基于HLA仿真数据收集方法的研究

杨海红，张霞

（山西大学 计算机与信息技术学院，山西 太原 030006）

基于HLA仿真数据收集方法的研究

杨海红，张霞

（山西大学 计算机与信息技术学院，山西 太原 030006）

论述了HLA下的仿真数据收集问题、数据收集内容以及数据收集方法的基本要求，通过分析已有的HLA数据收集方法分别给出了他们的优点和不足，为进一步的研究奠定了基础.

HLA；仿真；数据收集

0 引言

仿真技术是多种学科相结合的一种新型技术，以计算机和一些其他专用设备为工具，通过建立系统模型来模拟动态实验，完成各种仿真应用.其有着较高的可靠性和灵活性，又经济实用，因此，已经成为各个领域系统设计、实现和评测的有力工具.近年来网络和通讯技术的飞速发展，推动了计算机仿真技术从集中式到分布式的发展，分布式仿真技术已成为当今仿真领域的前沿和研究热点.在高科技迅速发展的今天，智能信息逐渐渗透到生活的各个方面，特别是智能控制方面，总之，仿真技术将会成为高科技领域的综合性技术.

数据收集用来记录仿真应用实现的整个过程，是仿真技术的核心部分，可以通过收集到的数据对仿真过程重新分析.高层体系结构HLA是当前仿真系统技术领域新型的体系结构，已经被广泛应用于生活的各个领域.然而，HLA结构在技术实现上依然存在一定的问题，甚至某些方法增加了HLA体系结构下仿真数据收集技术的难度.因此，为了解决以上问题使仿真技术能更好地应用于各个领域，应该对数据收集技术做出更进一步的研究.

近年来，国外的科研工作者对HLA仿真系统中的数据收集技术做了大量的研究.Thomas等人［1］分享了仿真环境中数据收集的一些经验；Pauline等人［2］给出了一个系统模型，该模型帮助仿真环境中联邦成员确定数据收集的布置.Pauline等人［3］给出了数据收集在HLA仿真技术中的作用；同时，在我国也有越来越多的人开始关注HLA仿真系统中数据收集技术，雷刚等人［4］对仿真环境中数据收集技术的扩展性进行了分析；宋辉等人［5］从属性聚合的角度提出了HLA下仿真数据收集方法；蒋夏军等人［6］通过考虑数据在外存中的存储和组织方式，尽可能的减少了数据收集技术对仿真应用的影响.

随着HLA在军事、航空、经济科技等领域广泛应用，HLA数据收集技术也显得越来越重要.然而，由于HLA仿真数据的复杂性和仿真数据量空前庞大，仿真结果数据的存储成为HLA仿真应用的一项重要技术挑战.因此随着HLA体系结构在众多领域的普遍应用，进一步研究HLA的数据收集技术显得越来越重要.鉴于此，本文着重分析了HLA下的数据收集存在的问题、数据收集相关的内容、数据收集方法中的一些基本要求，并概括了已有的HLA数据收集方法给出了其各自的优点和不足，对HLA下数据收集有了更深刻的认识.

1 HLA下的数据收集技术

1.1 HLA下数据收集的问题分析

为了进一步提高仿真环境中仿真系统模型的通用性和高效性，HLA采用了一些相关的技术，然而这些技术却增加了仿真环境中的数据收集的复杂度，同时也增加了数据收集功能实现的难度.具体实现措施如下：

（1）用户定义的联邦对象模型：不同联邦的数据是由使用者利用各自的规则进行确定的，所以每个联邦都有一套属于自己模式的HLA数据，只能使用各自的规则来完成这些数据的收集，这样很大程度上增加了数据收集的难度.

（2）局部更新的交互式数据：与全局方法相比，局部更新交互数据可以在一定程度上节省网络流量，同时减少因数据之间的大量交互对系统的影响，然而该方法不能随时得到相应对象的透视图，因此，我们需要用原始的数据不断重构新的对象以供当前使用.

（3）系统的扩展性：随着仿真环境中数据规模的迅速增大，对仿真系统的扩展性要求也越来越高，仅仅用单一的数据收集器就不能满足大规模数据的需要，因此需要使用多个系统收集软件的组合来完成仿真系统的设计.

（4）时间的安排：仿真系统中的各联邦成员可以工作于多种相异的时间规则下，然而使用这种方法可能会使得接收到的数据顺序出错，这就需要数据收集器使用相关的技术为相应的数据加上不同的时间戳.

（5）对象的权力范围：不同的对象拥有在各联邦成员之间相互转移的权力，然而权力的转移可能会影响仿真系统中通信性能和计算能力等.

以上方法虽然在一定程度上提高了仿真系统数据之间的互操作性和仿真系统的可重用性，然而却明显地增加了仿真数据收集技术实现的难度.此外，已有的一些数据收集技术也无法在HLA仿真环境下被应用，所以我们必须在HLA仿真环境有针对性开发相应的数据收集技术来满足仿真系统的需要.

1.2 HLA数据收集的实现方式

鉴于仿真环境中数据规模的高速增长和结构的不断变化，在已有的仿真系统中存在一些相异的数据收集方法，具体可归结为三种：

（1）联邦成员收集：该方法首先指定一定的联邦收集成员，然后根据需要随时通知他们提前预定数据，最后通过相关技术收集并记录这些数据.这种数据收集方法有便捷、灵活等优点，然而只能用于关键数据的收集并可能增加网络负担.

（2）中间件：中间件是用来帮助完成数据交互的软件，是系统不可缺少的重要构件.该方法纯属被动的数据收集技术，使用于所有相同版本的数据收集软件，也不影响数据传输的效率.但是该方法仅仅得到RTI和联邦成员两者间的互操作数据，并且针对不同方法收集的数据需使用相应的软件来帮助翻译.

（3）代码管理：数据收集软件的代码可以直接嵌入在联邦成员软件中.该方法能够完成大部分的数据的获取，也没必要设计固定的程序来解释收集到的数据，然而该方法的获取程序的可扩展性低.

1.3 HLA数据收集的内容

为了能更好地实现数据收集，首先要明确整个仿真过程以及该过程发生的原因、方式和事件，除此之外，最重要的步骤就是用多种已有的数据收集技术来完成不同来源数据的收集.本节从数据来源的角度考虑，将高层体系结构的数据收集内容大致归纳为三种：

（1）邦员交互产生的数据：这是实现联邦仿真系统的主要数据，这些数据产生于联邦成员发送的在传输过程中不断更新的有效数据，该传输过程也是数据收集的主要任务.同时，联邦对象有时也会收集一些关键的数据，这些数据可以更好的使用于高度复杂的仿真系统，并且仅供自己使用.所以数据收集软件需要有针对性的设计，来满足各种数据收集需要.

（2）人工收集的数据：这部分数据是使用传统的手动方式产生的，由观测人员记录整个仿真事件发生的时间和相关的内容等.该过程中产生的绝大多数关键性数据可能会以其他的形式保存，而一些结论性的数据需要直接输入到仿真系统中.因此收集这部分数据有助于研究更深层次的仿真事件.

（3）辅助数据：这是仿真系统软件的操作人员在仿真环境中完成仿真模拟过程时产生的音频和视频文件数据.记录这部分数据可以排除仿真系统在仿真应用中外部因素的影响，帮助更加准确无误的分析已有的系统，为进一步的研究提供帮助.

1.4 HLA对仿真数据收集方案的基本要求

通过对HLA数据收集中存在的问题、实现方式和收集内容的分析，HLA仿真提出了以下几点基本要求来帮助实现数据收集：

（1）数据收集软件的扩展性：现实中很多仿真数据随着时间的推移不断增多，规模也越来越大，很难确定仿真应用中网络节点的数量，这就需要通过设计扩展性较好的相关软件来适应节点不断变化的HLA仿真数据收集技术.

（2）减少系统运行中的干扰：从数据处理效率和网络传输能力两方面出发，一方面通过提高硬件的性能来增加设备的处理能力，另一方面通过设计高性能的软件来保证系统的高效性，尽可能地减少噪音干扰，最终实现高层体系结构的仿真技术.

（3）确保HLA仿真的开放性和灵活性：这要求在尽可能不影响HLA原来的性能的情况下加入独立的专用数据收集软件，比如数据的大量传输和数据筛选等导致通信能力下降及对象模型扩展性、重用性.

（4）邦员的自主性：通过使用封装技术来实现邦员自主性，将公共的操作部分封装起来，对外提供统一标准的物理接口和数据存储处理规则，保证系统尽可能的应用于过程中的仿真对象.

（5）系统应独立于操作系统和应用平台：目前 HLA已经有较好的独立性，联邦成员可以在各自的操作系统和应用平台上交互信息，高效地实现仿真应用.因此数据收集软件最为其中的独立构件也应尽可能维持HLA的这种优点，保证软件的普适性.

2 HLA下的常用数据收集方法

在分析HLA下数据收集存在的问题、实现的方式以及相关的要求后，将目前已有的主要的数据收集方法作以下介绍，然后通过对比各种方法，分析其各自在应用中的优劣势，进一步理解数据收集的本质，更好的改进该方法.

2.1 仿真数据存入基于磁盘的关系数据库方法

该方法以磁盘为存储介质，将仿真应用中的数据写入到提前准备好的关系数据库中，常用的数据库系统有Oracle和Microsoft SQL Server商业数据库等.高层体系结构仿真系统中一个关键的性能指标是过程的实时性.仿真系统的实时性贯穿于仿真系统软件开发的整个过程中，需要各个阶段的因素综合考虑，是一个复杂的过程.这类数据收集方案主要从多个角度出发处理仿真过程中的实时性要求的：①减少仿真步长计算中数据调用、存储时与系统的交互时间；②尽可能减小数据的交互通信，进而降低数据延迟.③利用成熟的关系数据库技术优化数据库的设计结构，主要体现在建立索引、数据分割、适当冗余，使用存储过程和触发器等方面；④设计数据库前台应用时采用高速的数据接口，例如ADO接口.

由此可见该方案只要对具体仿真应用环境稍作修改就可以实现系统的专用，操作简单方便.此外，使用经典高效的数据库管理技术来组织和管理仿真数据，很大程度上增加了数据表达能力，数据操纵能力和健壮性，有利于系统规模的可扩缩性，同时可以进行即时信息检索，找到最新数据，有利于以后仿真过程的研究.然而，仿真活动具有较强的实时性，能快速准确地计算现有的最新相关数据和预测未来数据.而传统的数据库技术只能处理固定的数据，对实时数据管理的支持不够.在仿真数据量很大时，数据提取和发送的速度上就难以达到HLA实时仿真的要求.

2.2 根据用户自定义的数据结构，建立实时数据库的方法

该方法首先分析已有数据的特点，选择一种合适的组织方式定义数据存储结构，然后将其按设计好的结构写入到文件中，再根据需要通过数据库管理系统软件包含的管理工具创建一个实时的数据库系统.该系统使用“文件头＋定长记录”法管理数据，结构为：

数据文件＝文件头＋用户数据.

由此可见数据文件包括两部分内容，分别为控制信息和数据信息.文件头用来存放控制信息，主要有数据的地址、数据的长度、存入及更新的时间、段落数等.用户数据存放数据信息，该信息以记录的形式组织.当需要访问数据内容时，先读入控制信息，然后利用相关的控制信息计算所读数据的地址，最终实现数据的准确定位和高效访问.

仿真系统除了需要合理的存储数据外还需有效的管理，以便在仿真应用过程中准确无误的为仿真人员传递信息，其中为数据添加索引文件技术是非常重要的.

该方案存储速度较基于磁盘的传统关系数据库要快，对磁盘空间和网络带宽的要求不高.然而该方法只适用于简单的数据读写，无法实现仿真模拟过程中对复杂数据的合理准确应用，这对仿真系统的实现有很大的影响.并且由于其较强的针对性，只能针对具体的仿真系统设计具体的数据文件存储结构和索引结构，不利于仿真系统的部件重用.

2.3 基于时态数据库的仿真数据收集方法

时间的合理性是HLA仿真系统中重要因素.能否有效的利用仿真过程中的时间直接影响着仿真的最终结果.HLA仿真技术规定系统中的联邦成员能实时动态的管理自己的时间，比如为传输中的数据设置编号，保证接收到的数据按正确的顺序重新排列.此外，数据处理过程是动态增量的，随着时间的推移不断有新的数据加入或者原数据被更新，这些数据都有特定的时态信息，需要对其进行记录和标注.因此，使用时态数据库在这个过程中起了关键的作用，它充分利用数据库管理软件提供的数据处理功能，可以有规律地动态记录各种数据的所有信息，并对这些数据进行有效的管理，较之传统的数据库系统，其有着明显的优点，为HLA仿真系统下的数据收集提供了很大的方便.

该方案将时态信息引入仿真数据收集，充分体现了RTI中的时间概念，对于仿真系统的高效回放和按时间戳查询有较好的优势.然而，对于仿真系统的事后分析存在不足，和基于实时数据库的数据收集方案一样，只能针对具体的仿真系统设计具体的数据文件存储结构和索引结构，不利于仿真系统的部件重用.

3 结束语

HLA下的仿真系统受到了越来越多的科研工作者的关注，并广泛应用于各个领域.数据收集作为仿真系统实现的关键技术，对仿真应用的最终结果有很大的影响.鉴于此，本文从仿真系统技术出发，着重讨论了HLA下仿真系统中的数据收集技术，包括HLA下的数据收集问题、数据收集内容以及数据收集方法的基本要求，最后通过分析已有的HLA数据收集方法分别给出了他们的优点和不足，为进一步的研究奠定基础.

［1］ Thomas K Neuberger.A Progress Report：Recommended Practices for Data Collection in HLA and other ADS Environments［DE／OL］.Http：／／sis.Sc.its.ucf.edu／siw／98fall／view-papers.Htm.

［2］ Pauline A Wilcox.Abstract Modelling to Explore Data Collection Options［R］.European Simulation Interoperability Workshop，2001：629-637.

［3］ Pauline A Wilcox.Advanced Distributed Simulation：a Review of Developments and Their Implication for Data Collection and Analysis［J］.SimulationPracticeandTheory，2000，8（3）：201-231.

［4］ 雷刚，王召福，金士尧.数据采集对 HLA仿真系统伸缩性的影响及其解决方案［J］.计算机仿真，2003，20（1）：83-85.

［5］ 宋辉，刘晓建，金士尧.HLA环境下基于聚合属性的数据采集方法［J］.计算机仿真，2004，21（4）：60-62.

［6］ 蒋夏军，李蔚清，吴慧中.高级分布式仿真中的数据收集技术研究［J］.系统仿真学报，2004，16（8）：1758-1761.

Research on Data Collection Methodlogy based on HLA Simulation

YANG Hai-hong，ZHANG Xia
（SchoolofComputerandInformationTechnology，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China）

The problems of simulations data collection，and introduces the contents and methods of HLA（High Level Architecture）simulation data collection were studied.Beside，we analyze advantages and disadvantages of the existing composition of HLA data collection programs，which help us understand it better and will be as the basis for further research.

HLA；simulation；data collection

TP15；N945.13

A

0253-2395（2011）S2-0024-04

2011-08-25

杨海红（1981-），女，山西临县人，硕士研究生.*通讯联系人：E-mail：zhangxia＠sxu.edu.cn