一体化建模与仿真环境中资源管理系统关键技术研究_张鹏

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第51页 共51页工学硕士学位论文一体化建模与仿真环境中资源管理系统关键技术研究硕士生姓名 张 鹏学 科 专 业 控制科学与工程研 究 方 向 系统仿真指 导 教 师 黄健 研究员国防科学技术大学研究生院二一一年十一月Research on Key Technologies forResource Management System under theintegrated enviriment of M&SCandidate：Zhang PengSupervisor：Huang JianA dissertationSubmitt

2、ed in satisfaction of the requirementsfor the degree of Master of EngineeringIn Control Science and EngineeringGraduate School of National University of Defense TechnologyChangsha，Hunan，P.R.China(November，2011)科学技术大学研究生院硕士学位论文第 i 页摘 要一体化建模仿真环境是一个关于建模与仿真的综合集成环境，它支持模型的设计和开发、数据的准备和分析、仿真程序的编写和运行、以及其它仿真相

3、关需求和应用，并且整个一体化建模仿真过程是在仿真资源库的支持下进行。一般的仿真资源管理系统只起到了资源文件的存取作用，并不关心仿真资源之间的相互关联，没有达到资源集成管理的目的。在实际的建模仿真中，为了提高建模仿真的效率，往往需要对仿真资源进行规范的一致性描述，对仿真资源进行集成管理，以提高仿真资源的重用性和利用率。论文着眼于建模仿真对资源规范描述、高效管理的迫切需求，研究了一体化建模与仿真环境中资源综合集成管理的如下关键技术：第一，研究仿真对象模型的体系框架结构。通过利用面向对象的分析技术，对建模仿真的元素进行分析和建模，进而建立仿真对象模型的体系框架结构，方便模型的存储和管理。第二，研究仿

4、真资源的全局一致性描述。提出四元组描述法，建立仿真资源的四元组描述模型，结合 XML 语言对资源进行全局一致性描述，提高仿真资源的可识别性和通用性。第三，研究具有组合特性的 BOM 模型组件的动态管理技术。研究 BOM 模型组件的接口特性，利用 BOM 元胞状态机分析其组合特性，建立模型的编码体系，实现模型的动态管理和组合装配。第四，研究面向仿真案例的资源库关键技术。通过对案例库的流程、结构、功能和接口进行研究，实现对仿真任务资源的有效集成管理，为建模仿真的全过程提供支持。通过对以上关键技术的研究，促进了仿真资源库的建设，提高了仿真资源的管理水平，对构建一体化建模仿真环境意义重大。关键词：一体

5、化建模仿真环境，资源全局一致性描述，BOM 模型，案例管理，四元组描述法，元胞状态机科学技术大学研究生院硕士学位论文第 iii 页Keywords：The Integrated Modeling And Simulation Environment，GloballyConsistent Description Of Resources， Base Object Model， Case Management,Four Elements， State Machine科学技术大学研究生院硕士学位论文第 ii 页ABSTRACTIntegrated modeling and simulation en

6、vironment is a collection of simulationsoftware, which can support the model designing, model developing, data preparationand data analysis. It also supports procedure complicing, procedure running and othersimulation-related applications. Whats most important is that the integrated modelingand simu

7、lation environment is based on the simulation resource database.Common management system of simulation resource just plays the role of storingthe resource files. It doesnt care about the links between simulation resources, but alsodoesnt meet the purpose of integrated management of resources. In the

8、 project ofmodeling and simulation, in order to improve the efficiency of simulation and modeling,we often need to describe the simulation resources in a standard format. It promotes theintegrated management of resource, and improves the reusability and utilization ofsimulation resources.The dessert

9、ation focuses on the description and management of simulationresource in the modeling and simulation, and studies the key technologies under theintegrated environment of modeling and simulation as follows:Firstly, this paper studies the framework of models. It uses the object-orientedmethod to analy

10、sis the elements of modeling and simulation, and establishes theframework of modeling and simulation in order to improve the management of models.Secondly, this paper proposes the method of four elements. The XML-basedmethod gives a formal and globally consistent description of the resource in thein

11、tegrated modeling and simulation environment. The formal description methodimproves the reusability and commonality of the simulation resource.Thirdly, this paper discusses the combination of BOM-based model and itsdynamic management techniques. By studying the interfaces of BOM components, ituses t

12、he state machine to analysis the combination of BOM. It establishes the codingsystem of models, and realizes the dynamic management and storage of models.Fourthly, this paper studies the key technologies of case-oriented simulationresource database. By designing the process, structure, function and

13、interface ofsimulation case, the system can effectively manage the resources of the task in anintegrated way, and support the whole process of modeling and simulation.This paper studies many key technologies, promotes the development of thesimulation resource database, and improves the managment lev

14、el of simulation resource.In a word, its significant for building the integrated modeling and simulationenvironment.第 VII 页缩 略 语M&SModling and Simulation 建模与仿真SRMLSimulation Reference Makeup Language 仿真模型和资源的参考标记语言RDFResource Description Framework 资源描述框架FOMFederation Object Model 联邦对象模型FEDEPFedratio

15、n Development and Execution Process 联邦开发执行过程HLAHigh Level Architecture 高层体系结构OMTObject Model Templates 对象模型模板RTIRun-Time Infrastructure 运行支撑框架XMLExtensible Markup Languege 可扩展标记语言MSRRModling and Simulation Resource Repository 建模与仿真资源库JWARSThe Joint Warfare System 联合作战仿真系统FLAMESFlexible Analysis Mode

16、ling and Exercise System 柔性分析建模演习系统MDAModel Driven Architecture 模型驱动框架科学技术大学研究生院硕士学位论文第 1 页第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义仿真就是有目的地利用动态模型进行的实验1，它是一个“建模实验分析修改模型再实验再分析”不断反复的过程。一体化建模与仿真，是在规范化建模方法的指导下，通过建模工具将问题描述、建模过程和技术实现联系为一体，实现问题描述与技术实现相互联动的一种模型开发过程2。一体化建模与仿真环境是一个软件工具的集合，它支持模型的设计和开发、数据的准备和分析、仿真程序的编写和运行、以及其它仿真相关需求

17、和应用3。一体化建模与仿真环境有以下两个主要特点4：一是提供有关仿真的软件工具，这些工具支持模型的开发、仿真的运行以及仿真结果的评估等过程，实现建模与仿真的一体化。二是整个一体化建模仿真过程在仿真资源库的支持下进行，仿真资源库对仿真全过程中的资源进行规范描述和统一管理，方便资源的重用和互操作。一体化建模与仿真环境使得仿真的设计和开发更加快捷、高效，它支持用户根据不同的目的和任务设计、开发和使用仿真。它不仅为计算机数字仿真提供了一整套功能齐全的一体化建模与仿真开发环境软件工具，而且提供了经过验证的仿真模型及方法。仿真资源库在一体化建模与仿真过程中处于核心地位。仿真资源大量存在，需要建立仿真资源管

18、理系统来对分散、孤立的仿真资源进行统一描述和管理，以促进建模与仿真工作的开展5。在仿真资源库的建设方面，首先要求对仿真资源进行全局一致性规范描述。然而，在对仿真资源的描述方面，一般的仿真资源管理系统对资源的描述很不规范，使得仿真资源的可识别性比较差，资源的重用率较低。在仿真资源的存储和管理方面，一般的资源管理系统只是简单地以文件的形式存储到数据库中。这种方式存储的仿真资源是孤立的、彼此没有任何联系，因此仿真资源的利用率和使用价值比较低，满足不了一体化建模仿真环境下对仿真资源高效集成管理的要求。仿真资源的规范描述是进行有效管理的前提，因此对仿真资源的全局一致性规范描述相当重要6。仿真资源都是优先

19、考虑该领域的应用，并不过多考虑共享和重用，同一种资源在不同领域的表示方法也有所不同。在这种情况下，需要一种系统的、集成的资源描述方法，对一体化建模仿真环境下的资源进行全局一致性描述。通过对仿真资源的类型、命名等进行规范，便于不同应用系统能在综合集成的基础上共同使用满足自身需求的仿真资源。模型资源是仿真中的核心资源，因此对仿真资源的集成管理都是从模型的管科学技术大学研究生院硕士学位论文第 2 页理开始。仿真需要模型来驱动，仿真运行过程中所涉及到的其它资源都是为模型的开发、运行和验证服务的7。从生产模型的角度，模型的规范化、互操作性、可组合性，以及模型的接口设计等相当重要。因此，在一体化建模仿真环

20、境下，对仿真资源库提出了对具有组合特性模型进行动态管理的需要，通过对具有组合特性模型的有效管理来提高仿真对象模型的互操作性和重用性。从使用模型的角度，由于在模型运行中会涉及到各种各样的仿真资源，把仿真运行中涉及的过程资源进行有效的管理具有很强的实际意义。因此，在一体化建模仿真环境下，对仿真资源库提出了仿真案例管理的需求，它通过对每次仿真运行中涉及的模型和数据等相关资源进行关联存储，实现了对建模仿真中资源的综合集成管理，提高了资源的重用价值。通过以上分析得出，在一体化建模仿真环境下，对仿真资源的规范描述和有效管理一直是仿真资源库建设过程中亟需解决的问题。因此，研究一体化建模仿真环境下仿真资源的全

21、局一致性描述方法、组合模型的动态管理以及面向仿真案例的资源库关键技术具有很强的现实意义和实际意义。1.2 国内外研究现状随着仿真技术的不断发展，关于一体化建模与仿真的研究也越来越多，推动了仿真技术不断向前发展。下面将简要介绍目前国内外一体化建模仿真环境中仿真资源库的建设情况。1.2.1 国外方面美国国防部 1995 年提出实施建模与仿真主计划，第一次提出了创建建模与仿真资源库系统（MSRR）8。它目的是为了方便有效地为建模与仿真领域用户提供及时的、校核的和有效的数据、元数据、算法、模型、仿真应用和工具集。整个MSRR 系统的创建将有利于提高仿真资源的重用性和共享性，增加建模与仿真的可信度。MS

22、RR 的目标和任务是为军事建模仿真提供一个资源共享的基础框架，提高建模与仿真的互操作性、可重用性和可信性。MSRR 不仅提供对资源进行搜索、存储、获取的能力，而且提供实现资源保护的安全机制。美军的联合作战仿真系统（JWARS）9是一个能对联合战役作战方案进行分析的模拟仿真系统,由美国国防部办公室负责组织开发。JWARS 的目的是为用户提供联合作战分析的工具，以支持作战计划与执行、兵力评估研究、系统分析、概念与条令开发等应用。JWARS 系统的关键应用包括规划与执行、兵力评估、系统效能评估与作战分析、作战概念及条令开发与评估等。它能够把仿真过程中的想定、脚本、模型、结果和分析等资源进行统一管理。

23、通过关联把各种资源组织在一起，科学技术大学研究生院硕士学位论文第 4 页1.2.3 发展趋势一体化建模与仿真是仿真技术发展的必然趋势，构建一体化建模仿真环境是进行大规模集成仿真的必然要求12。由于仿真技术与信息技术、计算机技术及通信技术紧密结合，随着信息技术的不断发展一体化建模与仿真的研究也会不断引向深入。在一体化建模环境构建中，仿真资源库仍是建模仿真的核心，仿真软件工具将进行有效的集成和无缝的链接13。仿真软件工具将建模、仿真运行和结果评估等过程有机地结合在一起，仿真资源库将会对建模与仿真的各个过程进行支持，使得仿真模型可以重用和互操作，仿真运行的数据能够得到很好的共享。1.3 课题的主要研

24、究内容一体化仿真资源管理系统是为用户仿真建模提供支撑服务的，并对整个仿真流程中所涉及的资源进行管理。根据以上分析，仿真资源库建设方面还有很多重难点问题需要解决，也是本课题开展的原因所在，本课题需要研究的主要内容有：第一，研究仿真对象模型的体系框架结构。仿真对象模型分为概念模型、逻辑模型和程序模型。通过利用面向对象的分析技术，对建模仿真的元素进行分析和建模，研究如何利用泛化、关联、多态等方法，划分仿真系统中各种仿真对象和对象之间的相互关系，进而建立仿真对象模型的体系框架结构。第二，研究一体化建模与仿真环境下资源的全局一致性描述。由于模型的开发平台不统一和模型结构的多样化，使得对仿真资源的描述差别

25、很大，影响一体化建模仿真环境下资源的重用性。仿真资源的描述方法常用的有 XML 描述、RDF 描述和 SRML 描述等，论文提出四元组描述法对资源进行全局一致性描述，提高仿真资源的可识别性和通用性。第三，研究一体化建模与仿真环境下具有组合特性的 BOM 组件模型的动态管理技术。根据建模仿真的需求，通常需要把不同的组件模型进行重新组合，实现一次仿真应用。论文利用元胞状态机分析 BOM 模型的组合特性，在仿真资源库中实现对 BOM 组合模型的动态管理和组合装配，提高模型的互操作和重用性。第四，研究一体化建模与仿真环境中面向仿真案例的资源库关键技术。仿真案例就是在一定的指标评价体系作用下不断优化仿真

26、的过程，每次仿真过程中涉及的资源类型很多，而且同一类资源也可能会有多个文件，因此需要对这些资源文件进行有效管理。论文研究了案例库的关键技术，对仿真应用中所涉及的仿真资源进行统一的集成管理，提高仿真资源的利用率和使用价值。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 5 页1.4 论文的组织结构在一体化建模仿真环境背景下开展课题的研究，论文一共分为六个章节。论文主要包括仿真资源的全局一致性描述、BOM 模型的动态集成管理、案例库的关键技术研究以及仿真资源管理与服务系统的设计与实现，论文的组织结构如图 1.1所示。图1.1 论文组织结构图第一章：绪论。首先阐述了论文的研究背景和国内外研究现状，然后介绍了论文

27、的主要研究内容，通过这一章可以大致熟悉文章的研究思路。第二章：研究资源的全局一致性描述。首先，论文对目前资源描述的相关技术和方法进行了总结和归纳，然后在此基础上提出了四元组资源描述法，并利用该方法对仿真资源进行形式化描述。第三章：研究 BOM 组合模型的动态管理技术。本章首先研究了仿真对象模型的框架，然后利用 BOM 状态机分析组件模型的组合特征，最后研究了一体化仿真资源管理系统中 BOM 模型的动态管理与组合装配问题。第四章：研究一体化仿真资源管理系统中关于任务资源的管理问题，通过四元组法对仿真案例进行形式化描述，建立仿真案例库实现对仿真任务资源的分层分级管理，提高了仿真资源的管理水平和利用

28、效率第五章：一体化仿真资源管理与服务系统的设计与实现。本章包括系统架构的设计，关键模块的设计与实现，以及对系统的测试及其应用等。第六章：课题的总结和展望。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 6 页第二章 仿真资源的全局一致性资源描述方法研究建立仿真资源管理系统是建立一体化建模与仿真环境的必然要求，然而对仿真资源进行全局一致性规范化描述是进行仿真资源有效管理的前提，因此仿真资源的规范描述显得相当重要。本章提出了四元组描述法，研究了仿真资源四元组描述模型的建立、描述对象的形式化表达以及四元组描述法的技术实现。通过对仿真资源的全局一致性规范描述，提高了资源的利用率。2.1 仿真资源及其资源描述技术2

29、.1.1 仿真资源的种类及其资源描述特点伴随着分布式作战仿真应用在广度和深度上的不断发展，仿真的规模越来越大，复杂度越来越高。由于仿真资源多种多样，表现形式错综复杂，按照不同的标准有不同的分类方法。在一体化建模与仿真环境下，根据资源的属性特征以及资源形式化描述的要求可将仿真资源分为模型资源、数据资源、仿真应用资源和其它资源8。 模型资源模型是对现实问题的抽象，是关于系统、实体、现象或过程的物理的、数学的或其它逻辑的表现形式，它可以是一段代码、一个应用程序或者一个算法14。模型是仿真建模中最核心的资源，仿真模型的种类涵盖了仿真所涉及的各个领域。仿真模型可以按照其模拟对象的不同进行分类，如机械模型

30、、车辆模型、人口模型，也可以根据模型在仿真中所处阶段进行分类，如概念模型、数学模型、计算机实现模型等。模型具有很高的重用性，对于模型资源的描述应该尽可能详细准确地表达其基本创建信息、输入输出信息、参数信息和模型接口信息等。 数据资源数据是指用一种适于交流、解释的方式对事实、概念或指令的形式化表达15，它可以是图像、文字，也可以是其它文件类型。模型的运行要靠数据驱动，数据资源也是仿真中的重要资源。仿真过程中涉及很多数据，它们格式不同、形式多样。在一体化建模与仿真环境下，根据数据的性质和作用可以分为基础知识、模型数据、配置文件、参数信息、日志文件、交互数据等。对数据资源的描述要力求表现数据的格式和

31、数据的完整性。 应用资源仿真应用资源是仿真运行过程中产生的资源，它在仿真过程中起着重要的作用16。应用资源又可分为节点资源和任务资源。节点资源指的是在仿真某节点涉科学技术大学研究生院硕士学位论文第 3 页实现资源的有效管理，提高资源的重用价值。另外，澳大利亚国防仿真办公室(ADSO)和国防科学技术机构(DSTO)提出建立了分布仿真库10，研究了企业到企业(P2P)结构的应用。它们试图在国防科学技术机构仿真团体内部提供一种机制，这种机制可以促进物理上分布的工作小组之间的协作及其资源的重用，目的就是为了构建一个虚拟集中的但物理上分布的资源库服务系统。1.2.2 国内方面国内对一体化建模仿真的研究起

32、步相对较晚，利用建模仿真来解决实际问题的能力还很有限。随着近年来计算机技术的迅速发展，仿真技术也获得了较大的发展，建模仿真逐渐渗透到决策评估和各工业过程中。国内学者开始把建模过程和仿真过程结合起来，建立一体化建模仿真环境，对模型建立、仿真运行以及仿真评估进行全程支持，提高建模仿真的效率和可性度。北京仿真中心开发了基于组件的一体化建模仿真环境(CISE)2，它采用模型驱动结构(MDA)技术，以模型为中心进行一体化开发。仿真系统开发完成后无需复杂编程，通过适配器可以直接在单机、分布(HLARTI)、并行(SPEEDES)平台中运行，因此它可同时支持分析评估和作战过程演示等多种仿真类型。北京航空航天

33、大学对资源库、模型库及其管理系统作了相应的研究11。它主要针对虚拟样机中飞行仿真模型库及其建模环境进行了研究，将组件技术引入飞行动力学仿真模型的构建，运用 Visual C+、Oracle 数据库等技术，自行开发了一个具有可重用性、支持通用型巡航导弹虚拟样机研究的飞行动力学仿真模型库系统。该系统是针对飞行动力学的仿真模型建立的模型库系统，可以有效实现模型的重用，提高开发效益。就目前国内一体化建模仿真环境下资源服务系统的研究现状而言，已有的仿真资源服务系统还存在一些不足之处。首先，对仿真资源的描述不够规范，导致资源的通用性比较差。第二，一般资源服务系统中对模型的管理只是起到了存储模型的作用，模型

34、的重用性比较差。第三，对组件模型的组合性研究不够，导致资源服务系统中对组合模型的管理水平较低。第四，一般资源服务系统缺乏对仿真案例的管理，导致资源的关联性比较差，没能实现资源的集成管理。另外，目前国内关于作战仿真的一体化建模仿真环境的研究还处于起步阶段，严重制约了建模仿真在军事领域的应用。因此，构建关于作战仿真的一体化仿真资源库，并对作战仿真全过程进行支持具有很强的现实意义，也是本文的研究目的所在。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 10 页可扩展性是指资源描述方法能够及时地修改、扩展和更新仿真资源信息。仿真资源描述是一个繁琐的过程，资源属性的描述可能会随着仿真的需要而发生改变。比如，资源需要

35、描述的属性会随着仿真任务的不同而有所区别，仿真过程中资源的属性可能会需要添加或者修改，这要求对资源的描述必须具有扩展性。2.2.3 资源全局一致性描述的一般方法仿真资源的全局一致性描述，就是尽可能的用统一的格式描述各种类型的仿真资源，使得仿真资源具有很好的可识别性，能够重用和互操作。2.2.3.1 基于单个属性的资源全局一致性描述方法资源的全局一致性描述最简单的方法就是把各种类型资源的属性集进行合并，求得整个系统资源的属性总集。对每一具体资源，根据它的资源类型，只需在属性总集里面填写相应的属性值就行，图 2.1 是基于单属性描述法的原理图。例如，资源系统有三种资源 A、B 和 C，现有资源属性

36、 a，b，c，d，e。资源A 的属性集为a，b，c，资源 B 的属性集为a，b，d，资源 C 的属性集为b，d，e。可以求得整个资源的属性总集为a，b，c，d，e，则资源 A 可以表示为a，b，c，/，/，资源 B 可以表示为a，b，/，d，/，资源 C 可以表示为/，b，/，d，e。图 2.1 基于单属性描述法的原理图这种方法在资源类型不多、资源总数不大的情况下是很有效的。当资源的种类很多、数据量很大时，这就给资源的一致性描述带来了困难。由于每种资源的属性和特征差别很大，这时属性总集会变得很庞大。如果对每个资源都用属性总集去描述，不仅浪费了内存资源，而且降低了资源描述的效率。2.2.3.2

37、基于属性子集的资源全局一致性描述方法由于上述方法属性总集中的元素是单个属性，在资源扩充时它会不断增加资源描述的负担，具有很大的局限性。可以考虑通过定义属性子集来描述资源的属性，每个属性子集包含资源的一系列相关的资源属性。资源的属性总集的元素不再是单个属性，而是属性子集。这时，对资源的描述就可以根据资源的类型填充相应的属性子集就行。相对于前面的方法而言，属性总集的基本框架保持不变，只是对属性子集进行了一定的扩充。该方法具有很好的描述格式，而且资源描述的扩展性很好。图 2.2 是基于属性子集的描述法的原理图。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 9 页2.2 仿真资源全局一致性描述本节结合仿真资源的

38、特点提出资源全局一致性描述的需求，讨论了资源全局一致性描述的相关要求，研究了资源全局一致性描述的一般方法。2.2.1 资源全局一致性描述问题的提出仿真资源对于建模与仿真的重要性是不言而喻的，它在建模仿真中处于核心地位。如果在每次仿真建模时都要重新开发所需的仿真资源，不仅浪费大量的人力、时间和金钱，而且不能保证所开发模型的可信性和与其它系统的互操作性13。仿真资源广泛存在，但是如果不加以有效的管理和利用则没有太大价值。为此，需要建立仿真资源管理系统来对仿真资源进行统一管理，将分散、孤立的仿真资源进行统一描述和管理，促进建模与仿真工作的开展，更好地为建模与仿真提供支撑服务。在建模与仿真活动中，面对

39、大量的、种类繁多的仿真资源，资源的描述是一个复杂的过程。在一体化建模仿真环境下，模型建立、仿真运行与结果评估实现了一体化，因此对仿真资源的规范描述和集成管理提出了更高的要求。在资源的规范描述方面，一体化建模仿真环境提出了资源全局一致性描述的需求，通过利用系统的、集成的资源描述方法对所有仿真资源进行规范的、统一的描述。资源的全局一致性描述使得仿真资源在建模仿真全过程能够得到一致性的理解，实现仿真资源的重用，提高建模仿真的效率。2.2.2 资源全局一致性描述的相关要求仿真资源是各种仿真应用系统的核心，而资源的规范化描述对于资源共享能力的发挥相当重要。一般人们总是在满足自身需求的前提下进行资源的描述

40、，这使得资源描述的形式多样化。评价这些描述方法的标准并不唯一，但是资源的全局一致性描述方法应该具备完整性、规范性和可扩展性等基本特征。完整性是指在满足仿真应用需求的前提下，资源描述方法能够完整表达资源的各个属性。在一体化建模与仿真环境中，各类资源有各自不同的特点和描述重点，资源的完整性描述就是在统一的资源描述框架下，对仿真资源的各个属性进行清楚而完整的表达，能够反映资源的整体特性。规范性是指资源描述的格式和语言规范，具有很好的可识别性，能够得到不同仿真平台很好的支持。在仿真应用系统内部，被描述的对象能够进行互联互操作，在各个仿真环节能够得到理解和执行。一体化建模与仿真环境中，资源的描述不依赖于

41、某一种系统，它力求描述的规范性，能够实现资源的共享和重用。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 8 页M=resource，P，R其中，资源属性 P 可表示为：P=resource，property，value两个资源之间的关系 R 可表示为：R=(resource1，resource2)利用元数据来描述资源属性，可以方便资源属性的添加和修改，同时可以促进资源的优化管理和互联互操作。对元数据的描述一般采用可扩展标记语言 XML来进行描述。采用 XML 语言描述的元数据具有很好的格式，很多工具和平台都可以获取并解析元数据，有利于信息的交换。2.1.2.3 资源描述框架 RDF资源描述框架（Reso

42、urce Description Framework，RDF）是一种基于元数据的语义描述语言19。凡是被 RDF 描述的事物都称为资源，RDF 用 URI 来标识事物，用简单的属性及属性值来描述资源。一个 RDF 资源描述模型文件包含多个资源描述，一个资源描述由多个语句构成，每个语句是由资源、属性类型、属性值构成的三元组。RDF 采用结构化的 XML 数据，使得资源的存储和管理都很方便，该方法广泛用于互联网资源信息的描述。RDF 只是提供了少量的基础性词汇，并定义了一些规则，只要符合这些规则，人们可以描述任何资源。RDF 在描述资源上有很强的通用性，但对于实体、事件、交互等仿真要素，RDF 并

43、没有定义特定的元素来描述。另外，RDF 对模型的交互表达能力也有限。2.1.2.4 SRML 参考标记语言SRML(Simulation Reference Makeup Language)是一种基于 XML 的用于表示仿真模型和资源的参考标记语言20。SRML 有一套完整的元素体系用来描述仿真模型，它声明了一组数量较少但相对完备的元素和元素属性，这些元素通过标签的形式对仿真实体、实体之间的关系和事件进行表达。SRML 允许用户在模型描述时插入脚本语言来描述模型的行为，同时它还为用户提供了一个可以运行描述文件的环境。SRML采用基于XML的数据交换标准，SRML 结合 XML 和脚本语言能将组

44、成仿真的所有属性和行为都译成计算机能运行的代码。SRML 试图以标准化的方式表示各种仿真模型，通过解析模型文档，配置仿真资源，驱动仿真运行。SRML 仿真由仿真模型、SR 仿真器、宿主和输出等四部分组成15，SRML 采用面向对象的方法建模，将仿真模型与仿真执行分离，加快了模型的开发速度，支持模型的重用。但是，SRML 主要用于模型的描述，对仿真系统其它资源的描述需要扩展 SRML 的元素体系。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 7 页及到的资源，比如观测数据等。任务资源是为了完成某仿真任务而产生的资源，比如想定脚本和仿真方案。在实际仿真应用中，应用资源包括模型文档、剧情想定、仿真脚本和分析报

45、告等，它们种类繁杂、数量繁多。应用资源的描述必须准确表现应用资源的功能、作用、动态信息及其在仿真应用中所处的阶段、状态等。 其它资源一体化建模与仿真环境下，除了上述资源之外仿真资源还包括仿真工具、仿真术语、文献资料、技术标准、算法和专家知识等其它资源。这类型资源一般都是建模与仿真必不可少的资源，它们格式多样，具有很大的不确定性。对它们的描述需要视具体的情况而定，这也要求仿真资源描述语言具有很强的描述能力和扩展能力。2.1.2 资源描述的相关技术目前，关于模型资源的形式化描述方法比较多，在工程实践中也得到了广泛的应用。但是，仿真资源不仅仅包括模型资源，能够对整个仿真资源进行全局一致性描述的方法和

46、描述框架相对比较少，下面将介绍一些资源描述的相关技术和方法。2.1.2.1 XML 描述语言XML 是一种描述性的标记语言17，很多资源描述方法都采用 XML 作为描述语言，它使得资源的描述更加规范化，促进了仿真资源的重用性。XML 主要由三个要素构成：文档类型定义 DTD、可扩展样式表语言 XSL 和可扩展链接语言 XLL。其中，DTD 规定了 XML 文档的逻辑结构，XSL 用来控制 XML 文档在显示时的版面风格，XLL 则用来扩展 XML 的链接。XML 是数据表示的开放标准，独立于系统和应用程序，XML 具有以下特点和优势18：XML 是纯文本文档，它可以让文本编辑器或编辑语言直接处

47、理；XML内容和形式分离，具有良好的复用性，有助于程序直接分析、处理数据；XML 使用嵌套标签的方式表示数据，具有很好的扩展功能；严格遵循语法要求，具有良好的结构性，大大提高了处理数据的准确性和效率；XML 具有较好的保值性，而且很容易向其它格式的文档转化，方便长久保存数据；XML 具有广泛的开发平台支持，成为各种平台交换信息的理想工具。2.1.2.2 元数据描述资源属性对仿真资源的描述可以有不同的方法和途径，但是最终都会归结到元数据的描述上。元数据是关于数据的数据，在许多领域有其具体的定义和应用。它主要由文字和符号组成，用来描述资源及其特征。元数据是资源特征和资源之间关系的集合8，它可以表示

48、为：科学技术大学研究生院硕士学位论文第 11 页例如，资源系统有两种资源 A、B，现有资源属性 a，b，c，d，e，f，g。资源 A 具有属性a，b，c，d，e，f，资源 B 具有属性a，b，c，d，f，g。可以定义三个属性子集 M、N、P 对资源进行描述，其中 M 属性子集为a，b，N 属性子集为c，d，P 属性子集为e，f，g。可以得到整个资源的属性总集为M，N，P，则资源 A、B 都可以表示为M，N，P，只是资源 A 的属性子集 P 为e，f，/，资源 B 的属性子集 P 为/，f，g。图 2.2 基于属性子集的描述法原理图采用属性子集对资源进行全局一致性描述，关键在于定义合适的属性子集

49、。属性子集数目太多增加了描述的代价，降低了描述的灵活性；属性子集数目太少，不能很好反映不同类型资源的属性特征。不同资源都有一些相同的属性，也有一些特有的属性。在定义属性子集时，既要科学地表述一般资源共有的属性集，也要为一些特定资源留出自定义属性集。它既要能描述资源的关联信息，又要能描述资源的动态信息等。2.3 四元组全局一致性资源描述方法研究本节提出了四元组描述法，研究了仿真资源四元组描述模型的建立、描述对象的形式化表达以及四元组描述法的描述能力。它结合 XML 描述语言能对资源属性进行规范的描述并生成形式化描述文档，具有很好的描述格式，满足一体化建模仿真环境下仿真资源全局一致性描述的相关要求

50、。2.3.1 建立仿真资源的四元组描述模型在建模仿真中，本体是个很重要的概念。本体就是概念化的规范化说明21，它强调本体表达的是人们共同的理解，本体通过概念之间的关系来模拟论域中概念的含义22。本体的描述语言提供了概念、概念之间的关联、概念的实例等基本建模元素23。仿真资源的形式化描述就是通过规范的语言和格式对资源的属性进行描述，使得资源可识别、能重用和互操作24。科学技术大学研究生院硕士学位论文第 13 页表 2.1 资源类型及其描述内容资源类型 描述内容 说 明模型资源 基本属性 资源 ID、资源名称、资源类型、创建信息等关联信息 模型的层次关系、隶属关系等动态属性 模型的输入输出关系、模

51、型的运行参数等自定义属性 模型的接口、运行环境及其它说明等数据资源 基本属性 资源 ID、资源名称、资源类型、创建信息等关联信息 数据交互等动态属性 数据的创建、更新及删除等自定义属性 允许用户进行特定的描述等应用资源 基本属性 资源 ID、资源名称、资源类型、创建信息等关联信息 仿真运行时涉及的模型、数据等信息动态属性 仿真运行所处的节点、执行的动作等信息自定义属性 允许用户进行特定的描述等其它资源 基本属性 资源 ID、资源名称、资源类型、创建信息等自定义属性 允许用户进行特定的描述等2.3.2 描述对象的形式化表达通过第一节的分析可得，XML 语言是数据表示的开放标准，它内容和形式分离，

52、具有良好的结构性和扩展性，大大提高了处理数据的准确性和效率。另外，XML 独立于系统和应用程序，具有广泛的开发平台支持，成为各种平台交换信息的理想工具。因此，四元组资源描述方法采用 XML 作为描述语言，它使得资源的描述更加规范化，促进了仿真资源的重用和互操作。建立了仿真资源的四元组描述模型后，下一步就是对描述对象进行形式化表达。四元组描述法对资源属性进行分块描述，具有很好的统一格式。它结合规范的 XML 描述语言，使得资源描述文本具有很好的通用性和交互性。因此，四元组描述法使得仿真资源的全局一致性描述成为可能，下面是四元组描述法结合 XML描述进行资源描述的统一格式。科学技术大学研究生院硕士

53、学位论文第 14 页四元组描述法利用规范的 XML 描述语言对资源属性进行描述，图 2.3 是四元组描述法原理图。首先，需要把资源的属性归类后进行分块，对应到四元组描述描述模型的属性子集中。然后，利用 XML 语言对每个属性集进行形式化描述，形成资源属性的描述片段。最后，把所有的属性子集的描述碎片进行综合集成，形成资源的 XML 描述文档。图 2.3 四元组描述法原理图2.3.3 四元组法的描述能力研究由于四元组描述模型包含了资源的静态信息、动态信息以及关联信息，因此使得四元组法的描述能力得到了增强。它除了可以对资源属性进行描述外，还可以对建模仿真中的其它元素进行表达，比如对实体、事件和过程的

54、表达。实体的表达。所有特定的描述对象都可以看成一个实体，它可以是一个模型、一个文件或其它物理存在的对象15。对实体的表达可以直接对实体的属性进行提取，然后建立实体的四元组描述模型，进行实体的形式化描述。事件的表达。仿真的运行是由事件驱动的，仿真运行中的事件表现为模型之间的交互以及数据的交换，比如模型接口的匹配和交互、仿真数据的记录和处理。对事件的表达可以在资源的动态信息中进行体现，通过资源的动态信息可以反映出事件的发生。过程的表达。建模仿真活动是由一个个小的活动过程组成，具体体现为模型、数据等资源属性不断更新的过程。由于过程涉及多个实体以及实体状态的变迁，科学技术大学研究生院硕士学位论文第 1

55、2 页四元组描述法就是基于本体描述的思想，对仿真资源的属性进行规范描述，使得描述的资源具有很好的通用性和可理解性。根据建模仿真中仿真资源的特点，四元组描述法将资源的属性分为四块，它们是资源的基本属性、关联属性、动态属性和自定义属性。通过对资源的每部分属性进行描述从而形成仿真资源整体的形式化描述文档。四元组描述法的核心是建立仿真资源的四元组描述模型，现定义一个四元组：P(r) = 其中：P(r)为资源的属性总集，包含资源所有可描述的属性。BP(r)表示资源的基本属性，它是所有资源都必须具备的属性。L(r)表示资源的关联信息，描述资源在仿真建模中与其它资源的关系。D(r)表示资源的动态信息，它记录

56、资源在仿真运行时的动态变化情况。CP(r)表示自定义属性，允许用户根据资源的特点进行自定义。四元组描述法克服了基于单属性描述的局限性，继承了基于属性子集进行资源描述的灵活性。四元组描述模型由四个资源属性子集组成，每个属性子集代表资源的一类相关属性，它们的描述内容和特点如下： 资源的基本属性是所有资源都具备的属性，它包括资源的 ID、名称、类型、创建时间等。资源的基本属性不能为空，通过它可以实现资源的识别和定位。 关联信息描述的是资源在仿真建模中与其它资源的关系。仿真运行时需要对各种资源进行关联来为执行做准备，通过这些关联能将仿真资源联系起来，驱动仿真运行。 动态信息记录资源在仿真运行时的动态变

57、化情况。这些资源信息最大的特点是变化很快，对于实时了解仿真进程和资源使用情况很重要。它们是用户和系统非常关心的信息，因此进行单独描述。需要描述的动态信息有很多，比如仿真进程中资源的占用情况、资源消耗情况和资源的属性变化等。 自定义属性，允许用户根据资源的特点进行自定义，它提供了扩展资源描述能力的接口。由于资源的种类很多，资源的属性也差别很大，对资源的描述重点也不一样，因此不同资源的自定义属性也不一样。进行仿真资源的描述，必须先建立仿真资源的描述模型。一般的仿真资源，它的资源属性都可以归纳到四个对应的资源属性子集中。下面根据仿真资源的分类，总结了不同类型资源在四元组描述模型中需要描述的内容，见表

58、 2.1。根据以上分析，首先对仿真资源进行分类，确定需要描述的仿真资源属性。然后，根据资源类型对仿真资源属性进行分块，确定每部分描述内容。最后，建立仿真资源的四元组描述模型，进行形式化描述。国防科学技术大学研究生院硕士学位论文第 15 页所以对过程的描述可以在资源的关联信息和动态信息里面进行体现。2.3.4 四元组描述法的优势分析四元组描述法采用了本体描述的思想，通过统一的格式和形式化描述语言对仿真资源进行全局一致性描述。四元组描述法根据仿真资源的特点定义了合适的属性子集个数，将仿真资源的属性科学地分为基本属性、自定义属性、关联信息和动态信息。通过建立资源的四元组描述模型并利用 XML 描述语

59、言进行形式化表达，实现了资源的全局一致性描述，它与其它资源全局一致性描述方法的比较见表 2.2。表 2.2 资源全局一致性描述方法比较全局一致性描述方法 完整性 规范性 可扩展性 实用性基于单属性的描述法 好 一般 差 差基于属性集的描述法 好 一般 一般 一般四元组描述法 好 好 好 好四元组描述法具有规范的描述格式和描述模型。该方法克服了单属性描述法的局限性，又继承了属性子集资源描述法的灵活性，它使用统一的形式对资源进行描述并且形成规范文档。该方法提升了仿真资源的描述能力，方便了资源的统一存储和管理，对于构建一体化建模仿真环境意义重大。四元组描述法简单实用、描述能力较强。该方法对资源属性进

60、行分块描述，能够反映资源的静态信息、动态信息以及关联信息。除此之外，它能够对建模仿真中的实体、事件和过程等元素进行表达和体现。四元组描述法促进了资源定义和资源描述的标准化。四元组描述法结合 XML语言对资源属性进行形式化描述，描述文本能够直接被各种编译器支持，使得模型和数据等资源在仿真全过程能够被共享和重用。2.4 四元组全局一致性资源描述方法的技术实现本节将研究四元组全局一致性描述方法的技术实现，利用该方法描述各类仿真资源并形成形式化描述文档。另外，本节还研究了仿真资源描述文本的解析以及该方法与其它描述框架的集成。2.4.1 四元组法描述仿真资源利用四元组描述法进行资源的描述，关键在于把资源的属包括资源的 ID、名称、实验使用的 OMT 文件、FED 文件以及仿真的时间控制策略等。其中，OMT文件为整个联邦的对象模型模板，FED 文件为联邦成员的参数信息，仿真时间控制策略指的是仿真的时间步长以及时间控制方法等。首先，确定需要描述的对象是仿真应用资源，资源的关联信息和动态信息都是描述的重点。然后，建立资源的四元组描述模型，它的基本属性集 BP(r)包含资源的 ID、Name、Position、Type 等，关联信息 L(r)包括资