计算机仿真HLA

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1、计算机仿真什么是 HLA院系：计算机科学与工程学院 班级：090614 班 姓名：程龙波 学号：090612102 日期：2012 年4 月 16日1. 引言近年来，随着计算机技术、信息技术和系统技术的飞速发展，计算机的应用领域不断 拓宽，国民经济发展特别是军事需求的强大推动，促使计算机仿真在理论和实践两个方面 都走上了快速发展的道路。当前，计算机仿真已广泛应用于航空、航天、通信、船舶、交 通运输、军事、化工、生物、医学、社会经济系统等自然科学与社会科学的各个领域，其 重要性已广为人知。随着计算机仿真应用领域的拓宽，计算机仿真需要解决的问题也越来 越复杂，许多问题靠单个仿真系统已无法解决，必须

2、依靠多个仿真系统进行联合协同仿真， 因此，分布仿真已成为计算机仿真领域的前沿和热点之一。与传统的单个系统仿真相比，分布仿真的关键问题是多个仿真系统间的互操作问题， 为此，美国国防领域的相关组织通过大量的研究，提出了建模与仿真的高层体系结构(High Level Architecture，简称HLA), HLA的核心思想是互操作和重用，其显著特点是通过运行 支撑环境RTI (Run-Time Infrastructure),提供通用的、相对独立的支撑服务程序，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，隐蔽了各自的实现细节，从而使各部分可以相对

3、独立的进行开发，并能充分利用 各自领域的先进技术。相对于早期的DIS标准，HLA解决了仿真系统的灵活性和可扩充性 问题，减少了网络冗余数据，并且可以将真实仿真、虚拟仿真和构造仿真集成到一个综合 仿真环境中，满足复杂大型系统的仿真需要。目前，HLA已正式成为IEEE建模与仿真标准 (IEEE 1516.X系列)，因此，基于HLA的分布仿真将是今后仿真发展的主要方向。2. HLA 基本介绍分布交互仿真技术从产生(SIMNET计划)到DIS 2.X、IEEE 1287.X系列协议和ALSP 协议的制定，进而发展到今天的HLA，都是企图解决建模与仿真(M&S： Modeling and Simulat

4、io n)领域存在的问题：绝大多数仿真器的应用实现较为独立，仿真器之间的互操 作性和重用性差；开发、维护和使用费用时而且成本高：可验证性、有效性和置信度较差。 HLA 就是从体系结构上建立的这样一个框架，它能尽量涵盖 M&S 领域中所涉及的各种不 同类型的仿真系统，并利于他们之间的互操作和重用性。同时能利用不断发展的新技术， 来满足复杂系统的仿真需求。采用HLA的技术体制，可以将单个仿真应用连接起来组成一个大型的虚拟世界。在这 个虚拟世界中，可以进行大规模的多对多/部队对部队的战术，战略原则研究和演练仿真； 可提供多武器系统的体系攻防对抗仿真和武器性能评估仿真；还可进行不同粒度，不同聚 合度的

5、对抗仿真和人员训练仿真。3. HLA 的组成3.1 HLA 的介绍底邦HLA 按照面向对象的 思想和方法来构建仿真系 统，它是在面向对象分析与 设计的基础上划分仿真成 员，构建仿真联邦的技术。 图 1 展示了 HLA 仿真系统 的层次结构。在美国国防建模与仿真办公室（DMSO）1995年10月制定的建模与仿真主计划（MSMP） 中，提出了未来建模/仿真的共同技术框架。它包括三个方面：高层体系结构（HLA）、任 务空间概念模型（CMMS）和数据标准（DS）。它们的共同目标是实现仿真间的互操作， 并促进仿真资源的重用，具体地说，就是通过计算机网络使得分散分布的各仿真部件能够 在一个统一的仿真时间和

6、仿真环境下协调运行，且可以重复使用。HLA的基本思想就是使 用面向对象的方法，设计、开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件 和仿真系统高层次上的互操作性与可重用性。3.2 HLA 的组成1996 年 8 月 DMSO 正式公布了 HLA 的定义和规范。经过改进完善， HLA 的规则、接 口规范、对象模型模板三项内容已在 2000 年 9 月 22 日由美国 IEEE 标准化委员会正式定 为 IEEE1516, IEEE1516.1, IEEE1516.2 HLA 标准。OMG,北约 M&S 组织也采纳 HLA 作为标 准。HLA由以下三种规范接口组成：（1）对象模型模板（OMT

7、）：是对仿真中的对象、对象属性和对象间信息交互的格式 和内容进行定义的标准化描述。（2）框架与规则集： HLA 共定义了 10 条规则，描述仿真和联邦成员的职责，以确 保一个联邦内仿真的正确交互。其中前5 条规则规定一个联邦必须满足的要求，而后5 条 规则则是一个联邦成员必须满足的条件。（3）联邦成员访问 RTI 的接口规范：描述在操作过程中的仿真交互方式，提供了盟 员与 RTI 之间功能接口，描述了六类服务，共 101 个操作。4. HLA 规则4.1 联邦规则（1）联邦应该有一个联邦对象模型FOM，该FOM应与HLA的OMT相容。FOM是说明 HLA联邦数据交换的手段，它记录了联邦成员对于

8、在联邦运行期间需相互交换的数据的内 容、格式及数据交换的条件所达成的协议。（2）在一个联邦中， FOM 中的所有对象应属于各个成员而不应在 RTI 中。 HLA 中，将 凡是与仿真有关的对象实体的表达放在联邦成员中而不是放在 RTI 中， 但是 RTI 可以拥有 管理对象模型（MOM）中对象实例。（3）在执行联邦时，各成员中间所有FOM规定的数据交换必须通过RTI进行OHLA中， FOM 中描述的对象或交互类的数据，都是联邦成员之间可能需交换的数据，而成员之间要 想实现交换数据，只有借助于 RTI 提供的服务。 在联邦执行中，成员应按HLA接口规范与RTI交互，即访问RTI应遵循接口规范。（5

9、）在联邦执行中，在任一给定时间，一个对象属性只能为一个成员所拥有。HLA中， 不同成员可以拥有同一个对象实例的不同属性。为了保证整个联邦中数据的一致 性，在 任意给定时间最多只能让一个联邦成员拥有（从而有权改变其值）任意给定的对象实例的 属性。（6）联邦成员应有一个符合OMT规范的成员对象模型（SOM）。联邦成员通常由实现 仿真功能的仿真系统组成， SOM 描述了它们为实现自己的仿真功能，需向外获取（定购） 及本身能向外提供（公布）的信息。（7）成员应能更新和（或）使用其 SOM 中记录的对象的属性，能接收与发送 SOM 中记录 的交互。联邦成员在联邦运行中向其它成员公布自己所负责建模的对象的

10、属性 的数值， 及借助于RTI提供的服务接收自己想要的来自其它成员的属性数据是各个联邦成员的责任。(8) 成员应按SOM中的规定，在联邦执行中动态地转移与接收属性的所有权。对HLA 联邦来说，实际仿真剧情的实现，常常要在具体的联邦成员之间进行对象属性所 有权动 态转换， RTI 通过所有权管理提供相应的服务，而具体的实现是联邦成员之间的责任与 合作。(9) 成员应按 SOM 中的规定，更新对象属性的条件(如改变阀值)。 HLA 让拥有某些对 象属性所有权的成员有权产生这些属性的不断变化的值(往往通过模型的解算得到)，并 由它负责通过RTI将不断公布这些属性值，从而使定购这些属性的其它成员能得到

11、这些属 性的值。(10) 成员应能管理局部时间，从而保证它能协调地与联邦中的其它成员交换数据。 HLA 通过时间管理服务给联邦成员提供了灵活的仿真时间推进的方法，从而使 HLA 可以 适用于连续、离散或混和类型的仿真。但它需要联邦成员自己管理自己的逻辑仿真时间(本 地时间)。4.2 HLA 对象模板HLA是一个开放的体系结构，其主要目的是促进仿真系统间的互操作，提高仿真系统 及其部件的重用能力。为了达到这个目的，HLA要求采用对象模型(Object Model)来描述联 盟和联盟中的每一个盟员，该对象模型可以采用各种形式描述，但HLA必须采用一种统一 的表格-对象模型模板(OMT)来规范对象模

12、型的描述，OMT是HLA实现互操作和可重用的 重要机制之一。在HLA OMT中，HLA定义了两类对象模型，一类是描述仿真联盟的联盟对象模型(FOM, Federation Object Model);另一类是描述联盟成员的成员对象模型(SOM, Simulation Object Medel).这两种对象模型的主要目的是促进仿真系统间的互操作和仿真部件的重用。(1) 联盟对象模型(FOM)HLA FOM 的主要目的是提供联盟成员间用公用的、标准化的格式进行数据交换的规范 它描述了在仿真运行过程中将参与联盟成员信息交换的对象类、对象类属性、交互类、交 互类参数的特性。 HLA FOM 的所有部件

13、共同建立了一个实现联盟成员间互操作所必须的 “信息模型协议”。(2) 成员对象模型(SOM)HLA SOM 是单一联盟成员的对象模型，它描述了联盟成员可以对外公布或需要订购的 对象类、对象类属性、交互类、交互类参数的特性，这些特性反应了成员在参与联盟运行 是所具有的能力。基于OMT的SOM开发是以一种规范的建模技术和方法，它便于模型的 建立、修改、生成和管理，便于对已开发的仿真资源的再利用，能够促使建模走向标准化。5 联盟管理联盟管理(Federation Ma nan ge )是指对一个联盟执行的创建、动态控制、修改和删除等 过程。在一个计算机网络中， RTI 和其他一些支持软件构成了一个综

14、合的仿真环境。在这 个环境中，可以运行各种联盟。联盟管理也就是在此仿真环境中动态地创建、修改和删除 一个联盟执行。除了上述操作外，联盟管理还包括联盟成员间的同步，联盟的保存和恢复 等内容。联盟执行是指在联盟(仿真系统)运行过程中， RTI 根据联盟成员的请求用一个指定 的 FOM 及相关的联盟细节数据，为实现联盟成员间互操作而创建的一个虚拟世界。它实 际是一个活动的联盟，因此它是一个和联盟向对应的，具有一定生命期的概念。6 声明管理在 DIS 协议中，仿真系统间的交互是通过互相发送 PDU 来实现的，而 PDU 的发送是 采用广播方式。因此在DIS系统中，当互联的仿真系统数量N增加时，网络的通

15、信量将以 N的平方的数量级增长，而且每个仿真系统在收到一个PDU后，都要判断该PDU是否是 发给自己的，这个过程浪费了大量的处理时间。由此可见， DIS 协议限制了构建一个大型 分布仿真环境的能力。为了解决 DIS 协议中的问题， HLA 采用了一种“匹配”（或称“过滤”）机制，即数据“生产 者”向RTI声明自己所能生产”的数据，数据“消费者”向RTI订购自己所需要的数据，有RTI 负责在“生产者”和“消费者”之间进行匹配。 RTI 保证只将“消费者”所需的数据传递给“消费 者”，这种匹配可以在（对象类和交互类）层次上进行，也可以在实例（属性实例或交互实例） 层次上进行。声明管理（DM,Dec

16、laration Ma nan geme nt）为联盟成员提提供了类层次上的表达 （发布或订购）机制，数据分发管理（DDM,Data Distribution Management）则提供了实例层次上 的表达机制，联盟成员即可以单独使用声明管理，也可以将声明管理和数据分发管理结合 起来使用。当单独使用声明管理时，联盟成员通过声明管理服务向RTI表明自己的意图（生 产数据的意图和消费数据的意图）， RTI 负责在联盟成员间进行匹配，并将数据传递给正确 的联盟成员.7 对象管理HLA对象管理（Object Management）实在声明管理基础上，实现对象实例的注册/发现、 属性的更新/反射、交互实例的发送/接收以及对象实例的删除等功能。8 所有权管理所有权关系指的是实例属性和联盟成员之间的一种关系，如果联盟成员有权更新某个 实例属性的值，我们就称给联盟成员拥有该实例