基于HLA的复杂分布仿真系统互连技术研究

摘要

自从分布式仿真系统诞生起，互联和重用就成为一个重要的研究课题。当今的分布仿真应用系统开发向大型化和复杂化方向发展，尤其是HLA标准的公布，为仿真系统的复用和互操作提供了一个平台和标准，也为大型复杂系统的开发提供了技术基础。本文介绍了分布仿真技术的几个发展阶段和现有的HLA应用系统开发状况，对于分布式仿真系统的互操作性进行了分析，主要涉及到模型分辨率、时间一致性、空间一致性、仿真数据互操作等多个主题的内容。由于HLA已经被采纳为IEEE的标准，因此，我们主要对HLA进行了分析。在四种HLA互连方案中，以桥接成员方法应用最为广泛，我们对目前的桥接成员技术进行了分析，指出了其在扩展性、灵活性、时间效率等多方面的不足，并提出了通用的多元桥的概念。为了使桥接成员可以适应更多、更大的环境，在二元桥的基础上，我们扩展了其对于桥接成员的定义，提出了多元桥接成员的概念。由于概念的扩展，增加了多元桥的复杂性，我们对其模型、体系结构、功能描述、关键算法(例如，时间推进算法等)以及六大服务等都重新进行了分析，并且给出了我们的方案以及实现方法。在此基础上，我们还构建了基于多元桥的扩展连接模型，并分析了其中的相关改进。随着联邦规模的扩大，尽管互操作性和重用性得到了大大的增强，但是随之而来的则是整个系统性能的下降，这主要是由于传统的、效率低下的时间推进算法导致的。我们分析了多元桥的特点，根据其各自的特点，提出了时间推进算法的多种改进方法，并且通过理论的方法证明了多元桥在推进效率方面的优势。桥接成员的功能和性能直接关系到HLA仿真系统开发与应用的成败。本文首先阐述了RTI测试的内容和指标，接着研究了针对多元桥接成员的测试方法和性能指标，提出了多元桥的测试指标，并且通过对比实验验证了多元桥的性能优势。最后，论文结合了笔者博士期间开发的同济高速路微观仿真系统，TESS-Tongji Express Simulation System，发展了多元桥的概念，提出了交通领域中的通用多元桥的模型，不仅实现了仿真系统的互操作，同时也实现了仿真系统与其他系统之间的互连。从总体上来说，论文的创新性工作主要体现在下述4个方面：1.为了适应大规模仿真环境的需要，在对桥结成员的多联邦互联方法研究 的基础上，针对二元桥在多个联邦仿真环境存在的问题，提出了多元桥 的概念，改进了中央转换部件的结构，使其同时可以连接多个联邦代理， 并对联邦管理、声明管理、对象管理和所有权管理做了改进，为多元桥 的设计提供了依据；2.在研究HLA时间管理的基础上，对多元桥接成员的时间管理，特别是对 时间推进方式、联邦成员的分类和预测推进时间等提出了多元桥接改进 算法。经实验测试验证在多个联邦的情况下，多元桥的时间推进速度比 二元桥有所提高；3. 以RTI的性能测试指标为基础，引入消息转发延时来测量桥接成员产生 的延时情况，排除了RTI产生的延时影响，比消息延时更加准确地反映 桥接成员的真实性能；4.针对异构交通仿真系统互连过程中出现的宏观与微观、仿真系统与控制 系统互联的问题，提出了以多元桥技术为基础，基于XML的C4I桥和多 分辨率桥技术，形成了交通领域的仿真系统互连的多元桥平台，并且将 其应用到TESS交通仿真系统中，具有实际应用价值。关键词：高层体系结构(HLA)、运行支撑环境(RTI)、互操作性、可重用性、多联邦、桥接成员、时间管理

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1立题背景

1.2分布式交互仿真的发展

1.2.1分布式交互仿真的特点

1.2.2分布式交互仿真技术的发展过程

1.3高层体系结构HLA的研究现状

1.4多联邦协同技术的发展

1.5课题来源

1.6课题研究目标及意义

1.7本文主要工作和内容安排

第2章 分布式仿真系统的互操作分析

2.1仿真互操作的概念

2.1.1混合互连系统

2.1.2多协议复合系统

2.1.3多联邦协同仿真系统

2.2分布式仿真系统的互操作性分析

2.2.1模型分辨率

2.2.2时间一致性

2.2.3空间一致性

2.2.4仿真数据互操作

2.2.5 C4I与仿真系统的互操作

2.3分布式仿真系统互操作实现

2.3.1仿真数据互操作实现

2.3.2仿真时间一致性实现

2.4总结

第3章 HLA互操作分析

3.1引言

3.2 HLA/RTI的互操作性分析

3.2.1 HLA互操作性定义

3.2.2 HLA互操作性需要解决的问题

3.3 HLA的互操作模型

3.4 HLA的互操作实现

3.5桥接成员方法分析

3.5.1二元桥接成员的提出

3.5.2二元桥接成员的问题

3.6总结

第4章 多元桥的研究与实现

4.1引言

4.2 HLA联邦群的拓扑结构

4.2.1线型

4.2.2环型

4.2.3一般型

4.3多元桥的提出

4.4多元桥接成员设计

4.4.1多元桥的模型设计

4.4.2桥接成员功能描述

4.5多元桥接成员实现

4.5.1接口及对象定义

4.5.2典型流程

4.6多元桥的扩展

4.7总结

第5章 多元桥时间管理分析

5.1 HLA的时间管理

5.1.1时间管理的基本概念

5.1.2时间推进

5.1.3时间推进请求服务

5.2多元桥的时间管理

5.2.1推进方式的改进

5.2.2多元桥的时间管理分析

5.2.3 PDES的保守时间管理机制

5.2.4联邦成员分类

5.2.5预测推进时间

5.3总结

第6章 性能测试

6.1 RTI的性能测试研究

6.1.1影响单RTI性能的关键性因素

6.1.2影响多RTI性能的关键性因素

6.1.3排除网络影响的测试方法

6.1.4 RTI性能指标的测试

6.2桥接成员性能测试研究

6.2.1影响桥接成员性能的关键因素

6.2.2桥接成员的性能指标

6.2.3试验设计

6.2.4结果分析

6.3总结

第7章 开发实例：基于HLA的复杂ITS系统研究与开发

7.1引言

7.2 TESS系统架构设计

7.2.1 C4I系统连接桥

7.2.2多分辨率桥

7.3 TESS系统功能设计

7.4 TESS系统实现

7.4.1 SimEngine动态加载算法的实现原理

7.4.2仿真系统实现

第8章 总结与展望

8.1 RTI 2.0体系架构

8.2总结

8.3展望

致谢

附录一：相关名词

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果

参考文献