分布式仿真环境下动态显示方案及效率研究

王保山，毛保华，刘海东，杜 鹏

（北京交通大学交通运输学院，北京100044）

复杂系统的分布式仿真，由于受显示设备的制约，需要通过多屏同步显示不同区域的运行情况或者通过多屏分别显示同一区域不同层次的运行状况。多屏显示系统与仿真系统同步运行，可以采取多种方案，不同方案对仿真系统的运行效率会有不同的影响，其显示效果也有差别。因此，采用合理的方案能够提供更好显示效果，同时也能最大限度保证仿真系统的运行效率。

1 分布式仿真系统结构

在网络环境下的分布式仿真是多仿真器的复杂并行仿真，各仿真器按照其分工，在仿真同步控制器的控制下同步运行，产生的仿真结果经仿真结果收集器汇总后发送给显示器，网络分布式仿真系统的体系结构如图1。

图1 分布式仿真系统的体系结构

从图1看出，分布式的仿真系统由同步控制器、仿真器、结果收集器、显示器和结果分析器等组成。一个复杂系统的仿真，其显示器需要分为若干部分，分别显示不同的局部，也可以显示不同的层次，无论那种方式都要求满足同步显示的要求。

2 同步展示方案

显示器获取仿真结果的方式有两种：利用网络通信获取仿真结果和利用数据库获取仿真结果。

2.1 利用网络通信获取仿真结果

利用网络获取仿真结果，可以采用TCP方式和UDP方式。

TCP通信是点到点的通信，当同时设置多个显示器时，需要分别与仿真系统建立通信连接，利用这些连接，将仿真结果传给显示器。信息的发送可以采取轮询或迸发方式，轮询方式是排队发送，客户数多时耗时较长；迸发方式即多线程方式，可以节省发送时间。

UDP是基于无连接的通信服务，可以实现广播式通信，也就是一点到多点的通信，无论显示系统的数量是多少，只需要有一个公用的信息发布线程。

2.2 利用数据库获取仿真结果

仿真器将仿真结果保存在数据库中，显示器可以从数据库读取仿真结果进行显示。为了保证显示的同步，需要在多个显示器间进行控制，可以通过网络实现控制。

3 方案比较

3.1 方案实施复杂度

从数据库获取仿真结果，显示器需要作为数据库的客户端实时访问数据库，同时为了保证多个显示系统显示信息的一致性，需要通过网络传递同步控制信号，同步信号的传输与利用网络传输仿真结果的机制是一致的，只是传输的信息量小，如果同步信号放在数据库中，这个信号也可以通过数据库获取，这时就需要显示器以较高的频率读取数据库，对数据库服务器的效率影响较大，这一方案复杂度是最高的。

利用TCP通信传输仿真结果，可以将显示器作为客户机，仿真结果收集器作为服务器，在服务器端采用多线程同时与多个客户机连接，利用这些线程将仿真结果并行发送给显示系统，为了保证显示器的同步，需要在线程间进行同步，这一方案也具有较高的复杂性。

利用UDP方式传输仿真结果，可以实现广播式的通信，将显示器作为服务器，仿真结果收集器作为客户机，客户机以广播的方式将仿真结果发送到网上，各显示器将同时收到这些数据，实现显示同步，但因为UDP数据包的大小受限，当仿真结果信息较多时需要有客户端分包和服务端组包的处理，但这一方案是最简单的。

3.2 网络通信量

为了显示的需要，一个仿真步长产生的仿真结果的字节数设定为F，在UDP方式下的通信量为F+a（a为UDP包格式控制信息），这些信息利用TCP传输一次的通信量为F+b（b为TCP包格式控制信息），a<>b。当同时有n个显示系统时，3部分的通信量分别为：F+a；nF +nb；nF+nc；F+a < nF+nb

从上面的比较可以看出，UDP方式通信量最小，TCP方式的通信量会随显示系统的数量成倍增加，数据库方式的通信量比TCP还要大得多，因为作为数据库连接的通信过程中有大量的控制信息。

不同通信方式、显示系统数量不同时的网络通信量变化情况，可以通过试验进行对比。本组实验每60 ms发送1 000 byte的数据，不同情况的网络信息流量见表1。

表1 100Mbps网络环境下不同方案网络信息流量（%）

从表1看出： UDP方式，客户端的网络流量与显示系统的数量没有关系。TCP方式，服务器端的网络流量与显示系统的数量成正比关系。数据库方式，数据库服务器网络流量与显示器的数量成正比关系。

3.3 运行效率

运行效率可以通过显示器的反应时间来衡量，需要的时间越少，效率就越高。实验时每次发送1 000 byte的数据，数据库方式则是每次读取1 000 byte的数据。3种方式分别设置5、10、15个客户端进行实验，结果如图2。

图2 运行效率对比图

从图2可以看出，利用UDP方式，处理的效率最高，且随用户数量的增加，处理速度变化不大。利用数据库方式其效率较低，且随客户数量的增加，效率降低得较快，而采用TCP方式，则处于两者之间，并且在网络带宽富裕的情况下，效率的变化比较平稳。

3.4 同步性

同步性用于衡量不同显示器的显示步调是否一致，如果不同的显示器能在同一时刻显示不同的区域或层次，则同步性好，否则同步性差。从图2看出，用户数量增加，UDP方式能保证比较好的同步；对于数据库方式，用户数的增加，在时间上的差异会变大；而TCP方式，随用户数的增加其同步性有所下降。

3.5 可靠性

数据库连接都是建立在TCP协议之上，与TCP方式一样都是可靠传输，UDP是不可靠传输协议，当网络环境恶化时会有丢包现象。

3.6 技术难度

UDP方式通信套接字的创建和数据的收发API调用都比较简单，技术难度低，但当传递的数据较多时，要人为分包和组包。TCP方式，既要维护网络连接，还要处理进程间的同步，实现起来比较复杂。利用数据库方式就是利用开发数据库用到的相关的API获取数据，技术难度较小，但因为同时需要利用网络进行同步，技术最为复杂。

4 结束语

在网络环境下，分布式仿真系统可以同时设置多个显示器同步显示不同显示区域或同一显示区域的不同层次，试验分析显示，采用UDP通信从仿真系统获取仿真结果，是技术简单、效率高、同步效果好的方案，虽然存在通信不可靠的缺点，但在局域网上，网络条件一般比较好，丢包的几率很小，可以忽略。再如广播式通信虽然一般局限在同一个子网内，但可以通过网关的设置向相邻子网广播，也可以通过广播代理系统解决。

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室的铁路客运专线列车运行组织实验平台中，调度监督子系统采用UDP通信，设置多个调监系统在局域网上运行，同时显示不同调度区段的线路和设备运行情况，通过对武汉至长沙间客运专线的仿真运行，每秒可以显示多达20帧图像，画面流畅，扩展性好，证明采用UDP方式的方案，对仿真系统的效率影响小，部署和配置都比较简单，是一种比较好的分布式显示方案。

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