陳佳銘 王風立 鄧君湘 曹瑞珉

1(東北大學中荷生物醫(yī)學與信息工程學院 遼寧 沈陽 110819)2(海信網(wǎng)絡科技股份有限公司 山東 青島 266071)3(沈陽特種設備檢測研究院 遼寧 沈陽 110035)4(東北大學機械工程與自動化學院 遼寧 沈陽 110819)

0 引 言

Petri網(wǎng)是一種簡潔的、圖形化的網(wǎng)絡模型，它既能表示靜態(tài)的系統(tǒng)拓撲結構，也能用于系統(tǒng)動態(tài)行為的仿真。然而，傳統(tǒng)Petri網(wǎng)并不能全面描述系統(tǒng)中連續(xù)、隨機、時延和沖突等混雜特性。混雜隨機時延Petri網(wǎng)HSTPN[1]是基于條件事件網(wǎng)改進的高級Petri網(wǎng)模型，其含有離散、連續(xù)、隨機、時延和控制5種庫所，能有效描述系統(tǒng)中存在的多種混雜特性, 目前已成功應用于梯級水庫防洪控制系統(tǒng)[2]和物流自動分揀系統(tǒng)[1]。本文針對其仿真系統(tǒng)的開發(fā)，討論Lua腳本與C++的交互流程。

1 HSTPN仿真軟件功能設計

HSTPN仿真軟件的功能劃分為如圖1所示的4類功能，包括建模功能、推演功能、模型存儲與加載功能、數(shù)據(jù)輸出功能。

圖1 軟件功能劃分

2 軟件開發(fā)框架、工具及運行環(huán)境

該仿真軟件的開發(fā)框架為微軟基礎類庫MFC的“文檔-視圖類”開發(fā)框架[3]，文檔類負責數(shù)據(jù)的存儲與管理，視圖類負責數(shù)據(jù)的顯示和編輯，文檔類與視圖類的交互通過指針調(diào)用實現(xiàn)。該框架將數(shù)據(jù)的管理與顯示分離，降低了類與類之間的耦合度，進而提高了框架的可擴展性。同時，該框架可通過文檔類和視圖類的配合，靈活管理數(shù)據(jù)的顯示，方便程序的編寫與維護，適合本文軟件的開發(fā)。

該仿真軟件基于MFC單文檔程序框架開發(fā)，主要包含4個C++類，如圖2所示，分別為App類、框架類、視圖類和文檔類。其中App類表示應用程序本身，框架類用于承載視圖、工具欄、菜單欄、狀態(tài)欄等，視圖類負責數(shù)據(jù)的顯示與編輯，文檔類負責數(shù)據(jù)的存儲與管理。

圖2 MFC單文檔程序框架

該軟件開發(fā)工具包括Microsoft Visual Studio 2010(簡稱VS)平臺、Lua腳本和TinyXML。VS是一個基本的、完整的開發(fā)工具集，包括整體軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境等[4]。

Lua是一種開源的、小巧、使用方便的解釋性語言。Lua能很方便地嵌入到應用程序并為它們提供靈活的擴展和定制功能。Lua還提供非常豐富和實用的功能,比如函數(shù)式編程(所有的函數(shù)都是第一類值)、協(xié)同程序、自動內(nèi)存管理等[5]。由于Lua所有源代碼均由ANSI C編寫，它與C/C++能非常方便的交互,可使用C/C++的擴展庫完成一些功能較復雜的應用。而所有這些特性都歸功于它有一個精簡的、巧妙的、高效的Lua虛擬機的設計[6]。Lua采用了一種最簡單的執(zhí)行框架設計方式(switch-case),由于它指令數(shù)較少,因此也獲得了較好的執(zhí)行效率。Lua以其簡潔、可擴展、高效性以及可移植的特點廣泛應用與web服務器、游戲引擎以及嵌入式開發(fā)等領域[7-8]。本軟件基于Lua腳本設計了連續(xù)過程的編程實現(xiàn)方案，采用了Lua 5.3版本的解釋器。

軟件的運行平臺為Windows操作系統(tǒng)，軟件的運行需要Microsoft.NET Framework 4.0環(huán)境的支持；HSTPN推演仿真過程中，需要將模型信息全部加載到內(nèi)存中，因此要求計算機擁有3 GB及以上的內(nèi)存配置。

3 整體架構設計

3.1 軟件分層架構設計

根據(jù)需求分析，并結合MFC框架“文檔-視圖類”結構，設計HSTPN仿真軟件的整體架構如圖3所示，軟件架構劃分為四個層次，包括人機交互層、推演仿真層、數(shù)據(jù)結構層及文件存儲層。

圖3 軟件整體架構

(1) 人機交互層 該層用于實現(xiàn)軟件的人機交互界面，直接面向用戶。在人機交互層，用戶通過創(chuàng)建HSTPN模型的節(jié)點、設置仿真參數(shù)、基于Lua語言進行連續(xù)方程編寫等操作完成網(wǎng)絡模型的創(chuàng)建，并通過點擊按鈕進行模型推演仿真、控制仿真進程、進行模型存儲、模型加載、數(shù)據(jù)存儲等操作。人機交互層將用戶操作信息轉化為數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)結構層相應的數(shù)據(jù)結構中；該層還不斷監(jiān)測數(shù)據(jù)結構層中各種數(shù)據(jù)的變化，并轉化為人機交互層中各種圖形的改變，從而完成模型狀態(tài)、推演動畫及數(shù)據(jù)展示等功能。

(2) 數(shù)據(jù)結構層 該層封裝了HSTPN仿真軟件建模、仿真、數(shù)據(jù)輸出等過程中用到的各類數(shù)據(jù)結構。當用戶通過人機交互界面進行建模、參數(shù)設置等操作時，數(shù)據(jù)結構層接收人機交互層的操作信息，并將其轉換成數(shù)據(jù)存儲在對應的數(shù)據(jù)結構中；在HSTPN推演過程中，該層不斷接收模型的數(shù)據(jù)變化信息、仿真輸出數(shù)據(jù)等，并重新存儲到相應的數(shù)據(jù)結構中。

(3) 推演仿真層 該層主要完成三部分的功能，一是讀取數(shù)據(jù)結構層存儲的HSTPN模型的數(shù)據(jù)信息，基于HSTPN推演引擎完成模型推演仿真，并將推演過程中的數(shù)據(jù)實時傳遞回數(shù)據(jù)結構層；二是模型推演過程中，利用推演動畫展示程序?qū)崟r的驅(qū)使相應的數(shù)據(jù)傳遞給人機交互層，引起人機交互層各圖形的變化，從而實現(xiàn)推演動畫展示的功能；三是在模型推演過程中，利用仿真數(shù)據(jù)輸出程序驅(qū)動數(shù)據(jù)結構層中接收的仿真數(shù)據(jù)賦值給相應的數(shù)據(jù)輸出節(jié)點。

(4) 文件存儲層 該層主要負責模型文件的存儲與加載、仿真數(shù)據(jù)的存儲功能。當用戶通過點擊人機交互界面上的“保存”按鈕進行存儲操作時，文件存儲層讀取數(shù)據(jù)結構層存儲的模型數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)，將其寫入文件并存儲在電腦磁盤中；當用戶通過點擊人機交互界面上的“打開”按鈕，文件存儲層讀取存儲電腦磁盤文件中的信息，并將其轉換成相應的數(shù)據(jù)，重新存儲于數(shù)據(jù)結構層。

3.2 基于MFC的軟件類架構設計

根據(jù)圖3的軟件分層架構，結合MFC單文檔程序的框架及各C++類的功能，設計HSTPN仿真軟件的程序架構如圖4所示，是對軟件分層架構程序的實現(xiàn)方案。具體的對應關系如下：

1) CHSTPN_SYSView類：

CHSTPN_SYSView類繼承自CView類，即視圖類。在MFC架構中，視圖類負責數(shù)據(jù)的顯示與編輯，因此，在HSTPN仿真軟件中，CHSTPN_SYSView類用作人機交互層的實現(xiàn)類。圖4中CHSTPN_SYSView類的結構圖列出了該類主要涉及的功能的實現(xiàn)方法，其中：

(1) CreateNode方法：用于創(chuàng)建HSTPN模型中的狀態(tài)節(jié)點及事件節(jié)點；

(2) CreateArcs方法：用于創(chuàng)建HSTPN模型中的有向弧；

(3) Draw方法：用來實現(xiàn)推演動畫的展示、仿真數(shù)據(jù)展示等功能；

(4) MoveNode方法：用來實現(xiàn)HSTPN模型中節(jié)點的移動功能；

(5) DeleteNode方法：用來實現(xiàn)HSTPN模型中節(jié)點刪除功能。

圖4 軟件分層架構的程序?qū)崿F(xiàn)類關系圖

2) CHSTPN_SYSDoc類：

CHSTPN_SYSDoc類繼承自CDocument類，即文檔類。在MFC架構中，文檔類負責數(shù)據(jù)的存儲與管理，因此，數(shù)據(jù)結構層中的各數(shù)據(jù)結構定義在文檔類中；由于文件存儲層的功能本質(zhì)是對數(shù)據(jù)結構層中的數(shù)據(jù)的直接讀取、保存和重新生成，因此，文件存儲層的功能也在CHSTPN_SYSDoc文檔類中實現(xiàn)。圖4中CHSTPN_SYSDoc類的結構圖，列出了該類主要涉及的數(shù)據(jù)結構及功能的實現(xiàn)方法，其中：

(1) vecPlaces、vecTrans、vecArcs和vecOutput：四個動態(tài)數(shù)組，分別用于存儲HSTPN模型中包含的狀態(tài)節(jié)點、事件節(jié)點、有向弧和輸出節(jié)點，上述元素的實現(xiàn)類，即CPlace、CTransition、CArc和COutput類的詳細設計與實現(xiàn)將在第4章講述；

(2) SaveModel方法：用來實現(xiàn)HSTPN模型存儲功能；

(3) LoadModel方法：用來實現(xiàn)HSTPN模型加載功能；

(4) SaveSimData方法：用來實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)存儲的功能。

3) CHSTPN_SYSSim類：

在軟件設計開發(fā)過程中，應用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，推演仿真層單獨構建一個類來實現(xiàn)，將其命名為CHSTPN_SYSSim。CHSTPN_SYSSim類的結構如圖4所示，其中：

(1) SimEngine方法：表示模型推演引擎，負責實現(xiàn)仿真推演功能；

(2) AnmatnDemo方法：用于模型推演的同時，驅(qū)動CHSTPN_SYSView類中Draw方法的執(zhí)行；

(3) SimDataOut方法：用來將仿真過程中模型數(shù)據(jù)賦值給輸出節(jié)點。

4 基于Lua腳本的連續(xù)過程的建模實現(xiàn)

4.1 Lua腳本與C++的交互流程

建模功能是HSTPN仿真軟件的基本功能，需要完成HSTPN模型的狀態(tài)節(jié)點、事件節(jié)點和有向弧創(chuàng)建，節(jié)點屬性設置，連續(xù)物理層的編程等操作。其中，HSTPN模型中的連續(xù)物理層一般采用微分方程或狀態(tài)方程來描述。隨著仿真案例的不同，HSTPN模型中用于描述連續(xù)過程的微分方程或狀態(tài)方程也不相同。HSTPN仿真軟件中，在連續(xù)狀態(tài)節(jié)點中內(nèi)嵌一個Lua腳本，用戶可在該腳本中通過Lua語言設計、編寫自己的微分方程或狀態(tài)方程，提高了軟件的可擴展性。

當一個連續(xù)狀態(tài)節(jié)點激活后，其內(nèi)嵌的Lua腳本開始執(zhí)行，此時連續(xù)狀態(tài)節(jié)點中創(chuàng)建一個Lua虛擬堆棧，用于Lua和C++程序之間的交互。Lua腳本與C++的交互流程如圖5所示。

圖5 Lua腳本與C++交互流程

4.2 連續(xù)模型的案例創(chuàng)建

HSTPN仿真軟件界面如圖6所示，界面分為3個區(qū)域：菜單欄與工具欄、元素選擇區(qū)、模型展示區(qū)。其中菜單欄和工具欄中列舉了“保存”、“打開”等菜單項，模型元素選擇區(qū)列出了HSTPN博弈模型的基本元素及軟件的數(shù)據(jù)輸出節(jié)點，模型編輯區(qū)負責HSTPN博弈模型的搭建、屬性設置、動畫展示等。

圖6展示的仿真模型中，p4和p28兩個狀態(tài)節(jié)點分別用于描述兩個連續(xù)過程，通過Lua腳本進行編程實現(xiàn)，Lua腳本的創(chuàng)建過程如圖7所示。

5 結 語

本文結合MFC“文檔-視圖類”結構設計了軟件的分層架構及程序?qū)崿F(xiàn)框架。本軟件包含的功能主要分為四類：HSTPN模型搭建功能、推演功能、仿真模型的存儲與加載功能、仿真數(shù)據(jù)輸出功能。分析了Lua腳本與C++的交互流程，實現(xiàn)了連續(xù)過程編程功能。