高层体系结构_HLA总结

HLA分布式仿真作为系统仿真的一个重要分支，经过SIMNET、DIS、ALSP等阶段，目前已发展到以高层体系结构HLA(High Level Architecture)为核心的一系列技术。

HLA的提出和发展集中体现了现代仿真应用的这些特点和发展规律。

HLA是将仿真功能与通用的支撑系统相分离的一种体系结构，具有开放性、灵活性和适应性。

它同时支持对不同仿真应用的重用，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。

HLA主要考虑在联邦成员的基础上如何进行联邦集成，即如何设计联邦成员间的交互以达到仿真的目的，它不考虑如何由对象构建成员，而是在假设已有成员的情况下考虑如何构建联邦，这也是把它称为“高级体系结构”的一个重要原因。

HLA的基本思想就是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型OM(Object Model)，以获得仿真联邦的高层次的互操作和重用。

在HLA中，互操作定义为一个成员能向其他成员提供服务和接受其他成员的服务。

HLA本身并不能完全实现互操作，但它定义了实现联邦成员之间互操作的体系结构和机制。

除了方便成员间的互操作外，HLA还向联邦成员提供灵活的仿真框架。

作为一个开放的、支持面向对象的体系结构，HLA最显著的特点就是通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序（RTI），将应用层同底层支撑环境分离，即将仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分开，使仿真工作者只要集中于仿真功能的开发，而不必再涉及有关网络通信和仿真管理等方面的实现细节。

同时，HLA可实现应用系统的即插即用，易于新的仿真系统的集成和管理，并能根据不同的用户需求和不同的应用目的，实现联邦的快速组合和重新配置，保证联邦范围内的互操作和重用。

1. HLA的组成1.1 HLA基本概念在HLA中，将用于实现某一特定仿真目的的分布仿真系统称为联邦(Federation)，它是由若干相互交互的仿真对象模型SOM(Simulation Object Model)、一个共同的联邦对象模型FOM(Federation Object Model)[前两者统称对象模型模板OMT(Object Model Templet)]和运行支撑框架RTI(Runtime Infrastructure)构成的集合。

参与联邦的所有应用都称为联邦成员，简称成员。

整个仿真过程称为联邦执行(Federation Execution)。

HLA中的对象模型(Object Model)是用来表示客观世界的一组对象的集合，它描述了各对象的属性、对象间的联系和交互。

RTI是一种通用的分布仿真支撑软件，用于集成各种分布的联邦成员，在联邦运行时提供具有标准接口的服务。

HLA主要由以下三部分组成：1.2 框架和规则HLA 规则就是为了保证在联邦运行各个阶段中各个联邦成员能够正确的交互而定义的一些基本准则。

这些规则在联邦设计阶段都必须遵守。

它是接口规范和OMT 的设计规则，也规定了联邦成员和联邦设计者的职责。

HLA 规则是构成 HLA 标准的 3 个组成部分之一。

HLA 规则已成为 IEEE M&S的正式标.准。

现行的规则一共有十条，其中前五条是关于联邦必须满足的要求，后五条是关于联邦成员必须满足的要求。

（详细见《基于HLA的卫星通信网建模仿真》论文第20页）1.3接口规范（RTI环境）成员接口规范是对运行支撑框架RTI的接口服务的描述。

RTI提供了一系列服务来处理联邦运行时成员间的互操作和管理联邦的运行。

RTI是按照HLA接口规范开发的仿真支撑软件，它提供了一系列用于仿真互连的服务，是HLA仿真系统进行分层管理控制，实现分布仿真可扩展性的基础，也是进行HLA其它关键技术研究的立足点。

作为HLA进行分布仿真的支撑系统，RTI是实现HLA仿真系统的核心，对运行过程中动态信息的管理和集成提供有效的支持。

HLA联邦系统结构的示意图：根据HLA接口规范，RTI提供六大类服务：联邦管理、声明管理、对象管理、时间管理、所有权管理和数据分发管理。

其主要作用有：a、它具体实现了HLA接口规范；b、它为仿真提供了仿真运行管理功能，比如仿真的开始、暂停、恢复、时间同步、仿真时钟推进等。

开发人员只需实现具体的仿真功能，而不需考虑仿真的运行管理。

c、它提供了底层通信传输服务，屏蔽了网络通信程序实现的复杂性，开发人员可以很容易地实现数据的发送和接收，从而降低了分布交互仿真程序设计的复杂程度。

这种传输机制允许各个联邦成员进行不同级别的数据过滤，可以减少网络数据流量，提高仿真系统的运行速度。

d、它是仿真功能与仿真运行管理、底层通信传输三者分离的基础，它使仿真系统具有较好的扩充性，便于实现仿真系统中各个组成部分的“即插即用”。

联邦执行创建和撤消的整个过程都是在 RTI 的支持下，由联邦成员来推动的。

在这个过程中，联邦成员与 RTI 之间的关系和交互过程如图所示：1.4 对象模型模板OMT(Object Model Template)HLA框架和规则要求联邦及其成员都需要建立自己的对象模型，即联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM(Simulation Object Model)。

A．FOM中定义了参加联邦的所有对象类和交互类以及它们的属性和参数信息；建立FOM的目的就是借助于OMT提供的标准化的记录格式，为一个特定的联邦中各成员之间需要交换的信息的特性进行描述。

成员间的信息交换主要是通过RTI提供的对象属性和交互的“公布与订购”服务实现的。

声明公布信息的成员负责更新信息，RTI通知订购信息的成员，由订购成员反射或接收这些信息，并把它本地化加以利用。

B．SOM中定义了单个联邦对象的信息，包括对象、属性、交互和参数。

SOM作为一种标准化的对象模型，描述了各个仿真成员在联邦运行过程中可以提供给联邦的信息，以及需要从其它成员接收的信息，它反映的是成员具备的向外界公布信息的能力和从外界订购信息的需求。

C．三者关系HLA这三个组成部分之间的关系是：规则集中规定的联邦对象模型FOM和仿真对象模型SOM的建立必须用OMT记录，而OMT记录的信息有利于联邦成员与RTI进行方便的交互，三者相互作用，紧密联系，这三部分中任何一部分的改动都会影响其他两部分的改变。

D. SOM/FOMHLA的对象模型模板使用九种表对FOM／SOM进行描述。

包括：1．对象模型鉴别表：记录与HLA对象模型相关的重要标示信息。

2．对象类结构表：记录所有联邦或联邦成员对象类的名称，并且描述了类与子类的关系。

3．交互类结构表：记录所有联邦或联邦成员交互类的名称，并且描述了类与子类的关系。

4．属性表：记录联邦或联邦成员中对象属性的特征。

5．参数表；记录联邦或联邦成员中交互参数的特征。

6．枚举数据类型表：用来对出现在属性表，参数表中的枚举数据类型进行说明。

7．复杂数据类型表：用来对出现在属性表，参数表中的复杂数据类型进行说明。

8．路径空间表：用来指定联邦中对象类属性和交互类的路径空间。

9．FOM／SOM术语字典：用来记录上述各表中使用的所有术语的定义。

如果设计了SOM表，每一个联邦成员的自身数据输出、接口、交互操作的内容就都已定。

将联邦成员的每一个SOM表组合取舍即生成了联邦的FOM表。

1.5 其他概念说明空2. HLA的开发和执行对于仿真系统中的 HLA 联邦模型的开发，应参照美国国防建模仿真办公室提出了 HLA 联邦模型的开发和执行的标准过程：FEDEP（Federation Development and Execution Process），使联邦模型的开发过程实现标准化。

其流程如图所示：1）定义联邦目标定义联邦目标就是定义开发、运行HLA联邦的目的、需求，并转化为更详细、具体的联邦目标。

主要内容包括：对系统的高层描述、对被仿真实体的行为要求、联邦剧情中必须表示的关键事件、输入输出数据要求等。

2）开发联邦概念模型FCM开发联邦概念模型就是对仿真任务(问题空间)所涉及的真实世界进行描述和表达。

开发联邦概念模型首先要开发想定(Scenario)。

想定(或剧情)主要由以下几部分组成：>联邦中必须表达的主要实体及其能力、行为特性和彼此之间的关系及它们随时间变化的特性；>可能影响联邦中实体特性或可能受实体影响的环境条件；>联邦运行的起始条件和终止条件。

开发完想定(Scenario)后就要进行概念性分析，开发独立于具体实现的联邦概念模型(FCM)，将目标信息转化为功能和行为性的活动，为将联邦目标转到联邦实现的设计提供依据。

3）设计联邦主要目的是确定联邦中的联邦成员，为每一个联邦成员分配功能，并制定联邦开发和实现的详细计划。

4）开发联邦开发联邦的主要目的是开发联邦对象模型(FOM)，必要时，修改联邦成员，为联邦集成测试作准备(如数据库开发、安全特性的实现等)。

在联邦开发过程中，首先要识别各个成员的构成对象，然后分析各个对象，再确定成员的公布与订购需求，根据成员的公布与订购需求综合得到FOM。

5）开发联邦对象模型FOM这一步的主要目的是利用已确定的联邦成员来开发FOM，以支持联邦成员之间的数据交换，从而实现联邦目标。

而开发FOM的方法通常有以下几种：a、利用对象模型数据字典(0MDD)、联邦剧情(Scenario)及联邦概念模型(FCM)，采用“自底向上”的方法改造；b、合并联邦内所有联邦成员的SOM，同时删除那些不必要的内容；c、选择某个与所建立的FOM相近的SOM，依此为基础进行修改；d、选择以前曾有过的与之功能相近的FOM，在此基础上进行修改；e、根据联邦应用类型，选择一个已经定义好的参考模型，在此基础上进行修改。

6）集成测试联邦需要在RTI平台上结合方案进行仿真测试。

RTI运行时，需要两个配置文件，一个是联邦执行数据文件(Federation Execution Data，FED文件)，另一个是RTI初始化文件(RTI Initialization Data，RID文件)。

a.FED文件是联邦对象模型FOM开发的结果，是所有联邦成员间为交互(或互操作)目的而达成的“协议”。

它包含了来源于FOM中的信息，包括联邦中各个联邦成员的对象类、交互类、对象类属性、交互类参数和路径空间等数据结构信息。

在使用“Create Federation Execution”服务时，需要指定FED文件所在的路径和文件名。

当调用“Create Federation Execution”服务后，FED文件中的信息被读取、解析，并存贮在一个内部的数据库中。

在仿真运行期间，RTI将根据FED文件提供的联邦执行的细节数据创建相应的联邦执行，并在整个联邦执行生命周期内以FED为蓝本，协调联邦成员之间的交互。