良好的特性,能够支持软件抽象层次的增长;能够有效地支持软件的升级和重用,而且能够支持在“层”这种大粒度上的软件重用。

 

    (2) 组件化

 

    按照组件化的程序设计思想,复杂的应用程序被设计成一些小的、功能单一的组件模块,这些组件模块可以独立开发,是一个可替换的软件单元,是能跨越进程的边界,使用网络、语言、应用程序、开发工具和操作系统的“即插即用”的独立的对象, 同时具有标准化的、可重用的公开接口。

 

    (3) 可扩展性

 

    构成MSRR 系统的各节点可以随时加入系统中,而不影响其他节点的之间的互操作。这是通过定义MSRR系统和各节点之间的无歧义的接口、MSRR系统规则集以及公共资源库模板来实现的。工作;

 

    同时,随着系统规模的不断扩大,整个系统的性能也不会发生明显的变化。

 

    (4) 互操作性

 

    互操作性主要的一点体现在:集成在系统中的各节点后,调用运行服务,提取RTI连接库,并使其与拦截作战火力单元成员模型的框架一起编译连接,形成火力单元成员应用模型。其它模型的建模方法大同小异,在此不再探讨。

 

    5 仿真运行机制

 

    在以上述智能集成环境下建立的反导作战仿真应用系统是以HLA作为技术规范,各个联邦成员遵循HLA相应的规则和RTI的接口规范。在反导作战仿真应用系统运行中,RTI相当于是一个实现特定目的的分布式操作系统,联邦成员之间不进行直接交互通信,而是通过时间运行支撑RTI来实现,各联邦成员只与客户机上的RTI进行交互。当仿真实体的状态发生变化时,才发送信息给需要这些变化信息的仿真成员应用,联邦成员与RTI之间通过请求和提供一系列服务的方式来实现交互。

   

    6 结论

 

    一个反导作战建模与仿真的智能集成模型是构建适用于反导作战研究领域不同仿真层次、不同仿真目的的反导作战仿真需求的一体化建模与仿真环境模型,其特点在于能有效发挥分布网络资源的优势,最大限度地使许多个处于不同或相同反导作战仿真目的的建模者和仿真者共享反导作战仿真模型资源和数据资源,协同或并行完成仿真建模任务,共同增长和优化反导作战仿真“系统”的有效资源和“知识”,使“系统”的建模和仿真能力以及模型的质量和数量不断提高,以适应反导作战研究对反导作战仿真需求日益更新和增长的需要。我们结合低层反导作战仿真的需要,运用上述模型思想,对低层反导作战仿真所用模型进行了构模和仿真,取得了满意的成果。

 

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