DEVS++程序库及应用

燕美玲，张学军

(1.国网大同市新荣区供电公司,山西 大同 037000；2.山西大学 动力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

近年来，随着系统仿真理论和技术的深入研究、系统仿真为分析、研究复杂系统问题提供了有效的解决方法。离散事件系统仿真是系统仿真的研究内容之一。离散事件系统状态迁移发生在随机性、离散的时间点上，内部转换机制较为复杂，难以用微分、差分方程等常规的数学方法来描述[1]。1976年Bernard Zeigler教授提出离散事件系统规范(Discrete Event System Specification，DEVS)[2]，为离散事件系统仿真建模提供了层次化、模块化和形式化的机制。

DEVS规范就是从面向对象(Object-Oriented)的角度出发依据系统理论描述了离散事件系统[3]。通过建立系统完备的模型框架，保证了模型的规范性、重用性和仿真互操作能力[4]。DEVS++是实现DEVS机制的开源程序库[5]，采用面向对象的C++开发语言提供了模型的基类，设计了仿真引擎，通过继承、派生的方式实例化具体的模型，便于对任意的离散事件系统进行建模，为系统建模提供最基本的、标准的框架。

本文介绍了DEVS的建模思想以及DEVS++程序库。在此基础上，以智能变电站过程层网络数据链路层发送适配器模型[6-8]实现为例，说明了DEVS++仿真程序的应用。最后通过仿真试验验证了模型的正确性。

1 DEVS规范

DEVS是离散事件系统通用的形式化描述，有两种模型，包括原子模型和耦合模型[9]。

1.1 Atomic

原子模型封装了不可进一步分解的元件的动态行为。原子模型被定义为一个七元组：

M=

式中：X是外部输入事件集，通过输入端口接受外部事件；Y是输出事件集，通过输出端口发出事件；S是系统状态集;s0是系统初始状态(s0∈S)；tα是时间推进函数，该函数用来确定一个状态的生命周期，状态寿命是一个非负实数，取值范围为[0,∞)；δx是内部转移函数，定义了输入X如何改变系统的状态；δy是外部转移函数，当一个状态的生命周期到达时，调用该函数，产生输出并进行状态转移。

1.2 Coupled

耦合是原子或其他耦合的容器，封装了元件及它们之间的连接关系，描述了系统层次化的结构。耦合模型被定义为：

CM=

式中:X是外部输入事件集；Y是输出事件集；D是耦合模型组成成员的名字集；{Mi}是基本模型成员集，Mi是原子模型也可以是耦合模型(iD)；EIC是外部输入耦合，描述耦合外部输入与耦合各元件间的耦合关系；ITC是内部耦合，描述的是耦合元件的输出与其他耦合元件之间的耦合关系。EOC是外部输出耦合。DEVS模型根据当前的状态和转换函数处理输入事件，驱动产生输出事件。

2 DEVS++程序库

基于DEVS规范开发的，采用C++语言实现的DEVS++程序库提供了Atomic和Coupled模型的基类，并设计了仿真引擎。用户从Atomic和Coupled基类继承并实现相关虚函数，实例化系统的原子或耦合模型，通过层次化建模的思想构建待建系统的模型，并载入仿真引擎中实现仿真试验。

2.1 事件、端口、值(PortValue、Port、Value)

图1给出DEVS++程序库中类的结构及关系，

图1 DEVS++中的类

如图1所示，port是端口的基类，派生自Named抽象类，同时又派生出Input Port和Output Port两个具体类，分别实例化输入端口和输出端口，该两个具体类又是Devs的成员，实现了原子和耦合的输入、输出功能。Port基类中包含ToP和FormP数组成员，存放与其他端口的耦合关系，其中ToP存放该端口的前接端口表，FormP保存该端口后接的端口表。Value是值的基类，值指事件所包含的内容。bValue和tmValue派生自Value基类，其中bValue是模板类，为多种数据类型提供接口，tmValue创建带有时间戳的实例，方便提取与值相关的时间。在DEVS++定义中，将事件看成是端口和值组成的二元组，PortValue类封装了事件，各模型元件通过端口接收和输出事件。

2.2 Devs基类

图2 Devs类中时间函数关系

Devs虚基类包含了Atomic和Coupled相同的特点，输入、输出事件端口，相同的时间特性，如当前时间、消逝时间和剩余时间等。除上节提到的Input Port和Output Port外，Devs基类还提供了对端口进行操作的函数AddIP、GetIP、RemoveIP、PrintAllIPs，输出端口类似；与时间相关的时间函数，如图2所示，便于用户访问时间。成员变量t_Last、t_Next保存模型中上一事件和下一最早事件发生的时间；以及纯虚函数when_receive_init、when_receive_star、when_receive_x，为实现原子和耦合模型具体的初始化函数、内部和外部转移函数提供接口。

其中，tr=ts-te=tn-tc、ts=tn-tl、te=tc-tl。tl是上一事件发生的时间；tc是仿真当前时间；tn是下一事件发生的时间；ts是当前状态的生命周期；tr是当前状态剩余的时间；te是当前状态消逝的时间。

2.3 Atomic和Coupled基类

Atomic虚基类派生自Devs，含有新增加的纯虚函数tau、init、delta_x、delta_y。tau函数返回当前状态寿命值，init、delta_x、delta_y函数分别在重载的虚函数when_receive_init、when_receive_x、when_receive_star中调用，分别实现初始化、外部转移和内部转移。

Coupled可直接实例化，也可作为基类。具体实现重载虚函数when_receive_init、when_receive_star、when_receive_x，并增加了新的虚函数when_receive_y。其中，when_receive_x定义了外部输到达，激发该输入耦合的元件，并找出下一最早发生事件的时间及模型；when_receive_y定义产生输出事件，并发生状态转移。Coupled基类还提供了对子模型操作的一系列函数AddModel、RemoveModel、GetModel，以及管理子模型间耦合关系的函数AddCP、RemoveCP。

Atomic和Coupled基类中新增加的纯虚函数通过派生类重载具体实现。

2.4 rv类和SRTEngine类

DEVS++提供了随机变量基类rv，含有四个随机分布函数，分别是均匀分布，三角形分布，指数分布，正态分布。根据实际系统的需求来生成随机的数字。随机数发生器每次采用不同的种子，保证各随机变量相互独立。

图3 DEVS++仿真循环流程

DEVS++设计了仿真引擎类SRTEngine。实例化时，其构造函数创建一个独立的仿真线程。单个模型载入仿真引擎，通过循环的线程来实现仿真运行。其流程如图3所示。

基于DEVS++的二次开发，继承Atomic模型需具体实现虚函数(init、tau、delta_x和delta_y)，继承Coupled模型，连接耦合端口，构建系统模型。仿真时钟的推进、状态转换函数的调用和输入输出的耦合都在DEVS++完成，用户不必关心。

3 仿真实例

图4 仿真实例示意图

电力通信系统是典型的离散事件系统。以智能变电站通信网络为例，建立基于DEVS++的过程层网络模型[10-12]。如图4所示，该实例包含两个合并单元、一个保护测控IED、一个交换机和三条物理信道通过以太网实现通信。本文以交换机为例介绍依据DEVS++建模框架搭建元件模型的过程。

3.1 网络建模

交换机用接口发送器(TSwitch-Sender)、接口接收器(TSwitch-Receive)和交换单元((TSwitch-Sever)三种原子耦合来建模。以TSwitch-Sender原子为例，详细介绍DEVS++在建模中的应用。

图5 TSwitch-Sender模型结构图

图5为TSwitch-Sender原子示意图，由Atomic模型派生而来，含两个输入端口、一个输出端口，Frame_in接收数据帧，Carrie_in接收物理层输入的载波信号。TSwitch-Sender原子应含有一个缓冲区(Buffer)来存放待发送的数据。

定义变量：SenderPhase为TSwitch-Sender当前状态，PhysicalPhase为物理层的状态，Jam为拥堵信号，AppFrame为正在发送的帧指针，CarrieFrame为侦听端口上输入的帧指针，CollisionCount记录冲突次数。

图6 Init函数流程图

图7 Frame_in端口输入流程图

虚函数tau、init、delta_x、delta_y具体实现。tau返回各状态的寿命，TSwitch-Sender处于空闲状态(Idling)，寿命为∞；帧发送前侦听通道的状态(Sensing)，信道忙时立即返回，寿命为0，信道空闲时，再持续监听1个帧间隙(固定为96 bit的传输时间)寿命为0.000 96 ms；发送帧状态(Sending)，寿命为数据包的长度与网络带宽的比值；帧成功发送后的复位状态(Resting)，持续1个帧间隙；发送冲突干扰信号的状态(SendingJam)，Jam是48 bit的冲突信号可瞬时发送，寿命为0；发送Jam后等待状态(AfterJam)，持续1个时隙(固定为512 bit的传输时间)，使Jam信号被全部节点接收；冲突发生后等待重传的状态(Backoff)，该状态根据退避规则随机退避一定时间[13]。

Init函数用于实现模型初始化，流程如图6所示。

外部输入X到达触发delta_x，若X来自于Frame_in端口，流程如图7所示。

X来自Carrie_in端口，则分两种情况，X可能是Jam信号或数据帧，具体流程如图8所示。

图8 Carrie_in端口输入流程图

状态寿命结束时出发delta_y。TSwitch-Sender发生状态转移并伴随输出事件。若TSwitch-Sender处于Sensing状态，调用delta_y时流程如图9所示；处于Sending状态时，发送帧尾，转移到复位状态后，若Buffer空闲，转为Idling，反之转为Sensing状态继续侦听；处于SendingJam状态时，产生Jam信号发送到其他节点后转移到AfterJam，按随机退避规则随机退避一定的时间，退避时间到达，再侦听Buffer状态，与前类似。

图9 Sensing状态时调用delta_y

以上介绍TSwitch-Sender模型中虚函数的具体实现，同理构建TSwitch_Receive和TSwitch_Sever原子模型，Switch耦合模型即可搭建。

依据DEVS++建模框架，依次构建合并单元、物理信道、保护测控装置的模型，不再赘述。系统模型派生自耦合模型，通过Coupled提供的AddModel函数可添加以上网络中的耦合模型，通过AddCP建立耦合间的关联关系，将网络模型载入仿真引擎即可实现仿真运行。

3.2 仿真结果

仿真参数设置，合并单元每隔0.25 ms采样一次，SV报文长度156 Bytes，数字信号在光纤上传输的速度为2×108m/s，网络半径100 m，通信带宽按照100 Mbit/s建模，仿真时长设为1 000 ms。表1和表2分别统计在交换总线通信方式下、仿真运行期间内的总流量和SV报文相关参数。

表1 总流量统计

表2 SV报文统计

由表1统计冲突次数为0，网络仿真过程中没有发生冲突，即没有Jam数据帧产生。网络总流量为9.981 5×106Mbit，全部被接受。表2统计得出，仿真期间内共产生SV报文总数7 998个，总流量可计算得7 998×156 bytes×8=9.981 5×106Mbit，与统计结果相同。仿真过程没有发生冲突，最小时延考虑数据处理过程中没有排队，理论上延时可分如下三个阶段计算：

(1)帧到达交换机之前的传输过程：发送帧头前侦听网络状态时延为0.000 96 ms；经光纤传输产生传输时延为信道长度与传输速率之比5×10-4ms；发送帧尾时延为数据帧长度与网络带宽之比0.011 98 ms；帧尾经光纤传输时延为5×10-4ms。

(2)交换机内部交换帧产生时延为数据帧长度与交换速率的比值1.248×10-3ms。

(3)数据从交换机发出到达IED元件与第一个过程类似，最小延时为0.029 128 ms，与统计结果相同。

(4)若数据需在交换机缓冲器中排队等待，则产生额外延时，由统计结果得该网络的最大时延为0.043 528 ms。通过统计结果可分析SV报文的最大延时与最小延时及丢包率等参数，对比网络性能要求，方便用户进行测试。

4 结束语

DEVS++开源库提供了原子模型、耦合模型和仿真引擎的基类，将系统建模和仿真结合起来，通过继承、派生各类原子和耦合模型，具体实现系统功能，就能实现任意的离散事件系统建模和仿真。DEVS++提供基于软件开发的分层、模块化的机制，为离散事件系统建模提供了标准的、统一的框架，提高了仿真模型的重用性和可操作性，为用户集成模型或二次开发提供了非常大的便利。

对于信息物理融合的电力系统而言，DEVS++为实现智能电网的统一建模提供了可参考的标准，为信息系统的性能分析及研究提供了重要的手段。在离散事件系建模中，DEVS++具有广阔的应用前景。