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1、XXX 理工大学CHANGSHA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY&TECHNOLGY题 目多领域建模理论与方法学 院： XXX学生:XXX学号：xxx_指导教师： XXX2015年7月2日多领域建模理论和方法The theories and methods of Multi-domain ModelingStudent:XXX Teacher:XXX摘要建模理论和方法是推动仿真技术进步和发展的重要因素，也是系统仿真可持续发展 的基础1文 中综述了多领域建模主要采用的四种方法，并重点对基于云制造的多领域建 模和仿真进行了叙述，并对其发展进行了展望。关键词：多领域建模仿真；云制造
2、；展望Abstract：The theory and method of system model building is not only the key factor to stimulate the development and improvement of simulation technique but also the base of system simulation. This paper analysis four prevails way in Multi-domain Modeling, especially to the Multi-domain Modeling a
3、nd Simulation in cloud manufacturing environment. We give a detail on its development and future.Keywords: Multi-domain Modeling and simulation; Cloud manufacturing; Future development一引言随着科学技术的发展进步和产品的升级需求，对产品提出了更高的要求，使得建模 对象的组成更加复杂，涉及到各个学科、进程的复杂性以及设计方法的多元化。这些需 求都是以前单领域建模方案无法满足的，因此，必须建立一个建模方式在设计过程中
4、完 成对繁杂目标的多领域建模、结构仿真、多元化分析等。多领域建模是将机械、控制、电子等不同学科领域的模型“组装”成一个更大的模 型进行仿真。根据需要的不同，实际建模过程中，可以将模型层层分解。将不同领域的 仿真模型“零件”组装成“部件”，“子系统”则是由不同学科下的部件装配而成，与此 同时装配完成的不同学科的分子系统还能再装配成为一个全面仿真模型，称之为“系统” 由此可见多领域建模技术在繁杂产品设计过程中具有出众的优势。本文对多领域建模常用的四种方法：基于各领域商用仿真软件接口的建模方法；基 于高层体系结构的建模方法；基于统一建模语言的多领域建模方法和基于云制造环境下 多领域建模的方法进行了分
5、析并对基于云制造环境下多领域建模方法进行了展望。二多领域建模方法的研究现状2.1 基于各领域商用仿真软件接口的建模方法基于各领域商用仿真软件接口的建模方法是目前广泛使用的方法2。该方法的建模 与仿真技术是在已有的各商用仿真软件软件中构建各自的领域模型，然后利用各不同商 用仿真软件之间的接口实现多领域建模。因此这种方法的前提是各商用仿真软件提供或 开发相应的接口。在实现仿真时，利用各领域软件提供的协同仿真功能，在各自求解的 环境下进行求解，通过多进程或者分布式网络间的通信实现接口之间的数据交换，从而 实现不同领域之间的协同仿真。如典型的机械多动体力学仿真软件ADAMS提供与控制系 统仿真软件MA
6、TLAB、Easy5的接口通过该接口从而实现机械多体动力学与控制的多领域 建模3。仿真软件必须提供相应的接口以实现多领域建模。如果某个软件没有提供相应 的接口，那么它们就不能实现多领域建模，当采用商用软件的数目超过三个时，理论上 要求的相应的接口数目将变得非常庞大，复杂度也会增大。2.2基于高层体系结构的多领域建模方法1996年美国国防部发布了针对建模仿真领域的通用技术框架HAL。HAL通过运行支 撑环境(Run-time infrastrueture RTI)，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，
7、从而使各部分可以相对独立地进行开发，并能充分利用各自领域的先进技 术4HAL中描述了一定功能的仿真过程称为HAL的一个联邦成员(Federate),简称邦员。 为实现某种特定的仿真进而交互连接起来的若干邦员的集合，称为联邦(Feration)。图1 所示为基于HAL的仿真系统结构图。图1基于HLA的仿真系统结构图基于 HLA 的方法同样需要集成各领域的商用仿真软件，以我完成系统的构件，但 它克服了基于接口的方法开放性差、无统一标准、难以扩充等缺点。仿真系统可以将HLA 作为其“总线”，而不同的仿真软件则成为不同的邦元，欲将这些邦元集成起来进行协 同仿真，只需开与其各领域的商用仿真软件之间的接口
8、即可。2.3 基于统一建模语言的多领域建模方法基于统一建模语言的多领域建模方法具有与领域无关的通用模型描述能力，对于任 何确定了的领域，都可以实现统一的建模。由于采用相同的模型描述形式。因此基于统 一建模语言的方法能够实现不同领域子系统模型间的无缝集成。统一模型建模的研究来 源自HildingElmqvisyt的论文，他提出通过设计Dyloma模型平台建立物理系统仿真的 方法。自此以后，出现了一大批有类似设计思想的统一建模语言。面对这种混乱的局面。 欧洲仿真协会组织专家对下一代多领域、连续-离散混合物理建模语言 Molelica 展开研 究。Molelica语言用数学方程描述不同学科的物理规律
9、，以系统的拓扑结构为基础，联 合基于语言在内的组件连接机制来建造模型并进行集成，再通过求解微分方程或代数方 程描述的问题进行建模和仿真5。利用 Molelica 语言进行建模十分方便，因为多领域兼容的模型库有利于复杂系统高 置信度模型的建立。Molelica语言具有面向对象和非因果联系的特点，因此模型可重用 性得到了较大的提升。以前的建模语言只能做到在某一系统内拥有较强的建模能力。但 是 Molelica 语言可以很好的完成不同系统之间的模型转换问题。同时，基于 Molelica 语言的建模方法所使用的模型库还具有开放且不断增长的特点，用户可以自主开发或者 在已有的基础上进行改进以满足自身建模
10、的需求。目前。较为成熟的基于Molelica语言 的商用多领域建模仿真工具有两个 Dyloma 和 MathMolelica 。 Dyloma(dynamic modeinglabortary)即动力学建模实验室，是第一个支持Molelica语言的建模仿真软件。 Dyloma具备一个强大的图形编辑器用于构建模型，可以用Molelica语言进行开发。同 时，也可以将其它数据和图形文件导入其中。Dyloma的符号编辑器可以将用Molelica 语言编写的程序转化为 C 语言的程序并导出到 Simulink 或者硬件回路上进行仿真。 Dyloma软件的构架如图2MathMolelica 软件则是为完
11、成面向对象的系统建模与仿真而开发的一个集成的交 互式的开发环境。他集成了基于Molelica语言的图形建模与仿真，先进的脚本工具，集成的程序代码，测试用例，图形，文档，数学排版以及提供的MathMolelica公式符号 处理。MathMolelica软件在建模与仿真时需要切换界面，因为各个模块没有集成于统一 界面之中。在国内，华中科技大学研发的基于Molelica语言的多领域物理系统建模与仿 真平台 MWorks 也取得了一定的成果。该平台的主要内容包括：面向功能单元、基于 Molelica的可视化建模环境、多领域物理模型解析系统和面向多领域物理系统Molelica 模型的求解引擎。其系统实现
12、了数据、接口与功能的分层，为了使系统实现高可扩展和重用性，子系统的构建利用了基于面向对象的组件技术6其系统框架结构如图3用培舉魏掛1$摂S1 元年参轴“零博封鮭 建舞-藤如合方程担诵文时靳才程主醴救于霞璽齢m9XL AVLJfSL& 琳纺引輩 I非）朋性方程cnw IMZ.*稅SHff忻H睥规化幡出壊馨挖別箱压帯址3H图 3 Mworks 系统框架结构执械 襄型单冗K卅釣廉 舟力 力吊C爭 舵0甲斤W和点駅 更釈瑟n 莎M隼冠慕阈紅 马达骨路疸材 国整单忌洋哉就分 鹽癘愤曲基于统一建模语言的多领域建模仿真方法实现了各领域之间建模仿真的集成。特别是Molelica 语言的发展凸显出基于统一建模语
13、言的多领域建模仿真方法的可重用性和可 扩展性优势，使得其成为多领域建模仿真方法的主流方法。2.4 基于云制造环境下多领域建模方法云制造是将云计算7的思想和理念拓展至制造行业，它是指一种利用网络和互联网 平台，在先进的信息技术，制造技术以及新兴的物联网技术的支持下，按用户需求组织 网上制造资源，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造模式8。云制造环境下 多领域建模方法主要包括云制造的基本体系结构、云制造开发环境平台、设计软件的虚 拟化、设计软件的服务化等过程。2.4.1 云制造的基本体系结构云制造涵盖制造过程的全生命周期，包括设计、生产加工、实验、仿真、经营管理 和集成等相关方面的内容。根据
14、系统的功能可以将云制造的结构框架大致分为四个层次 基础资源层。虚拟封装层、平台服务层和应用层。此外，云制造还同时融合了包括虚拟 化技术、面向服务技术、物联网技术、智能化制造技术、大规模运算技术等高科技含量 的信息化技术9。以上组成了云制造服务模式得以实现的技术支撑，使云制造的模式变 得现实可行性。2.4.2 云制造的开发环境平台目前还没有一款真正意义上的云制造开发按软件平台投入使用，但是云制造的理念 是由云计算的思想衍生出来的，而云计算的开发平台已基本实现了商业化，因此目前在 建模过程中云制造平台的选取可以建立在云计算平台的基础之上。云制造环境下的多领 域建模首先要结合云制造自身的属性分别为软
15、件资源虚拟化和服务化功能的实现选择 相应的开发环境，从而为软件资源的虚拟化和服务化打下基础。2.4.3 设计软件的虚拟化软件资源通过虚拟化可以解决如软件对计算机运行环境要求的差异性，所有软件存 在于运资源池中，软件资源可以随意的调度和使用，同时云池中软件可以以多样化的服 务形式对使用者提供服务。软件资源虚拟化的主要方法有：基于Web服务模式的如软件 资源虚拟化、基于服务器虚拟化形式的软件资源虚拟化、基于远程调用的软件虚拟化和 基于虚拟桌面形式的软件资源虚拟化等。2.4.4设计软件的服务化软件资源服务化使得大规模的制造资源池诚为可能，用户只需要向云制造服务平台 提出要求就可以由云平台去组织制造资
16、源与制造能力来完成设计、加工、生产、协作等 订单。软件资源虚拟化的主要方法有：基于 WSDL(web service description language,web 服务描述语言)的资源服务化策略、基于WSRF (web service resource framework)的 资源服务化策略和基于 ontology 的资源服务化。最后利用以上的描述，在业务流程执行 流程语言的基础上可以进行多领域的建模仿真。业务流程执行语言 (Business Process Execution Language,BPEL)是WEB服务的业务流程执行语言的简称。它基于XML技术， 以一种类似编程语言的形式对整合Web服务的业务流程进行描述oBP
