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HLA/RTI仿真技术的研究现状及分析
2011年1月27日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:张定东 郑利平 刘晓平
    单位:合肥工业大学计算机与信息学院VCC研究室
          合肥工业大学系统仿真中心 

    摘要:高层体系结构HLA是美国国防部提出的新的分布式仿真框架,目的是为了解决仿真中互操作性和可重用性的问题.本文首先对HLA的发展历程做一简要的回顾,并介绍了HLA的组成及其主要内容;随后详细阐述了当前HLA研究的主要现状,包括在时间管理、数据分发管理、实时性以及vv&A等方面的研究,最后进行了分析.

    1、引言

    计算机仿真技术是伴随着计算机技术发展而出现的,同时由于军事应用需求以及Intemet等相关支撑技术的发展和推动下,上个世纪80年代产生分布式仿真,即在空间上分布的多个仿真系统通过公共通信网络联在一起,以协调完成复杂的仿真任务或具有分布式特性的仿真应用。伴随着网络技术、通信技术、软件技术等快速发展,分布式仿真技术发展迅速。美国国防部(DoD)提出先进分布式仿真技术概念,国防高级研究规划局(DARPA)与陆军率先共同制定了SIMNET计划,其目的用来将分散在各地车辆仿真器用计算机网络连接起来,进行协同作战仿真任务训练。分布式仿真技术经历了快速的发展,分别历经分布式交互仿真(Dis)、聚集级仿真协议(ALSP)、高层体系结构(HLA)。本文主要针对最新的分布式仿真技术一HLA当前研究概况做一归纳与总结,并进行相应的分析。

    2、HLA/RTI技术产生背景及其发展历程

    由于计算机仿真技术飞速发展,仿真系统的规模随之庞大,仿真软件开发周期和成本也随之提升较多,同时由于应用需求的扩大,单个仿真系统往往很难满足需求,大规模复杂仿真系统便产生了。然而,复杂仿真常涉及多领域不同类型仿真系统的联合。人们都希望之前花费大量人力和物力开发的仿真系统能在新的仿真系统上使用,这对仿真技术提出新的要求,即不同仿真系统之间“互操作性”和“可重用性”.同时在军事项目需求推动下,1995年美国国防部发布了建模与仿真主计划(D。DMsMp)为建模与仿真(M&s)确定6个目标,其中第一个即决定在国防部范围内建立一个通用仿真技术框架来保证国防部范围内各种仿真应用间的互操作性。该目标提出的任务框架包含3个子目标,分别为高层体系结构(HLA)、任务空间概念模型(cMMs)和数据标准(Ds)。HLA的核心为互操作性和可重用性,其特点是通过运行时刻支撑环境(RTI)提供通用相对独立的支撑服务环境,将仿真应用同底层的支撑环境分开,即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分离,隐藏各自的实现细节从而使各部分可以相对独立地进行开发,并能充分利用各自领域的先进技术。HLA技术的发展历程l2],如下:

    (l) 1995年3月,美国国防部建模与仿真办公室(DMSO)提出了HLA标准的初始定义,并着手在定义的基础上建立原型系统。

    (2) 19%年9月,DMSO正式颁布了HLA标准1.0版本,并随后迅速地推出了其后续版本(97年2月推出1.1版,97年8月推出1.2版本,98年3月推出L3版)o

    (3) 1997年12月,HLA被仿真互操作标准化组织5150接受为标准草案(Dr叭)。并于2(XX)年9月21日正式被接纳为IEEEI516系列标准(IEEEI516.1为HLA的规则和接口规范,正EE巧16.2为对象模型模板,IEEE1516.3为联邦开发和执行过程模型)。HLA主要由三部分组成:联邦规则(FederationRules)、接口规范说明(Inted、cespecification)、对象模型模板(OMT,ObjectModelTemPlate),HLA的组成如图1所示。

HLA/RTI仿真技术的研究现状及分析

    3、1 HLA研究的主要内容

    HLA接口规范中定义了6类管理服务,即:联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理(TM)、数据分发管理(DDM).RTI是HLA接口规范具体软件实现,其中时间管理服务和数据分发管理服务由于其实现的复杂性而成为研究热点问题。国内外对此进行了大量而深入的研究工作。

HLA/RTI仿真技术的研究现状及分析

    3.1.1 时间管理服务的研究

    分布式仿真中的时间问题是核心问题,HLA中事件排序是用仿真时间来表达的,时间管理服务主要用来协调联邦执行过程中各联邦成员以便推进自身仿真时间,并负责管理各类消息发送和接收。由于HLA时间管理服务提供了多种时间管理机制,且每个联邦成员采取何种时间推进机制对其他邦员来说是透明的,并且联邦成员并不需要明确的告诉RTI其内部的时间管理机制.因为HLA/RTI中的时间管理算法都是一种时间协调算法,所以其大多均是来源于并行离散事件仿真(PDES)。欧阳伶俐等对HLA/RTI时间管理进行了研究,介绍了PDES中的两种主要算法一保守算法和乐观算法,并在此算法基础上,对HLA中的保守时间推进和乐观时间推进机制进行了分析,并指出HLA时间管理与PDES之间若干区别等。

    张龙等结合并行离散时间仿真的思想,讨论了RTI时间管理算法,该算法主要是从系统可实现的角度分别研究了时戳下限值LBTS(在HLA1.3中称为LBTS,在IEEE1516标准中被称为最大可用逻辑时间GALT)、死锁检测与解锁、成员时间属性改变以及前瞻量(Lookallead)值改变等相关算法。

    刘步权等首先探讨系统出现死锁时所表现的一些规律性,并提出一种无死锁的时间管理算法,即身高测量法,该方法可以有效地解决仿真时间推进中出现的死锁。

    姚益平等针对GALT算法可能存在的死锁问题,提出了计算最大可用逻辑时间GALT递归式算法R一GALT,并给出无死锁证明。其解决时间管理实现中可能出现的联邦时间推进死锁,并能够提高联邦成员时间推进效率。

    张亚崇等重点研究RTI中保守时间推进机制,并通过分析得出:尽管RTI在内部采取了一些措施,但如果物理系统出现了死锁,基于HLA的仿真系统在运行时还可能会出现死锁。

    刘步权等从零前瞻值、时间推进服务、时间管理算法以及死锁解除等方面对死锁问题进行多方面研究,探讨死锁发生时系统所具有的一系列现象,论证了发生死锁和不会发生死锁时各类情形,该文揭示了一个称之为“水平面原理”。其l3]在深入地研究PDEs和HLA两种乐观推进机制基础上,对不同机制进行了分析和比较,给出仿真应用开发方法。同时提出一种简化RTI设计的“零保存”机制,并成功地运用在starLinkl’0]中。

    C.D.Carothers重点阐述EO版RTI中时间管理服务具体实现,讨论时间管理服务中的传输服务和时间推进服务,并给出时间管理服务的实现算法。

    3.1.2 数据分发管理服务的研究

    HLA/RTI支持两种类型数据过滤:基于类的方式和基于值的方式。基于类的过滤是通过声明管理服务实现,它限制邦员只接受感兴趣对象类的属性;而基于值的过滤则通过数据分发管理服务来实现,主要根据实体对象属性取值来限制实体感兴趣集合范围。DDM能消除网络中冗余信息量,提高网络带宽使用率,是提高大规模分布式仿真可扩展性的重要手段。目前RTI中实现DDM的方法,主要有基于区域、基于网格、基于接收者和发送者等方法。因此研究出更好的数据过滤算法便成为研究DDM的一个热点。

    柴旭东等提出一种优化DDM的实现策略,即基于网格一源对象的过滤方法,以解决当前现有DDM实现方法的一些不足。

    张亚崇等首先对HLA1.3中两种基本数据过滤机制进行讨论,并在基于网格法数据过滤机制的研究基础上,提出一种新的数据分发策略,即:首先利用网格法进行区域匹配计算,然后基于公布动态地分配组播地址。

    杨建池等在深入对IEEE1516标准进行分析的基础上,结合标准中区域的特点,提出一种快速区域匹配算法。

    王磊等分析了不同DDM方法过滤机理,通过对比指出它们存在的优缺点,并在此基础上,重点研究基于网格数据过滤机制中网格尺寸大小对过滤性能的影响,提出一种新的求最优网格尺寸的方法,经过理论推导阐明选取最优化网格尺寸制约因素,实验说明网格尺寸的选取不宜过小等。

    张霞等重点分析介绍基于移动Agent的DDM实现方法,并提出结合CORBA技术实现对其进行适当改进。

    王磊等提出一种分布式层次化DDM仿真框架,构建层次DDM仿真系统的体系结构,给出层次式DDM系统的实现方案以及L一DDM内部架构,并从技术复杂度、时间复杂度以及组播地址需求量等方面对层次化仿真框架的性能进行分析,对比结构表明,该DDM仿真框架可以实现高效的数据分发等。

    cohenDanny等分析使用不同方法实现DDM,并研究各种方法对执行效率的影响。

    PeteRizik等,主要试图在具体的仿真模型中找到一种最佳的网格的划分方法。BoukercheA等中使用了一种固定的网格和基于发送者混合过滤方法来减少组播组的分配提高执行效率。Gary Tan等(2)中,总结以前几种方法的缺点,并在此基础上提出基于Agent的数据分发过滤机制。

    3.1.3 HLA框架在实时性扩展方面的研究

    HLA作为大规模分布式仿真系统标准平台出现的,但在具有实时性较强仿真中表现较差的弱点122],例如HLA只支持可靠的(Reliable)和尽力的(Besteffort)的两种消息传递方式,很难满足实时仿真中对消息传递的要求等。在HLA规范中没有具体关于实时行方面的规范存在,因此对HLA在实时性研究方面成为研究热点。目前研究主要集中在如下方面,传统的RTI使用网络通信协议是TCRUDP,因此有人提出使用特殊网络传递协议来增强RTI的通讯效能,B~an等提出一种称为虚拟现实传输协议(vRTP),用来满足分布式实时交互仿真的基本需求,通信主要在RTI和邦员之间以及邦员与邦员等。

    ZhaoHul等提出通过增加一个新邦员规则:邦员必须能够管理Qos机制,使得邦员间能进行有效数据交换。在属性表和参数表原有字段基础上增加一个可选QOs元组,其共有8个字段。通过QOs元组中优先权级别(Priority level)字段直接指定HLA优先级,再由RTI负责将此HLA优先级映射成本地操作系统优先级。BoukercheA.等提出一种新的实时RTI框架,主要通过三种途径:实时RTI目标系统(Reai一timeRTI End一system)(该系统由动态处理模型、全局调度服务、固定优先权的分发机制等构成)、增强可预见的RTI和通讯QoS保证。

    徐大勇等提出进行实时性扩展的一种方法,首先是对时戳的扩展,在消息的时戮之外增加一个新字段deadhne用来表示此消息应处理完毕的最长时限,用堵上时钟表示。其次对HLA中的属性表和参数表扩展,增加Priority字段,用来表示事件的本地操作系统优先级。再次是对RTI消息队列中保持一个实时消息队列,主要用来对实时消息进行缓存。另外对联邦成员规则也进行扩展,增加一条新的邦员规则,即实时邦员必须具有本地操作系统优先调度的能力。

    3.1.4 对HLA仿真系统进行VV&A的研究

    vv&A即是校核、验证和确认,其含义如下:校核(verification)是确定仿真系统准确地代表了开发者概念描述和设计过程,其关注核心是“是否正确地建立了仿真系统”;验证(validation)是从仿真系统应用目的出发,确定仿真系统代表真实世界正确程度的过程,其关注的核心是“是否建立了正确的仿真系统”;确认(Accreditation)是官方地正式地接受仿真系统为专门的应用目的服务的过程。vv&A是仿真建模可信度评估工作的基础,是建模仿真中必不可少的一个环节,同时进行vv&A也是降低建模仿真风险,提高仿真可信度的有效途径。HLA作为一种仿真技术,对其进行w&A的工作来保证仿真系统具有较高的可信度是必要的。

    曹星平等对基于HLA的仿真系统进行vv&A研究,分析HLA仿真中vv&A工作中主要问题(HLA

    FEDEP的vv&A过程、vV&A方法、vv&A与T&E关系以及自动化等),研究了HLA仿真系统中可重用性和互操作性vv&A问题(技术互操作性、本质互操作性等)。

    RozaMan允记首先总结前人工作,对仿真逼真度(Fidehty)进行分析,提出一种结构化方式来处理逼真度问题框架即逼真度管理框架,这个框架被看作是需要覆盖在FEDEP之上,同时还探讨了几种可能实现通真度管理过程自动化的方法并提出需要满足的要求等.

    方可等在分析FEDEP与vv&A过程实质的基础上,介绍了RowMark工作流模型并基于此给出了FEDEP与vv&A工作流元素的实现方法,并分析实现工作流引擎中关键技术等。

    BruzzoneA基于HLA航空工业供应链管理系统进行vv&A的研究,并定义很多量化指标,如联邦性能指标、同步时间、联邦启动指标以及每个联邦成员的性能指标等,同时给出了联邦可靠性指标计算公式。

    唐见兵等对基于HLA作战仿真系统进行w&A研究,首先将仿真系统的w&A过程分为若干步骤,对其中的每一步分别进行VV&A活动。

    杨惠珍等讨论了基于HLA分布式仿真系统开发标准过程FEDEP的vv&A过程模型,阐述了每一阶段vv&A的工作、任务和要求,并分析联邦vv&A与联邦通真度评估的关系。

    刘飞等对HLA中互操作性进行了研究,给出HLA联邦互操作性框架,对联邦的互操作性进行了分级描述,并且在该互操作性框架和联邦开发与执行过程基础上,进而给出联邦互操作性校核与验证过程模型,用以指导联邦开发与执行过程中互操作性的评估。张祥林1136]等将模型驱动架构MDA引入了仿真系统vv&A过程中,通过MDA技术把校核、验证、验

    收进一步地扩展到HLA仿真开发的全过程,为联邦开发的可靠性、可用性以及功能和描述一致性方面提供保证,从而提高仿真系统描述真实世界准确性和可信度。

    3.2 对HLA/RTI的分析

    HLA/RTI技术自诞生以来,首先在军事领域得到推广和应用,随后不断地在民用领域得到应用。由于DIS、ALSP在仿真应用存在一些不足,随着技术的发展HLA诞生了。通过以上对研究内容的概述,可以得出对HLA的研究主要集中在以下方面:

    (l)对HLA自身机制的研究。

    HLA本身包含6类管理服务,而其中时间管理服务和数据分发管理服务在RTI中实现的复杂性,而成为了研究热点。

    (2)时间管理服务算法的研究。

    时间管理主要用来提出相关算法来解决仿真中时间的推进以及邦员之间相互协调,大部分时间算法都基于并行离散事件仿真(PDES),主要包含保守算法和乐观算法,由于不同的算法可能导致仿真系统的推进出现死锁情况,在HLA规范中己经定义了像前瞻量fookahead等措施来避免死锁,但在一些特定的仿真应用中并不能很好的解决死锁问题,因此对死锁问题仍需进一步的加以研究。同时深入研究高性能的时间推进算法也是时间管理研究中重要内容。

    (3)数据分发管理服务算法的研究。

    数据分发管理的目的是为了减少不必要的网络通讯开销,让不相关的数据尽量少甚至不出现在网络上。因而数据分发的算法研究重点偏向于区域的匹配及对数据的过滤,当前研究的主要思路还是集中在对于现存的几种数据过滤算法的改进,如对基于区域、基于网格、基于接收者和发送者以及基于移动Agent等方法的改进等。

    (4)HLA在实时性方面的研究。

    实时仿真是仿真中较为重要的一类仿真,但基于HLA分布式仿真系统,通常很难满足实时性的要求,因为HLA规范中没有对实时性方面具有明显的规格说明和定义。当前研究主要是通过改造HLA使之在实时性方面满足应用需求,如通过特殊的网络传输协议来代替传统的TCDUDP传输协议,有的方法是通过对HLA规范本身进行局部改造,如在时间戮中增加适当字段来增强HLA的实时性,有的是增加适当的规则来满足实时性要求等。

    (5)HLA仿真系统的VV&A的研究。

    对仿真系统进行可信度评估是需要的也是必要的,而VV&A活动是可信度评估的基础,所以对基于HLA仿真系统进行评估也是必需的。目前对于HLA系统VV&A工作都基于联邦开发和执行过程模型FEDEP,对其每一步骤均分别进行VV&A活动。当前对基于HLA仿真系统的VV&A工作还处于起步阶段,很多研究性的工作有待进一步开展下去,如:对HLA仿真系统VV&A理论体系还不很完善、进行VV&A活动辅助工具还很缺乏等。

   4、结束语

    HLA为大规模分布式仿真提供了基础框架,为节约仿真系统开发成本和提高效率,其推出重在考虑仿真互操作性和可重用性。同时HLA机制本身在时间管理服务和数据分发管理服务方面较为复杂,追求更好更高效的时间管理算法和数据匹配与过滤算法仍为HLA中一个较为热门的研究主题。HLA只是分布式仿真技术发展的一个新起点,肯定存在一些不足之处如需在实时性方面进行扩展等,但它必将随着仿真需求、仿真技术和各种支撑技术的发展而得到进一步的发展。尤其是随着互联网、Webservices、网格计算等网络技术的发展,其技术内涵和应用模式得到不断的扩展和丰富t37】。随着web技术的不断发展,可扩展建模仿真框架XMSF的研究将会更加深入地进行。并随着网格技术的发展,可以克服当前HLA仿真支撑平台中无法实现仿真资源动态分配和管理的问题。从以上分析中可以看出,未来HLA技术将会得到进一步发展和更加深入广泛的应用到仿真系统中。

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