一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境

摘要

一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境，包括仿真系统组建模块和状态空间分析模块，仿真系统组建模块用于支持仿真系统的图形化建模开发，状态空间分析模块，用于生成仿真系统各个阶段的状态数据形成状态空间以支持对复杂系统的行为进行分析。本发明的复杂系统图形化建模与分析环境从根本上改变了传统的编程方式，在建模过程中，用“图标”代替了“文本指令”。支持对仿真实体的分布式建模，能够有效支持仿真系统的频繁更新、持续扩展与高效集成，能使复杂系统分析人员把握仿真应用运行状态变化趋势，还可以基于状态数据对特定参数进行专项分析。

说明书

技术领域

本发明涉及建模与仿真领域，具体涉及一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境。

背景技术

建模与仿真技术是一种用于分析复杂系统行为的重要技术手段。传统基于仿真平台手动编程的建模开发方式需要建模人员深入学习系统建模相关的基础理论知识，熟练掌握对应的仿真平台技术，导致仿真系统开发门槛高、开发周期长，系统升级和维护成本大，难以满足仿真系统频繁更新、高效集成的实际要求，已成为制约复杂系统仿真分析普及发展的重要因素。面向复杂系统的图形化建模技术则处于比通用程序设计语言更高的层次，它将复杂系统仿真应用的集成开发过程完全图形化，为仿真应用开发人员提供直观高效的集成开发模块，并实现图形化模型向特定程序语言的自动转换，从而能够屏蔽底层软硬件平台技术，降低复杂系统仿真应用开发门槛，提高仿真系统的开发效率。

复杂系统图形化建模技术的实现建立在分层组装的思想理念上，它强调对构成复杂系统的各实体进行独立的图形化建模，并采用灵活的链接组装方式将这些仿真实体模型图形化组装为仿真系统。因此，复杂系统仿真应用图形化建模开发流程可以分解为两个基本的子阶段，如图1所示：(1)支持仿真实体模型的图形化开发；(2)将仿真实体模型进行图形化链接组装。基于各仿真实体构建仿真应用系统，既可以实现自顶向下由复杂系统模型逐步细化到底层的仿真实体模型，也可以实现自底向上由仿真实体模型层次式组装构造复杂的仿真系统模型。

另一方面，对复杂系统行为的分析建立在仿真系统运行结果的基础之上。在图形化描述的仿真系统模型构建后，其能够被自动映射为仿真程序代码，并可直接编译运行。仿真系统的执行会产生不同时刻的运行状态，即仿真系统状态，它是指在系统运行过程中决定仿真实体状态的最少变量的有序集合；所谓状态空间则是指该系统的全部可能状态的集合。简单来说，状态空间可以视为一个以状态变量为坐标轴的空间，因此系统的状态可以表示为此空间中的一个向量。实现对仿真系统的状态空间进行记录显示，不仅可判断是否存在死锁以及无效逻辑流程环节，用于验证模型的准确性，还可为后续分析改进提供基础，特别是分析仿真应用中耗时较长环节以及影响系统性能较大的因素。

目前支持复杂系统图形化建模的平台环境正处于研究发展之中，并取得了一定的研究成果，其中具有代表性的有CosMos、FLAMES、Pave、VisKit等。CosMos支持对原子模型(仿真实体)的图形化开发，并采用手动编写原子模型的状态转换函数；FLAMES提供模型基类手动编码实现具体的仿真实体事件处理逻辑，导致开发的仿真实体之间耦合紧密；Pave采用控制流图作为离散事件仿真系统的图形化描述范式，并采用仿真实体作为基本建模元素；VisKit在事件图建模范式中引入面向对象的建模思想，提出了监听事件图对象用于描述仿真实体。总之，现有的复杂系统图形化建模环境主要存在以下几个方面的问题：

(1)不能满足仿真实体模型分布式独立构建开发的需求；

(2)不能满足将仿真实体模型图形化链接组装为仿真应用的需求；

(3)不能满足系统建模与分析并重的需求。

因此，迫切需要一种新的复杂系统图形化建模与分析环境，以促进复杂系统仿真应用的发展。

发明内容

本发明提供一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境，它从根本上改变了传统的编程方式，用“图标”代替了“文本指令”。在图形化建模的过程中，用户只需调用“图标”，通过连线定义并标识数据的流向，并且可支持在连线上标识函数定义生成的数据。在模型运行过程中，可随时中止并显示当前运行状态，实现对仿真系统的全程运行监测，确保仿真系统的构建满足实际应用需求；模型运行结束，生成结果并自动记录不同时刻的运行状态形成状态空间并进行图形化显示，不仅能使复杂系统分析人员把握仿真应用运行状态变化趋势，还可以基于状态数据对特定参数进行专项分析。

本发明采用下述技术方案：

一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境，包括仿真系统组建模块和状态空间分析模块，其特征在于：所述仿真系统组建模块，用于支持仿真系统的图形化建模开发，包括仿真实体描述层、仿真系统组装层和仿真工程管理器；所述状态空间分析模块，用于生成仿真系统各个阶段的状态数据形成状态空间以支持对复杂系统的行为进行分析，包括状态空间生成层和状态空间分析层。

具体的，所述的仿真实体描述层，包括数据流模型组成图元区和数据流模型图形化编辑区两部分，采用数据流模型图形化描述仿真实体，支持对数据流模型组成图元的加载，以及对数据流模型组成图元之间交互关系的配置。

具体的，所述数据流模型组成图元区列举了构建数据流模型需要用到的图元，包括开始图元、数据图元、函数图元、传输图元、结束图元；所述数据流模型图形化编辑区用于图形化描述仿真实体的具体功能，建模人员通过鼠标拖拽的方式将数据流模型组成图元拖拽到数据流模型图形化编辑区，并采用传输图元关联数据存储图元与函数图元以表示数据的流向，双击数据流模型组成图元弹出对话框可以对数据流模型的相关数据进行配置，双击函数图元弹出对话框可以对数据流模型的状态转移函数进行定义，双击数据图元弹出对话框可以对数据流模型的初始状态进行配置。

具体的，所述的仿真系统组装层，包括仿真实体图元区、仿真实体交互关系图元区、仿真实体图形化组装区三部分，通过图形化组装仿真实体模型的方式构建仿真应用系统。

具体的，所述仿真实体图元区提供了用于图形化组装仿真系统的仿真实体模型图元，每一个仿真实体模型图元对应一个仿真实体模型；所述仿真实体交互关系图元区列举了连接仿真实体模型图元需要用到的图元，包括公布订购连线图元与消息传递连线图元；所述仿真实体图形化组装区支持以鼠标拖拽方式将仿真实体图元区上的实体模型图元加载到图形化组装区，并支持使用交互关系图元将仿真实体图元连接起来构成仿真实体模型之间的动态交互逻辑，双击仿真实体交互关系图元弹出对话框可以对仿真实体模型之间的交互数据进行配置。

具体的，所述仿真工程管理器，采用层级化的方式对构建仿真系统的各类仿真实体模型及对构建仿真实体模型的各类图元进行管理。

具体的，所述状态空间生成层，包括状态数据显示子模块和状态数据保存子模块两个部分，状态数据显示子模块实现对仿真系统的状态空间数据的显示，为复杂系统的行为分析与改进提供基础；状态数据保存子模块，将仿真系统生成的状态空间数据保存到文本文档中，便于对仿真结果数据进行离线分析。

具体的，所述状态空间分析层，提供一种分析仿真系统状态变化的方法，对系统的状态空间进行图形化分析，且提供了模型接口输出状态数据为其它应用程序所调用。

具体的，所述分析仿真系统状态变化的方法包括如下步骤：首先计算出所有可达状态和有限系统的状态转换，然后再根据系统分析人员需求分析状态数据整体变化趋势以及函数图元的利用率、数据图元繁忙和空闲的概率的变化过程，函数图元的利用率用于分析仿真实体模型中花时间较长的环节，数据图元繁忙和空闲的概率用于分析仿真实体模型中影响系统性能的主要因素。

本发明的基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境具有以下优点：

1)支持对仿真实体的分布式独立建模，实现了仿真实体模型之间的分离；

2)图形化组装仿真实体模型构建仿真系统的方式能够有效支持仿真系统的频繁更新、持续扩展与高效集成；

3)生成的数据较为完善，输出为系统完整的可达状态也就是所有可能发生的情况，形成状态空间便于后续验证与分析决策；

4)分析功能针对性强，重点分析仿真系统中的重点环节和影响性能的主要因素，且提供接口输出状态数据作为其它分析软件的输入。

附图说明

图1为基于状态空间的复杂系统仿真应用图形化开发流程；

图2为基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境模块组成结构示意图；

图3为仿真实体元模型；

图4为仿真系统组装层模型一般构建流程；

图5为层级化仿真工程管理器组成结构示意图；

图6为系统状态空间生成与保存。

具体实施方式

下面结合附图对本发明目的的实现、功能特点及优点做进一步说明。

如图2所示，一种基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境，包括仿真系统组建模块和状态空间分析模块。仿真系统组建模块，包括仿真实体描述层、仿真系统组装层和仿真工程管理器，其中，仿真实体描述层包括数据流模型组成图元区和数据流模型图形化编辑区两部分，仿真系统组装层包括仿真实体图元区、仿真实体交互关系图元区、仿真实体图形化组装区三部分。状态空间分析模块包括状态空间生成层和状态空间分析层，其中，状态空间生成层包括状态数据显示子模块和状态数据保存子模块两个部分。

所述基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境具体实施步骤如下：

(一)构建仿真系统组建模块

(1)构建仿真实体描述层

仿真实体描述层主要由数据流模型组成图元区、数据流模型图形化编辑区两部分构成，支持对仿真数据流模型图元的加载及连线，支持模型构建人员对数据流模型相关信息的配置：

数据流模型组成图元区列举了构建仿真实体模型需要用到的所有图元，包括开始图元、数据图元、函数图元、数据图元、结束图元等。

数据流模型图形化编辑区则用于仿真实体模型功能的具体描述实现，建模人员通过鼠标拖拽的方式将数据流模型图元拖拽到图形化编辑区，单击数据流模型图元即可对相应的图元进行函数定义和数据描述。

开始图元和结束图元作为辅助图元，在数据流模型中，辅助图元的作用在于帮助用户理解仿真实体的内部执行逻辑，保存仿真实体模型的初始输入数据和计算结果数据。每一个仿真实体对应的数据流模型只有一个开始图元和一个结束图元。

数据图元用以存储模型状态数据，单击数据图元弹出相应的配置对话框，进而对状态数据的属性进行配置，包括数据名称、数据类型、数据取值、数据说明。

传输图元用以链接数据图元和函数图元，数据图元上显示了函数图元的输入/输出数据，并描述了数据的流向。

函数图元用以表示发生状态数据变化所要满足的条件及计算函数，单击函数图元弹出相应的配置对话框，建模人员进而输入所需的条件表达式与计算函数。如果一个函数图元的每个输入数据图元都拥有状态数据且符合函数图元中的条件表达式，该函数图元表示的计算即为被允许执行。一个函数图元表示的计算被允许执行时，将发生数据变迁，输入数据图元的状态数据被消耗，同时为输出数据图元产生新的状态数据。

如图3所示，本发明以类图表示仿真实体元模型，该仿真实体元模型定义了描述仿真实体构建数据流模型所必须包含的信息，主要包括开始图元、结束图元、数据图元(数据项)、传输图元、函数图元(函数项)，分别用于构建数据流模型的开始端口、结束端口、数据存储、数据传输和函数激发。数据图元、函数图元都与数据传输关联，它们通过数据传输实现不同数据存储/函数激发之间的互联。数据图元包含了相应数据项，定义了数据图元所含的数据名称、数据类型以及数据取值；函数图元包含了相应函数项，定义了系统状态发生改变所需的各种条件与计算函数。

(2)构建仿真系统组装层

仿真系统组装层主要由仿真实体图元区，仿真实体交互关系图元区、仿真实体图形化组装区三部分构成，支持对仿真实体图元及仿真实体交互关系图元的加载及连线，支持仿真实体开发人员对仿真实体相关信息的配置：

仿真实体图元区分类列出了所有能够使用的仿真实体类，且每一个仿真实体类有一个相应的图标。

仿真实体交互关系图元区列举了链接实体图元需要用到的所有图元，包括新仿真实体、公布订购、消息传递。

仿真实体图形化组装区则用于仿真实体及其之间相互关系的映射实现，开发人员通过鼠标拖拽的方式将仿真实体图元拖拽到组装区，双击仿真实体图元进入仿真实体描述层从而可对相应的仿真实体进行配置构建；通过仿真实体交互关系图元将仿真实体图元链接起来，仿真实体交互关系图元上显示了仿真实体类的输入/输出数据，并描述了数据的流向，双击仿真实体交互关系图元可对输入/输出对象、传输数据及条件进行配置，从而构成仿真实体之间的动态交互逻辑，实现了现实对象在仿真环境中的映射实现。

仿真系统组装层模型一般构建流程如图4所示，实现复杂系统的模型构建，支持通过构建该仿真系统包含的仿真实体图元及仿真实体交互关系图元之间的调度关系图形化表示该事件对应的处理逻辑。

(3)构建层级化仿真工程管理器

构建层级化仿真工程管理器，支持对仿真实体模型的新建与导入操作，自动遍历仿真实体模型资源文件夹，同时支持对仿真实体模型各层资源文件执行鼠标选择与拖拽操作。层级化仿真工程管理器中包括仿真系统模型名称，构建仿真系统的图元资源列表，仿真实体模型名称，描述仿真实体的图元资源列表，如图5所示。在使用鼠标点击仿真工程管理器资源时，在仿真系统模型或仿真实体模型时会突出显示相应图元。

(二)构建状态空间分析模块

(1)构建状态空间生成层

状态空间生成层主要由状态数据显示模块、状态数据文档保存模块两部分构成，支持生成与保存仿真系统全部可能状态的集合。

状态数据显示子模块，即对仿真系统和仿真实体的状态空间进行记录显示。状态空间可看作一个以状态变量为坐标轴的空间，因此系统的某一状态可以表示为此空间中的一个向量。具体来说，每一个仿真系统状态包括系统所含的所有数据图元中的数据状态。数据流模型中，因为数据图元中的数据可能不止一个，而且满足激发条件的函数图元可能不止一个，那么一次函数激发就可能生成多种新的数据状态，系统从一种状态演变成多种可能的状态，如图6所示。状态空间主要用于记录模型运行的整个状态，为后续分析改进提供基础，还可用于验证模型的准确性，判断是否存在死锁以及无效函数图元。

状态数据文档保存子模块，即将生成的系统状态空间保存到文本文档中。在函数图元执行完毕之后，各种输出数据作为结果将会被保存在状态数据显示子模块中，调用接口可以从状态数据显示子模块读取数据，并分层保存在各个文本文档中，便于离线分析。

(2)构建状态空间分析层

状态空间分析层是复杂系统图形化建模与分析环境提供的一种分析系统状态变化过程方法，该工具提供了模型接口，可以为应用程序所调用，对系统的状态空间进行图形化分析。状态空间分析首先是计算出所有可达状态和有限系统的状态转换，然后再根据系统分析人员需求分析状态数据整体变化趋势和相关参数(函数图元的利用率，数据图元繁忙和空闲的概率)的变化过程。

假设构建数据流模型的数据图元集为s₁,s₂,...,s_x，x是数据图元总数，函数图元集为h₁,h₂,...,h_y，y是函数图元总数。数据图元s_r(r＝1,2,...,x)通过输入/输出传输图元链接的函数图元h_w(1≤w≤y)是已知的。根据模型数据图元中资源的分布情况及函数图元触发规则，生成状态空间R(m₀)，并将所有状态记为m₀,m₁,...,m_q-1，此处q是状态总数，即q＝|R(m₀)|，将各状态之间相对应的函数图元记为k₁,k₂,...,k_q-1(k_j(j＝1,...,q-1)中可能存在相同函数图元)，相应的触发概率记为c₁,c₂,...,c_q-1，相应的消耗时间记为t₁,t₂,...,t_q-1。

1、函数图元的利用率

运行数据流模型生成状态空间，某函数图元的所有触发时间之和即为该函数图元的利用率。函数图元的利用率的高低表现在仿真实体模型中就是找出花时间较长的环节，即是对系统工作效率影响较大的重要任务，便于系统开发人员分析改进。图形化显示各函数图元的利用率时，横坐标显示各函数图元名称，纵坐标显示计算得出的函数图元利用率的值。函数图元h_i的利用率P(h_i)计算为：

$P\left(h_i\right)=\underset{k_j=h_i}{\Sigma }{c}_j{t}_j,i=1,2,\mathrm{...},y;j=1,\mathrm{...},q-1$

由上述公式可以看出，函数图元h_i的利用率就是选择出与h_i相同的各状态之间相对应的函数图元k_j，并将其触发概率与消耗时间的积值相加。

2、数据图元繁忙和空闲的概率

运行数据流模型生成状态空间，某数据图元繁忙率即为该数据图元中有数据流动过的概率。数据图元的繁忙率的高低表现在仿真实体模型中就是找出影响系统性能的主要因素。图形化显示各数据图元繁忙/空闲的概率时，横坐标显示各数据图元名称，纵坐标显示计算得出的数据图元繁忙/空闲的概率值，则B(s_r)表示的是数据图元s_r中有数据流动的概率为：

$\left(\begin{array}{c}B\left(s_r\right)=\frac{\Sigma f\left(h_w\right)}{q-1},f\left(h_w\right)=\left(\begin{array}{cc}1& k_j=h_w\\ 0& k_j\ne h_w\end{array}\right)\\ r=1,2,\mathrm{...},x;j=1,\mathrm{...},q-1\end{array}\right)$

其中与数据图元s_r链接的函数图元h_w是已知且可能不是唯一的。

由上述公式可以看出，数据图元s_r的繁忙率B(s_r)就是s_r中发生数据流动的状态占所有状态(除了原始状态m₀)的比率。显然，数据图元空闲的概率为1-B(s_r)。

通过上述实施步骤可以实现基于状态空间的复杂系统图形化建模与分析环境。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。