張志鶴，史璐莎，張 斌，張 濤

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100080；2.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)研究中心 北京100094）

一種基于DDS與HLA的實(shí)時(shí)性聯(lián)合仿真系統(tǒng)

張志鶴1，2，史璐莎2，張 斌2，張 濤2

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100080；2.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)研究中心 北京100094）

針對目前基于HLA的半實(shí)物仿真的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的特點(diǎn)，在分析該實(shí)時(shí)性問題的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS，設(shè)計(jì)了一種基于DDS和HLA的實(shí)時(shí)性聯(lián)合仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用DDS替換HLA中的數(shù)據(jù)分發(fā)功能，利用HLA進(jìn)行仿真系統(tǒng)中的聯(lián)邦管理，并使DDS負(fù)責(zé)仿真節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)分發(fā)功能，在半實(shí)物仿真中達(dá)到了實(shí)時(shí)仿真的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：該聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能顯著提高基于HLA的半實(shí)物仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，能有效滿足分布式仿真的實(shí)時(shí)性需求。

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)；高層體系結(jié)構(gòu)；半實(shí)物仿真；實(shí)時(shí)性

高層體系結(jié)構(gòu) HLA（High Level Architecture），是當(dāng)前系統(tǒng)仿真領(lǐng)域應(yīng)用最廣的一種分布式系統(tǒng)仿真規(guī)范。HLA從規(guī)范層給出了搭建仿真應(yīng)用的框架，它利用運(yùn)行支撐環(huán)境RTI，實(shí)現(xiàn)了仿真應(yīng)用層和數(shù)據(jù)通信層的分離，仿真聯(lián)邦節(jié)點(diǎn)通過RTI通信。

HLA的優(yōu)勢在于解決了分布式仿真系統(tǒng)的互操作性和仿真組件的可重用性。然而，HLA的C/S架構(gòu)所帶來的帶寬瓶頸，導(dǎo)致在大規(guī)模分布式仿真系統(tǒng)與高實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中面臨數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性問題。在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，實(shí)物系統(tǒng)的存在使得仿真時(shí)間尺度不能被任意改變，仿真系統(tǒng)對仿真節(jié)點(diǎn)間信息傳輸有極強(qiáng)的時(shí)間約束。如何解決基于HLA的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問題，是當(dāng)前仿真領(lǐng)域的一個(gè)研究方向。

陳源龍等利用插值外推法和利用網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方法，解決了由于RTI自身性能不足造成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)傳輸延遲的問題[1]。馬東等提出采用HLA橋接技術(shù)的HLA實(shí)時(shí)性改進(jìn)策略，使HLA能夠運(yùn)用到半實(shí)物仿真系統(tǒng)中[2]。左軍等通過引入動態(tài)時(shí)間補(bǔ)償機(jī)制使基于HLA的仿真系統(tǒng)能達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的目的[3]。

文中通過引入數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) DDS（Data Distribution Service），結(jié)合HLA的仿真架構(gòu)，提出一種基于DDS的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)和HLA的時(shí)間管理與對象管理功能的聯(lián)合仿真架構(gòu)。在該仿真架構(gòu)下，仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性能得到有效保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 耦合可行性分析

DDS和HLA雖然是兩種不同用途的規(guī)范，但是其基本的訂閱/發(fā)布模式導(dǎo)致了兩者的模型概念之間極高的相似度，這種相似度也是耦合DDS和HLA的可能性所在。

從原理上講，HLA和DDS都是分布式仿真系統(tǒng)的架構(gòu)規(guī)范，都提供了發(fā)布-訂閱的通信機(jī)制，而且都有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的API支持。從實(shí)體的定義上講，DDS和HLA的實(shí)體之間具有高度對應(yīng)的映射關(guān)系。表1描述了DDS的實(shí)體和HLA的仿真實(shí)體之間的映射關(guān)系[4-5]。

表1 DDS和HLA實(shí)體的映射關(guān)系

從功能上來說，HLA和DDS也具有一些聯(lián)系。HLA具有強(qiáng)大的聲明管理，聯(lián)邦管理，時(shí)間管理（DDS只有一些基本的時(shí)間戳管理功能）等功能，而DDS卻致力于完善數(shù)據(jù)分發(fā)功能 （HLA只有基于TCP/IP的簡單數(shù)據(jù)分發(fā)功能），如豐富的QoS策略，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)模型。

所以，HLA和DDS在概念上具有極強(qiáng)的相似度，在功能上，又具有天然完美的互補(bǔ)性，這給HLA和DDS的聯(lián)合仿真提供了極大的可行性。

1.2 聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)

HLA作為一種成熟的仿真規(guī)范，最為重要的一點(diǎn)就是其優(yōu)秀的的時(shí)間管理服務(wù)。對仿真系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間控制，能夠保證仿真世界事件的發(fā)生順序和因果關(guān)系，與真實(shí)世界相一致，這也是仿真系統(tǒng)成立的根本前提。DDS本質(zhì)上不是一種仿真規(guī)范，不具備完善的仿真功能，也并非專用于仿真領(lǐng)域。但是，DDS的平臺無關(guān)性保障了其良好的可移植性[6]，HLA的RTI僅規(guī)定了接口規(guī)范，數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)的主體需要由開發(fā)者完成，所以可以考慮用DDS取代HLA中仿真數(shù)據(jù)的傳輸。

聯(lián)合仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一方面，仿真節(jié)點(diǎn)作為聯(lián)邦成員參與HLA仿真，通過RTI接受時(shí)間控制，另一方面，仿真節(jié)點(diǎn)作為域參與者通過DDS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。具體的流程圖如圖2所示。

編寫通信數(shù)據(jù)類型支持庫（如圖2（a））。

圖2 流程圖

1）分析聯(lián)邦成員的通信數(shù)據(jù)類型，編寫FOM表，根據(jù)FOM表編寫IDL文件。

2）使用IDL編譯器編譯IDL文件，生成類型支持文件，建立類型支持工程。

3）編譯類型支持工程，生成用于類型支持的靜態(tài)運(yùn)行庫lib文件，為后續(xù)的發(fā)布訂閱做準(zhǔn)備。

編寫發(fā)布訂閱端（如圖2（b））。

1）創(chuàng)建聯(lián)邦后，仿真節(jié)點(diǎn)首先作為聯(lián)邦成員加入聯(lián)邦，某聯(lián)邦成員注冊同步點(diǎn)之后，等待其他邦元加入聯(lián)邦。

2）所有邦元加入后，公布仿真時(shí)間同步點(diǎn)，所有邦元根據(jù)需求申請時(shí)間控制信息。

3）仿真節(jié)點(diǎn)加入RTI的同時(shí)，需要作為元參與者加入DDS，首先需要創(chuàng)建域中實(shí)體，如域參與者，主題，發(fā)布者/訂閱者等。

4）初始化工作完成后，仿真進(jìn)入由HLA時(shí)間管理控制的單步執(zhí)行階段（如圖2（c））。

① 數(shù)據(jù)寫者將應(yīng)用程序送出的數(shù)據(jù)寫入發(fā)布者，根據(jù)需要確定是否需要設(shè)置監(jiān)聽者，HLA的時(shí)間管理功能的一個(gè)重要體現(xiàn)是通過控制數(shù)據(jù)的時(shí)間屬性來確定是否可以交付，然而在DDS的架構(gòu)并沒有時(shí)間屬性的概念，為了體現(xiàn)HLA的時(shí)間管理功能，需要在發(fā)布端對數(shù)據(jù)加上本地時(shí)間戳，本地時(shí)鐘取系統(tǒng)的仿真時(shí)間。訂閱者接收數(shù)據(jù)時(shí)對比本地仿真時(shí)間和數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，確定數(shù)據(jù)是否可以被交付，同時(shí)在訂閱段設(shè)置計(jì)數(shù)器和等待閾值，本步數(shù)據(jù)接收完畢或者接收等待時(shí)間超過閾值時(shí)，判定本步接收完畢。發(fā)布端設(shè)置接收等待機(jī)制，數(shù)據(jù)被成功接收后，返回布爾標(biāo)志信息，判定本步發(fā)布完畢。

② 仿真節(jié)點(diǎn)的發(fā)布與訂閱服務(wù)均完畢后，向RTI申請時(shí)間推進(jìn)

5）仿真結(jié)束后，摧毀所有仿真實(shí)體。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

2.1 與實(shí)時(shí)性相關(guān)的QOS

DDS的實(shí)時(shí)性是建立在其豐富的QoS策略之上的。OMG在DDS規(guī)范中定義了22種QoS策略，RTI-DDS在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候更是擴(kuò)展到了52種[7]。在一個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，我們更需要關(guān)注DDS與實(shí)時(shí)性相關(guān)的QoS。在編程實(shí)現(xiàn)中，以RTI-DDS為例，我們認(rèn)為以下幾種QoS比較重要[8-10]。

表2 實(shí)時(shí)性相關(guān)的QOS

2.2 耦合點(diǎn)選擇

該仿真結(jié)構(gòu)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在即為DDS與HLA的耦合部分。在該結(jié)構(gòu)中，DDS是作為一種邦元間的通信機(jī)制受到HLA的時(shí)間管理機(jī)制控制的。觀察HLA和DDS的工作原理，我們不難發(fā)現(xiàn)，二者的耦合點(diǎn)有兩個(gè)，數(shù)據(jù)的定義和仿真幀的推進(jìn)。所以，可供選擇的耦合點(diǎn)有以下兩種：

①在數(shù)據(jù)的定義處耦合

這種耦合方法將屏蔽DDS的數(shù)據(jù)定義，開發(fā)人員通過HLA的FOM和SOM表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定義，然后根據(jù)HLA的FOM表與DDS的IDL語言元素之間的映射關(guān)系，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換方法，將HLA定義的數(shù)據(jù)接口自動映射給DDS。

韓國KonkukUniversity的YunjungParkh和Dugki Min博士就采用這種耦合方法設(shè)計(jì)了一套HLA-DDS的wrapper，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)控制的分布式仿真系統(tǒng)[11]。這種耦合方法的優(yōu)點(diǎn)在于屏蔽了大部分的DDS接口，對已有的HLA仿真系統(tǒng)的支持也比較友好，在開發(fā)者層面上，接觸到的幾乎完全是HLA的API。

但是，這種方法也有一些先天的缺陷。由二者的規(guī)范可知，DDS的QoS策略的豐富度（至少22種）較HLA（只有3種）豐富很多[12]，這種方法由于在數(shù)據(jù)定義處屏蔽了DDS的數(shù)據(jù)定義方法，導(dǎo)致間接削弱了DDS對數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力和掌控度。

②在仿真幀的推進(jìn)處耦合

DDS的優(yōu)勢是能夠保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，但是，DDS本身并不含有任何時(shí)間控制機(jī)制，而且由于它是和HLA剝離開的，所以，在DDS已經(jīng)能保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的前提下，我們?nèi)绾伪Ｕ下?lián)合仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是一個(gè)問題。

此外，在HLA的仿真規(guī)范中，時(shí)間管理機(jī)制并沒有對仿真幀的推進(jìn)機(jī)制給出標(biāo)準(zhǔn)化的解決方法。即使對于HLA仿真來說，對于時(shí)間控制機(jī)制的優(yōu)化也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

這就意味著，開發(fā)者需要根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯來設(shè)計(jì)自己的推進(jìn)機(jī)制。在以往的HLA仿真過程中，我們一般允許仿真數(shù)據(jù)的部分缺失，所以不關(guān)心推進(jìn)機(jī)制。但是，這畢竟是由于在普通場景下我們對仿真的精確度要求不高，仿真物理環(huán)境較好以及存在數(shù)據(jù)冗余的可能性。如果仿真需求的精確度要求很高，我們就必須要設(shè)計(jì)一種時(shí)間控制機(jī)制，能夠保證在每一個(gè)仿真幀內(nèi)，數(shù)據(jù)都能夠被發(fā)出和交付。

此處的耦合方法又有多種，比如可以在接收端和發(fā)送端各設(shè)置一層計(jì)數(shù)器[13]，在每個(gè)仿真幀內(nèi)都通過數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)和時(shí)間戳兩層驗(yàn)證來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在當(dāng)前業(yè)務(wù)邏輯很清晰的前提下，這的確是一種最精確的控制機(jī)制。但是，隨著仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，這種機(jī)制的設(shè)計(jì)難度隨之增高，魯棒性也隨之下降。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)平臺選用Pitch公司的pRTI產(chǎn)品作為HLA框架，DDS選用RTI公司的RTI-DDS，來搭建仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通常對RTI性能的綜合測試包括時(shí)間推進(jìn)速率，數(shù)據(jù)吞吐能力，丟包率等9個(gè)方面的內(nèi)容[14-15]。其中時(shí)間推進(jìn)速率是衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要參考指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)測定在不同的數(shù)據(jù)吞吐量下仿真系統(tǒng)的推進(jìn)速度。

實(shí)驗(yàn)一設(shè)計(jì)一組對照試驗(yàn)，試驗(yàn)A為HLA仿真，實(shí)驗(yàn)B為DDS和HLA的聯(lián)合仿真，我們測試在收發(fā)相同大小的數(shù)據(jù)包失，仿真推進(jìn)相同步長時(shí)的總時(shí)間。

本實(shí)驗(yàn)的物理環(huán)境為由千兆交換機(jī)連接的局域網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的配置完全相相同。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)一

從圖3中可以看出，對于方案A，即原HLA仿真系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)包的大小在524 288*4=2 MB時(shí)，仿真系統(tǒng)的推進(jìn)速度開始明顯下降。當(dāng)數(shù)據(jù)包小于2 MB時(shí)，系統(tǒng)的推進(jìn)速度基本不變。對于方案B，即本課題的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)包較小時(shí)，推進(jìn)效率就高于方案A，然而，隨著數(shù)據(jù)包的不斷增大，聯(lián)合仿真系統(tǒng)仍然能保持較好的實(shí)時(shí)性。

試驗(yàn)二設(shè)計(jì)一組聯(lián)合仿真系統(tǒng)的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中在節(jié)點(diǎn)間一次重復(fù)發(fā)送相同大小的數(shù)據(jù)包，每組試驗(yàn)改變數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，仿真推進(jìn)1 000次，測試并統(tǒng)計(jì)推進(jìn)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)二的結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)二

可以看出，隨著通信數(shù)據(jù)包數(shù)的增加，仿真時(shí)間呈正比例增加，符合預(yù)期。在工程中，單節(jié)點(diǎn)在單次數(shù)據(jù)幀內(nèi)交互數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)在103的數(shù)量級時(shí)[16]，我們認(rèn)為已經(jīng)屬于比較大的通信量了。所以，聯(lián)合仿真系統(tǒng)可以滿足仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性聯(lián)合仿真系統(tǒng)，在HLA的聯(lián)邦管理層之下，使用DDS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分發(fā)的方法，在分布式仿真中，尤其是半實(shí)物仿真，能顯著提高基于HLA的仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外，對于仿真時(shí)間推進(jìn)管理的優(yōu)化是后期的一個(gè)研究方向。

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A real-time simulation system based on DDS&HLA

ZHANG Zhi-he1，2，SHI Lu-sha2，ZHANG Bin2，ZHANG Tao2
（1.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100080，China；2.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Science，Beijing 100094，China）

First the real-time problem of the hardware-in-the-loop simulation with HLA is analyzed.Then a real-time simulation system based on DDS&HLA is designed.The combined system makes use of DDS responsible for data distribution and HLA managing the simulation federation to achieve the real-time simulation.Finally an experiment shows that the combined system could improve the real-time ability of the simulation system with HLA.

data distribution service；high level architecture；hardware-in-the-loop simulation；real-time

TN919.6+4

A

1674－6236（2017）10-0026-05

2016-04-06稿件編號：201604053

張志鶴（1989—），男，河南鞏義人，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真。