虚拟应急演练系统服务端关键技术研究与实现

摘要

基于虚拟现实技术的虚拟应急演练被广泛应用在化工、消防等领域。演练系统向参演人员提供一致的虚拟演练环境，并通过对灾害现场的计算机模拟，参演人员的分工协作完成预案演练。然而欠缺对大规模演练的支持、缺少对系统可用性的保证、难以对复杂演练环境有效仿真成为影响演练效果的主要因素。本文针对上述问题，围绕高性能网络通信、服务端底层支撑和演练场景仿真三个技术领域展开研究，主要工作内容有: 1.研究实现面向虚拟演练系统的高性能网络通信框架，利用Protobuf实现一种高效的数据传输协议;针对系统高并发、计算密集、低延迟要求，使用I/O Multiplexing、One Loop Per Thread、Thread Pool等编程模型实现网络通信框架核心功能;针对异步网络I/O模型设计应用层数据缓冲，并提供定时器、网络日志与文件传输系统等网络框架辅助功能模块。 2.围绕提高系统可用性、可扩展性、容错性与易用性等目标，设计一种可靠的演练服务进程远程方法调用(Remote Procedure Call，RPC)框架，并针对部分演练服务消息交换频繁的问题设计一种分布式消息队列，在此基础上给出一种演练系统服务端层次架构设计;设计一种位置同步算法和一种系统时钟同步策略，在实现人员位置平滑同步的同时保证了系统数据的一致性。 3.研究设计面向大规模用户的多场景服务器架构以及服务器间用户迁移与负载均衡算法;设计一种面向虚拟应急演练的仿真系统，解决实体间消息高效传输、大规模仿真模型计算问题;设计一种动态自适应任务调度算法LET，对异构环境下的任务调度问题进行解决，实验表明LET算法较WRR等算法有较大性能提升，有效提高了仿真系统的计算能力。 本文提供的演练系统支撑框架已在实际企业的消防应急演练中得到应用，进一步验证了系统的有效性、可靠性与可扩展性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题来源与意义

1．3 课题研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 研究背景与相关技术

2．1 网络程序开发技术

2．1．1 TCP协议

2．1．2 Socket通信原语

2．1．3 I／O模型

2．1．4 编程模型

2．1．5 高性能网终通信

2．2 服务端开发技术

2．2．1 线程与进程

2．2．2 进程间通信

2．2．3 服务端架构

2．2．4 服务端可用性

2．3 演练系统仿真技术

2．3．1 多场景服务器架构

2．3．2 实体消息传输框架

2．3．3 仿真模型并行计算

2．3．4 任务调度算法

第三章 演练系统网络支撑框架

3．1 网络框架设计概要

3．2 数据传输协议

3．3 应用层缓冲

3．4 网络框架核心功能实现

3．4．1 IO事件处理框架

3．4．2 TCP网络框架

3．5 定时器

3．6 网络日志

3．7 文件分发

3．8 本章小结

第四章 演练系统服务端底层支撑

4．1 服务端支撑框架设计概要

4．2 远程方法调用服务

4．3 消息队列服务

4．4 演练数据同步

4．4．1 位置同步

4．4．2 时钟同步

4．5 服务端层次框架

4．5．1 服务端层次

4．5．2 场景服务的容错性

4．6 本章小结

第五章 虚拟演练场景仿真

5．1 场景服务设计概要

5．2 多场景服务器设计

5．2．1 通信模型

5．2．2 多场景服务器架构

5．2．3 场景服务器间用户迁移

5．2．4 场景服务器间负载均衡

5．3 场景实体消息传输

5．3．1 实体管理

5．3．2 实体消息传输

5．3．3 实体消息过滤

5．4 仿真模型并行计算

5．4．1 并行计算框架

5．4．2 监控器设计

5．4．3 计算框架性能测试

5．4．4 任务负载均衡算法

5．4．5 LET算法性能测试

5．5 本章小结

第六章 实际应用

6．1 系统概述

6．2 系统网络与同步功能

6．3 场景实体管理

6．4 设备与灾害仿真

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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