王保山，毛保華，劉海東，杜 鵬

（北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京100044）

復(fù)雜系統(tǒng)的分布式仿真，由于受顯示設(shè)備的制約，需要通過(guò)多屏同步顯示不同區(qū)域的運(yùn)行情況或者通過(guò)多屏分別顯示同一區(qū)域不同層次的運(yùn)行狀況。多屏顯示系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)同步運(yùn)行，可以采取多種方案，不同方案對(duì)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行效率會(huì)有不同的影響，其顯示效果也有差別。因此，采用合理的方案能夠提供更好顯示效果，同時(shí)也能最大限度保證仿真系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 分布式仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式仿真是多仿真器的復(fù)雜并行仿真，各仿真器按照其分工，在仿真同步控制器的控制下同步運(yùn)行，產(chǎn)生的仿真結(jié)果經(jīng)仿真結(jié)果收集器匯總后發(fā)送給顯示器，網(wǎng)絡(luò)分布式仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 分布式仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

從圖1看出，分布式的仿真系統(tǒng)由同步控制器、仿真器、結(jié)果收集器、顯示器和結(jié)果分析器等組成。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，其顯示器需要分為若干部分，分別顯示不同的局部，也可以顯示不同的層次，無(wú)論那種方式都要求滿足同步顯示的要求。

2 同步展示方案

顯示器獲取仿真結(jié)果的方式有兩種：利用網(wǎng)絡(luò)通信獲取仿真結(jié)果和利用數(shù)據(jù)庫(kù)獲取仿真結(jié)果。

2.1 利用網(wǎng)絡(luò)通信獲取仿真結(jié)果

利用網(wǎng)絡(luò)獲取仿真結(jié)果，可以采用TCP方式和UDP方式。

TCP通信是點(diǎn)到點(diǎn)的通信，當(dāng)同時(shí)設(shè)置多個(gè)顯示器時(shí)，需要分別與仿真系統(tǒng)建立通信連接，利用這些連接，將仿真結(jié)果傳給顯示器。信息的發(fā)送可以采取輪詢或迸發(fā)方式，輪詢方式是排隊(duì)發(fā)送，客戶數(shù)多時(shí)耗時(shí)較長(zhǎng)；迸發(fā)方式即多線程方式，可以節(jié)省發(fā)送時(shí)間。

UDP是基于無(wú)連接的通信服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)廣播式通信，也就是一點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，無(wú)論顯示系統(tǒng)的數(shù)量是多少，只需要有一個(gè)公用的信息發(fā)布線程。

2.2 利用數(shù)據(jù)庫(kù)獲取仿真結(jié)果

仿真器將仿真結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，顯示器可以從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取仿真結(jié)果進(jìn)行顯示。為了保證顯示的同步，需要在多個(gè)顯示器間進(jìn)行控制，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。

3 方案比較

3.1 方案實(shí)施復(fù)雜度

從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取仿真結(jié)果，顯示器需要作為數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶端實(shí)時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)為了保證多個(gè)顯示系統(tǒng)顯示信息的一致性，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞同步控制信號(hào)，同步信號(hào)的傳輸與利用網(wǎng)絡(luò)傳輸仿真結(jié)果的機(jī)制是一致的，只是傳輸?shù)男畔⒘啃?，如果同步信?hào)放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這個(gè)信號(hào)也可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，這時(shí)就需要顯示器以較高的頻率讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的效率影響較大，這一方案復(fù)雜度是最高的。

利用TCP通信傳輸仿真結(jié)果，可以將顯示器作為客戶機(jī)，仿真結(jié)果收集器作為服務(wù)器，在服務(wù)器端采用多線程同時(shí)與多個(gè)客戶機(jī)連接，利用這些線程將仿真結(jié)果并行發(fā)送給顯示系統(tǒng)，為了保證顯示器的同步，需要在線程間進(jìn)行同步，這一方案也具有較高的復(fù)雜性。

利用UDP方式傳輸仿真結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)廣播式的通信，將顯示器作為服務(wù)器，仿真結(jié)果收集器作為客戶機(jī)，客戶機(jī)以廣播的方式將仿真結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)上，各顯示器將同時(shí)收到這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)顯示同步，但因?yàn)閁DP數(shù)據(jù)包的大小受限，當(dāng)仿真結(jié)果信息較多時(shí)需要有客戶端分包和服務(wù)端組包的處理，但這一方案是最簡(jiǎn)單的。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信量

為了顯示的需要，一個(gè)仿真步長(zhǎng)產(chǎn)生的仿真結(jié)果的字節(jié)數(shù)設(shè)定為F，在UDP方式下的通信量為F+a（a為UDP包格式控制信息），這些信息利用TCP傳輸一次的通信量為F+b（b為T(mén)CP包格式控制信息），a<>b。當(dāng)同時(shí)有n個(gè)顯示系統(tǒng)時(shí)，3部分的通信量分別為：F+a；nF +nb；nF+nc；F+a < nF+nb

從上面的比較可以看出，UDP方式通信量最小，TCP方式的通信量會(huì)隨顯示系統(tǒng)的數(shù)量成倍增加，數(shù)據(jù)庫(kù)方式的通信量比TCP還要大得多，因?yàn)樽鳛閿?shù)據(jù)庫(kù)連接的通信過(guò)程中有大量的控制信息。

不同通信方式、顯示系統(tǒng)數(shù)量不同時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信量變化情況，可以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。本組實(shí)驗(yàn)每60 ms發(fā)送1 000 byte的數(shù)據(jù)，不同情況的網(wǎng)絡(luò)信息流量見(jiàn)表1。

表1 100Mbps網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同方案網(wǎng)絡(luò)信息流量（%）

從表1看出： UDP方式，客戶端的網(wǎng)絡(luò)流量與顯示系統(tǒng)的數(shù)量沒(méi)有關(guān)系。TCP方式，服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)流量與顯示系統(tǒng)的數(shù)量成正比關(guān)系。數(shù)據(jù)庫(kù)方式，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)流量與顯示器的數(shù)量成正比關(guān)系。

3.3 運(yùn)行效率

運(yùn)行效率可以通過(guò)顯示器的反應(yīng)時(shí)間來(lái)衡量，需要的時(shí)間越少，效率就越高。實(shí)驗(yàn)時(shí)每次發(fā)送1 000 byte的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)方式則是每次讀取1 000 byte的數(shù)據(jù)。3種方式分別設(shè)置5、10、15個(gè)客戶端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2。

圖2 運(yùn)行效率對(duì)比圖

從圖2可以看出，利用UDP方式，處理的效率最高，且隨用戶數(shù)量的增加，處理速度變化不大。利用數(shù)據(jù)庫(kù)方式其效率較低，且隨客戶數(shù)量的增加，效率降低得較快，而采用TCP方式，則處于兩者之間，并且在網(wǎng)絡(luò)帶寬富裕的情況下，效率的變化比較平穩(wěn)。

3.4 同步性

同步性用于衡量不同顯示器的顯示步調(diào)是否一致，如果不同的顯示器能在同一時(shí)刻顯示不同的區(qū)域或?qū)哟危瑒t同步性好，否則同步性差。從圖2看出，用戶數(shù)量增加，UDP方式能保證比較好的同步；對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)方式，用戶數(shù)的增加，在時(shí)間上的差異會(huì)變大；而TCP方式，隨用戶數(shù)的增加其同步性有所下降。

3.5 可靠性

數(shù)據(jù)庫(kù)連接都是建立在TCP協(xié)議之上，與TCP方式一樣都是可靠傳輸，UDP是不可靠傳輸協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化時(shí)會(huì)有丟包現(xiàn)象。

3.6 技術(shù)難度

UDP方式通信套接字的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)的收發(fā)API調(diào)用都比較簡(jiǎn)單，技術(shù)難度低，但當(dāng)傳遞的數(shù)據(jù)較多時(shí)，要人為分包和組包。TCP方式，既要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，還要處理進(jìn)程間的同步，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。利用數(shù)據(jù)庫(kù)方式就是利用開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)用到的相關(guān)的API獲取數(shù)據(jù)，技術(shù)難度較小，但因?yàn)橥瑫r(shí)需要利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步，技術(shù)最為復(fù)雜。

4 結(jié)束語(yǔ)

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分布式仿真系統(tǒng)可以同時(shí)設(shè)置多個(gè)顯示器同步顯示不同顯示區(qū)域或同一顯示區(qū)域的不同層次，試驗(yàn)分析顯示，采用UDP通信從仿真系統(tǒng)獲取仿真結(jié)果，是技術(shù)簡(jiǎn)單、效率高、同步效果好的方案，雖然存在通信不可靠的缺點(diǎn)，但在局域網(wǎng)上，網(wǎng)絡(luò)條件一般比較好，丟包的幾率很小，可以忽略。再如廣播式通信雖然一般局限在同一個(gè)子網(wǎng)內(nèi)，但可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)置向相鄰子網(wǎng)廣播，也可以通過(guò)廣播代理系統(tǒng)解決。

北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的鐵路客運(yùn)專線列車(chē)運(yùn)行組織實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，調(diào)度監(jiān)督子系統(tǒng)采用UDP通信，設(shè)置多個(gè)調(diào)監(jiān)系統(tǒng)在局域網(wǎng)上運(yùn)行，同時(shí)顯示不同調(diào)度區(qū)段的線路和設(shè)備運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)武漢至長(zhǎng)沙間客運(yùn)專線的仿真運(yùn)行，每秒可以顯示多達(dá)20幀圖像，畫(huà)面流暢，擴(kuò)展性好，證明采用UDP方式的方案，對(duì)仿真系統(tǒng)的效率影響小，部署和配置都比較簡(jiǎn)單，是一種比較好的分布式顯示方案。

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