計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)介紹

　　1引言

　　計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是仿真的依托，形象地說(shuō)成是仿真的大舞臺(tái)也很貼切，最準(zhǔn)確的說(shuō)法應(yīng)當(dāng)是，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究不可或缺的實(shí)驗(yàn)工具。每個(gè)仿真應(yīng)用領(lǐng)域，有了各自適用的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，才能給出具有所需置信度的仿真結(jié)果。大量實(shí)例表明，仿真技術(shù)的有效應(yīng)用，必須依托于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng);只有服務(wù)于應(yīng)用的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的發(fā)展，才能帶動(dòng)仿真技術(shù)的發(fā)展。但是，迄今為止，國(guó)內(nèi)外依然存在著建立仿真應(yīng)用的時(shí)間太長(zhǎng)、費(fèi)用太高問(wèn)題。原因就在于缺乏正確的技術(shù)理論指導(dǎo)，或盲目追求大而全，或低水平地重復(fù)。顯然，在需求牽引、技術(shù)推動(dòng)、經(jīng)濟(jì)支撐下，緊跟時(shí)代前進(jìn)步伐，要用信息化理念和方法建立計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)中所說(shuō)，高新技術(shù)與先進(jìn)管理相結(jié)合才可能有高質(zhì)量仿真系統(tǒng)的誕生。

　　2現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)

　　現(xiàn)有許多計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)、仿真試驗(yàn)室、仿真中心可供參考。諸如美國(guó)亞那巴馬州紅石兵工廠的高級(jí)仿真中心(ASC)、以法爾肯空軍基地國(guó)家試驗(yàn)中心為核心的美國(guó)國(guó)家試驗(yàn)臺(tái)、德國(guó)航空航天試驗(yàn)院的空間運(yùn)行中心、中國(guó)航天部門(mén)遍布全國(guó)各地的仿真中心、國(guó)防科大三院的分布實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服務(wù)系統(tǒng)(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系統(tǒng)(Systemonchip，SoC)等。國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，真是琳瑯滿目。它們按空間分布不同可分為集中式、分布式和嵌入式三大類(lèi)型。國(guó)內(nèi)外集中式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)經(jīng)過(guò)模擬仿真系統(tǒng)、混合仿真系統(tǒng)和數(shù)字仿真系統(tǒng)三大里程碑式地發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，數(shù)字仿真在計(jì)算機(jī)仿真中獨(dú)占鰲頭，從此以后，集中式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是數(shù)字式的，而且大都采用便于獨(dú)立集中管理的主機(jī)－終端的體系結(jié)構(gòu)，并能進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真，而且隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，正在虛擬化、智能化。虛擬化使得計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)用虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)，從而能夠廣泛用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軍事演習(xí)、復(fù)雜操作訓(xùn)練、過(guò)程排演等領(lǐng)域。智能化使得計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)有機(jī)地融合人工智能技術(shù)，以適應(yīng)信息化的需要。同時(shí)，還應(yīng)該采用“結(jié)構(gòu)規(guī)模優(yōu)化”方法，構(gòu)造多級(jí)結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、多段結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與綜合，設(shè)計(jì)高性能價(jià)格比的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從主機(jī)—終端模式，向客戶機(jī)—服務(wù)器模式、集中—分布模式發(fā)展。20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)了分布交互式仿真(DIS)系統(tǒng)，而且發(fā)展迅速，很快由基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的DIS成為其主流。多年實(shí)踐表明，HLA尚有許多需要改進(jìn)的地方�，F(xiàn)在，美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)認(rèn)識(shí)到HLA是必要的，但僅有HLA卻是不夠的。目前經(jīng)濟(jì)有效的方案無(wú)非是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化、集成化、協(xié)同化把地理分布較廣的現(xiàn)有仿真設(shè)施組成一個(gè)新的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)�，F(xiàn)在看來(lái)，性能價(jià)格比最高者當(dāng)是多微機(jī)DIS系統(tǒng)，它不僅具有HLA的優(yōu)點(diǎn)，而且彌補(bǔ)HLA不足，使邦員內(nèi)部也有重用性和互操作性，而且具有結(jié)構(gòu)仿真、實(shí)況仿真和虛擬仿真等功能。當(dāng)前，欲將傳統(tǒng)DIS許多成果用到HLA中，就得考慮HLA和DIS兩系統(tǒng)之間的互聯(lián)方式。一般來(lái)說(shuō)有兩種方式，即網(wǎng)關(guān)方式和中間件方式。兩者的主要區(qū)別在于:網(wǎng)關(guān)方式以運(yùn)行一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的轉(zhuǎn)換，在該方式中將外部HLA邦員和DIS實(shí)體作為輸入值，然后實(shí)現(xiàn)兩者之間的互操作，而中間件方式則將轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)做為應(yīng)用程序的一系列類(lèi)嵌入在程序中，并通過(guò)執(zhí)行應(yīng)用程序?qū)�DIS和HLA中的相關(guān)信息輸出。基于這兩種基本方式，目前有四種相關(guān)的實(shí)現(xiàn)技術(shù):①打包技術(shù)將軟件直接嵌入到DIS底層接口，在數(shù)據(jù)傳送前將DIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HLA數(shù)據(jù)模式，并在接收數(shù)據(jù)后將HLA數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換成DIS數(shù)據(jù)格式，顯然無(wú)需特殊的硬件支持。②本地化技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)本地的HLA仿真，這意味著所有網(wǎng)絡(luò)接口都要包括一個(gè)仿真軟件。這樣可以很好地實(shí)現(xiàn)所有HLA的特性，但初始化傳輸時(shí)大量的程序修改以及相關(guān)協(xié)議的改變。③轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供單獨(dú)的應(yīng)用程序，一般來(lái)說(shuō)，要使用單獨(dú)的計(jì)算機(jī)來(lái)完成轉(zhuǎn)換功能，雖然無(wú)需對(duì)仿真程序作任何修改，但仿真延時(shí)相應(yīng)有所增加。④協(xié)議接口單元(PIU)技術(shù)通過(guò)定義API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，這是DIS/HLA轉(zhuǎn)換方式中較好的選擇方案。嵌入式計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)(Embeddedcomputersimulationsystem)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域。其基本特征是小型化、可隨身攜帶，一般通過(guò)軟件和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，但硬件成本較高，而軟件具有靈活和成本較低等優(yōu)點(diǎn)。軟硬件劃分的結(jié)果直接決定嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院郭金金等人(2010)提出一種新的嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分算法，先采用嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成有向無(wú)環(huán)圖，可將嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一個(gè)多條件約束問(wèn)題，用螞蟻放置于有向無(wú)環(huán)圖頂點(diǎn)上，對(duì)系統(tǒng)軟硬件劃分準(zhǔn)確率作為螞蟻算法優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)蟻群算法搜索最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，有效避免傳統(tǒng)劃分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索時(shí)間。當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題是，如何讓嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時(shí)保持一定的性能并安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外廣泛探索，但往往缺乏支持動(dòng)態(tài)安全策略的設(shè)計(jì)思想，對(duì)嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時(shí)如何保護(hù)系統(tǒng)安全、保持系統(tǒng)的性能，并將破壞降低等方面的研究較少。哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙國(guó)冬等人基于模式匹配方法研發(fā)了安全等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在不顯著增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)前提下，有效地阻止系統(tǒng)異常的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的彈性應(yīng)對(duì)能力。無(wú)論那種類(lèi)型，計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)通常由數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備(實(shí)物)和一些專用、通用設(shè)備組成，且具有現(xiàn)代化技術(shù)水平，兼有構(gòu)造仿真、實(shí)況仿真和虛擬仿真三種功能。計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的中心，當(dāng)然是數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，諸如，單片機(jī)、單板機(jī)、仿真機(jī)系統(tǒng)、微機(jī)系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、小巨型機(jī)系統(tǒng)、多機(jī)系統(tǒng)等等。它們各自都包括硬、軟件兩部分。數(shù)字計(jì)算機(jī)的機(jī)型往往直接決定著計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的類(lèi)型，用戶可從中選擇經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)型。通用設(shè)備就是商品化的觀測(cè)記錄設(shè)備，信號(hào)發(fā)生器，聲像通信設(shè)備等，而系統(tǒng)實(shí)際設(shè)備(實(shí)物)和一些專用設(shè)備，隨仿真應(yīng)用領(lǐng)域不同差別甚大。比如，航空航天領(lǐng)域的'飛行仿真系統(tǒng)，除了需要控制系統(tǒng)實(shí)物以外，還需要轉(zhuǎn)臺(tái)、負(fù)載臺(tái)、離心機(jī)、必要的模擬器和實(shí)物操作臺(tái)等專用設(shè)備。

　　3計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)

　　1)多層次使能技術(shù)美國(guó)國(guó)防科學(xué)局(1997)認(rèn)為，建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，即下述五個(gè)層次使能技術(shù):①基礎(chǔ)技術(shù)(光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等);②元、部件級(jí)技術(shù)(內(nèi)存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)造工具，測(cè)試設(shè)備等);③系統(tǒng)級(jí)技術(shù)(微機(jī)系統(tǒng)，人一機(jī)界面，遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、計(jì)算機(jī)圖像生成等);④應(yīng)用級(jí)技術(shù)(制造過(guò)程仿真、工程設(shè)計(jì)建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機(jī)作戰(zhàn)仿真等);⑤集成綜合仿真環(huán)境技術(shù)(樣機(jī)、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與制造，訓(xùn)練與備戰(zhàn)，測(cè)試與評(píng)估等)。其中，大部份的硬件和網(wǎng)絡(luò)能力由商業(yè)市場(chǎng)作為成熟產(chǎn)品提供，如微機(jī)系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機(jī)界面、計(jì)算機(jī)圖像生成、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、局域網(wǎng)、光纖通訊、軟件工程工具等，而有些如制造過(guò)程仿真，工程設(shè)計(jì)建模與仿真，隨機(jī)作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等滿足軍用仿真需求者都由國(guó)防部組織解決。

　　2)邏輯靶場(chǎng)概念(logicalrangeconcept，LRC)美國(guó)在20世紀(jì)90年代提出LRC，試圖要解決以信息化為代表的武器系統(tǒng)互操作試驗(yàn)，特別是以C4ISR為核心、從傳感器探測(cè)端到指揮與控制再到武器交戰(zhàn)的完整作戰(zhàn)過(guò)程試驗(yàn)，其規(guī)模和范圍超出了現(xiàn)有任一個(gè)物理靶場(chǎng)的試驗(yàn)評(píng)估能力，在物理意義上完全重建靶場(chǎng)既無(wú)必要也不可能，只有通過(guò)一體化虛實(shí)合成靶場(chǎng)才能提供這種復(fù)雜作戰(zhàn)空間的逼真表示。為了全面評(píng)估信息化武器裝備的作戰(zhàn)效能，傳統(tǒng)試驗(yàn)訓(xùn)練靶場(chǎng)必須適應(yīng)以信息為中心的一體化聯(lián)合試驗(yàn)發(fā)展需要，向跨物理靶場(chǎng)邊界、跨試驗(yàn)訓(xùn)練邊界、跨真實(shí)和仿真資源邊界的無(wú)邊界靶場(chǎng)轉(zhuǎn)變。通過(guò)組合、重用各種仿真資源，邏輯靶場(chǎng)可以將傳統(tǒng)靶場(chǎng)融入到仿真世界中，也可以看作是用仿真世界來(lái)擴(kuò)展傳統(tǒng)靶場(chǎng)的任務(wù)空間。在邏輯靶場(chǎng)中，實(shí)際武器裝備或兵力除了可以利用傳統(tǒng)方式進(jìn)行交互外，還可以與位于不同地域的仿真資源進(jìn)行交互。目前，支持靶場(chǎng)試驗(yàn)資源互操作、重用、組合的體系結(jié)構(gòu)主要有兩類(lèi):先進(jìn)分布式仿真(ADS)和試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(TENA)。20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)國(guó)防部提出了ADS的概念，其產(chǎn)生與發(fā)展的核心是為了解決建模與仿真領(lǐng)域存在的問(wèn)題:目前絕大多數(shù)仿真器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)較為孤立，仿真器之間的交互性和重用性差;開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用費(fèi)時(shí)及成本高;驗(yàn)證性、有效性和置信度較差。ADS技術(shù)應(yīng)該從體系結(jié)構(gòu)上建立這樣一個(gè)框架，它能盡量涵蓋建模與仿真領(lǐng)域中所涉及的各種不同類(lèi)型的仿真系統(tǒng)，并利于它們之間的互操作和重用，它也必將隨著仿真技術(shù)和各種支撐技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。ADS技術(shù)使實(shí)況仿真、虛擬仿真和構(gòu)造仿真三類(lèi)仿真在實(shí)施中不斷得到發(fā)展。從構(gòu)造和實(shí)施一個(gè)ADS系統(tǒng)的角度，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有:①系統(tǒng)總體技術(shù)，主要包括DIS(IEEE1278)和HLA(IEEE1516)，可是HLA不適應(yīng)具體領(lǐng)域的特定需求。②軟件框架和平臺(tái)技術(shù)。③網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。④建模、驗(yàn)?zāi)Ｅc計(jì)算機(jī)生成兵力(CGF)技術(shù)。⑤虛擬環(huán)境技術(shù)。⑥系統(tǒng)性能評(píng)估技術(shù)。TENA是建立在ADS基礎(chǔ)之上針對(duì)試驗(yàn)/訓(xùn)練領(lǐng)域的特定需求對(duì)HLA進(jìn)行擴(kuò)展，提供了試驗(yàn)/訓(xùn)練所需的更多特定的能力，其最終目標(biāo)是成為美軍靶場(chǎng)司令官委員會(huì)(RCC)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)加州海軍空戰(zhàn)中心開(kāi)發(fā)的虛擬導(dǎo)彈靶場(chǎng)(Virtualmissilerange，VMR)是LRC的典型案例。在VMR第一個(gè)導(dǎo)彈就是AIM－7P海麻雀防空導(dǎo)彈。此外，聯(lián)合先進(jìn)分布式仿真(JointAdvancedDistributedSimulation，JADS)項(xiàng)目涵蓋了武器系統(tǒng)集成、端到端試驗(yàn)和電子戰(zhàn)。它的成功實(shí)施，展示了邏輯靶場(chǎng)在試驗(yàn)訓(xùn)練領(lǐng)域的巨大作用和廣闊前景。葫蘆島92941部隊(duì)袁剛等人(2010)認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)LRC的關(guān)鍵技術(shù)是體系結(jié)構(gòu)與合成環(huán)境的構(gòu)建、傳統(tǒng)靶場(chǎng)儀器儀表的改造和信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

　　3)仿真機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化我們生活的世界就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)世界，網(wǎng)絡(luò)的普遍性是客觀存在的。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究早在20世紀(jì)50年代就開(kāi)始了，起始點(diǎn)就是隨機(jī)圖ER模型。ARPANET(1969)建成，標(biāo)志著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，也可稱為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。信息化席卷全球，現(xiàn)代信息技術(shù)將會(huì)影響到方方面面。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連基本參考模型，即通常所說(shuō)的七層協(xié)議(1977)問(wèn)世以來(lái)，第三代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Com-puternetwork)得到廣泛關(guān)注。它使用戶能共享網(wǎng)絡(luò)中的所有硬、軟件和數(shù)據(jù)等資源、分散計(jì)算機(jī)的負(fù)荷、提高可靠性、使計(jì)算機(jī)的使用具有可擴(kuò)展性及可換性。小世界模型(Smallworldmodel)的引入和無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)模型(Scalefreenet-workmodel)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的深入。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)、電力網(wǎng)、供水網(wǎng)、食品供應(yīng)網(wǎng)、銀行金融系統(tǒng)、輸油管網(wǎng)、輸氣管網(wǎng)、控制網(wǎng)絡(luò)等大量的實(shí)際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，都具有小世界和無(wú)尺度特性。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大，單靠網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究不太現(xiàn)實(shí)。隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)充，越來(lái)越需要網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)來(lái)為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是分布交互式仿真系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，它是用通信線路把多個(gè)分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸而聯(lián)接起來(lái)的一種網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是:用戶突破了地理?xiàng)l件的限制，方便地使用遠(yuǎn)地的計(jì)算機(jī);由于資源公用、避免了重復(fù)投資;可充分利用各地資源的特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同操作;可實(shí)現(xiàn)幾個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)管理。網(wǎng)絡(luò)化，就是開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真。利用計(jì)算機(jī)對(duì)所研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)模仿，即是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)程序的運(yùn)行來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程。

　　一個(gè)完整的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅包括數(shù)據(jù)幀、收發(fā)兩端的各種設(shè)備，還包括通訊協(xié)議和傳輸信道等。常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有1553B總線、CAN總線(英德和歐空局廣泛采用)、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks、PROFIBUS、以太網(wǎng)(Ethernet)、光纖通信、藍(lán)牙(Bluetooth)、無(wú)線通信、小世界模型、無(wú)尺度模型等。雖然計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)琳瑯滿目，若按交換功能分類(lèi)，常用的也只有四種:①線路交換;②分組交換;③混合交換;④報(bào)文交換。若按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)僅有三種:①集中式網(wǎng)絡(luò);②分散式網(wǎng)絡(luò)，又稱非集中式網(wǎng)絡(luò)(含具有一定交換功能的集中器或復(fù)用器);③分布式網(wǎng)絡(luò)。若按通信特性分類(lèi)也只有三種:①資源共享網(wǎng)絡(luò);②分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò);③遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)。若按作用范圍分類(lèi)，則有廣域網(wǎng)(Wideareanetwork，WAN)、局域網(wǎng)(Localareanetwork，LAN)、城域網(wǎng)(Metropolitanareanetwork，MAN)之分。要使計(jì)算機(jī)仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)果精確地與實(shí)際情況一致，仿真的模型就應(yīng)盡可能詳細(xì)。這樣，仿真占用的資源和耗費(fèi)的時(shí)間與精力也會(huì)隨之增加。如何在模型復(fù)雜性與仿真的準(zhǔn)確性之間找到合適的平衡和折衷，是實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)的中心問(wèn)題。目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真主要有兩種途徑:①用一組方程描述網(wǎng)絡(luò)特性，然后用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言通過(guò)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)仿真;②借助已有的網(wǎng)絡(luò)仿真工具進(jìn)行仿真。前者難度大且通用性不好;后者無(wú)需大量編程，通用性好，很容易實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真，代表了通信網(wǎng)絡(luò)仿真的發(fā)展方向。主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件及其高端產(chǎn)品基本產(chǎn)自美國(guó)，而適用于網(wǎng)絡(luò)仿真的軟件平臺(tái)有以下三類(lèi):①用于商業(yè)目的開(kāi)發(fā)的如OPNET、Qual-Net(升級(jí)版WebSim)、BONes、Netsim。②基于系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的如SIM++、NS2(REAL是其前身)、Maisie、GloMoSim、IN-SANE。③基于軍事應(yīng)用開(kāi)發(fā)的如TIMS、NETWARS、OPSIM。網(wǎng)絡(luò)仿真還有許多熱點(diǎn)問(wèn)題，諸如:①無(wú)擁塞的安全網(wǎng)絡(luò);②無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirelesssensornetworks，WSN);③移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobileadhocnetworks，MANET);④移動(dòng)智能體(Mo-bileAgent);⑤衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真。

　　4)仿真網(wǎng)格(SimulationGrid)網(wǎng)格技術(shù)是一項(xiàng)新興并且正在發(fā)展的技術(shù)，其核心是解決網(wǎng)上各種資源(如計(jì)算資源，存儲(chǔ)資源，軟件資源，數(shù)據(jù)資源等)的動(dòng)態(tài)共享與協(xié)同應(yīng)用。網(wǎng)格與仿真的結(jié)合為各類(lèi)仿真應(yīng)用對(duì)仿真資源的獲取、使用和管理提供了巨大的空間。同時(shí)，它以嶄新的理念和方法為仿真領(lǐng)域中諸多挑戰(zhàn)性的難題的解決提供了技術(shù)支撐(如:仿真應(yīng)用的協(xié)同開(kāi)發(fā);仿真運(yùn)行的協(xié)調(diào)、安全和容錯(cuò);新的資源管理機(jī)制;資源監(jiān)控和負(fù)載平衡等)等。目前國(guó)外已開(kāi)展了仿真與網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合的研究項(xiàng)目，如:SF－Express基于網(wǎng)格技術(shù)解決資源分配和動(dòng)態(tài)容錯(cuò)等問(wèn)題;“CrossGrid”、“RTILayer”、“FederationLayer”、“Feder-ateLayer”三個(gè)層次按照HLA標(biāo)準(zhǔn)采用網(wǎng)格技術(shù)對(duì)RTI的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究;DS－Grid(英國(guó)伯明漢大學(xué)、諾丁漢大學(xué)和新加坡南洋技術(shù)大學(xué)的協(xié)作項(xiàng)目，e－Science姊妹項(xiàng)目)、Ness-Grid和FederationXGrid等較為系統(tǒng)地研究面向仿真的應(yīng)用網(wǎng)格。當(dāng)前，仿真網(wǎng)格技術(shù)研究的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)包括:仿真網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)和總體技術(shù)，仿真網(wǎng)格服務(wù)資源的動(dòng)態(tài)綜合管理技術(shù)，仿真領(lǐng)域資源等的網(wǎng)格化(服務(wù)化)技術(shù)，仿真網(wǎng)格協(xié)同建模/仿真的互操作技術(shù)，仿真網(wǎng)格運(yùn)行的監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，仿真網(wǎng)格應(yīng)用的開(kāi)發(fā)與實(shí)施技術(shù)，仿真網(wǎng)格的可視化服務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，仿真網(wǎng)格的安全支撐技術(shù)，仿真網(wǎng)格的門(mén)戶技術(shù)等。

　　5)云計(jì)算(CloudComputing)云計(jì)算是網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)、分布式計(jì)算(Dis-tributedComputing)、并行計(jì)算(ParallelComputing)、實(shí)用計(jì)算(UtilityComputing)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)(NetworkStorageTechnolo-gies)、虛擬化(Virtualization)、負(fù)載均衡(LoadBalance)等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把多個(gè)成本相對(duì)較低的計(jì)算實(shí)體整合成一個(gè)具有強(qiáng)大計(jì)算能力的完美系統(tǒng)，并借助SaaS(軟件即服務(wù))、PaaS(平臺(tái)即服務(wù))、IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、MSP等先進(jìn)的商業(yè)模式把這強(qiáng)大的計(jì)算能力分布到終端用戶手中。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是通過(guò)不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶終端簡(jiǎn)化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力!云計(jì)算的第一個(gè)里程碑是，1999年Salesforce．com提出的通過(guò)一個(gè)網(wǎng)站向企業(yè)提供企業(yè)級(jí)的應(yīng)用的概念。Google，當(dāng)算是最大的云計(jì)算使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多個(gè)地點(diǎn)、超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的支撐之上，這些設(shè)施的數(shù)量正在迅猛增長(zhǎng)。Google值得稱頌的是不保守。它早已以發(fā)表學(xué)術(shù)論文的形式公開(kāi)其云計(jì)算三大法寶:GFS、MapReduce和BigTable，并在美國(guó)、中國(guó)等高校開(kāi)設(shè)如何進(jìn)行云計(jì)算編程的課程。IBM(2007)推出了“改變游戲規(guī)則”的“藍(lán)云”計(jì)算平臺(tái)，為客戶帶來(lái)即買(mǎi)即用的云計(jì)算平臺(tái)。微軟緊跟云計(jì)算步伐(2008)推出了WindowsAzure操作系統(tǒng)，通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)上打造新云計(jì)算平臺(tái)，讓W(xué)indows真正由PC延伸到Azure(藍(lán)天)上。Azure的底層是微軟全球基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，由遍布全球的第四代數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。目前，云計(jì)算的主要應(yīng)用有亞馬遜網(wǎng)站、谷歌公司、Salesforce和微軟公司。

　　6)賽伯物理系統(tǒng)(Cyberphysicalsystem，CPS)CPS在美國(guó)挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先－競(jìng)爭(zhēng)世界中居于8大關(guān)鍵信息技術(shù)之首。國(guó)內(nèi)譯作信息物理系統(tǒng)、智慧物理系統(tǒng)，并不統(tǒng)一，這里稱之為賽伯物理系統(tǒng)。賽伯同計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制有關(guān)，賽伯空間是信息化空間，顯然，賽伯是信息化帶來(lái)的新概念。歐洲CPS同義詞是總體工程(Ensembleengineer-ing)。CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C(Computation，Communication，Control)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái)，如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動(dòng)一樣，CPS將會(huì)改變?nèi)伺c物理世界的互動(dòng)。CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等功能。CPS典型特征有六:①其組件可自由地動(dòng)態(tài)加入和退出，能支持高度的柔性;②層次化，可滿足不同層次的服務(wù)質(zhì)量要求;③計(jì)算與物理成分融合，連續(xù)過(guò)程與離散事件交織，規(guī)模大小、時(shí)間跨度各異，系統(tǒng)通信和交互方式多變;④I/O取決于場(chǎng)景;⑤實(shí)現(xiàn)開(kāi)放控制(與物理系統(tǒng)多層次交互);⑥高度自動(dòng)、自治、協(xié)調(diào)、規(guī)�？勺儯�且具有聯(lián)邦式、分布式、開(kāi)放型、可重構(gòu)性及時(shí)空一致性。CPS并不排斥物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)該說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種簡(jiǎn)約應(yīng)用，或者說(shuō)，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無(wú)法進(jìn)行協(xié)同。清華大學(xué)自動(dòng)化系肖田元(2010)提出一種擴(kuò)展的HLA建模與仿真框架，該框架基于MDA實(shí)現(xiàn)CPS的建模，提出了兩類(lèi)新技術(shù)，一類(lèi)稱為資源管理聯(lián)邦技術(shù)，另一類(lèi)稱為互配RTI技術(shù)，將目前的HLA平面結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為多層結(jié)構(gòu)，從而支持多層多聯(lián)邦的協(xié)同并發(fā)運(yùn)行，以松耦合集成的方式實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、異構(gòu)CPS的設(shè)計(jì)、建模與仿真。

　　7)普適化仿真系統(tǒng)(Ubiquitoussimulationsystem)普適計(jì)算是MarkWeiser(1991)提出的關(guān)于未來(lái)計(jì)算模式的構(gòu)想，其目標(biāo)是使由計(jì)算和通信構(gòu)成的信息空間與人們生活的物理空間相融合的智能化空間，在這個(gè)智能化空間中人們可以隨時(shí)隨地透明地獲得計(jì)算和信息服務(wù)。普適化仿真技術(shù)將實(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間結(jié)合的一種新仿真模式，推動(dòng)現(xiàn)代建模仿真研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。普適化仿真就是緊密集成計(jì)算機(jī)硬軟件、通訊硬軟件、各類(lèi)傳感器、設(shè)備、模擬器，構(gòu)造使由計(jì)算和通信構(gòu)成的信息空間與人們生活的物理空間相結(jié)合的普適化空間(Ubiquitousspace)，并在其中融合普適計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)與Webservice技術(shù)，讓仿真進(jìn)入真實(shí)系統(tǒng)，無(wú)縫地嵌入到日常生活事物中。面向未來(lái)復(fù)雜、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)的普適計(jì)算環(huán)境，普適仿真系統(tǒng)應(yīng)具備四個(gè)基本特征:①普及:仿真資源無(wú)所不在;②隨時(shí)隨地:人們可以在工作、生活的現(xiàn)場(chǎng)就可以獲得仿真服務(wù)，而不需離開(kāi)這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)去端坐在一個(gè)專門(mén)的計(jì)算機(jī)面前;③自適應(yīng):仿真信息空間能以適合用戶的方式提供能適應(yīng)變化的計(jì)算環(huán)境的、連貫的仿真服務(wù);④透明:用戶獲得仿真服務(wù)時(shí)不需要花費(fèi)很多注意力，仿真服務(wù)的訪問(wèn)方式是十分自然的，甚至是用戶本身注意不到的，即所謂蘊(yùn)涵式的交互。從仿真網(wǎng)格體現(xiàn)出來(lái)的特性和優(yōu)勢(shì)來(lái)看，仿真網(wǎng)格不失為實(shí)現(xiàn)普適化仿真的一種很好的手段和技術(shù)途徑。首先，仿真網(wǎng)格借助于網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人們生活中的各種軟、硬件仿真資源的服務(wù)化，為用戶屏蔽了復(fù)雜、異構(gòu)的普適計(jì)算環(huán)境，使得仿真資源無(wú)所不在，解決了“普及”的問(wèn)題。其次，網(wǎng)格技術(shù)使得仿真應(yīng)用的終端延伸到了網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)角落，徹底擺脫了時(shí)間和空間的束縛，人們通過(guò)使用任何(有線無(wú)線、移動(dòng)固定的)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，就可以訪問(wèn)網(wǎng)格環(huán)境中的仿真資源和服務(wù)，滿足了對(duì)“隨時(shí)隨地”的需求。但是，動(dòng)態(tài)、復(fù)雜、異構(gòu)的普適仿真環(huán)境對(duì)仿真網(wǎng)格提出了更高的要求。首先，對(duì)于計(jì)算資源、用戶終端的移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)連接的不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制這些普適計(jì)算環(huán)境中常見(jiàn)的問(wèn)題，仿真網(wǎng)格還需要研究更好的解決策略。復(fù)雜而變化的普適計(jì)算環(huán)境對(duì)仿真網(wǎng)格的自適應(yīng)能力提出了更高的要求。其次，仿真網(wǎng)格仍然沒(méi)有擺脫“桌面計(jì)算模式”，即仿真信息空間和物理空間是隔離的。如果在仿真網(wǎng)格中引入普適計(jì)算技術(shù)，將很好的滿足普適仿真環(huán)境對(duì)仿真網(wǎng)格在移動(dòng)性、自適應(yīng)性、動(dòng)態(tài)容錯(cuò)性、人機(jī)交互模式上的新需求，使得仿真信息空間能以適合用戶的方式提供能適應(yīng)變化的仿真環(huán)境和連貫的仿真服務(wù)。結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)和普適計(jì)算技術(shù)的普適化仿真網(wǎng)格技術(shù)將成為網(wǎng)絡(luò)化建模仿真研究應(yīng)用關(guān)注的新焦點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)外都處于探討和起步階段。普適化仿真網(wǎng)格還存在很多有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。例如普適化仿真網(wǎng)格中的安全機(jī)制，與傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成，仿真任務(wù)的動(dòng)態(tài)管理，普適計(jì)算環(huán)境下仿真服務(wù)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，支持自適應(yīng)的仿真資源動(dòng)態(tài)配置，仿真服務(wù)的動(dòng)態(tài)組合調(diào)度，面向普適計(jì)算的仿真網(wǎng)格終端，蘊(yùn)含式人機(jī)交互模式和智能感知接口，普適化仿真網(wǎng)格的應(yīng)用模式等。隨著普適計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和仿真網(wǎng)格應(yīng)用規(guī)模、范圍的擴(kuò)展，普適化仿真網(wǎng)格的技術(shù)內(nèi)涵和外延也將得到進(jìn)一步的豐富和提升。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究的一種實(shí)驗(yàn)工具，直接關(guān)系到仿真質(zhì)量，需要把建立仿真系統(tǒng)當(dāng)作一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)認(rèn)真對(duì)待，并且在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)建立過(guò)程中密切關(guān)注高新技術(shù)與先進(jìn)管理相結(jié)合。只有這樣，才能克服建立仿真應(yīng)用的時(shí)間太長(zhǎng)、費(fèi)用太高的國(guó)際性問(wèn)題，也才能有利于仿真技術(shù)隨著時(shí)代前進(jìn)步伐持續(xù)發(fā)展。

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