一体化建模与仿真环境中资源管理系统关键技术研究49页Word文件下载.docx
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管理，四元组描述法，元胞状态机科学技术大学研究生院硕士学位论文
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缩略语
—建模与仿真
—仿真模型和资源的参考标记语言
—资源描述框架
－联邦对象模型
－联邦开发执行过程
－高层体系结构
－对象模型模板
－运行支撑框架
－可扩展标记语言
－建模与仿真资源库
－联合作战仿真系统
－柔性分析建模演习系统
－模型驱动框架科学技术大学研究生院硕士学位论文
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第一章绪论
1.1课题背景及研究意义
仿真就是有目的地利用动态模型进行的实验
[1]
，它是一个“建模—实验—分析
—修改模型—再实验—再分析”不断反复的过程。
一体化建模与仿真，是在规范
化建模方法的指导下，通过建模工具将问题描述、建模过程和技术实现联系为一
体，实现问题描述与技术实现相互联动的一种模型开发过程
[2]
。
一体化建模与仿真
环境是一个软件工具的集合，它支持模型的设计和开发、数据的准备和分析、仿
真程序的编写和运行、以及其它仿真相关需求和应用
[3]
一体化建模与仿真环境有以下两个主要特点
[4]
一是提供有关仿真的软件工
具，这些工具支持模型的开发、仿真的运行以及仿真结果的评估等过程，实现建
模与仿真的一体化。
二是整个一体化建模仿真过程在仿真资源库的支持下进行，
仿真资源库对仿真全过程中的资源进行规范描述和统一管理，方便资源的重用和
互操作。
一体化建模与仿真环境使得仿真的设计和开发更加快捷、高效，它支持
用户根据不同的目的和任务设计、开发和使用仿真。
它不仅为计算机数字仿真提
供了一整套功能齐全的一体化建模与仿真开发环境软件工具，而且提供了经过验
证的仿真模型及方法。
仿真资源库在一体化建模与仿真过程中处于核心地位。
仿真资源大量存在，
需要建立仿真资源管理系统来对分散、孤立的仿真资源进行统一描述和管理，以
促进建模与仿真工作的开展
[5]
在仿真资源库的建设方面，首先要求对仿真资源进
行全局一致性规范描述。
然而，在对仿真资源的描述方面，一般的仿真资源管理
系统对资源的描述很不规范，使得仿真资源的可识别性比较差，资源的重用率较
低。
在仿真资源的存储和管理方面，一般的资源管理系统只是简单地以文件的形
式存储到数据库中。
这种方式存储的仿真资源是孤立的、彼此没有任何联系，因
此仿真资源的利用率和使用价值比较低，满足不了一体化建模仿真环境下对仿真
资源高效集成管理的要求。
仿真资源的规范描述是进行有效管理的前提，因此对仿真资源的全局一致性
规范描述相当重要
[6]
仿真资源都是优先考虑该领域的应用，并不过多考虑共享和
重用，同一种资源在不同领域的表示方法也有所不同。
在这种情况下，需要一种
系统的、集成的资源描述方法，对一体化建模仿真环境下的资源进行全局一致性
描述。
通过对仿真资源的类型、命名等进行规范，便于不同应用系统能在综合集
成的基础上共同使用满足自身需求的仿真资源。
模型资源是仿真中的核心资源，因此对仿真资源的集成管理都是从模型的管科学技术大学研究生院硕士学位论文
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理开始。
仿真需要模型来驱动，仿真运行过程中所涉及到的其它资源都是为模型
的开发、运行和验证服务的
[7]
从生产模型的角度，模型的规范化、互操作性、可
组合性，以及模型的接口设计等相当重要。
因此，在一体化建模仿真环境下，对
仿真资源库提出了对具有组合特性模型进行动态管理的需要，通过对具有组合特
性模型的有效管理来提高仿真对象模型的互操作性和重用性。
从使用模型的角度，
由于在模型运行中会涉及到各种各样的仿真资源，把仿真运行中涉及的过程资源
进行有效的管理具有很强的实际意义。
因此，在一体化建模仿真环境下，对仿真
资源库提出了仿真案例管理的需求，它通过对每次仿真运行中涉及的模型和数据
等相关资源进行关联存储，实现了对建模仿真中资源的综合集成管理，提高了资
源的重用价值。
通过以上分析得出，在一体化建模仿真环境下，对仿真资源的规范描述和有
效管理一直是仿真资源库建设过程中亟需解决的问题。
因此，研究一体化建模仿
真环境下仿真资源的全局一致性描述方法、组合模型的动态管理以及面向仿真案
例的资源库关键技术具有很强的现实意义和实际意义。
1.2国内外研究现状
随着仿真技术的不断发展，关于一体化建模与仿真的研究也越来越多，推动
了仿真技术不断向前发展。
下面将简要介绍目前国内外一体化建模仿真环境中仿
真资源库的建设情况。
1.2.1国外方面
美国国防部1995年提出实施建模与仿真主计划，第一次提出了创建建模与仿
真资源库系统（）
[8]
它目的是为了方便有效地为建模与仿真领域用户提供
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。
整个
系统的创建将有利于提高仿真资源的重用性和共享性，增加建模与仿真的
可信度。
的目标和任务是为军事建模仿真提供一个资源共享的基础框架，提
高建模与仿真的互操作性、可重用性和可信性。
不仅提供对资源进行搜索、
存储、获取的能力，而且提供实现资源保护的安全机制。
美军的联合作战仿真系统（）
[9]
是一个能对联合战役作战方案进行分析
的模拟仿真系统,由美国国防部办公室负责组织开发。
的目的是为用户提供
联合作战分析的工具，以支持作战计划与执行、兵力评估研究、系统分析、概念
与条令开发等应用。
系统的关键应用包括规划与执行、兵力评估、系统效能
评估与作战分析、作战概念及条令开发与评估等。
它能够把仿真过程中的想定、
脚本、模型、结果和分析等资源进行统一管理。
通过关联把各种资源组织在一起，科学技术大学研究生院硕士学位论文
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1.2.3发展趋势
一体化建模与仿真是仿真技术发展的必然趋势，构建一体化建模仿真环境是
进行大规模集成仿真的必然要求
[12]
由于仿真技术与信息技术、计算机技术及通
信技术紧密结合，随着信息技术的不断发展一体化建模与仿真的研究也会不断引
向深入。
在一体化建模环境构建中，仿真资源库仍是建模仿真的核心，仿真软件
工具将进行有效的集成和无缝的链接
[13]
仿真软件工具将建模、仿真运行和结果
评估等过程有机地结合在一起，仿真资源库将会对建模与仿真的各个过程进行支
持，使得仿真模型可以重用和互操作，仿真运行的数据能够得到很好的共享。
1.3课题的主要研究内容
一体化仿真资源管理系统是为用户仿真建模提供支撑服务的，并对整个仿真
流程中所涉及的资源进行管理。
根据以上分析，仿真资源库建设方面还有很多重
难点问题需要解决，也是本课题开展的原因所在，本课题需要研究的主要内容有：
仿真对象模型分为概念模型、逻
辑模型和程序模型。
通过利用面向对象的分析技术，对建模仿真的元素进行分析
和建模，研究如何利用泛化、关联、多态等方法，划分仿真系统中各种仿真对象
和对象之间的相互关系，进而建立仿真对象模型的体系框架结构。
第二，研究一体化建模与仿真环境下资源的全局一致性描述。
由于模型的开
发平台不统一和模型结构的多样化，使得对仿真资源的描述差别很大，影响一体
化建模仿真环境下资源的重用性。
仿真资源的描述方法常用的有描述、描
述和描述等，论文提出四元组描述法对资源进行全局一致性描述，提高仿真
资源的可识别性和通用性。
第三，研究一体化建模与仿真环境下具有组合特性的组件模型的动态管
理技术。
根据建模仿真的需求，通常需要把不同的组件模型进行重新组合，实现
一次仿真应用。
论文利用元胞状态机分析模型的组合特性，在仿真资源库中
实现对组合模型的动态管理和组合装配，提高模型的互操作和重用性。
第四，研究一体化建模与仿真环境中面向仿真案例的资源库关键技术。
仿真
案例就是在一定的指标评价体系作用下不断优化仿真的过程，每次仿真过程中涉
及的资源类型很多，而且同一类资源也可能会有多个文件，因此需要对这些资源
文件进行有效管理。
论文研究了案例库的关键技术，对仿真应用中所涉及的仿真
资源进行统一的集成管理，提高仿真资源的利用率和使用价值。
第5页
1.4论文的组织结构
在一体化建模仿真环境背景下开展课题的研究，论文一共分为六个章节。
论
文主要包括仿真资源的全局一致性描述、模型的动态集成管理、案例库的关
键技术研究以及仿真资源管理与服务系统的设计与实现，论文的组织结构如图1.1
所示。
图1.1论文组织结构图
第一章：
绪论。
首先阐述了论文的研究背景和国内外研究现状，然后介绍了
论文的主要研究内容，通过这一章可以大致熟悉文章的研究思路。
第二章：
研究资源的全局一致性描述。
首先，论文对目前资源描述的相关技
术和方法进行了总结和归纳，然后在此基础上提出了四元组资源描述法，并利用
该方法对仿真资源进行形式化描述。
第三章：
研究组合模型的动态管理技术。
本章首先研究了仿真对象模型
的框架，然后利用状态机分析组件模型的组合特征，最后研究了一体化仿真
资源管理系统中模型的动态管理与组合装配问题。
第四章：
研究一体化仿真资源管理系统中关于任务资源的管理问题，通过四
元组法对仿真案例进行形式化描述，建立仿真案例库实现对仿真任务资源的分层
分级管理，提高了仿真资源的管理水平和利用效率
第五章：
一体化仿真资源管理与服务系统的设计与实现。
本章包括系统架构
的设计，关键模块的设计与实现，以及对系统的测试及其应用等。
第六章：
课题的总结和展望。
第6页
第二章仿真资源的全局一致性资源描述方法研究
建立仿真资源管理系统是建立一体化建模与仿真环境的必然要求，然而对仿
真资源进行全局一致性规范化描述是进行仿真资源有效管理的前提，因此仿真资
源的规范描述显得相当重要。
本章提出了四元组描述法，研究了仿真资源四元组
描述模型的建立、描述对象的形式化表达以及四元组描述法的技术实现。
通过对
仿真资源的全局一致性规范描述，提高了资源的利用率。
2.1仿真资源及其资源描述技术
2.1.1仿真资源的种类及其资源描述特点
伴随着分布式作战仿真应用在广度和深度上的不断发展，仿真的规模越来越
大，复杂度越来越高。
由于仿真资源多种多样，表现形式错综复杂，按照不同的
标准有不同的分类方法。
在一体化建模与仿真环境下，根据资源的属性特征以及
资源形式化描述的要求可将仿真资源分为模型资源、数据资源、仿真应用资源和
其它资源
模型资源
模型是对现实问题的抽象，是关于系统、实体、现象或过程的物理的、数学
的或其它逻辑的表现形式，它可以是一段代码、一个应用程序或者一个算法
[14]
模型是仿真建模中最核心的资源，仿真模型的种类涵盖了仿真所涉及的各个领域。
仿真模型可以按照其模拟对象的不同进行分类，如机械模型、车辆模型、人口模
型，也可以根据模型在仿真中所处阶段进行分类，如概念模型、数学模型、计算
机实现模型等。
模型具有很高的重用性，对于模型资源的描述应该尽可能详细准
确地表达其基本创建信息、输入输出信息、参数信息和模型接口信息等。
数据资源
数据是指用一种适于交流、解释的方式对事实、概念或指令的形式化表达
[15]
，
它可以是图像、文字，也可以是其它文件类型。
模型的运行要靠数据驱动，数据
资源也是仿真中的重要资源。
仿真过程中涉及很多数据，它们格式不同、形式多
样。
在一体化建模与仿真环境下，根据数据的性质和作用可以分为基础知识、模
型数据、配置文件、参数信息、日志文件、交互数据等。
对数据资源的描述要力
求表现数据的格式和数据的完整性。
应用资源
仿真应用资源是仿真运行过程中产生的资源，它在仿真过程中起着重要的作
用
[16]
应用资源又可分为节点资源和任务资源。
节点资源指的是在仿真某节点涉科学技术大学研究生院硕士学位论文
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实现资源的有效管理，提高资源的重用价值。
另外，澳大利亚国防仿真办公室（）和国防科学技术机构（）提出建
立了分布仿真库
[10]
，研究了企业到企业（P2P）结构的应用。
它们试图在国防科学技
术机构仿真团体内部提供一种机制，这种机制可以促进物理上分布的工作小组之
间的协作及其资源的重用，目的就是为了构建一个虚拟集中的但物理上分布的资
源库服务系统。
1.2.2国内方面
国内对一体化建模仿真的研究起步相对较晚，利用建模仿真来解决实际问题
的能力还很有限。
随着近年来计算机技术的迅速发展，仿真技术也获得了较大的
发展，建模仿真逐渐渗透到决策评估和各工业过程中。
国内学者开始把建模过程
和仿真过程结合起来，建立一体化建模仿真环境，对模型建立、仿真运行以及仿
真评估进行全程支持，提高建模仿真的效率和可性度。
北京仿真中心开发了基于组件的一体化建模仿真环境（）
，它采用模型驱
动结构（）技术，以模型为中心进行一体化开发。
仿真系统开发完成后无需复
杂编程，通过适配器可以直接在单机、分布（／）、并行（）平台中
运行，因此它可同时支持分析评估和作战过程演示等多种仿真类型。
北京航空航天大学对资源库、模型库及其管理系统作了相应的研究
[11]
它主
要针对虚拟样机中飞行仿真模型库及其建模环境进行了研究，将组件技术引入飞
行动力学仿真模型的构建，运用、数据库等技术，自行开发了
一个具有可重用性、支持通用型巡航导弹虚拟样机研究的飞行动力学仿真模型库
系统。
该系统是针对飞行动力学的仿真模型建立的模型库系统，可以有效实现模
型的重用，提高开发效益。
就目前国内一体化建模仿真环境下资源服务系统的研究现状而言，已有的仿
真资源服务系统还存在一些不足之处。
首先，对仿真资源的描述不够规范，导致
资源的通用性比较差。
第二，一般资源服务系统中对模型的管理只是起到了存储
模型的作用，模型的重用性比较差。
第三，对组件模型的组合性研究不够，导致
资源服务系统中对组合模型的管理水平较低。
第四，一般资源服务系统缺乏对仿
真案例的管理，导致资源的关联性比较差，没能实现资源的集成管理。
另外，目前国内关于作战仿真的一体化建模仿真环境的研究还处于起步阶段，
严重制约了建模仿真在军事领域的应用。
因此，构建关于作战仿真的一体化仿真
资源库，并对作战仿真全过程进行支持具有很强的现实意义，也是本文的研究目
的所在。
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可扩展性是指资源描述方法能够及时地修改、扩展和更新仿真资源信息。
仿
真资源描述是一个繁琐的过程，资源属性的描述可能会随着仿真的需要而发生改
变。
比如，资源需要描述的属性会随着仿真任务的不同而有所区别，仿真过程中
资源的属性可能会需要添加或者修改，这要求对资源的描述必须具有扩展性。
2.2.3资源全局一致性描述的一般方法
仿真资源的全局一致性描述，就是尽可能的用统一的格式描述各种类型的仿
真资源，使得仿真资源具有很好的可识别性，能够重用和互操作。
2.2.3.1基于单个属性的资源全局一致性描述方法
资源的全局一致性描述最简单的方法就是把各种类型资源的属性集进行合
并，求得整个系统资源的属性总集。
对每一具体资源，根据它的资源类型，只需
在属性总集里面填写相应的属性值就行，图2.1是基于单属性描述法的原理图。
例如，资源系统有三种资源A、B和C，现有资源属性a，b，c，d，e。
资源
A的属性集为{a，b，c}，资源B的属性集为{a，b，d}，资源C的属性集为{b，d，
e}。
可以求得整个资源的属性总集为{a，b，c，d，e}，则资源A可以表示为{a，b，
c，/，/}，资源B可以表示为{a，b，/，d，/}，资源C可以表示为{/，b，/，d，e}。
图2.1基于单属性描述法的原理图
这种方法在资源类型不多、资源总数不大的情况下是很有效的。
当资源的种
类很多、数据量很大时，这就给资源的一致性描述带来了困难。
由于每种资源的
属性和特征差别很大，这时属性总集会变得很庞大。
如果对每个资源都用属性总
集去描述，不仅浪费了内存资源，而且降低了资源描述的效率。
2.2.3.2基于属性子集的资源全局一致性描述方法
由于上述方法属性总集中的元素是单个属性，在资源扩充时它会不断增加资
源描述的负担，具有很大的局限性。
可以考虑通过定义属性子集来描述资源的属
性，每个属性子集包含资源的一系列相关的资源属性。
资源的属性总集的元素不再是单个属性，而是属性子集。
这时，对资源的描
述就可以根据资源的类型填充相应的属性子集就行。
相对于前面的方法而言，属
性总集的基本框架保持不变，只是对属性子集进行了一定的扩充。
该方法具有很
好的描述格式，而且资源描述的扩展性很好。
图2.2是基于属性子集的描述法的
原理图。
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2.2仿真资源全局一致性描述
本节结合仿真资源的特点提出资源全局一致性描述的需求，讨论了资源全局
一致性描述的相关要求，研究了资源全局一致性描述的一般方法。
2.2.1资源全局一致性描述问题的提出
仿真资源对于建模与仿真的重要性是不言而喻的，它在建模仿真中处于核心
地位。
如果在每次仿真建模时都要重新开发所需的仿真资源，不仅浪费大量的人
力、时间和金钱，而且不能保证所开发模型的可信性和与其它系统的互操作性
仿真资源广泛存在，但是如果不加以有效的管理和利用则没有太大价值。
为此，
需要建立仿真资源管理系统来对仿真资源进行统一管理，将分散、孤立的仿真资
源进行统一描述和管理，促进建模与仿真工作的开展，更好地为建模与仿真提供
支撑服务。
在建模与仿真活动中，面对大量的、种类繁多的仿真资源，资源的描述是一
个复杂的过程。
在一体化建模仿真环境下，模型建立、仿真运行与结果评估实现
了一体化，因此对仿真资源的规范描述和集成管理提出了更高的要求。
在资源的
规范描述方面，一体化建模仿真环境提出了资源全局一致性描述的需求，通过利
用系统的、集成的资源描述方法对所有仿真资源进行规范的、统一的描述。
的全局一致性描述使得仿真资源在建模仿真全过程能够得到一致性的理解，实现
仿真资源的重用，提高建模仿真的效率。
2.2.2资源全局一致性描述的相关要求
仿真资源是各种仿真应用系统的核心，而资源的规范化描述对于资源共享能
力的发挥相当重要。
一般人们总是在满足自身需求的前提下进行资源的描述，这
使得资源描述的形式多样化。
评价这些描述方法的标准并不唯一，但是资源的全
局一致性描述方法应该具备完整性、规范性和可扩展性等基本特征。
完整性是指在满足仿真应用需求的前提下，资源描述方法能够完整表达资源
的各个属性。
在一体化建模与仿真环境中，各类资源有各自不同的特点和描述重
点，资源的完整性描述就是在统一的资源描述框架下，对仿真资源的各个属性进
行清楚而完整的表达，能够反映资源的整体特性。
规范性是指资源描述的格式和语言规范，具有很好的可识别性，能够得到不
同仿真平台很好的支持。
在仿真应用系统内部，被描述的对象能够进行互联互操
作，在各个仿真环节能够得到理解和执行。
一体化建模与仿真环境中，资源的描
述不依赖于某一种系统，它力求描述的规范性，能够实现资源的共享和重用。
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{，[P，R]}
其中，资源属性P可表示为：
{，[，]}
两个资源之间的关系R可表示为：
（1，2）
利用元数据来描述资源属性，可以方便资源属性的添加和修改，同时可以促
进资源的优化管理和互联互操作。
对元数据的描述一般采用可扩展标记语言
来进行描述。
采用语言描述的元数据具有很好的格式，很多工具和平台都可
以获取并解析元数据，有利于信息的交换。
2.1.2.3资源描述框架
资源描述框架（，）是一种基于元数据的
语义描述语言
[19]
凡是被描述的事物都称为资源，用来标识事物，
用简单的属性及属性值来描述资源。
一个资源描述模型文件包含多个资源描
述，一个资源描述由多个语句构成，每个语句是由资源、属性类型、属性值构成
的三元组。
采用结构化的数据，使得资源的存储和管理都很方便，该方法广泛
用于互联网资源信息的描述。
只是提供了少量的基础性词汇，并定义了一些
规则，只要符合这些规则，人们可以描述任何资源。
在描述资源上有很强的
通用性，但对于实体、事件、交互等仿真要素，并没有定义特定的元素来描
述。
另外，对模型的交互表达能力也有限。
2.1.2.4参考标记语言
（）是一种基于的用于表示仿
真模型和资源的参考标记语言
[20]
有一套完整的元素体系用来描述仿真模
型，它声明了一组数量较少但相对完备的元素和元素属性，这些元素通过标签的
形式对仿真实体、实体之间的
升级会员 