Web仿真中的多分辨率建模研究*

齐祯超 马良荔 孙煜飞

(海军工程大学计算机工程系 武汉 430033)

Web仿真中的多分辨率建模研究*

齐祯超 马良荔 孙煜飞

(海军工程大学计算机工程系 武汉 430033)

多分辨率建模与仿真技术已经成为系统建模与仿真发展的必然趋势。介绍了多分辨率建模相关概念,针对基于Web的仿真环境下多分辨率建模与仿真的方法进行研究,并提出了可以动态维护仿真模型分辨率层次视点建模的方法,结果表明能够在有效提高仿真模型的可重用性和互操作性的同时,减小对服务器资源和网络资源的占用。

Web仿真; 多分辨率建模; 可重用性

ClassNumberTP391.9

1 引言

1996年圣地哥的冬季仿真会议,“基于Web的仿真”专题会议第一次召开[1],建立在Internet和Web技术之上的建模与仿真技术逐渐成为当前研究的热点之一,美国海军研究生院(NPS)、乔治-梅森大学(GMU)以及SAIC公司等组织机构的研究人员于2002年提出并启动了可扩展建模与仿真框架(XMSF)。XMSF的出现弥补了高层体系结构(HLA)的不足,代表了未来建模与仿真的发展方向,其核心是使用通用的技术、标准和开放的体系结构促进建模与仿真应用在更大范围的互操作性和重用性[2]。基于Web浏览器三层B/S架构的分布式仿真系统具有易于维护性、跨平台性、广泛的互操作性和可重用性等诸多优点,广泛应用于教学、科研和军事训练中[3～4]。但随着仿真模拟规模扩大及对模拟逼真度要求的提高,考虑到不同用户对仿真模型有不同分辨率的要求以及网络负载能力有限,单一分辨率建模已经无法解决模拟复杂性与资源有限性的矛盾[5]。多分辨率建模技术可以有效提高仿真的互操作性和可重用性。目前,多分辨率建模技术的研究还处于起步阶段,本文针对Web仿真的特点,研究了Web仿真环境下多分辨率建模的方法并提出了相关的实现方式。

2 多分辨率建模相关概念

模型分辨率是指在模型和仿真中表示现实世界的详细和精确程度。不同分辨率的模型之间体现的是一种微观细节与宏观世界的一种辩证关系。多分辨率建模[6](Multi-Resolution Modeling,MRM)是指为同一物体或过程建立具有不同分辨率的模型、一个模型族或两者的组合。国内外学者提出了一些多分辨率建模方法,常见的有聚合解聚法、视点选择法、一体化层次法等[2]。由于建模与仿真系统应用范围极广,大部分多分辨率建模方法都只能针对特定领域而提出并且有相应的不足[7]。比如聚合解聚法使高分辨率模型和低分辨率模型通过聚合和解聚来实现交互,符合软件开发人员的思维方式,但存在的链式解聚问题和暂态不一致性问题不易解决。视点选择法使模型始终运行在最高分辨率条件下,针对不同的需求生成相应的低分辨率模型,该方法模型的一致性比较容易维护,但系统始终运行高分辨率模型,即使在不需要的情况下,这对系统资源是一种浪费[8]。

模型的属性分为两种:相关属性和无关属性。相关属性是与多分辨率建模有关的属性,当某一分辨率模型的该属性变化时,其他模型也要改变,无关属性是指只存在于高分辨率中的属性,为某高分辨率模型所特有,该属性的更改只在相应的该分辨率下的更新,不会影响其他模型。假设模型M是一个属性与状态S的集合:M={Si},则低分辨率模型M1、M2与高分辨率模型之间的关系为M1、M2⊂M,如图1所示。

图1 不同分辨率模型之间的包含关系

仿真过程中,低分辨率模型M1、M2的属性值都是高分辨率模型M的相关属性进行映射得到,映射关系为

ML=K·MH

(1)

K为MH到ML的映射矩阵[9],式(1)写成向量形式为

(2)

S为多分辨率相关属性时,kij不全为0,否则全为0,同理其关系也可以写成

MH=K-1·ML+K0

(3)

K0是对无关属性进行初始化的映射矩阵。

3 系统设计

由于基于Web的模拟仿真系统仿真的运行和交互主要在服务器端运行,客户端只负责提交控制信息,接受服务器消息,进行仿真结果的显示。这有可能会增加服务器的负担和网络带宽的要求。本文设计了多层次视点选择法的建模方式,将模型分辨率由高到低划分为几个层次,每个层次的模型又有多个视点的选择。比如飞机有编队和每架两个层次,每架飞机又有本机飞行员和战友,敌方飞行员等多个视点,不同视点所获取的该飞机的信息是不一样的,但本机飞行员掌握的一定是最详细和精确的信息。该方法是采用类似视点选择法的多分辨率建模方式,针对不同用户的需求生成不同分辨率的模型供用户使用,系统只负责维护运行相对的模型中分辨率比较高的那一个模型,与视点选择法不同的是,系统中运行的模型的分辨率不是一成不变的,当用户没有高分辨率的需求时,系统会放弃维护高分辨率模型,选择较低分辨率模型进行运行,这样在满足对高分辨率要求的用户的同时,省去了对低分辨率模型用户多余的不必要的细节的显示与处理,在提升仿真模型的可重用性与互操作性的同时,可以有效减轻对服务器和网络造成的压力。图2是基于Web的多分辨率模型仿真的系统组成示意图,有单独的模型服务器进行多分辨率建模和模型的维护。

图2 基于Web的多分辨建模与仿真框图

模型库中存储的是各模型的最高分辨率的信息和到各级分辨率的映射方式。仿真开始前,用户通过TCP/IP协议远程访问仿真服务器进行注册,仿真服务器对用户身份和权限进行验证,对用户请求进行判断,并将处理结果发送给建模服务器,建模服务器根据用户的兴趣搜索模型库,生成相关级别分辨率的模型并对模型进行初始化,生成XML文档,则仿真服务器就可以对该模型进行调用和仿真。Web服务器将模型进行渲染,最终对用户进行可视化显示。建模服务器在仿真过程中负责模型的动态生成和注销,以及对多分辨率模型并发运行时进行维护。

大型军用仿真中,不同分辨率的模型常常需要进行协同仿真和并行交互。仿真系统多分辨率建模和仿真的运行和维护原理如图3所示。模型M1和模型M2,模型N1和模型N2都是由高分辨率模型M和N映射得到,称M、N为元模型。用户1,用户2,用户3,用户4仿真交互过程中,M1、M2不允许擅自更改属性值,假如对M1的某个属性值产生更改,必须对元模型M的相应值进行修改,M修改后对M1、M2进行刷新,则M2的相关属性和状态自然也会做相应改变。M1和M2就像M的两个影子一样,我们可以将M1、M2称作是元模型M的影子模型。系统实际上只需要维护最高分辨率的元模型M,N的属性就可以了。因此采用该方式的多分辨率建模与仿真系统,多分辨率模型并发运行时的模型间的一致性的维护是非常容易的。

图3 多分辨率模型并发运行

虽然仿真系统的模型库中存储的始终是最详细和最精确的模型,但在仿真中运行和维护的元模型却不一定是系统能够创建的最高分辨率的模型,而是相对的高分辨率模型。在图3中,影子模型M1、M2,都是通过高分辨率元模型M映射得到的两个低分辨率模型,我们要求M的分辨率级别是能够映射得到M1、M2的最低分辨率级别,即如果需要,模型库中仍可能创建更高分辨的模型M0,即元模型并不是特指某一固定的分辨率的模型,而是可能改变的,是当前服务器正在维护和运行的模型。这样能保证服务器在尽可能小的负荷下运行仿真。基于Web的仿真提升了仿真的动态可扩展性,仿真过程中常常需要不断的创建和加入新的模型以及注销原来的模型,针对该情况,下面设计了仿真运行中动态确定和修改元模型M的分辨率的方法。

仿真开始之前,以生成的第一个模型M作为元模型。仿真过程中,需要生成一个新的模型M3时,首先对M3的分辨率层次进行判断,设M3的分辨率层次表示函数为fR(M3),如果M3分辨率层次比元模型M的分辨率低,即fR(M3)≤fR(M),则M3作为M的影子模型直接由M映射得到,M3=K3·M。否则由模型库对M3进行创建,并用M对M3进行逆映射,M3=K-1·M+K0,同时M3作为元模型由系统维护并生成对影子模型M1、M2的映射K1和K2,M自动注销,执行过程如图4所示。

图4 添加新模型时流程图

如果要注销一个影子模型如M3时,注销M3并对模型库进行检索,如果存在模型M0使剩下的影子模型(M1∪M2)⊂M0⊂M,fR(M0)≤fR(M),即存在模型M0的分辨率比元模型M的分辨率低,并且M0能够映射得到影子模型M1、M2,则由M0作为元模型取代M,M0=K0·M,同时注销M。之后系统只运行和维护M0。若不存在M0,则M仍为元模型,执行过程如图5所示。

图5 注销旧模型时流程图

由图4和图5可知,仿真运行时,可以根据实际情况对元模型分辨率进行动态维护,这样系统能够在满足仿真要求的情况下使用和维护小分辨率的元模型,可以有效减小仿真开销。

4 结语

随着2012年HTML5相关标准的提出,丰富的交互界面和优秀的通信性能将极大推动Web技术的发展[10],Web服务的全球范围内动态可接入性使基于Web的仿真的优势越来越突出。本文结合基于Web仿真的特点对多分辨率建模技术进行分析的基础上,提出了适合Web仿真的多分辨率建模和模型一致性维护方法,因为元模型的分辨率是动态可变的,可以看出该方法相比于视点选择法运行的服务器开销要小,比聚合解聚法等其他方法的模型一致性更容易维护。实际仿真系统由于非常复杂,目前在这方面的研究还远远不够,多分辨率建模仍有很多问题需要发掘和解决。

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ResearchonMulti-resolutionModelinginWeb-basedSimulation

QI Zhenchao MA Liangli SUN Yufei

(Department of Computer Engineering, University of Naval Engineering, Wuhan 430033)

The multi-resolution modeling and simulation technology has become the inevitable developing trend of system modeling and simulation. The concepts of multi-resolution modeling are introduced, and the simulation environment of Web-based multi-resolution modeling and simulation methods are studied, and the dynamic resolution level maintenance simulation model is put forward, which can view modeling method, effectively improve the reusability and interoperability of simulation model at the same time reduce the server and network resources.

Web simulation, multi-resolution modeling, reusable

2013年10月4日,

:2013年11月21日

齐祯超,男,硕士研究生,研究方向:计算机仿真技术。马良荔,女,博士,教授,研究方向:计算机软件与理论、计算机仿真技术。孙煜飞,男,博士研究生,研究方向:计算机软件与理论。

TP391.9DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.04.027