仿真网格中协同建模网格服务研究及实现

第１３卷第９期计算机集成制造系统Ｖｏｌ．１３Ｎｏ．９２００７年９月ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＳｅｐ．２００７文章编号：１００６－５９１１（２００７）０９－１６８６－０４收稿日期：２００６－０７－１４；修订日期：２００７－０４－１９。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ１４Ｊｕｌｙ２００６；ａｃｃｅｐｔｅｄ１９Ａｐｒ．２００７．基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５７４０４８）。犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ＰｒｏｊｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．６０５７４０４８）．作者简介：李　妮（１９８０－），女，湖南衡阳人，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院讲师，博士，硕士生导师，主要从事仿真支撑平台技术、虚拟样机技术、分布交互仿真技术等的研究。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。仿真网格中协同建模网格服务研究及实现李　妮，郑宏涛，彭晓源，李伯虎（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京　１０００８３）摘　要：为了将建模／仿真／项目管理技术协同，集成地应用于复杂系统虚拟样机的全生命周期，给出了仿真网格原型系统体系结构。介绍了六类典型协同建模网格服务及其应用门户的实现方案及应用方式，实现了协同建模环境中计算资源、模型资源、数据资源的共享，以及多媒体研讨厅环境和二维／三维可视化功能的网格化集成，以此支持基于广域网的复杂产品虚拟样机协同设计过程。该原型系统已在有关项目中得到应用验证。关键词：仿真网格；协同建模网格服务；网络化集成；应用门户中图分类号：ＴＰ３９１．９　　　文献标识码：Ａ犆狅犾犾犪犫狅狉犪狋犻狏犲犿狅犱犲犾犻狀犵犵狉犻犱狊犲狉狏犻犮犲狊犻狀狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀犵狉犻犱犔犐犖犻，犣犎犈犖犌犎狅狀犵狋犪狅，犘犈犖犌犡犻犪狅狔狌犪狀，犔犐犅狅犺狌（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ＆ｐｒｏｊｅｃｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ（ＶＰ）ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｇｒｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｓｉｘｋｉｎｄｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇｇｒｉｄｓｅｒｖｉｃｅｓａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｒｔａｌｓｗｅｒｅｒｅａｌｉｚｅｄｓｏｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｍｏｄｅｌｒｅｓｏｕｒｃｅａｎｄｄａｔａｒｅｓｏｕｒｃｅｃｏｕｌｄｂｅｓｈａｒｅｄａｎｄｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａｗｏｒｋｓｈｏｐｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ／３ＤｉｍｅｎｓｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｗｅｒｅａｌｓｏｇｒｉｄｅｎａｂｌｅｄａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｏｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｄｕｃｔＶＰｉｎＷＡＮ．Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ；ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇｇｒｉｄｓｅｒｖｉｃｅ；ｇｒｉｄｅｎａｂｌｅｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｏｒｔａｌ０　引言网格是一个集成的资源与计算环境，是目前信息领域的研究热点。将网格技术与现代建模仿真技术相结合，构成“仿真网格”［１］，可以实现仿真联邦中各类资源，包括模型、计算、存储、数据、信息、知识资源，以及与应用相关的物理效应设备及仿真器等的安全共享与重用、协同互操作、优化调度运行，从而推动协同建模／仿真支撑环境的发展，并成为复杂系统建模与仿真的重要技术与工具。基于仿真网格技术，对原有的虚拟样机协同建模／仿真支撑平台进行扩展，实现原有建模工具和协同建模功能的网格化，能够基于广域网形成虚拟组织内的仿真资源共享，以标准的服务访问方式实现资源共享与集成，并采用基于Ｗｅｂ的仿真网格门户应用方式，通过浏览器方便地获取各种信息和资源。为了将建模／仿真／项目管理技术协同、集成地应用于复杂系统虚拟样机的全生命周期，笔者设计并构建了复杂系统虚拟样机协同建模／仿真支撑平台［２］，从而支持局域网内飞行器复杂产品分布式建第９期李　妮等：仿真网格中协同建模网格服务研究及实现模与仿真。本文实现了六类典型协同建模网格服务及其应用门户，包括并行计算／批作业处理网格服务、模型库管理网格服务、模型网格服务、网络多媒体研讨厅网格服务、仿真数据网格服务、二维／三维可视化网格服务，支持基于广域网的复杂产品虚拟样机协同设计过程。下面对仿真网格原型系统体系结构及六类协同建模网格服务的研究与实现进行详细阐述。１　仿真网格原型系统体系结构仿真网格原型系统体系结构如图１所示。其中，仿真资源层提供仿真网格服务动态调度使用的各类跨平台和异构资源；在底层的仿真资源之上是基于ＧＬＯＢＵＳ的跨平台、开放网格服务环境，提供仿真网格中间件运行所需的核心服务；运行时间框架（ＲｕｎＴｉｍｅＩｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＲＴＩ）／产品生命周期管理（ＰｒｏｄｕｃｔＬｉｆｅｃｙｃｌｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＰＬＭ）中间件层采用ＰＬＭ、可扩展高层体系结构（ＨｉｇｈｌｅｖｅｌＡｒｃｈｉｔｅｃｕｔｒｅ，ＨＬＡ）／ＲＴＩ，支持复杂产品异地、协同设计中的产品数据及生命周期管理，以及广域网内仿真系统的动态运行；仿真网格服务层实现遵从网格服务规范的仿真网格服务与网格化资源，提供面向协同建模／仿真／评估／可视化与管理等应用的各类核心服务；仿真网格服务管理层在各类仿真服务之上对仿真资源进行统一管理，支持仿真网格门户对服务的管理和应用；仿真网格门户层向仿真网格应用人员提供各类图形化仿真网格应用门户，支持分布、异地虚拟组织中的各类仿真网格应用人员安全、便捷地进行协同建模／仿真研究。构建仿真网格原型系统体系结构，重点在于仿真网格服务层的实现，即考虑如何在已有网格技术基础上将已有仿真资源网格化。所谓仿真资源的网格化，就是遵从开放网格服务架构（ＯｐｅｎＧｒｉｄＳｅｒｖｉｃｅｓＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＯＧＳＡ）规范，将仿真网格中的各种资源统一以服务的方式提供对外的服务访问接口，实现协同建模／仿真网格服务。根据开发运行机制的不同，复杂系统协同建模／仿真过程可以划分为协同设计和协同仿真两个阶段，因此仿真网格服务可以划分为协同建模网格服务和协同仿真网格服务。本文主要针对在协同设计阶段实时性要求不高的应用特点，对仿真网格服务层中的六类典型协同建模仿真服务进行研究和实现，基于网格技术，以仿真网格服务的形式支持计算、模型、数据等各类仿真资源的共享和协同研究。２　并行计算／批作业处理网格服务研究与实现　　在复杂系统协同设计过程中，涉及到大量的数据处理与计算，需要高性能计算能力的支持，如飞行器气动导数的解算、地形匹配及地形跟踪运算、模型组装与运行等。ＭＰＩＣＨＧ２是用于网格计算环境的消息传递接口（ＭｅｓｓａｇｅＰａｓｓｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＭＰＩ）实现，资源分配管理者（ＧｌｏｂｕｓＲｅｓｏｕｒｃｅＡｌｌｏｃａｔｉｏｎＭａｎａｇｅｒ，ＧＲＡＭ）完成网格环境下的一般批作业任务处理［３］。并行计算／批作业处理网格服务基于ＭＰＩＣＨＧ２实现ＭＰＩ并行程序在网格环境下的运行，基于ＧＲＡＭ完成网格环境下的一般批作业任务处理，为协同建模过程中的不同计算需求提供支撑。在ＪａｖａＣＯＧ（ｃｏｍｍｏｄｉｔｙｇｒｉｄｔｏｏｌｋｉｔ）［４］提供的应用程序接口（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＰＩ）基础上，屏蔽网格底层功能原理，开发、集成为ＡＳＴＧＲＩＤ软件包，提供安全管理、资源查询、数据传输和资源调度ＡＰＩ，作为实现并行计算／批作业处理网格服务的底层功能支撑。服务实现原理如图２所示，持有安全证书的用户通过基于Ｗｅｂ的计算门户提交任务请求，上传作业文件；服务调用ＡＳＴＧＲＩＤ软件包提供的各类ＡＰＩ查询当前网格环境中计算资源状况，将任务自动提交给满足用户要求的计算节点，并在计算完成后获取计算结果并显示在门户上。７８６１计算机集成制造系统第１３卷３　模型库管理网格服务研究与实现模型库系统是协同环境中实现模型管理、组装和运行的底层支撑，模型库管理系统对仿真系统中各种模型组件进行提取和管理，其核心是模型字典。模型字典包含模型库中所有模型的特征描述和存储信息，如模型的输入集合和输出集合、模型的功能描述、模型特征参数的存储信息等。将模型用各种数据项表示，从而实现对飞行器虚拟样机模型的索引、存储、管理及共享。基于Ｊａｖａ平台企业版（Ｊａｖａ２ｐｌａｔｆｏｒｍＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅＥｄｉｔｉｏｎ，Ｊ２ＥＥ）和Ｗｅｂ技术，采用浏览器／服务器（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，Ｂ／Ｓ）三层结构对模型库管理功能进行网格化。在网格安全机制的保证下，仿真网格用户通过浏览器在广域网内浏览、共享和管理仿真模型资源。底层的Ｏｒａｃｌｅ数据库中存储着模型字典和各类模型数据，业务逻辑层中封装数据库访问功能和模型创建、删除、修改，以及传递等模型库管理功能，具有访问权限的客户通过Ｗｅｂ应用门户（如图３），实现对动力学／三维模型的索引、添加、删除和修改等管理，并支持用户上传和下载模型。４　仿真模型网格服务研究与实现网格服务为基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的分布式组件生成与访问提供了合适的平台，基于Ｊａｖａ本地接口（ＪａｖａＮａｔｉｖｅＩｎｔｅｒｆａｃｅ，ＪＮＩ）技术重用已有的Ｃ／Ｃ＋＋编写的飞行器虚拟样机模型等仿真模型资源，作为仿真模型网格服务发布和共享。封装实现模型初始化、模型解算、数据库连接等网格服务接口。用户通过Ｗｅｂ应用门户（如图４）对虚拟样机模型进行访问与调用，在页面上设置和修改模型参数，查看和分析运行结果。对仿真模型网格服务及其门户实现的研究，为计算机生成兵力、综合自然环境等其他在ＶＣ环境下开发的已有仿真模型资源的网格化探索了通用的技术途径，为仿真模型资源的进一步服务化，以及共享与重用打下了基础。５　网络多媒体研讨厅网格服务研究与实现　　网络多媒体研讨厅体系将专家体系、机器体系和知识体系在虚拟工作空间中进行综合集成，以支持复杂产品设计、开发、试验和集成过程中的协同研究。基于实时传输协议（ＲｅａｌｔｉｍｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＲＴＰ）实现网络多媒体研讨厅服务，作为仿真网格中提供的服务资源，支持仿真网格用户通过基于Ｗｅｂ的门户（如图５），召开网络视频会议，支持协同研讨和虚拟会商。目前实现的多媒体研讨厅服务还只是给仿真网格用户提供了一个广域网仿真网格用户间视频、音频以８８６１第９期李　妮等：仿真网格中协同建模网格服务研究及实现及文本等多媒体信息的交互平台，要实现综合研讨厅机制还需要建立专家知识库，利用人工智能技术等对专家体系、知识体系进行综合集成，并提供一个统一的研讨厅应用门户，提供对仿真网格中各种模型资源、计算资源、存储资源、数据资源、信息资源和知识资源的调度与共享。６　仿真数据网格服务研究与实现仿真数据网格服务基于ＯＧＳＡＤＡＩ４．０［５］组件实现仿真网格中的数据整合和分布式查询处理等，并基于可扩展标记语言（ｅＸｔｅｎｓｉｂｌｅＭａｒｋｕｐＬａｎｇｕａｇｅ，ＸＭＬ）技术自动实现分布式数据的集成。仿真数据网格服务对各类异构数据库的访问原理如图６所示，用户根据应用的需求选择对应特定数据源的仿真网格数据服务工厂（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＧｒｉｄＤａｔａＳｅｒｖｉｃｅＦａｃｔｏｒｙ，ＳＧＤＳＦ），创建仿真网格数