仿真模型重用理论、方法与异构集成技术研究

论文摘要

随着仿真技术在复杂系统论证、研制、分析等领域应用的不断深入和拓展,对已有以及新开发仿真资源重用的重要性逐渐引起各领域的注意,基于重用开发较之从头开发在效率和质量上的优越性日益取得共识,仿真资源的组合与重用已成为当今复杂系统尤其是武器装备论证和军事作战仿真领域的焦点研究问题。仿真模型是最核心的仿真资源,因此也具备最迫切的重用需求。由于仿真模型本身的应用问题相关性,同一仿真模型在不同应用中的可重用性判断往往难以有效进行,使得仿真模型重用较之其它仿真资源的重用要来得困难得多。研究现状的分析表明目前尚缺乏对仿真模型重用的系统而深入的理论研究,已有的仿真模型重用方法与应用实践则缺乏仿真模型重用理论的指导,仿真模型重用已成为大型复杂系统仿真领域迫切需要解决的问题之一。论文以导弹总体设计为应用背景,针对总体设计过程中以论证和分析导弹总体方案为目的、在攻防对抗条件下进行的系统级仿真中存在的仿真模型重用需求和异构仿真模型集成问题,对仿真模型重用理论与方法、仿真模型表示方法与表示规范、仿真模型映射与转换技术、异构仿真模型集成技术等重大理论问题进行了一定的创新研究与工程实践,具体内容包括:(1)系统地研究了仿真模型重用的若干关键理论问题,分析了仿真模型重用的复杂性,提出了以应用情景为核心的、面向重用的建模仿真概念框架,形式化地给出了仿真模型可重用性的概念体系,在此基础上给出了仿真模型可重用性的判定方法,以及提高可重用性的若干途径,最后分析了可重用性与互操作性和可组合性的关系。(2)对当前各种实现仿真模型重用的技术方法进行了分类比较分析,指出基于标准化模型规范的重用(RBSMS)方法具有较好的可重用支持和实际重用效果。针对导弹总体设计领域中的异构仿真模型重用与集成需求,提出了一个具体的仿真模型重用方法,该方法借鉴了已有RBSMS方法的优点,能够在表示与接口两个层次上支持异构仿真模型集成。(3)分析总结了当前的各种模型表示方法在表示可重用仿真模型时存在的不足,提出了基于元模型的可重用仿真模型表示方法,并基于元对象设施(MOF)设计了可重用仿真模型的表示规范(称作公共元模型)。研究了DEVS形式体系到公共元模型的映射机制与模型变换原理,建立了基于MOF的DEVS元模型,构造了基于查询/视图/变换(QVT)标准的变换模型。(4)以服务为基本概念,分析了仿真系统各角色之间的服务关系,在此基础上设计了形式化的可重用仿真模型的接口框架规范,由仿真模型服务规范和仿真框架服务规范两部分组成。作为建模和仿真的“协议”,接口框架规范规定了可重用仿真模型的实现规范和支持重用的仿真框架的设计规范。(5)针对导弹总体设计系统级仿真中的重用与异构集成需求,设计实现了一个支持重用的导弹总体设计仿真框架原型系统SimKit,并以战略导弹突防仿真应用实例验证了论文理论方法的有效性。论文的主要创新包括:·搭建了仿真模型重用的理论框架,其中以应用情景为核心的、面向重用的建模仿真概念框架用于指导面向重用的建模,形式化的仿真模型可重用性概念体系及可重用性判定方法用于支持基于重用的仿真。·设计了一种具体的支持异构集成的仿真模型重用方法,该方法提供了能够在表示与接口两个层次上支持异构集成的仿真模型规范,较其它方法更好地满足了导弹总体设计领域的模型重用与异构集成需求。·提出了基于元模型的仿真模型表示方法,该方法在吸收各种典型表示方法优点的基础上克服了各自的不足之处,能更好地满足可重用仿真模型的表示需求;·基于MOF建立了可重用仿真模型的公共元模型(CMM)表示规范,并基于QVT给出了DEVS形式体系到CMM规范的映射以及模型变换算法,不仅为已有仿真模型的表示层重用提供了一种通用的实施途径,而且为模型驱动的架构(MDA)系列技术在仿真领域的应用提供了示范。论文的研究属于建模仿真理论的基础性研究,不但丰富和发展了系统仿真方法学,对于组合仿真理论和复杂武器系统的论证与设计仿真也具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景与问题
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题背景
• 1.1.3 论文研究问题
• 1.2 相关研究领域的现状综述与分析
• 1.2.1 仿真模型重用
• 1.2.2 异构仿真模型集成
• 1.2.3 武器系统研制仿真平台
• 1.3 研究目标与研究意义
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究意义
• 1.4 论文主要工作与创新
• 1.4.1 仿真模型重用理论
• 1.4.2 支持异构集成的仿真模型重用方法
• 1.4.3 基于元模型的可重用仿真模型表示方法
• 1.4.4 DEVS 形式体系到CMM 表示规范的变换
• 1.4.5 基于服务的可重用仿真模型接口框架
• 1.5 论文组织与结构安排
• 第二章 仿真模型重用的理论研究
• 2.1 仿真模型重用概念
• 2.1.1 模型重用的概念
• 2.1.2 模型重用的问题复杂性
• 2.2 面向重用的建模仿真概念框架
• 2.2.1 经典的建模仿真概念框架
• 2.2.2 面向重用的建模仿真概念框架
• 2.3 仿真模型可重用性的分析与判定
• 2.3.1 可重用性概念体系
• 2.3.2 可重用性的判定
• 2.3.3 提高可重用性的途径
• 2.3.4 可重用性与相关概念的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 支持异构集成的仿真模型重用方法
• 3.1 仿真模型重用方法的分类与分析
• 3.1.1 仿真模型重用方法的分类研究
• 3.1.2 各类重用方法的比较分析
• 3.1.3 对RBSMS 方法的进一步分析
• 3.2 一种支持异构集成的仿真模型重用方法
• 3.2.1 导弹总体设计中的仿真模型异构性分析
• 3.2.2 现有支持异构仿真模型集成的仿真方法的问题分析
• 3.2.3 一种支持异构集成的的仿真模型重用方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于元模型的可重用仿真模型表示方法
• 4.1 仿真模型表示方法
• 4.1.1 仿真模型表示概念
• 4.1.2 典型仿真模型表示方法的综述与分析
• 4.2 基于元模型的REM 表示方法
• 4.2.1 REM 表示需求分析
• 4.2.2 传统表示方法的REM 表示适用性分析
• 4.2.3 基于公共元模型的REM 表示方法
• 4.3 REM 公共元模型设计
• 4.3.1 公共元模型的设计需求
• 4.3.2 公共元模型的设计原理
• 4.3.3 支持导弹总体设计仿真的公共元模型建立
• 4.4 本章小结
• 第五章DEVS 到可重用仿真模型表示的变换
• 5.1 基于MOF 的DEVS 元建模
• 5.1.1 DEVS 形式体系
• 5.1.2 基于MOF 的DEVS 元模型
• 5.2 DEVS 元模型到CMM 的映射与变换
• 5.2.1 基于QVT 的元模型映射与模型变换
• 5.2.2 DEVS 元模型到CMM 的映射
• 5.2.3 基于QVT 的变换建模
• 5.3 DEVS 仿真器算法到CMM 调度的映射
• 5.3.1 DEVS 仿真器算法
• 5.3.2 CMM 调度模型的构造
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于服务的可重用仿真模型接口框架
• 6.1 面向服务的仿真系统分析
• 6.2 基于服务的可重用仿真模型描述
• 6.2.1 可重用仿真模型的服务描述
• 6.2.2 可重用仿真模型组合服务描述
• 6.3 基于服务的仿真框架描述
• 6.3.1 仿真框架的服务描述
• 6.3.2 可重用仿真模型与仿真框架的集成描述
• 6.4 REM 接口框架
• 6.5 本章小结
• 第七章 支持重用与异构集成的导弹总体设计仿真框架原型
• 7.1 系统需求分析
• 7.1.1 导弹总体设计仿真的特点
• 7.1.2 SimKit 仿真框架系统的设计需求
• 7.2 系统总体设计
• 7.2.1 基于包装器的逻辑体系结构
• 7.2.2 软件体系结构
• 7.2.3 SimKit 仿真实验调度机制
• 7.3 核心子系统设计
• 7.3.1 SimCenter 子系统
• 7.3.2 REMWrapper 子系统
• 7.3.3 WrapperDaemon 子系统
• 7.4 COTS 仿真模型集成
• 7.4.1 SimKit 的COTS 仿真模型集成模式
• 7.4.2 Simulink/Stateflow 模型集成
• 7.4.3 STK 模型集成
• 7.5 本章小结
• 第八章 战略导弹突防仿真应用实例
• 8.1 问题背景
• 8.2 模型体系分析
• 8.2.1 实体模型组成
• 8.2.2 模型接口分析
• 8.3 面向重用的仿真建模
• 8.3.1 SimKit 对面向重用建模的支持
• 8.3.2 仿真模型设计实现
• 8.4 基于重用的集成仿真分析
• 8.5 论文理论方法的应用效果分析
• 8.6 本章小结
• 第九章 结束语
• 9.1 论文的主要贡献
• 9.2 下一步的研究内容
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文与参加的科研项目