面向CPS建模与仿真的扩展HLA框架

面向CPS建模与仿真的扩展HLA框架1

肖田元马成范文慧

清华大学自动化系国家CIMS中心，北京，100084

摘要信息物理融合系统（CPS）是一类将计算、通信与控制结合起来以构建实时系统的全新概念。本文分析了信息物理融合系统的特点以及对现有分布式建模与仿真技术的挑战，进而讨论并提出了一种扩展的HLA建模与仿真框架，该框架基于MDA实现CPS的建模，提出了两类新技术，一类称为资源管理联邦技术，另一类称为互配RTI技术，将目前的HLA的平面结构扩展为多层结构，从而支持多层多联邦的协同并发运行，以松耦合集成的方式实现大规模、异构CPS的设计、建模与仿真。

关键词信息物理融合系统（CPS），模型驱动的框架（MDA），扩展的高层体系结构，资源管理联邦，互配RTI

Extended HLA of Modeling&Simulation for Cyber Physical System

Tianyuan Xiao Cheng Ma Wenhui Fan

Department of Automation,Tsinghua University,Beijing,China,100084

Abstract

A cyber-physical system(CPS)is a system featuring a tight combination of,and coordination between,the system’s computational and physical elements.This paper presents problems and challenges of Cyber Physical Systems(CPS),and discusses and presents an extended HLA framework for Modeling& Simulation of CPS.The framework supports modeling based on MDA,and extends the planed architecture of standard HLA to multi-plane HLA with two new techniques,one is called as the Resource Management Federate,and other is called as Inter-adapted RTI.It can support the concurrent execution of multi-level simulation federates collaboratively,so it enables design,modeling and simulation of large-scale, heterogeneous CPS systems in loosely coupled manner.

Key Words Cyber Physical System(CPS),Model Driven Architecture(MDA),Extended HLA,Resource Management Federate,Inter-adapted RTI

1.引言

信息物理融合系统（CPS）是一类将计算（Computation）、通信（Communication）与控制（Control）结合起来以构建实时系统的全新概念[1]。通过3C的有机融合与深度协作，将若干系统，包括计算、通信、传感、致动等（其中的物理设备和计算设备分布范围很广且异构）构成一个系统，实现其实时感知、动态控制和信息服务。今天，在许多领域，如航天、汽车、化工、城市基础设施、健康护理、制造、交通、娱乐、消费市场等等，CPS的雏形均可见到[2]。

CPS将计算过程、通讯过程和物理过程融合，其典型的特征是：

（1）CPS的组件是灵活的，可自由地动态加入和退出，因此它要支持高度的柔性；

（2）CPS是分层的，它要满足不同层次的服务质量（QoS）要求。

（3）计算与物理成分融合，连续过程与离散事件交织，规模大小、时空跨度各异，系统通信和交

互方式多变；

（4）传统系统I/O是预定结构，CPS I/O取决于场景；

1本文受国家自然基金项目（60874066）和863计划项目（0912JJ0203-ZJ00-H-HZ-006-20091116）支持。（5）传统系统实现闭环控制，CPS实现开放控制（与物理系统多层次交互）；

（6）传统系统集中式处理、时间与空间分离，CPS 高度自动、自治、协调，规模可变，联邦式、

分布式、开放型、可重构性，时空一致性。

基于如上所述的CPS的特点，CPS建模与仿真框架必须具有如下能力

（1）支持异构应用CPS的应用通常是异构的，因此框架应能支持异构应用逻辑同步仿真。（2）各种物理系统建模环境物理系统建模应该支持数学表达式模型，还应该支持合作领域特殊

的物理建模描述。

（3）支持可伸缩性一个CPS的传感器和致动器可能少则几十个，多则几千个，框架应能支持不

同规模的CPS，而性能不会有太多的影响。（4）支持可移动性具有对移动性进行建模的能力（例如通信方式，位置变化引起信号强度的变

化等）。

（5）已有仿真工具的集成要求与现有仿真工具很方便的连接支持。

（6）软件重用框架应能支持软件重用，既可以使用代码生成技术（从而可使用专用基础设施），

也可以用链接库或可配置的部件。

（7）可用性图形化建模与仿真环境应能易于开发新的应用，根据需要，还可以支持3D建模。

显然，CPS建模与仿真环境应该是松耦合的分布

交互式框架。目前，国际上大多数支持分布式交互仿真的复杂系统框架，普遍是参照高层体系结构（High Level Architecture，HLA）来构建的。然而，

将HLA用于CPS时，在许多方面仍然存在着不足。

首先，如何由仿真模型构建联邦成员，HLA缺乏统一的开发框架，联邦成员代码的开发还需要做很

多的工作，开发效率不高，同时也影响了代码的独立性和可重用性。

为解决以上问题，一段时期以来，人们进行了许多努力，特别是基于MDA[3]的HLA得到不少研究。然而，大多数研究并未从HLA的体系结构角度加以改进。本质上，HLA联邦成员OMT必须在联邦启动之前配置完毕，不能动态地加入不同FOM的联邦，因此联邦成员级的模型重用仍然是一种静态重用。为了满足CPS系统异构性以及对现有软件、仿真工具等的重用，本文首先给出了一种基于元模型的模型驱动架构（Model Driven Architecture，MDA），以解决仿真模型级的动态重用和跨平台的问题。

CPS具有多层次、多尺度的结构特点，然而，现有HLA联邦成员均是平等的，是一种平面结构。这种平面结构无法实现多层联邦的并发与协同运行，难以适应CPS要求。本文提出了一种多层、多联邦的HLA体系架构；首先引入了“资源管理联邦”的概念，实现了仿真联邦的OMT在HLA内部动态配置，从而在FOM层面上实现联邦成员级的动态配置和重用。继而，提出了一种多RTI互配技术，实现多层联邦并发协同运行，以满足CPS多层次、多尺度的要求。

最后，参考HLA/RTI/web service标准和OGSI，提出了一种面向CPS建模与仿真的联邦集成体系结构(Federate Integration Architecture,FIA)及其联邦运行支撑环境（Federate Executive Infrastructure,FEI）。

2MDA应用于HLA

2.1MDA架构

一般MDA[4]：

2.3PSM模型向代码层转换

将MDA的软件开发思想引入HLA协同仿真架构时，联邦成员代码的自动生成问题就转化为了MDA 软件开发框架中PSM层模型向代码层自动转化的问题。

国内外对各种联邦成员代码的自动生成工具进行许多研究，但是，这些工具对联邦开发采用的是基于成员级的开发模式，以实现针对一个特定的FOM，联邦成员可以实现动态插拔，但是面对基于不同仿真应用搭建的不同的联邦，无法在同FOM间灵活切换，因此很难实现在不同的联邦中重用和互操作[6,7,8]。

在应用MDA的思想进行HLA协同仿真系统的模型描述和变换时，最重要的是平台无关模型PIM和平台相关模型PSM以及它们之间的映射。

当HLA作为仿真集成的中间件向PSM映射时，在进行联邦成员划分的基础上可将PSM层模型分为联邦成员的仿真逻辑模型和联邦成员用于交互的集成功能模型。分别可从上层PIM映射而来。联邦成员的仿真逻辑模型可以用UML的类视图表示，而集成模型可由HLA对象模型模板（OMT）中的成员对象模型SOM描述和联邦对象模型FOM组成和UML 的类视图表示的对象交互类组成。PIM层由联邦成员PIM和联邦成员交互关系组成，可以用UML功能视图来描述。

本文针对HLA仿真领域提出一种联邦成员软件开发框架如图2.4所示，支持PSM层仿真模型到联邦

成员代码的自动生成。

图2.4基于MDA的HLA仿真系统开发框架

在一个完整的联邦成员中，通常包含两大部分代

码，即实现成员仿真模型和仿真需要的代码和与RIT

进行信息交互的一些接口服务的代码。前面一部分

跟模型密切相关，因模型仿真需要运行的传统仿真

软件的不同而千差万别，后一部分代码需要实现的

功能比较固定，可以封装到联邦成员软件开发框架

中。因此我们将模型与联邦成员中的固定功能部分

分离，联邦成员中的模型部分以独立模块的形式存

在，模型与联邦成员中的SOM定义采用动态映射，

这样就可以实现模型在联邦成员框架结构的即插即

用。

基于这种框架结构开发的联邦成员可以摆脱特

定的SOM信息的约束，从而实现联邦成员在不同联

联邦成员自动生成框架实现架构

与现有的联邦成员开发模式相比较，新的联邦成

员软件开发框架给联邦成员开发者在开发联邦成员

时带来了以下优点：

●联邦成员的用户模型可以以独立的模块存在，

由仿真模型开发人员进行开发和调试，仿真开

发人员不必了解RTI技术细节，联邦成员开发

人员也不必关心仿真领域模型信息。

●RTI接口功能模块的实现只与仿真软件相关，

与模型的实现细节和仿真应用目的无关，不会

随着模型和SOM信息的变化而变化，提高了

代码的重用性；

●不同的联邦成员可以由不同功能的模型等模

块组合构成，而这些模型本身在这些联邦成员

中可以实现即插即用，极大提高了模型的利用

率。

生成平台相关模型PSM之后，便要将模型映射成

代码。代码的映射主要是联邦成员层PSM向联邦成

员代码的映射，也分别由仿真功能UML、集成功能

UML和SOM向代码映射，生成联邦成员逻辑代码、

HLA集成代码。最后在联邦成员的基础上进行仿真集

成和测试。

3HLA多层架构

3.1资源管理联邦

现有HLA的联邦成员很难实现在不同的联邦中

重用和互操作，主要原因是联邦成员受到特定的

SOM信息的约束和联邦成员中的用户模型是以硬编

码形式存在。为了能够提高仿真模型的重用性，需

要将SOM信息同仿真模型相分离，通过在根据仿真

任务构建一个仿真联邦时，动态的配置SOM和

FOM。

本文提出了“资源管理联邦”的概念，其基本思

想是：每一个加入到协同仿真中的计算机(节点)上都

运行着一个代表该节点的资源管理联邦程序，将各

节点的资源设置为“资源管理联邦”成员，并由该

资源管理联邦程序负责管理本地的模型等仿真资

源。资源管理联邦的结构如图3.1所示。

图3.1资源管理联邦

基于资源管理联邦，用户可以建立仿真应用联邦。在平台的运行期，资源管理联邦始终存在，所有的仿真应用联邦都在它的控制下创建并运行的，这就改变原来HLA联邦之间的平面关系，使资源管理联邦和仿真应用联邦之间构成层次联邦结构，通过“资源管理联邦”在HLA的内部动态配置仿真联邦的OMT，从而实现已有的异地异构仿真模型的共享和维护，以及仿真应用联邦的动态生成。那些处于活动状态的仿真应用联邦形成“仿真应用联邦池”。

资源管理联邦管理的不是与平台实现技术密切相关的联邦成员代码，而是与PIM层的仿真模型具有紧密映射关系的元模型，包括仿真模型的元建模语言描述，以及CIM层的模型间交互关系的概念模型，这部分可以由用户来指定生成。HLA的SOM和FOM等处在MDA的PSM层。通过这种方法自然的将仿真模型同FOM、SOM信息相分离。SOM和FOM信息，乃至仿真成员程序，都可以在资源管理联邦的管理调度和控制下动态的生成，从原来的联邦成员级的重用，改变为仿真模型级重用。同时，实现了针对不同的用户需求和不同的仿真应用目的，实现联邦快速、灵活地组合和重配置，保证了联邦成员的互操作性和重用性。

3.2元模型向联邦成员的映射

MDA实现领域仿真模型和元模型互相转化，考虑资源管理联邦中管理的是仿真模型的元模型。通过元模型进行SOM和FOM的动态映射是很方便的，其具体过程如图3.2所示。

一次具体的仿真任务建立过程如下：

（1）根据仿真应用目的，选择需要进行协同仿真的元模型；

（2）通过可视化界面由用户建立概念语义层面的模型映射关系；

（3）根据映射关系决定了元模型中的输入输出变量；

（4）对于元建模得到的元模型，将其转化为可以

在仿真软件中运行的领域仿真模型，对于由

领域仿真模型转化得来的元模型，根据对应

关系，映射到原始的领域仿真模型上；（5）由语义层面的元模型和概念映射关系，可以动态生成模型仿真逻辑功能视图UML和模型

间交互关系UML，再通过SOM表和FOM表；（6）通过PIM层到PSM层的自动映射规则生成联邦成员的仿真功能类和集成功能类，以及

SOM表和FOM表；

（7）由FOM表自动生成FED文件；

（8）由SOM表自动生成仿真模型对象类交互类代码；

（9）由联邦成员自动生成框架生成满足HLA规范的联邦成员；

（10）在资源管理联邦的控制下，联邦成员创建联邦、加入联邦并启动一次仿真。

图3.2元模型向联邦成员的动态映射

由于CPS各个联邦对实时性的要求不同，需要按照不同的频带组织多层联邦结构，即比较快的系统用局域网，形成了最下层联邦，较慢的形成了中层联邦，最慢的形成上层联邦,在逻辑上是一个大联邦。

资源管理联邦统一管理CPS系统的联邦成员加入到哪一频带（联邦结构的哪一层），以及运行过程中根据需要在不同频带之间转换。以支持对元模型的管理和基于元模型的仿真应用联邦的动态组合和FOM信息的动态配置，实现基于元模型的资源重用与共享。

3.3多层RTI互配技术

资源管理联邦技术为仿真模型级重用提供了支持，以实现联邦快速、灵活地组合和重配置，但未能解决CPS多联邦并发协同运行需求。

CPS的多联邦的特征是：①每个联邦是可独立运行的，但同时需要与其它联邦进行交互以达到协同工作；②CPS的多个联邦是分层的，即具有层次结构。也就是说，支持CPS联邦运行的RTI应具有层次结构；③CPS联邦间的协同既可能发生同一层次，更有上下层之间的协同，因此支持CPS联邦运行的不同层次RTI不但能独立运行，而且能实现协同。

本文研究提出一种多层RTI互配技术，以满足CPS多层联邦协同的要求，其基本思想，简单说来是CPS不同联邦RTI之间的协同基于网关技术来实现。每个RTI通过其服务器实现联邦成员的协同运

行。下层的联邦逻辑上作为其上层联邦的一个成员参与上层联邦的运行。由于分属不同的RTI ，需要一个协调器实现其时间、逻辑、数据的协调，其结构如图3.3

。

图3.3两层RTI 并发协调器

基于网关技术的RTI 协调器采用分层式的管理，分布式数据发送，起到消息路由的作用。在每个RTI 协调器上实际上运行了两类进程：联邦服务进程和RTI 服务进程。联邦服务进程(联邦服务器)类似于分布式系统中的名字服务器，是一个运行在局域网网关上的众所周知的进程。与名字服务器的不同点是它不仅能够查询与某个名字相关联的进程的地址，还可以在查不到该名字的情况下派生出相应的进程，即它的功能是创建、查询和删除联邦。各个联邦的服务器通过TCP 全相连。当某联邦成员(实际上是管理联邦成员)创建一个新的联邦时，所有涉及到的局域网上的联邦服务器都要启动一个名为网关(Gateway)的RTI 服务进程，为这个联邦提供服务。

4.扩展HLA 的实现

标准的HLA 并不提供建模环境，也无法实现两层架构的联邦管理。本文参考HLA/RTI/web service 标准和OGSI ，提出了基于MDA 的扩展HLA/RTI 的联邦集成体系结构FIA 及其联邦运行支撑环境FEI 。

FIA 是多级联邦架构(参见图4.1)，即系统联邦与应用联邦。系统联邦即资源管理联邦，提供符合MDA 建模框架的建模环境，并将用户模型转换为符合HLA 标准的联邦成员模型。

图4.1FIA 架构

系统联邦服务于整个建模/仿真过程，组织仿真所要用到的所有资源，为资源的跨平台扫清门户上的障碍。

应用联邦基于资源管理联邦提供的符合HLA 标准的联邦成员模型构建的，整个架构可运行多层应用联邦，由应用联邦池进行管理。

为实现上述要求，本文研究了支持FIA 的联邦执行支撑环境FEI ，以管理系统联邦中各进程，包括：FEI 接口管理、联邦应用管理、系统OMT 管理、对象管理、声明管理、联邦用户管理等，其功能如图4.2所示。

图4.2FEI 实现架构

FEI 采用逻辑、视图、数据的三元结构，将应用逻辑、用户视图和后台数据合理分离同时又保证它们之间的畅通交流。

联邦集成框架FIA 扩展了目前流行的HLA/RTI 的功能，基于资源管理联邦实现仿真模型的统一管理、动态共享。FEI 提供通用的、相对独立的支撑服务程序，将平台应用同底层的支撑环境分开，隐蔽了各自的实现细节，从而使各部分可以相对独立地进行开发，并能充分利用各自领域的先进技术。

5.结论

本文讨论了CPS 建模与仿真的问题与挑战，首

先CPS 异构性更突出，将MDA 思想和方法引入到HLA 建模中来，给出了MDA 和HLA 融合的途径，实现了模型到联邦成员的快速构建。文章基于UML 给出PIM 模型层和PSM 模型层的表示定义；基于XML 技术研究PIM 到PSM 层的转换，给出映射规则，并开发相应的转换工具。给出了将SOM 信息分离的联邦成员框架，实现了SOM 信息与联邦成员对象交互类代码的动态映射，同时支持仿真模型的即插即用，为PSM 层模型到联邦成员代码的快速开发提供技术支持。

本文的第二方面的贡献是提出了面向CPS 的一种多层、多联邦HLA 体系结构，突破现有平面结构，提出了资源管理联邦的思想，由资源管理联邦统一管理CPS系统的联邦成员加入到联邦结构的哪一层，以及运行过程中根据需要在不同频带之间转换。

本文的第三方面贡献是研究提出了一种基于网关技术的多层RTI 互配技术，以满足CPS

多层联邦协

同的要求。每个RTI通过其服务器实现联邦成员的协同运行。下层的联邦逻辑上作为其上层联邦的一个成员参与上层联邦的运行。每个RTI协调器上实际上运行了两类进程：联邦服务进程和RTI服务进程。采用分层式的管理，分布式数据发送，起到消息路由的作用,实现分属不同的RTI的时间、逻辑、数据的协调。

最后，本文参考HLA/RTI/web service标准和OGSI，提出了基于MDA的扩展HLA/RTI的联邦集成体系结构FIA及其联邦运行支撑环境FEI，是一种面向CPS的基于MDA的建模与仿真体系结构，解决了现有HLA体系结构满足不了CPS实时性、可扩展性、异构性要求的问题。

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面向CPS建模与仿真的扩展HLA框架

作者：肖田元， 马成， 范文慧

作者单位：清华大学自动化系国家CIMS中心,北京,100084

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