鞠 琳，劉金飛，宋飛揚(yáng)

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072）

0 前 言

我國(guó)于二十世紀(jì)八十年代初開始，在各大型混凝土拱壩建設(shè)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)拱壩施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并引入隨機(jī)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、模糊網(wǎng)絡(luò)、Petri網(wǎng)絡(luò)、VR技術(shù)等新技術(shù)，取得了豐碩的成果。武漢大學(xué)對(duì)小灣拱壩的混凝土澆筑和壩肩、壩基開挖進(jìn)行了仿真［1］，得到了各澆筑塊的澆筑順序，得出了不同方案下的澆筑強(qiáng)度、纜機(jī)利用率等系統(tǒng)方案決策指標(biāo)。天津大學(xué)提出了高拱壩施工全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真建模理論與方法［2］、基于BIM的混凝土壩澆筑仿真智能建模方法［3］等理論方法與技術(shù)，推動(dòng)了施工仿真技術(shù)的快速發(fā)展，將隨機(jī)排隊(duì)理論引入混凝土壩澆筑順序優(yōu)化中，建立了考慮纜機(jī)之間運(yùn)行空間沖突問(wèn)題和考慮纜機(jī)生產(chǎn)率利用問(wèn)題的混凝土高拱壩澆筑仿真可視化系統(tǒng)［4］。中國(guó)電建成都院通過(guò)對(duì)溪洛渡水電站大壩進(jìn)行混凝土施工與計(jì)算機(jī)仿真研究，對(duì)纜機(jī)布置、壩體混凝土澆筑方案提出了大壩混凝土澆筑的計(jì)算機(jī)仿真方法［5］，隨后利用施工仿真技術(shù)結(jié)合數(shù)字大壩綜合信息平臺(tái)提供的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行跟蹤分析［6］，快速地為施工方案優(yōu)選和進(jìn)度控制提供了決策。拱壩澆筑仿真過(guò)程中涉及大量的系統(tǒng)狀態(tài)信息，仿真系統(tǒng)需要將內(nèi)存中的對(duì)象保存到磁盤或數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便調(diào)試、修改或分發(fā)到其他的仿真終端。為此，需要建立內(nèi)存中的仿真對(duì)象與磁盤或數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣的技術(shù)方法一般稱為內(nèi)存對(duì)象的持久化。下面從仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性、中繼仿真、分布式仿真三個(gè)方面說(shuō)明持久化算法的需求。

1 拱壩仿真系統(tǒng)中持久化算法研究的技術(shù)背景

（1）仿真動(dòng)態(tài)性的需求。拱壩澆筑施工系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化而變化。如：開始施工的時(shí)候，只有輕型起重設(shè)備或少量重型起重設(shè)備，隨著施工過(guò)程深入，起重設(shè)備的數(shù)量和能力逐漸增加。這些變化一般與施工進(jìn)度或者系統(tǒng)中的某些節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，因此，需要仿真系統(tǒng)能夠處理動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)環(huán)境。而動(dòng)態(tài)的模型參數(shù)則需要仿真系統(tǒng)提供某種接口方法動(dòng)態(tài)處理仿真系統(tǒng)屬性，解決方案之一即是利用持久化技術(shù)。

（2）中繼仿真的需求。中繼仿真是系統(tǒng)在仿真過(guò)程中，用戶可以隨時(shí)要求中斷或者暫停，在修改系統(tǒng)運(yùn)行條件或者類屬性后繼續(xù)運(yùn)行。該功能需要仿真系統(tǒng)具有一種可以提交內(nèi)存中的仿真類對(duì)象實(shí)例到持久存儲(chǔ)介質(zhì)的方法，以便用戶可以通過(guò)修改持久介質(zhì)達(dá)到修改仿真系統(tǒng)中的對(duì)象之目的。

（3）分布式仿真的需求。大型仿真系統(tǒng)的計(jì)算量十分巨大，分布式并行計(jì)算是縮短計(jì)算時(shí)間的一種有效方式。但是，計(jì)算任務(wù)的分配和計(jì)算參數(shù)的傳遞難以用簡(jiǎn)單的系統(tǒng)消息傳遞解決。而在進(jìn)行并行仿真的場(chǎng)合，使用共享內(nèi)存的方式傳遞數(shù)據(jù)比較復(fù)雜也不安全。因此，必須提供仿真系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)的傳輸方式，即仿真系統(tǒng)類對(duì)象的持久化或流化手段，形成仿真系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)包，將計(jì)算參數(shù)分發(fā)到計(jì)算節(jié)點(diǎn)。仿真類持久化是離線共享數(shù)據(jù)的重要手段。

持久化的目的主要是將內(nèi)存中的對(duì)象存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)、磁盤文件、XML數(shù)據(jù)文件等外存中。由于在用戶共享訪問(wèn)、并發(fā)訪問(wèn)以及數(shù)據(jù)分析方面的顯著優(yōu)勢(shì)，主流的持久化多采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)方案。但是，由于仿真系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)為內(nèi)存對(duì)象，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)表記錄，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和面向?qū)ο髮?shí)例的存儲(chǔ)模式不匹配，所以必須解決轉(zhuǎn)換映射的問(wèn)題。

本文針對(duì)上述需求，建立數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體對(duì)象與內(nèi)存中仿真對(duì)象之間的映射關(guān)系，利用仿真對(duì)象的持久化技術(shù)，建立了一種拱壩澆筑施工仿真對(duì)象的持久化算法，實(shí)現(xiàn)了仿真對(duì)象的存取。

2 混凝土拱壩澆筑施工仿真對(duì)象的持久化算法

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)仿真技術(shù)的不足，本文提出了一種將仿真過(guò)程中涉及的大量系統(tǒng)狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中并形成系統(tǒng)快照的持久化算法。基于對(duì)象數(shù)據(jù)映射ORM（Object Relational Mapper）持久化技術(shù)模式，建立仿真對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄的映射關(guān)系。仿真系統(tǒng)一方面可以將仿真對(duì)象保存到內(nèi)存以外的介質(zhì)中，便于數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)分享；同時(shí)，可以利用該映射將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)恢復(fù)為內(nèi)存中的類屬性，從而實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步利用類對(duì)象持久化可以方便的在計(jì)算進(jìn)程間分發(fā)計(jì)算參數(shù)。

算法由三個(gè)主要部分組成：（1）ORM持久化環(huán)境構(gòu)建，即建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致的數(shù)據(jù)庫(kù)表和仿真對(duì)象環(huán)境；（2）仿真對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)導(dǎo)出，即將內(nèi)存中的仿真對(duì)象保存到數(shù)據(jù)庫(kù)表中；（3）仿真對(duì)象實(shí)例從數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)表中的仿真對(duì)象信息重建內(nèi)存中的仿真對(duì)象。

2.1 ORM持久化環(huán)境構(gòu)建

ORM持久化環(huán)境構(gòu)建，需要建立拱壩澆筑施工仿真軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及其映射，旨在建立拱壩澆筑施工仿真對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄的映射關(guān)系，如圖1所示。

圖1 拱壩澆筑施工仿真對(duì)象持久化映射關(guān)系

2.1.1 拱壩澆筑施工仿真對(duì)象

運(yùn)用面向?qū)ο蠓治龇椒ǚ治鍪┕は到y(tǒng)編制施工仿真軟件。建立可持久化基類CInstClass，由基類衍生出各仿真對(duì)象。以CBlocks為例，仿真對(duì)象CBlocks的結(jié)構(gòu)包括一系列的屬性和方法，持久化只需要處理屬性，如表1所示。

表1 可持久化基類結(jié)構(gòu)和范例說(shuō)明

可見，可持久化類使用屬性TableName保存與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表名，利用Items屬性指向一個(gè)指針數(shù)組，保存與該類相關(guān)的仿真對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)，Items中的數(shù)據(jù)即為需要持久化處理的數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)象實(shí)例屬性的快速存取，專門建立了一個(gè)屬性映射數(shù)組FldTlts，其結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 屬性映射數(shù)組FldTlts的結(jié)構(gòu)

表2中DtTp的可選參數(shù)詳見表3。

表3 可處理的屬性數(shù)據(jù)類型

表2中Offset存儲(chǔ)位置的偏移量，需要根據(jù)屬性的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)的相對(duì)位置決定。在高級(jí)語(yǔ)言中可以使用系統(tǒng)內(nèi)建的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)寬度函數(shù)取得屬性占位寬度，再累加得到。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄

為了將內(nèi)存中的仿真對(duì)象保存到數(shù)據(jù)庫(kù)表中，實(shí)現(xiàn)仿真對(duì)象的持久化，需要建立與類對(duì)象屬性對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)。每個(gè)對(duì)象屬性對(duì)應(yīng)一個(gè)字段，對(duì)象屬性的數(shù)據(jù)類型與字段數(shù)據(jù)類型相對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)的說(shuō)明如表4所示。

表4 可持久化對(duì)象對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)說(shuō)明

2.1.3 實(shí)例和記錄的映射關(guān)系

為了保持類對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)與類對(duì)象在數(shù)據(jù)庫(kù)表中存儲(chǔ)的一致性（數(shù)據(jù)類型的不當(dāng)轉(zhuǎn)換會(huì)帶來(lái)信息丟失）。需要將內(nèi)存存儲(chǔ)的屬性變量與數(shù)據(jù)庫(kù)表的字段變量建立映射關(guān)系，并保持二者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一致性。仿真對(duì)象屬性與數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系保存在可持久化類的屬性映射數(shù)組FldTlts中，映射關(guān)系如表5所示。

表5 仿真對(duì)象屬性與數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系

2.2 仿真對(duì)象的導(dǎo)出

設(shè)某仿真對(duì)象O有n個(gè)實(shí)例記為O1，…，On，每個(gè)實(shí)例Oi（i=1，…，n）包括m個(gè)屬性記為Oi1，…，Oim，每個(gè)屬性O(shè)ij（j=1，…，m）都有其屬性項(xiàng)目描述信息Pj（保存在前述屬性數(shù)組FldTlts中），與數(shù)據(jù)庫(kù)表T的結(jié)構(gòu)Tj相對(duì)應(yīng)。為了將內(nèi)存中的仿真對(duì)象的實(shí)例Oi全部導(dǎo)出，需要的步驟如圖2所示。

圖2 拱壩澆筑施工仿真對(duì)象導(dǎo)出的信息處理步驟

選定一個(gè)對(duì)象實(shí)例。例如，在上述n個(gè)實(shí)例中選定實(shí)例O1。

針對(duì)選定的實(shí)例O1，選定一個(gè)屬性，如O11。選定具體屬性后，再將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)格式?；谇笆龀志没畔h(huán)境，根據(jù)O11取得其對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)類型信息Pj。取得Pj中包含的“DtTp”表示該屬性的數(shù)據(jù)類型?？衫萌〉玫臄?shù)據(jù)類型，將O11轉(zhuǎn)換為正確的字符串類型和格式待用。

針對(duì)實(shí)例O1的所有屬性O(shè)1j，重復(fù)執(zhí)行以上步驟，即可將實(shí)例O1的所有屬性均轉(zhuǎn)換為字符串類型。

在將實(shí)例的屬性轉(zhuǎn)換為字符串后，需要將對(duì)象寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。利用SQL插入語(yǔ)句的模板，將前面生成的各屬性數(shù)據(jù)的字符串組合成插入表T的SQL語(yǔ)句。將上述SQL語(yǔ)句提交給數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，即可完成實(shí)例O1的持久化操作。對(duì)于實(shí)例O1的對(duì)象識(shí)別碼（ID）在表T中已經(jīng)存在的情況，需要先將其刪除，再插入語(yǔ)句。

針對(duì)所有的Oi，i=1，…，n，重復(fù)執(zhí)行以上所有步驟，即可將仿真對(duì)象O的所有實(shí)例全部保存到數(shù)據(jù)庫(kù)表T中，完成所有對(duì)象實(shí)例的導(dǎo)出。

2.3 仿真對(duì)象的恢復(fù)

設(shè)某仿真對(duì)象O，與數(shù)據(jù)庫(kù)表T對(duì)應(yīng)，現(xiàn)需要將仿真對(duì)象實(shí)例從數(shù)據(jù)庫(kù)表T中恢復(fù)起來(lái)。設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)表T有n條記錄T1，…，Tn，對(duì)應(yīng)n個(gè)仿真對(duì)象的實(shí)例記為O1，…，On；每條記錄包括m個(gè)字段T1，…，Tm對(duì)應(yīng)對(duì)象實(shí)例的m個(gè)屬性O(shè)1，…，Om；Tj（j=1，…，m）和Oj（j=1，…，m）的映射關(guān)系由實(shí)例和記錄的映射關(guān)系R決定。為了將仿真對(duì)象實(shí)例從數(shù)據(jù)庫(kù)表T從恢復(fù)出來(lái)，需要的步驟如圖3所示。

圖3 拱壩澆筑施工仿真對(duì)象屬性恢復(fù)信息處理步驟

仿真系統(tǒng)中有很多仿真對(duì)象，針對(duì)特定的仿真對(duì)象，可以根據(jù)其持久化映射關(guān)系，取得該對(duì)象的關(guān)聯(lián)表，在數(shù)據(jù)庫(kù)表中定位到特定的記錄。對(duì)于根據(jù)對(duì)象ID恢復(fù)特定實(shí)例的情況，利用ID定位到特定記錄；而對(duì)于恢復(fù)所有實(shí)例的情況，可以首先定位到第1條記錄。

建立待恢復(fù)的對(duì)象實(shí)例并為其分配內(nèi)存空間。在新建立的待恢復(fù)對(duì)象實(shí)例中，選定一個(gè)屬性作為待恢復(fù)的屬性。根據(jù)對(duì)象描述信息，取得該屬性的名稱和數(shù)據(jù)類型信息，再通過(guò)屬性名在數(shù)據(jù)庫(kù)表中定位字段并取得該屬性數(shù)值，最后利用數(shù)值、類型、偏移量恢復(fù)屬性數(shù)據(jù)，其中恢復(fù)屬性數(shù)據(jù)的具體操作為：在內(nèi)存中首先定位到該仿真對(duì)象實(shí)例的起點(diǎn)地址，利用偏移量定位到該屬性的起點(diǎn)地址，再利用屬性類型確定該屬性的數(shù)據(jù)寬度，將確定的地址范圍內(nèi)的內(nèi)存替換為屬性數(shù)值，完成對(duì)當(dāng)前實(shí)例、當(dāng)前屬性值的恢復(fù)。

針對(duì)特定實(shí)例的每個(gè)屬性，重復(fù)執(zhí)行建立該對(duì)象特定實(shí)例之后的步驟，將該實(shí)例的所有屬性全部賦值完成；針對(duì)每個(gè)需要恢復(fù)的仿真對(duì)象，分別建立對(duì)象實(shí)例并重復(fù)執(zhí)行以上步驟，即可將該對(duì)象的所有實(shí)例全部從對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表中恢復(fù)出來(lái)。

3 算法應(yīng)用

本文算法在某300 m級(jí)高拱壩混凝土工程施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)仿真中應(yīng)用。仿真過(guò)程中一旦暫停，系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)時(shí)的仿真狀態(tài)持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖4中a。可以根據(jù)施工進(jìn)度和大壩澆筑條件修改仿真對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4中b。修改完成后，仿真系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中加載仿真對(duì)象并反映修改，如圖4中c，即為中繼仿真?；蛘邔?shù)據(jù)庫(kù)分發(fā)給各計(jì)算終端，即可在各并行計(jì)算終端重建仿真對(duì)象，實(shí)現(xiàn)基于相同條件的并行仿真，如圖4中d。

圖4 持久化方法在中繼仿真和并行仿真中的數(shù)據(jù)流程

表6為中繼仿真結(jié)果對(duì)比，在計(jì)算過(guò)程中中斷并對(duì)邊界參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后繼續(xù)仿真，仿真完工工期隨之變化；表7為利用本算法開發(fā)的分布式仿真系統(tǒng)與常規(guī)仿真系統(tǒng)的計(jì)算效率對(duì)比，其中常規(guī)仿真系統(tǒng)運(yùn)行于1臺(tái)計(jì)算機(jī)、分布式仿真系統(tǒng)運(yùn)行于3臺(tái)、計(jì)算機(jī)配置相同，同樣計(jì)算100組擬定方案，利用本算法實(shí)現(xiàn)的分布式仿真系統(tǒng)效率顯著提高。

表6 本算法在中繼仿真中的應(yīng)用

表7 本算法在分布式仿真中的應(yīng)用

4 結(jié) 論

在進(jìn)行混凝土拱壩施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)仿真、中繼仿真、分布式仿真時(shí)，內(nèi)存中的仿真計(jì)算對(duì)象存在持久化的需求。為此，提出了基于對(duì)象數(shù)據(jù)映射ORM持久化技術(shù)方法，可建立仿真對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表記錄的映射關(guān)系。利用該算法可以將仿真對(duì)象保存到內(nèi)存以外的持久介質(zhì)中，便于仿真系統(tǒng)處理和分享；隨后，可以利用該映射將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)恢復(fù)為內(nèi)存中的類屬性，實(shí)現(xiàn)仿真參數(shù)的調(diào)整；進(jìn)一步利用仿真對(duì)象持久化可以方便地在計(jì)算單元間分發(fā)計(jì)算參數(shù)。某高混凝土拱壩澆筑過(guò)程仿真系統(tǒng)中運(yùn)用，驗(yàn)證了該算法的可行性。