基于HLA-DDS复合体系的拖拉机PST分布式虚拟试验系统

2021-05-14闫祥海周志立

计算机应用与软件 2021年5期

闫祥海周志立

(河南科技大学车辆与交通工程学院河南洛阳 471003)

0 引言

动力换挡变速器(PST)是拖拉机关键的动力传动件，可实现负载条件下拖拉机动力不中断自动换挡，使拖拉机的动力性、燃油经济性、操纵舒适性、安全性及作业效率得到显著提高。传统物理试验方法在PST性能测试中起到关键作用，但存在试验周期长、费用高、污染重等问题，降低了PST产品开发效率[1-2]。随着数字化设计在拖拉机PST创新产品开发中的应用及虚拟试验技术的发展，PST虚拟试验成为产品设计方案可行性分析、产品研发及产品试验等多个环节评估和验证的先进方法。目前，虚拟样机技术、虚拟现实技术及虚拟仪器技术在PST虚拟试验中均得到应用[3-4]，但PST虚拟试验以特定的试验任务或明确的研究需求为引导，由于建模方法、数据格式及传输协议存在差异等原因，不同虚拟试验系统之间相互孤立，无法实现系统联通。因此，建立一套通用的PST虚拟试验系统，集成PST现有模型及试验设备，对提高PST虚拟试验效率、缩短PST创新产品研发周期具有一定的作用。

根据PST试验实际需求，一套通用的PST虚拟试验系统必须具备标准的试验运行支撑框架、分布式建模、虚拟作业环境模拟、试验过程和数据管理、虚实融合验证、试验结果评价等功能，以及互操作性、可扩展性、可重用性及实时性等性能。高层体系结构(High Level Architecture,HLA)是对象管理组织(Object Management Group,OMG)和美国电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)认定的开放分布式仿真系统架构标准[5-6]。基于HLA体系建立PST虚拟试验系统，规范了虚拟试验的交互过程，使不同虚拟试验参与对象之间的信息交互按照统一的标准执行，有效改善了系统的互操作性和重用性。但是，试验数据均经过运行支撑环境(Run Time Infrastructure,RTI)交互，当数据传输量较大时，虚拟试验系统实时性会下降，尤其在有硬件设备参与的虚实融合验证试验中，系统时延会影响虚拟试验进程。数据分发服务(Data Distribution Service,DDS)是OMG制定的满足实时性要求的分布式仿真系统架构规范，以数据为中心，提供实时高效的分布式数据传递服务和技术支撑[7]，可有效补充HLA实时性不足的弱点。但是，HLA和DDS之间无法直接通信，HLA与DDS之间通信方式的选取及通信功能的技术实现是PST虚拟试验系统的关键。

本文在分析拖拉机PST虚拟试验系统构架的基础上，重点研究HLA与DDS数据交互原理，解决HLA与DDS数据交互关键问题，建立基于HLA与DDS复合体系的拖拉机PST虚拟试验系统。采用试验的方式，测取系统数据传输时延和吞吐量参数，评价系统实时性和数据传输量性能指标。

1 PST虚拟试验系统构架

1.1 逻辑结构

HLA、DDS规范了不同虚拟试验仿真模型之间的信息交互标准与交互服务，根据虚拟试验系统的需求及HLA、DDS体系特征，建立基于HLA-DDS复合体系的拖拉机PST虚拟试验系统，其逻辑结构如图1所示。

图1 基于HLA-DDS虚拟试验系统逻辑结构图

图1中：组件1-组件9分别为PST机械系统模型、电气系统模型、液压系统模型、控制系统模型、作业载荷模型、试验流程管理模块、试验数据管理模块、试验结果评价模块、监控服务模块。9个组件分布于HLA体系，组件间数据交互均通过RTI进行。组件10为PST试验台架节点，组件11为控制器节点，以上2个硬件设备分布于DDS体系，通过全局数据空间交互数据。互连组件既是HLA组件又是DDS组件，实现二者之间的联通。PST虚拟试验系统逻辑结构既保留了HLA严格的时序控制和可扩展性，又增加了DDS优良的数据交互实时性。

1.2 硬件结构

根据虚拟试验系统逻辑结构，建立PST虚拟试验系统硬件平台，如图2所示。

图2 PST虚拟试验系统硬件平台

计算机性能参数为：64位Windows 7操作系统，CPU频率3.2 GHz。3台计算机以太网连接。

PC1计算机运行HLA运行支撑环境软件pRTI、PST机械系统模型(Adams, Pro/E)、电气系统模型(ModelSim)、液压系统模型(AMESim)、控制系统模型(Simulink)和作业载荷模型等组件，组件之间采用共享内存的方式存储数据。

PC2计算机运行HLA运行支撑环境软件pRTI、试验流程管理模块、试验数据管理模块、试验结果评价模块、人机交互监控服务模块等组件，组件之间采用共享内存的方式存储数据。

PC3计算机运行DDS运行支撑软件OpenDDS、互连组件、PST试验台架节点、PST控制器节点，组件之间采用共享内存的方式存储数据。

2 HLA与DDS互连原理分析

HLA面向虚拟试验过程，通过管理服务使得虚拟试验系统按照试验设计逻辑进行；DDS面向虚拟试验中数据交换，通过QoS策略达到实时的数据传输[8-9]。二者均以发布/订阅的形式完成体系内数据交互，但在对象粒度及数据类型方面存在差异[10-11]。HLA与DDS互连的关键是解决二者之间对象粒度和数据类型的转换问题。本文在分析三种互连方案的基础上，提出了桥接组件互连构想。

2.1 HLA与DDS互连方案

PST虚拟试验系统中HLA体系部分包括组件(应用层)和RTI提供的运行支撑服务(支撑层)，根据DDS体系在HLA体系中融入层次位置不同，形成三种虚拟试验系统集成方案，如图3所示。

(a) HLA-DDS集成方案A (b) HLA-DDS集成方案B(c) HLA-DDS集成方案C图3 三种HLA与DDS集成方案原理图

图3(a)所示的方案A中，在HLA支撑层融合DDS体系，形成基于DDS规范的底层支撑框架DDS-RTI，同时，DDS-RTI提供标准的HLA-DDS API。该方案从支撑层彻底解决了HLA与DDS的数据交互，但存在开发难度大、技术成本高、开发周期长等问题。

图3(b)所示的方案B中，在HLA与DDS支撑层与应用层之间设计中间件，中间件映射HLA与DDS之间数据对象及发布/订阅机制，提供标准的Middleware API。该方案利用中间件技术解决了HLA与DDS数据通信问题，但产生了全新的Middleware API，与现有的HLA体系及DDS体系API不同，对现有仿真应用的兼容存在问题。

图3(c)所示的方案C中，在HLA和DDS的应用层设计桥接组件实现HLA与DDS的数据交换，桥接组件既是HLA体系组件，又是DDS体系组件。该方案最大限度地保留了HLA和DDS运行机制，可在成熟软件平台上开发PST虚拟试验系统，开发难度小，与现有仿真应用兼容性好。虽然在每次系统初始化时均需对桥接组件进行软件更新，但相对于航天、航空、武器等领域复杂机械产品，PST复杂程度低，数据类型、数据传输量少，能够接受桥接组件的每次更新工作量和时间开销。

2.2 桥接组件结构原理

桥接组件主要功能是完成HLA与DDS之间对象粒度统一及数据类型转换，其结构由组件模型和映射插件组成，如图4所示。

图4 HLA-DDS桥接组件结构原理图

HLA组件模型遵守HLA规范，负责发布/订阅来自DDS体系的数据，与其他HLA组件进行数据交互。DDS组件模型遵守DDS规范，负责发布/订阅来自HLA体系的数据，与其他DDS组件进行数据交互。

映射插件是桥接组件的核心，完成HLA组件模型与DDS组件模型之间的数据转换。在初始化PST虚拟试验系统时，映射关系编辑工具将HLA对象模型模板OMT(Object Model Template)与DDS以数据为中心的订阅/发布层DCPS(Data Centric Publish Subscribe)、HLA-RTI与DDS数据本地重构层DCTS(Data Local Reconstuction Layer)分别进行解析映射，形成映射定义XML格式文件。在映射过程中，映射规则起约束作用。HLA-OMT对应的FED文件、DDS-DLRL对应的IDL文件、映射定义XML格式文件存储路径相同，形成映射插件。

3 基于元模型的桥接组件开发

根据桥接组件结构原理，利用元模型理论对桥接组件进行开发。元模型是模型更高层次的抽象，定义了模型的组成元素及元素之间的关系，能够更高层次描述HLA与DDS象粒度及数据类型[12]。统一建模语言UML利用规范的图形模型和模型间的联系，抽象描述系统的子系统及子系统之间的关系，类图是其中重要的一种图形模型，应用于软件需求分析、软件代码开发等场合[13]。采用UML类图对桥接组件进行建模，利用Rational Rose开发平台完成桥接组件代码的开发。将桥接组件模型分为四部分，分别为桥接组件元模型(MetaModel)、HLA组件模型(HLA-UML)、DDS组件模型(DDS-UML)及映射规则(Rule)，在Rational Rose开发平台中分别对应四个封装包。

3.1 桥接组件元模型

桥接组件元模型是组件模型更高层次的抽象，包含建立组件模型的元素，可消除HLA与DDS在数据交互规范层面的差异，如图5所示。

图5 桥接组件元模型

图5定义了6类桥接组件元模型构造型，构造型之间的关系包括聚合、单向关联及双向关联。构造型与抽象对象之间的对应关系如表1所示。

表1 构造型与抽象对象对应关系

3.2 桥接组件UML模型

桥接组件中的HLA组件模型满足HLA规范，在pRTI软件中按照RTI规范与其他联邦成员交互数据，利用桥接组件元模型，建立HLA组件UML模型，如图6所示。

图6 HLA联邦成员UML模型

图6中，类<>的操作包括创建、加入联邦执行、联邦同步点设置、联邦保存、恢复、退出等。对象类<>的操作包括获取对象类句柄、获取对象属相句柄、发布对象类、取消发布对象类等。交互类<>的操作包括获取交互类句柄、发布交互类、取消发布交互类等。操作类<>的操作包括更新、反射属性值。操作类<>的操作包括更新、反射交互类。模型中映射类<>操作属性为公开(Public)，允许所有类对其进行访问，剩余的操作属性为实现(Implemented)，只允许封装包内的类对其进行访问。

桥接组件中的DDS组件模型满足DDS规范，在Open DDS软件中按照DCPS规范与其他组件交互数据，利用桥接组件元模型，建立DDS组件UML模型，如图7所示。

图7 DDS域成员UML模型

图7中，类<>的操作包括创建、查询、删除组件和配置、获取QoS。子类<>的操作包括拒绝远程参与者、发布、订阅连接，创建、删除发布者、订阅者，返回内置订阅者，拒绝、创建、删除主题等。模型中映射类<>操作属性为公开，允许所有类对其进行访问，剩余的操作属性为实现，只允许封装包内的类对其进行访问。

3.3 桥接组件插件生成

映射类<>和<>是模型映射的关键，封装了模型映射规则，将其表示为如下四元组：

Mapping=

(1)

式中：ID为映射方向；ModelS为源模型；ModelT为目标模型；Rule为映射规则。

ID为00时，HLA组件UML模型为源模型；ID为01时，DDS组件UML模型为源模型，映射规则以表格的形式定义，见表2。

表2 桥接组件模型映射规则

表2中，HLA组件模型读取ID为00的表中信息，将HLA数据转换为DDS数据；DDS组件模型读取ID为01的表中信息，将DDS数据转换为HLA数据。利用Rational Rose开发平台的双向工程功能，对桥接组件UML模型进行代码转换，生成插件框架代码。针对PST具体试验工况，对桥接组件模型进行实例化，可得到最终桥接组件运行代码。

4 虚拟试验系统时延和吞吐量测试

数据传输时延和吞吐量参数体现了系统在实时性和数据传输量方面能力，是PST虚拟试验系统重要的指标参数。根据虚拟试验推进步长和硬件设备响应时间，系统时延应当不超过10 ms；根据系统组件数量及组件数据交互频率，吞吐量应当不低于15 Mbit/s。基于PST加载试验台架，建立PST虚拟试验系统测试平台，如图8所示，对PST分布式虚拟试验系统数据传输时延和吞吐量进行测试。

①：PC1;②：PC2;③：PC3;④：数据采集控制器；⑤：PST试验台架图8 拖拉机PST虚拟试验系统平台

图8中，PC1、PC2、PC3三台分布式计算机的配置及运行程序与图2保持一致。PC1运行pRTI软件和控制系统模型(Simulink)组件，PC2运行pRTI软件和人机交互监控服务模块组件。PSTPST试验台架节点的数据采集控制器采集PST试验台传感器信号和PST传感器信号，同时可输出PST试验台和PST执行机构控制信号。数据采集控制器上位机软件Links-RT作为一个DDS组件与PC3中Open DDS软件连接。桥接组件在PC3中运行，随虚拟试验系统完成初始化。