分布式交互仿真技术范文1
关键词:骨架信息;仿真实体;实体建模
1 引言
分布交互仿真DIS(Distributed Interactive Simulation)是当前虚拟现实领域的研究热点之一。它最初起源于军事仿真领域研究工作,IEEE在上世纪九十年代和本世纪初制定了IEEE 1278标准[1]和IEEE 1516标准[3-5]。
分布交互仿真技术的不断进步、相关标准的制订从理论上解决了大规模分布交互仿真系统的构建。但是由于其技术上的复杂性和专业性,使得实际构建一个仿真系统不仅需要相当长的时间周期而且局限于专业的仿真开发人员,从而限制了分布交互仿真技术推广应用。
在对以往传统分布交互仿真技术分析的基础上,本文通过研究和实践提出了一种基于骨架信息的面向三维平台级实体的自动化的建模与仿真方法。建模与仿真分离和自动化的系统构建方法使得用户不需精通专业的仿真技术也能够方便的对仿真实体进行三维建模,并且能够把精力集中于具体的仿真领域快速的构建自己的三维分布交互仿真系统。
2 基本概念
(1)实体
仿真实体是现实世界中的客观对象在计算机中的表示。在DIS标准中,其定义为:“An element of the synthetic environment that is created and controlled by a simulation application and effected by the exchange of DIS PDUs[1]”。按照实体是否具有主动对环境和其他实体进行影响的能力,可分为动态实体和静态实体;动态实体按照仿真运行中是否由人控制,又可分为人在回路控制的实体和计算机控制的实体。按照所模拟的组织和规模的大小,可以分为个体和群体两种,其中个体我们一般称为平台级实体。本文所提方法主要面向动态实体中人在回路的平台级实体。
实体:是分布虚拟环境中的基本元素,它由仿真应用程序创建、控制、取消并受虚拟环境中各种交互事件的控制。
实体可形式化表示为如下九元组:
Entity={Geo, Phy, Beh, Event, State, Skeleton, ,, }
其中:
Geo={GeometryAttr | GeometryAttr = },是实体几何属性的集合;
Phy={PhysicsAttr | PhysicsAttr = },是实体物理属性的集合;
Beh={BehaviorAttr|BehaviorAttr= },是实体行为属性的集合;
Event是环境中交互事件的集合;
State={create, run, delete},是实体内部状态集合;
Skeleton=,实体的的骨架信息,具体见下文;
为State×Event State的映射;
为State×Event Beh的映射;
为State Geo的映射;
其中不同类型实体函数的构建不同,本文所涉及的人在回路实体对应的函数是操作者的交互命令与行为之间的对应关系。
(2)实体的骨架信息
骨架信息是指多部件或多关节实体中内在的反映各个部件之间、部件与实体之间或不同关节之间的逻辑关系的一类数据。
实体的骨架信息可形式化的表示为骨架树如下:
Sk=
N={Root}∪Ns
Ns=N1∪N2∪…∪Nm且Ni∩Nj=Φ(i≠j,1≤i≤m,1≤j≤m)
R={,,…., i = 1,2,3…m}
其中Sk表示一个骨架系统(也称为骨架树),N为骨架树中部件或关节节点的集合,R为骨架树中节点之间关系的集合,表示部件之间以及部件与实体之间的关系,骨架树中的根节点表示实体本身。
(3)骨架信息举例
以人为例说明骨架信息及其表示,虚拟环境中虚拟士兵完整的骨架信息如下图1所示:
图1 虚拟士兵的骨架信息
分布式交互仿真技术范文2
1关于复杂系统主要内容的概述
关于系统一词，著名科学家钱学森是这样对其定义的：相互依赖、相互作用的多种组成部分之间的相互结合所形成的具有特殊功能的一个整体即为系统。根据其定义可以得出系统的三个要素：一是系统是多种元素的相互结合形成的；二是元素之间相互依赖、相互作用；三是具有特殊功能的一个整体。在系统的复杂性演化过程中主要有三个方面的发展变化。首先是组成系统的元素数量的变化，从最初的少量变为大量，再变成多数量，最后变成无限量；其次是元素之间相互依赖、相互作用的变化，是从线性变化到非线性，最后变成了随机性；最后是某种特殊功能的变化，是从元素直接功能的描述变为组织性的间接描述，最后演变成没有任何形式组织的不可描述形态。对于复杂系统的描述没有明确的规范标准，而组成系统元素数量的庞大，元素之间依赖作用关系的非线性、随机性以及特殊功能不能用部分特性来实现具体化描述等这些特性构成了所谓的复杂系统[1]。
2关于复杂系统计算机分布智能仿真平台的分析
2.1关于自适应Agent仿真平台的分析
自适应Agent仿真平台Swarm是美国研究复杂系统的桑培菲所提出的。这种仿真平台中有着多种单机中的多数进程或者线程组成的具有不同功能的智能主体Agent，这其中主要包含有人与计算机交互所显示控制的Agent、在网络之间实现交互的交互Agent、合理控制时间变化和元素管理以及通信交流的全部或部分Agent，还有就是具备自我适应调节能力的反应Agent。关于具备自我适应调节能力的反应Agent的结构模型，主要是由信息缓冲MB、行为输出MO、信息接口MI、反应体所构成。这其中MB和MI主要是对周边的环境进行良好感知，而反应体主要是在获取感知之后，做出适合的决策。比如，一般金融投资者的证券交易原则，其过程极为简便：他们如果发现证券价格在逐渐上升时，就会将具有上升趋势的多数证券出手；而如果他们发现证券价格在迅速下降时，就会把具有下降趋势的多数证劵买进[2]。
2.2关于智能仿真（DSI）的分析
在经过一段时间的发展之后，分布计算机以及人工智能技术也较为成熟，在这个时候美国桑培菲提出的Swarm自适应仿真平台就显得跟不上时代的发展，再加上智能思维和仿真规范的约束，使得其自适应仿真平台发展相对滞后。在新时期发展下，计算机分布智能仿真平台的设计能够更好的发展进步。计算机分布智能仿真平台中的Agent支撑库主要是对Agent创建结构的支撑，从而有效统计分析仿真结果；对于复杂系统时间的同步以及信息消息的传播技术是通过仿真支撑软件来实现的，面向全局服务化的Agent在整个计算机分布智能仿真平台中只有一个，而且它的存在是为了给各个Agent提供唯一的全局Agent标识，这样便于有效的创建和取消Agent，而且能够对Agent的具置以及具体特征做到准确定位查询。对于Agent的部分控制是在结点机上存在的，而且每个结点机上都有一个，它主要是负责复杂系统时间的变化、做到元素的有效管理、而且负责权限的变革和结点之间的相互信息交流。
3复杂系统的智能主体和HLA/RTI功能
3.1关于复杂系统的智能主体
创建社会系统以及自然描述的基本模型，从而构造智能化主体是分布人工智能的主要研究目的。这种研究为复杂计算机仿真研究提供了基础保障。关于分布式人工智能可以从两个方面来分析，分别是多主体系统和分布问题求解。分布式问题求解系统仅仅是问题的求解，主要把问题作为任务来有效分开完成，这种系统是自上而下的模式。而对于多主体系统而言也是自上而下的模式，实际研究时，需要将自主主体分别定义，而且主体之间的相互作用可能是交流、争论还有可能是敌对关系。面对上述这种情况，智能主体就自然而然的成为复杂系统计算机仿真研究的主要方向。
3.2关于复杂系统的HLA/RTI功能
复杂系统中HLA框架中最为核心的部分就是RTI，它主要是实现仿真系统应用、特定功能、基础通信之间的有效分离。仿真过程中的，复杂系统中的智能主体以HLA所规范的方式实现与RTI数据之间的交换，从而确保主体之间的相互交流。关于RTI的综合管理主要有六个部分功能，分别是主体管理、全局管理、属性管理、数据分发管理、声明管理、时间管理。主体管理是实现主体间的有效控制；全局管理主要是实现全局化的服务，主要内容有动态控制、创建、主体变更等；属性管理是主体属性权限的控制、变化；数据分发管理则是在网络上控制流量，而且利用组播技术有效交流；声明管理是通过声明智能主体，从而实现交互信息的接收；时间管理是在复杂系统中运用合理的方式使其时间变化。
3.3HLA/RTI协议下的多Agent计算机分布仿真平台
HLA框架中的RTI服务能够提供复杂系统仿真环境下的多种特定功能，其中主要包括数据信息传递、信息事件处理、时间控制、控制主体，RTI服务能够为事件处理以及具体状态变革提供良好的依据，而且便于时间的管理。MAE环境利用HLA/RTI作为支撑，能有效发挥HLA模型和RTI的多种服务，更加利于仿真环境的形成。从Agent方面来看，多Agent仿真平台中采用HLA/RTI还不能够使其完善，主要是缺乏Agent之间的交流支持，通过对Agent远程状态进行分析才能对其应用，而且Agent也需要特定通信的支持。在Agent的决策中，最为主要的就是Agent之间的交互通信，而HLA/RTI这一框架并不能满足相关要求。为了能够有效的解决这一问题，需要添加中间层，这个中间层处于RTI和Agent之间。它所起的作用是将作为HLA仿真元素加入到多Agent之间通信进行封装解释，这样有效增加了Agent之间的通信交流，并且为其提供支持保障。在中间层的封装消息，Agent之间数据流也会变多，通过RTI路由空间的限制从而控制数据信息分发数量，这样做到合理约束数据信息，从而保证元素只得到应该获取的信息。通过上述的分析，了解到HLA/RTI比较适用于多Agent仿真环境，随着HLA/RTI的不断扩展壮大，能够更多的构建多Agent计算机分布仿真平台。
4结论
分布式交互仿真技术范文3
关键词 分布式系统 综合化 动态化 前期仿真
1引言
智能建筑的基本问题实质上是信息、资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理。它实现的核心是系统集成，也就是说通过系统集成实现综合共享，提高服务质量和工作效率，达到多快、好省和高效的目的。然而，随着社会信息化进程的日益发展和受人们对经济日益国际化趋势的认同，智能建筑必将呈现出新的态势，这种态势体现在进行系统集成的同时，考虑建筑物的异构性、分布性、动态性和碎片性等因素的影响下，应充分体现系统的分布化、综合化、动态化和智能化，这是建筑智能化进程中一个必须重视的战略性问题。另外，任何工程对方案的考核是至关重要的，就智能大厦而言，对方案的考核是一个不容忽视的问题，所以对设计方案的前期仿真很有必要。
2一体集成的分布化
智能大厦的系统一体化集成实质上是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种集成的基础上的一门高新技术。智能一体化集成化的本质是计算机网络的管理。传统的集成式网络管理系统难以适应网络规模日益扩大、网络元素日益复杂的楼宇智能化要求，需要引入分布式管理方法。
分布式管理就是将管理的功能合理地分布于多个管理实体，以便有效、及时地对网络资源进行监视、约束和控制，提高响应效率和扩展功能，更好地实现网络管理目标。一个实际的网络系统，可以根据管理的需要，按照地域、功能子系统、网络等定义相对独立的管理域并选定其管理者；各管理域通过管理者的交互实现全局管理目标。管理者之间的交互有两种结构：层次的和全分布的。层次结构是通过上层管理者与下层管理者的交互来完成各管理域的管理者之间的协调。全分布式结构是一种对等结构，采用该方式的管理者之间能直接对等通信。一个实际的应用系统，管理的分布化的过程就是将管理应用功能由集中式客户机/服务器（Client/Server）模式转移到分布式计算平台的过程。分布式计算平台的目标是实现跨平台资源的透明互操作和协同计算。
当前支持分布式计算主要有两类环境：基于过程的分布式计算和面向对象的分布式计算。目前的主流是后一类。如基于CORBA（Common Object Request Broker Architecture，公共对象请求体系结构）和Java的计算，它们采用面向对象的技术，提供对象式的应用编程接口，主要是针对重用和异构环境下的操作问题，这对相对庞大和复杂的智能大厦系统是非常适用的，目前CORBA技术已引起业界的关注和重视。CORBA是一个开放式跨平台的、语言独立的分布式标准，它引入的概念屏蔽了下层的网络传输，利用面向对象概念，实现分布式应用软件的可重用性和可扩展性，既大大简化了分布式应用系统的开发和维护，又便于异构环境下的集成，具有更高的可用性和可靠性的优点。目前遵从CORBA规范的产品主要有Inprise公司的VisiBroker，IONA公司的Orbix，Digital公司的ObjectBroker，IBM公司的Component Broker等，将基于面向对象的分布式计算技术引入智能建筑是顺应技术潮流的，同时它应是甲乙类智能建筑的技术要求。
另外，分布式管理系统更容易实现大厦的智能化，不仅能实现管理的并行性和分布性，而且具有对管理活动的全过程进行多目标、多因素、多阶段、多层次的协调，实现管理系统的整体协调和全局优化。
3一体集成的综合化
网络是建筑物智能化的基础，系统一体化是以网络为支撑的，网络信息来源于不同实体，随着智能建筑的不断深化，被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的对象趋于复杂化，复杂化的因素主要有：被管理的数量、对象的种类、组织的异构性、物理分布、参与组织的单元的数量、服务综合的程度等，这时，由传统的相对单一的网络管理扩展为基于分布化的网络综合管理是环境的必然要求。
环境是系统存在、变化、发展的外部条件；系统与环境相互作用、相互影响，进行信息、能量或物质的交换。
综合管理是指确保系统的所有资源根据其目的而有效运营的所 有手段，它是系统与环境相统一的产物。有关综合管理的平台也在不断涌现和改进，如基于事件（event）的驱动轮询方案，基于CORBA平台的方案。
4一体集成的动态性
事物的发展是m相对稳定的，在相对稳定的情况下，随着环境的需要仍在不断的发展和完善。智能建筑系统一体化集成的动态性是基于分布式的管理系统，也只有分布式的管理系统才能更好地实现其动态化。
动态化有两个含义：其一是故障的检测与动态重组恢复；其二是系统具有可扩展性。分布式系统具有故障诊断软件包，采用互查技术来检测系统发生故障的部位，并进行处理，动态地分配或重组系统，使系统工作于可靠状态。分布式系统采用并行处理技术，可满足智能大厦分阶段建筑使用的要求，边组织，边开通，从而减少了一次性开通的难度和避免了一次性投资的方式。另外分布式系统的硬件和软件都是模块化的，模块的连接嵌入比较方便，能够很好地配合日益扩大的系统需求，便于提高和完善系统的性能，保障了系统的动态先进性。系统的动态化要求使用动态的管理策略，由于Java和CORBA的迅速发展，动态管理技术也在日趋成熟。
5前期仿真
智能大厦的建设除了要达到预期的目标，即提供安全、舒适、快捷的优质服务，建立先进、科学的综合管理机制，节省能源和降低成本，还要达到系统的优化配置以减少投资。这就需要在工程实施前对系统设计的基本要求和功能进行考核，以便查漏补缺和修正。另外，因为智能大厦的网络集成不同于研究试验网，网络系统可靠性、开放性等要素对大厦的智能化管理和提高运行效率具有十分重要的意义，所以，对智能大厦的前期仿真就显得不仅十分必要而且十分重要。
由美国的Cleve和Moler博士在1980年前后创立的、正在蓬勃发展的Matlab为系统的动态仿真提供了良好的环境[6]。Matlab的家族成员之一的Simulink为系统的仿真更是提供了极大的方便，综合其它软件的使用可以使该软件在智能建筑的CAD中发挥更大的作用；此软件也能为其它软件提供良好的接口，便于SynchroHome等智能化集成系统软件的调用。该软件有两个明显的功能；连接与仿真。首先利用鼠标在模型窗口上画出所需的系统模型。然后利用软件提供的功能对系统直接进行仿真，在系统的任何节点上可以输出波形，从而更好地监控系统的工作过程，并实时地对系统模型进行修改以达到预期目的。这种思想和方法适合于智能大厦一体化集成的仿真与分析，相信基于Simulink的仿真技术必将在智能建筑的CAD中打开一个崭新的局面。
分布式交互仿真技术范文4
关键词:虚拟仿真;高职教育;建筑工程;实训教学
我国正处于社会信息化深入发展阶段，传统建筑业也在进行自我革新，朝着工业化、信息化以及智能化发展，衍生出工业装配式技术、BIM信息模型技术等。高职教育也在不断探索新技术新方法，2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》(教高［2006］16号)中就实训基地建设方面提出了要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。2017年，国务院印发《国家教育事业发展“十三五”规划》中明确指出我国教育进入高质量新阶段，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。高职建筑工程技术专业需适应时代的变迁与行业的发展。对此，本文将结合南京城市职业学院建设中的虚拟仿真实训体系探讨这项技术在建筑工程专业中的应用。
一、虚拟仿真技术在建筑工程专业实训体系中的应用
(一)高职建筑工程技术专业实训的困境简单来说，建筑工程技术专业培养的是基于施工员岗位的“懂建筑、精施工、会管理”的高素质技术技能人才，实训体系在整个人才培养方案中具有非常重要的地位。但由于建筑行业的特殊性，校内外实训基地的建设都普遍存在困难。校内实训基地受限于场地和经费，难以重现建筑过程中各项技术，即使一些条件较好、投入较多的学校，建设的一些实训项目也是以展示观摩为主，动手实践部分较少;采购的设备数量有限，难以满足全部学生的操作需求;一些操作难以反复，不利于学生探究性学习。在校外实习基地方面，由于建筑项目周期长并且具有一次性特征，工程进度难以和课程学习相匹配。此外，考虑施工现场的安全隐患和企业自身的经济效益，企业难以多次接待学生短期的参观学习。基于以上困境，不少高职院校建筑工程专业更像是简配版本科土木工程的“学科型”教学体系，工学结合不紧密，学生难以将学到的理论知识运用到实际工作岗位中去。
(二)虚拟现实技术的分类基于以上因素考虑，有必要将虚拟仿真技术融入专业的实训体系建设。虚拟仿真技术主要有以下三种类型:1．桌面虚拟仿真系统利用平面显示器呈现立体的虚拟环境，通常将施工二维平面图纸转换为三维模型，学生可通过鼠标等设备与虚拟环境进行交互，可以在环境中进行观察，将抽象的平面概念具象化，也可模拟某项施工技术过程，将书本枯燥生涩的理论知识转换为更容易接受的立体影像。这项技术成本较低，目前也使用得较为广泛。2．全沉浸式虚拟现实系统使用头盔、机械手柄、身体动作追踪等仪器设备将使用者完全沉浸在虚拟的三维环境中，使用者可以精确的与虚拟环境进行交互，视觉、听觉、触觉与实际环境完全隔离，完全置身于虚拟环境中，在虚拟环境中进行操作、体验。这项技术成本较高，很多高职院校虽有投资，但数量有限。3．分布式虚拟系统通过互联网构建一个多用户的虚拟环境平台，采用统一的结构、标准、协议和数据库将不同时间空间的虚拟终端整合，多名用户之间可以自由交互协同工作。这项技术目前在国外使用较多。
(三)构建三阶段虚实结合的实训教学体系建筑工程技术专业学生应具备识读工程施工图纸、查阅相关图集、测量放线的基础技能，参与工程施工、编制施工组织计划及专项施工方案、工程预决算的核心能力以及BIM技术相关的拓展能力。南京城市职业学院建筑工程技术专业根据人才培养目标，以施工员、资料员典型的工作任务、职业标准为依据，构建三阶段虚实结合的实训体系。校内构建虚实结合的实训体系:实训项目较为容易实现的，一般以实体操作为主，例如钢筋加工、绑扎钢筋、全站仪测量等;实训项目周期长，不易反复操作的，以虚拟仿真技术为主，如建筑工程项目施工———专业岗位仿真训练平台。同时，还配有建筑工程项目管理、招投标沙盘实训项目，大型施工现场布置实体模型。虚拟仿真技术填补了核心课程实训的空白，完善了校内实训体系。校外构建三阶段的实习体系。第一阶段认岗。该阶段主要在基础技能的第一学年，学生通过工程制图，建筑结构等课程的学习后，进入一线施工现场，与已学知识进行匹配，对专业和岗位进行感性认知活动。第二阶段跟岗。学生在第二学年学习了核心课程后，在校外实习基地进行为期两周的跟岗实习，在工程施工现场对已学习的核心技能进行验证和反思。第三阶段顶岗。学生在完成学校的所有学习、获得职业资格证书后，真正进入一线，成为一名工作者，用专业技术解决实际问题，完成学生到专业从业人员的过渡。三阶段的实习可以将校内不同阶段虚实结合的专项实训项目整合起来，体会各工序之间的联系，将不同课程融会贯通，提升学生对知识的掌握和技能的运用。
二、虚拟仿真技术在教学中的应用
(一)现有教学方法与学生不匹配随着高考招生制度的不断改革，高职生源不断多样化，学生素质参差不齐，理论基础薄弱，学习主动性不高。传统的课堂教学，即便配合了多媒体资源、信息化教学平台的使用，也很难集中学生的学习注意力。一方面，这样的教学方法本质上还是以教师的灌输为主，学生是被动的接受知识，知识还是被填到大脑中去，一旦填鸭的过程中出现了不理解、听不懂的环节，后面的学习全部崩塌。另一方面，高职学生的学习生涯很少出现学习的高光时刻，学生对自己的学习能力持否定态度，从内心排斥学习，畏难情绪严重，自信心不足。因此，不少学生在社团活动时候大放异彩，在上课学习时，大脑就停止思考。
(二)虚拟仿真技术下的情境化教学根据建构主义学习理论，学生是学习的中心，是知识信息的加工主体。由建构理论衍生出的情境化教学、探究性学习、问题导向等教学方法能够不断挑战学习者已有的知识架构和经验，从而在交互的过程中形成新的知识。学生在活动中主动学习，而教师是建构过程的引路人。虚拟仿真技术下的三维立体虚拟环境，具有沉浸性和交互性特征，学生置身其中，有很强的临场感，促使学生主动获取知识信息。同时，三维具象化的事物降低了学习的难度，增加了学生学习的自信心。以建筑施工组织中的施工现场布置为例，传统的教学中，教师会引用工程案例将场布中涉及的规范进行罗列。由于施工现场涉及多种对象，罗列的规范很多，注意事项琐碎，学生的上课效果较差，难以完成课程目标。在引入了桌面虚拟仿真技术的三维场布软件后，场布理论课程就转变为场布实训项目。项目源自真实施工案例，在教师的指引下，学生依据施工工程所处城市位置、周围道路环境，考虑风向和天气因素，借助软件中已有的各种施工现场的模型(如在建建筑、围挡、道路、临时设施、工程车辆、大型机械等)，对施工现场进行搭建和布置。搭建施工现场的过程就是学习施工现场规范的过程，同时，在搭建的过程中，学生对规范的理解运用各不相同。虚拟环境允许学生按个人理解对学习对象进行操作，观察不同操作下不同的结果，来验证自己对知识信息的接收加工是否正确，这是一个主动学习和修正过程。虚拟仿真技术下的情境教学，大大提高了学生学习的参与度与主动性，提升了学习效果。
(三)虚拟仿真竞赛由于专业的特殊性，高职建筑专业竞赛总体主要集中在建筑工程识图、CAD软件类等，如省级和部级的技能大赛就有此类赛项。此外，还有一些工程测量和建筑模型类的比赛。而针对专业核心技能的施工技术、施工组织设计以及工程项目管理类较为少见。虚拟仿真技术的出现，降低了这类竞赛的举办难度，只需电脑和网络便可开展。如某BIM施工项目管理应用技能大赛，包含施工组织设计、三维建模及建筑工程项目策划等。以赛促教的同时也为专业营造出浓厚的学习竞争氛围，走出去多比赛也拓宽了学生的眼界，增强了学生的自信心。
三、虚拟仿真技术的困境和发展
(一)虚拟仿真实训室投入成本过高虚拟仿真实训室虽然能够支持建筑工程技术专业不少实训项目，但是建设成本很高。以一款全景沉浸式虚拟仿真系统为例，虽然该设备可以模拟仿真全站仪测量各种不同地形，但建设投入达两百万。同时，随着建筑行业新技术、新工艺的不断发展，虚拟仿真实训项目也面临软硬件的升级改造，后期的运行维护也需要学校持续的投入。
(二)虚拟仿真对空间想象能力的影响虚拟仿真技术利用信息化手段将抽象的符号具象化，建筑工程专业同样要求学生具有将二维图纸转换为三维立体建筑物实体的能力。由于高职学生空间想象能力较差，所以虚拟仿真技术有助于学生的学习，降低学习如建筑构造等课程的难度。但是如果过分依赖虚拟仿真，学生的空间想象能力反而得不到锻炼和提高。这就要求教师在教学时合理使用虚拟仿真这个工具，教学时需要安排学生进行空间转换的思考过程。
(三)虚拟仿真对注意力的影响虚拟技术打造的虚拟环境通过视觉、听觉、体感向学生传递图形、文字、声音等信息。打造沉浸式体验学习的同时也传递了大量丰富的信息，学生会对情境中某些信息产生更强的临场感，投入更多的注意力，而对其他信息的注意力减少，无法实现学习的目的。例如，安全生产课程通过虚拟现实(VR)技术让学生体验了高空坠落、脚手架坍塌等情境，模拟情境很真实，但学生体验到的是坠楼的刺激，反而忽视了安全的意识、课程的目的。所以，在虚拟仿真的学习过程中，教师要加强引导，同时合理设计虚拟仿真学习的脚本和内容。
(四)多用户虚拟仿真环境“ActiveWorld”平台是国外广泛使用的一款多用户虚拟环境。多名不同地点学习者可以在同一个虚拟环境中自由交互、协同工作。目前，国内使用的虚拟仿真项目多为单人、单项。学习者只能与计算机虚拟的环境交互，实训的内容也是较为单一的观察性学习或是操作性学习。虚拟仿真技术应朝着多用户平台发展，虚拟的环境更综合、更完整，学习者彼此之间以虚拟身份共同探索、观察、讨论和分析，开展更富有效果的合作式学习，特别适合远程教学。同时，参与学习的各方可以共同建设虚拟环境，做到共建共享，节约资源，降低成本。
分布式交互仿真技术范文5
关键词:数据链;建模与仿真;网格;框架
中图分类号:N945.13 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)21-009-04
Research of Military Data Link Modeling and Simulated Framework Based on Grid
XU Sheng,WANG Wenzheng,ZHOU Jinglun,LUO Pengcheng
(College of Information Systems and Management,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)
Abstract:By analyzing the complexity of data link modeling and simulation,a three-dimension flexible data link modeling and simulation mechanism is provided which includes application,system and technology,at the same time,the thought of data link modeling and simulation is established.The framework of data link modeling and simulation based on grid is provided,which implements the HLA functions with grid technologies and meets the need of data link modeling and simulation preferably.The operation flow of modeling and simulation in the framework are proposed.
Keywords:data link;modeling and simulation;grid;framework
0 引 言
军事数据链(以下简称数据链)作为一种特殊的战场通信系统,可以将战场上的各种作战单元链接在一起,构成陆、海、空、天一体化的数字信息网络,实现信息资源共享,最大限度地提高武器平台的作战效能。战争实践表明[1],数据链已经成为现代战争中实现联合作战的有力保障、提高体系对抗作战能力的重要因素。
从检索的文献来看,国内现有的对数据链系统的仿真研究[2-6]大都是利用成熟的商品化软件,如SystemView,Matlab,OPNET等,针对国外先进数据链开展的波形级仿真,其目的是基于一定的数学方程或统计计算得到所需的部分性能参数。但是,作为一种复杂的武器装备,数据链系统的整体性能不仅仅取决于部分性能参数,更多的是要从系统的角度来研究其综合性能。例如,在一定的战场环境(不同的地形条件、不同的组网方式)下,仿真评估数据链系统的作战效能;对于不同数据链系统之间的协同互联及其作战效能开展研究,诸如此类问题,现有的仿真是无法解决的,需要开展数据链系统级、网络级的建模与仿真。为此,首要的是在分析数据链建模与仿真需求的基础上,开展数据链建模与仿真框架研究,对数据链建模与仿真进行统一规划和整体设计,这正是本文的目的所在。
1 数据链建模与仿真总体设想
1.1 复杂性分析
为满足战场需求,数据链系统一般都采用了各种先进的通信技术以保证通信的实时性、安全性、可靠性和有效性。同时,为合理搭配使用资源,提高整体作战效能,现代战争越来越要求各种数据链系统的互联互通,实现一体化、网络化。因此,数据链系统建模与仿真中必然包含各种异构多样的诸多底层模型以及由这些底层模型经过复杂的耦合关系组成的不同分辨率的高层模型。
数据链系统建模与仿真的目的不但要检验数据链系统的通信质量(如传输时延、误码率、数据业务的成功发送率等)是否能满足各军兵种的通信需求,研究各数据链系统内部以及系统之间的互连、互通、互操作性能,为数据链系统的设计开发提供技术支持。而且,还涉及到在一定作战背景下,对战场数据链网络的作战效能评估以及开展相关模拟训练等问题。
因此,数据链系统建模与仿真是一个多学科多目标的问题求解任务,其整体建模及仿真环境的设计也必然是一项艰巨的任务。一方面,系统整体建模以及各种底层模型的建立,必然需要诸多部门的多学科人员的协作;另一方面,一次性建立包容所有模型类型、具有完备功能的仿真系统并不现实,系统的研发必然是从简单到复杂的不断扩展和完善的过程。因此,理想的建模与仿真方法应该采用先进的建模与仿真技术,使仿真系统能够最大限度地适应今后技术发展变化的需要,同时具有体系结构的开放性,系统的可靠性、可扩展性、互操作性,仿真组件的重用性、集成性以及可维护性等,也就是要寻求能够支持多技术综合、多系统集成、多层次应用的柔性建模与仿真机制。
1.2 总体设想
所谓柔性建模与仿真机制[7],就是采用统一的体系结构和一致的描述规范,通过数据链系统全寿命周期的数据、工具和技术共享,增强建模与仿真面向多领域应用的可扩展性、可重用性和互操作性。一个数据链系统柔性建模与仿真机制可以定义为一个三维结构,如图1所示。它包含应用体系、系统体系和技术体系。在这三者之中,从实际需求出发,通过分析与综合,可以得出应用体系;根据应用体系的要求和准则,通过分析与综合,得到系统体系;根据系统体系的要求和准则,通过分析与综合,得到技术体系。实际需求是对应用、系统和技术体系进行分析和评价的基础;技术体系为应用和系统体系提供技术支持;系统体系直接服务于应用体系。因此,最终目的是在技术体系的支持下,建立一个能满足应用体系需求的系统体系。
1.2.1 技术体系
从技术的角度,数据链系统建模与仿真的柔性可以概括为三个方面的问题:
建模方法 即如何采用多种建模方法、综合利用各种建模工具建立包括从底层模型到系统模型的不同分辨率模型,以适应多种仿真用途的需要。
模型框架 即明确诸多模型之间的逻辑关系,使所建立的模型可以分层组合使用,实现其重用性。针对不同的应用,重点解决不同分辨率模型之间的聚合和解聚等问题,并且新建模型可以作为一种构件插入到已有的模型框架中去。
仿真框架 即建立仿真环境的体系结构以及规范化描述,如何支持多种类型仿真系统的分布互连及其互操作和重用。
1.2.2 系统体系
系统体系主要是实现数据链系统仿真环境的柔性,使之具有可扩展性、集成性与互操作性等。系统体系包括数据流的分析、仿真接口的设计以及仿真平台的实现。仿真平台要求采用统一的数据表示、接口规范,具有并行开发、动态执行、分布操作、无缝集成等特点。
1.2.3 应用体系
数据链系统建模与仿真是一个全寿命周期支持、多层次、多领域需求的应用体系。从层次上讲,可以大致分为链路层、网络层和应用层。
链路层仿真主要对不同信道条件下的链路以及链路中的各种终端设备进行仿真。例如数据链报文仿真、协议仿真、以及各种服务质量(端对端时延、误码率、吞吐量等)的仿真等。
网络层仿真主要根据实际的网络应用或网络应用想定,建立网络拓扑结构,实现网络路由选择、流量控制及动态组网的功能,分析并输出网络的外在表现性能。
应用层仿真主要是实现任务为中心的通信作业仿真,包括多数据链系统互联互通测试,作战效能评估以及仿真支持的模拟训练等。针对网间互连互通协议、网络组网方案优化、网络的安全性、可靠性、电磁兼容性以及数据链网络对具体作战行动的影响等开展研究。
2 数据链建模与仿真框架
开展数据链系统的建模与仿真工作,不但涉及到高精度的协议仿真、数据链系统底层仿真以及战术移动性,而且还包括各种以任务为中心的通信作业仿真等。因此,当处理的节点非常多时,实体移动性、任务分配以及实时场景计算等需要的计算量非常大,单个计算机系统不能满足需求,需要采用并行分布处理系统。
由美国国防部国防建模仿真办公室(DMSO)提出的仿真“高层体系结构”(High Level Architecture,HLA)是目前应用比较广泛的多系统分布仿真体系规范,现已被接纳为IEEE 和OMG的分布仿真标准。HLA具有将仿真功能与通用的支撑系统相分离的体系结构,具有开放性、灵活性和适应性,为解决数据链仿真的互操作性和可重用性提供了通用仿真技术框架,支持用户分布、协同地开发复杂仿真应用系统,并最终降低新应用系统的开发成本和时间。
但是,HLA也存在一些局限[8],不能很好地满足数据链系统仿真的需要,主要体现在:
(1) 没有统一的仿真数据表示。定义联邦成员共同理解的仿真数据类型是仿真系统正确运行的前提条件,但HLA 规范并没有给出数据类型的规定。
(2) 仿真资源是静态分配。设计仿真应用时就确定了联邦成员和仿真计算、存储等资源的对应关系。两者被静态地绑定在一起。在仿真执行过程中,无论仿真资源的负载轻重,这种绑定关系都不会发生改变。静态绑定方式容易造成某些仿真资源成为整个仿真系统运行的瓶颈。
(3) 缺乏对仿真全生命周期的支持。仿真系统的设计、开发、分析和结果评估等部分都是离线完成的。离线方式对于协作性很强的仿真设计等操作非常不利,往往造成成本的提高。
(4) 缺乏对大型并行仿真应用的支持。现有仿真系统中的仿真应用通常采用串行仿真程序,但数据链仿真中某些仿真应用的计算量非常巨大,采用串行程序处理方式不能满足计算要求。使用高性能计算机做并行计算,是解决大型仿真应用计算需求的有效手段。
(5) 仿真系统的安全性不强。现有仿真系统对安全性考虑较少。分布式仿真系统往往被限制在独立的局域网内运行,以防在广域网上造成泄密。分布式仿真系统的规模受到了严重的限制。
(6) 仿真系统的容错性较差。由于传统仿真系统的资源是被静态分配的,当系统出现严重问题时,往往造成整个仿真系统的失效。
近年来,网格技术[9,10]成为关注焦点。网格是一种分布的高性能计算与数据处理的底层支持框架,能够管理众多地理上、组织上分布的异构资源,包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、知识资源、各种设备资源,甚至合作者等。通过提供访问远程资源的可扩展的,安全的,高性能的机制以及相应的协议、服务和软件开发工具,网格技术能使地理上分散的工作团体充分共享资源,协同工作。使用网格技术来支持仿真系统将大大改善HLA在上述方面的不足,使仿真系统能够动态分配资源,极大地提高系统的运行效率。
为此,本文构建了网格技术与HLA相结合的数据链建模仿真框架,如图2所示。它建立在网格体系结构之上,其核心是基于网格的HLA实现。
网络资源是指各种仿真资源,如模型资源(包括各种分辨率的异构模型)、工具资源(如各种建模工具、可视化工具等)、数据资源(如地形数据链等)、存储资源以及设备资源等。各种资源需要通过网络提供的服务接口才能供网格用户共享。所以,需要为每一种资源量身定做合适的资源管理接口。
网格服务是指具有普适性的网格服务,包括资源索引服务、资源分配管理服务、协同调度服务、信息服务、安全服务等。网格通用中间件负责分布式交互仿真中各节点的资源发现和动态分配,以解决传统HLA中资源静态分配的局限。网格通用中间件的实现可以借鉴现有的成熟技术。
仿真网格中间件主要是仿真运行环境RTI,它将继续提供传统HLA中的联邦管理、声明管理、对象管理、所有权管理、时间管理以及数据分发管理等服务。在仿真网格中实现协同建模与协同仿真一体化设计,建模资源与仿真资源的一体化管理与共享;实现仿真网格组件的组装与运行;实现不同粒度模型、不同实时性仿真的需求。
仿真应用主要是各种联邦成员的实现。战场态势联邦主要负责态势生成与控制;测试评估联邦成员负责与网络测试相关的仿真执行;模拟训练联邦成员实现系统与受训人员的动态交互仿真等。其中,仿真客户端包括用户使用界面,仿真对象状态维护,以及与RTI支撑环境的接口等。仿真客户端的作用是作为HLA的仿真应用,与RTI支撑环境打交道,并与其他仿真应用共同完成整个仿真任务。
3 建模与仿真操作流程
从建模的过程来看,主要包括协议模型、设备模型以及系统模型三个层次。数据链协议模型的建立是构建系统设备模型和进行网络仿真的基础;数据链设备模型基于各个层次上的协议仿真模型构造,也即由各个层次上的协议模型叠加产生,所以数据链设备模型的实质是多层次协议模型的集成建模(可以利用多分辨率建模,聚合模型等相关理论);数据链系统模型的基础是协议模型和设备模型,关键是网络拓扑结构和网络业务流量模型的建模。
从仿真的过程来看,仿真操作过程分为启动、执行和结束三个阶段,如图3所示。在启动阶段主要完成网格支撑平台启动、联盟的创建、盟员加盟、初始化数据、盟员能够公布的信息以及盟员需要定购的信息等工作。在这个过程中,战场态势联邦成员通过调用所需的各种模型以及组网方案等形成初始战场态势。启动阶段完成之后,进入仿真执行阶段,在这一阶段,首先联邦成员向RTI服务器请求时间推进,获得许可后,推进到相应的时间,然后通过相应的网格服务,申请使用网格服务,完成所需要的本地计算后释放实例。然后根据计算结果更新对象的属性值。当执行阶段完成后,进入结束阶段,联邦成员退出联邦,当所有联邦都退出后,RTI服务器删除联邦执行。结束阶段输出相应的分析评估结果。
4 结 语
数据链建模与仿真是一项复杂的系统工程,基于网格的数据链建模与仿真,在HLA的基础上,采用统一的数据表示,具有良好的容错性和安全性,能够很好地支持数据链系统全寿命周期的仿真研究,可以较好地满足数据链建模与仿真柔性机制的需求。
参考文献
[1]杨丽萍,程双伟.战术数据链在伊拉克战争中应用与启示[J].地面防空武器,2003(3):27-35.
[2]汪波,王可人,郭建蓬.JTIDS抗干扰性能仿真与分析[J].电子对抗技术,2005,20(6):33-36.
[3]武楠,王华,匡镜明.JTIDS相对导航性能分析和仿真[J].系统工程与电子技术,2005,27(3):464-466.
[4]邢智,戴浩.基于OPNET的Link 16数据链建模与仿真[J].军事运筹与系统工程,2005,19(1):62-66.
[5]甘颖新,毕志明,王华.Link 22特点及其在高斯信道条件下的链路性能仿真[J].通信工程,2006(2):6-9.
[6]崔昊,匡镜明,何遵文.基于OPNET的Link16建模与仿真[J].计算机工程与设计,2006,27(17):3 223-3 225.
[7]王维平,李群,朱一凡,等.柔性仿真原理与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2003.
[8]朱子玉,李三立,都志辉,等.基于网格的先进分布式仿真系统ADS-G[J].清华大学学报:自然科学版,2006,46(1):82-85.
[9]FosterI,Kesselman C,Tuecke S.The Anatomy of the Grid [J].Internatioal Journal of High Performance Computing Applications,2001,15(3): 200-222.
[10]Foster L,Kesselman C,Nick J M,Tuecke S.The Physiology of the Grid[EB/OL]./research/papers/ogsa.pdf,2002.
作者简介 徐 盛 男,1979年出生,湖北人,硕士研究生。研究方向为风险管理与决策支持技术。
王文政 男,1980年出生,河南人,博士研究生。研究方向为军事无线网络建模与仿真。
分布式交互仿真技术范文6
关键词：关键词：计算机技术 虚拟现实 计算机仿真技术
一、计算机仿真发展历史
仿真模拟方法可以追溯到1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。
与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。
二、仿真的定义和分类
1.仿真定义
计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。
仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。
三、需求牵引 技术推动
相互推动
计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。
“需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。
计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。
计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。
四、仿真软件
仿真软件的应用和定义
仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。
五、计算机仿真的基本理论
计算机仿真是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新型学科。
计算机仿真是一种科学方法，科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。
计算机与数学学科的相互作用促进了进算计技术的发展。在本质上数学是计算机的灵魂。
在计算机仿真技术中引入人工智能技术，能够优化系统，做到有优化机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，但在离散事件系统仿真重这种机制还处于研究阶段。
新技术的研究开发、利用，大大提高计算机的仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。随着以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化以及自然化、为标志的计算机仿真软件新技术的深入研究、开发、利用，不仅是仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实践，探讨软件理论，有可能从理论弄清楚软件开发的复杂度，进而采取有效的测试进行控制，从理论与实践两方面解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。
六、计算机仿真技术的支撑技术
计算机仿真技术的支撑技术主要有分布式计算机仿真技术、协同式计算机仿真技术、沉浸式计算机仿真技术、基于网络的环境计算机仿真技术。
计算机仿真技术分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示目的的重要手段，分布式计算平台有互联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC机机群系统。
来自不同地区、不同学科的学者过去式通过出差或开会等方式进行交流的，现在，随着高速网络投入使用，采用多媒体技术支持下是、的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。
计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境所装用的投影式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。
七、仿真系统的作用和意义
随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成各种复杂系统研制工作的一种比不可少的手段。尤其是在航空航天领域，仿真即使已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段。在研制、坚定、和定形全过程必须全面的应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。
计算机仿真技术在军事的应用是很广泛的，如运用交战模型进行的计算机仿真，新型武器装备发展过程中的仿真、部队作战训练方面的仿真、高层论证和规划计划中的仿真、军事作战理论和学术研究中的仿真、作战指挥和战争计划中的仿真，以及战后后勤保障的仿真等。
参考文献
