基于DEVS的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

1、一種基于DEVS的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究摘要提出并討論了一種基于DEVS形式理論的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型。該模型較好地克服了傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中因?qū)嶓w缺乏統(tǒng)一的形式化標(biāo)準(zhǔn)而致使的可重用性差，互操作性差，難以適應(yīng)跨平臺(tái)和散布式應(yīng)用需求的困難。關(guān)鍵詞離散事件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；虛擬實(shí)體；Java3D；0引言虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)體模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。連年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出多種專(zhuān)門(mén)好的實(shí)體模型1-2,成功地成立自己的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如芝加哥伊利諾伊大學(xué)的虛擬有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，新墨西哥州大學(xué)自動(dòng)操縱工程中心的V-Lab系統(tǒng)，中國(guó)科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。但這些系統(tǒng)都是針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，采納不同

2、的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，難以適應(yīng)跨平臺(tái)和散布式應(yīng)用的需求，其虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備也缺乏統(tǒng)一的形式化描述，虛擬設(shè)備間的可重用性和互操作性差，難以構(gòu)建開(kāi)放的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。解決上述問(wèn)題方式目前要緊有兩種:一種是利用人工智能的理論和方式構(gòu)建結(jié)構(gòu)化、智能化的實(shí)體模型，如基于Agent的實(shí)體模型3,4；另一種是研究和成立虛擬實(shí)驗(yàn)的通用標(biāo)準(zhǔn)5。但目前面向Agent的軟件.匚程(Agent-OrientedSoftwareEngineering,AOSE)方式還不完善，缺乏成熟穩(wěn)固的Agent系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)6,因此軟件開(kāi)發(fā)難度大,Agent系統(tǒng)的穩(wěn)固性也有待商議，而對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化的研究目前也處于探討時(shí)期，標(biāo)準(zhǔn)的完善

3、和普遍認(rèn)同還需要很長(zhǎng)時(shí)刻，為此，木文提出了一種基于DEVS(DiscreteEVentSystemSpecifications,DEVS)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，從而較好地解決了上述問(wèn)題。1DEVS形式理論DEVS是美國(guó)學(xué)者BernardP.Zeigler提出的一種離散事件系統(tǒng)形式化描述模型7。它將每一個(gè)子系統(tǒng)都看做是一個(gè)具有獨(dú)立內(nèi)部結(jié)構(gòu)和I/O接口的大體功能模塊，負(fù)責(zé)描述離散事件系統(tǒng)的自治行為，包括系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換、外部輸入事件響應(yīng)和系統(tǒng)輸出等，稱(chēng)為DEVS原子模型(atomicDEVS)。DEVS原子模型通?？捎靡粋€(gè)七元組描述8：其中，X是輸入集；Y是輸出集；S是系統(tǒng)的有序狀態(tài)集；ta為時(shí)刻推動(dòng)函

4、數(shù)，表示在沒(méi)有外部事件輸入時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)維持為s的時(shí)刻，表示靜止?fàn)顟B(tài)，ta(s)=0為瞬時(shí)態(tài)，表示不消耗時(shí)刻的即時(shí)運(yùn)算，該狀態(tài)的運(yùn)行中不推動(dòng)仿真時(shí)鐘；是atomicDEVS的全狀態(tài)集，其中e表示系統(tǒng)在狀態(tài)s停留的時(shí)刻；為內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，假設(shè)無(wú)外部事件輸入,系統(tǒng)經(jīng)ta(s)時(shí)刻后自動(dòng)將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到，同時(shí)將e置0；為外部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，假設(shè)有外部事件輸入，系統(tǒng)當(dāng)即轉(zhuǎn)到狀態(tài)，并將e置0;為輸出函數(shù)，輸出在系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生，狀態(tài)轉(zhuǎn)移前的狀態(tài)s用于產(chǎn)生輸出，其它非內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)不產(chǎn)生輸出。DEVS耦合模型(coupledDEVS)由多個(gè)DEVS原子模型通過(guò)必然的連接規(guī)那么組成，它能夠作為更大的子系統(tǒng)的原

5、子模型利用，從而形成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模型的層次模塊化描述。DEVS耦合模型的結(jié)構(gòu)描述如下：其中，M是耦合模型的成員集，每一個(gè)M都是原子DEVS；EIC為外部輸入耦合關(guān)系，從耦合模型的輸入端連接到內(nèi)部成員的輸入端；EOC為外部輸出耦合關(guān)系，從內(nèi)部成員的輸出端連接到耦合模型的輸出端;IC為內(nèi)部耦合關(guān)系，從內(nèi)部成員的輸出端連接到其它成員的輸入端；SELECT為選擇函數(shù)，當(dāng)耦合模型中的多個(gè)成員同時(shí)發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)，選擇優(yōu)先級(jí)最高的成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移作為耦合模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。在DEVS中，模型的功能執(zhí)行通過(guò)抽象仿真器實(shí)現(xiàn)，抽象仿真器是一種算法描述，用以說(shuō)明如何將指令隱含地傳給模型以產(chǎn)生模型的行為,負(fù)責(zé)收發(fā)消息，挪用模

6、型的轉(zhuǎn)移函數(shù)，修改本地的仿真時(shí)鐘。抽象仿真器與模型之間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。2虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的DEVS形式化模型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)體的DEVS模型虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(VirtualExperimentSystem,VES)中的實(shí)體可分為虛擬器件(VirtualInstrument,VI)和虛擬場(chǎng)景(VirtualScenes,VS)兩類(lèi)12：虛擬器件(VE)是虛擬實(shí)驗(yàn)中所用的儀器設(shè)備，具有獨(dú)立的信號(hào)輸入、輸出接口和信號(hào)處置功能，有獨(dú)立的三維圖像屬性、物理化學(xué)特性和操作規(guī)那么，能及時(shí)響應(yīng)外部事件，接收外部信息，在仿真時(shí)鐘的推動(dòng)下獨(dú)立工作。不失一樣性，基于DEVS形式理論，給出圖1所示的虛擬器件的DEVS結(jié)構(gòu)模型

7、，其形式化描述如下：圖1虛擬器件的DEVS結(jié)構(gòu)模型其中，X為信號(hào)輸入集；t為仿真時(shí)鐘；S為抽象仿真器，是虛擬器件的核心，由物理模型抽象而成的一種算法描述，S在仿真時(shí)鐘的推動(dòng)下，接收信號(hào)，響應(yīng)事件，完成仿真運(yùn)算，產(chǎn)生仿真輸出，操縱系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變;Y為信號(hào)輸出集，；P為物理模型(PhysicalModel),概念虛擬器件的物理化學(xué)特性，是成立抽象仿真器的基礎(chǔ)；0為交互模型(OperationalModel),概念虛擬器件與外界交互的規(guī)那么和方式，產(chǎn)生交互事件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；為內(nèi)部反饋信號(hào)，在內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)產(chǎn)生，其反饋模式由物理模型描述；G為三維圖像模型(GraphicalModel),采納三維圖像

8、仿真虛擬器件的外觀特性及其轉(zhuǎn)變規(guī)那么，產(chǎn)生交互效應(yīng)，其轉(zhuǎn)變域由輸出接口操縱；輸入接口負(fù)責(zé)完成外界輸入信號(hào)(X)、交互事件(0)和內(nèi)部狀態(tài)反饋信號(hào)的預(yù)處置，包括事件響應(yīng)和信號(hào)變換；輸出接口接收S的運(yùn)算結(jié)果，產(chǎn)生、Y和圖像模型轉(zhuǎn)變的操縱信號(hào)。交互模型與圖像模型之間通過(guò)輸入輸出接話(huà)柄現(xiàn)虛通信。集合X和集合Y可用如下格式描述：虛擬場(chǎng)景(VS)是對(duì)特定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的仿真，其要緊功能有：為實(shí)驗(yàn)提供可操作的三維虛擬環(huán)境圖像模型和交互模型，描述實(shí)驗(yàn)原理(Principle)及數(shù)據(jù)分析方式(Analysis),成立實(shí)驗(yàn)操作步驟(Step)和決策操縱(Decision),確信各虛擬器件間的關(guān)聯(lián)規(guī)那么(Relation

9、),進(jìn)而成立虛擬場(chǎng)景的抽象仿真器以提供對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操縱。虛擬場(chǎng)景的DEVS結(jié)構(gòu)模型與虛擬器件相同，其形式化描述為：虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的DEVS結(jié)構(gòu)化模型基于上述分析，咱們成立了圖2所示的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的DEVS結(jié)構(gòu)化模型。整個(gè)系統(tǒng)能夠看做由多個(gè)DEVS原子模型組成的DEVS復(fù)合模型。虛擬場(chǎng)景通過(guò)輸入輸出接口與虛擬器件互換信息，操縱虛擬器件的運(yùn)行，虛擬器件之間也通過(guò)輸入輸出接口成立關(guān)聯(lián)。抽象仿真器是真實(shí)實(shí)驗(yàn)原理和操作規(guī)那么的算法描述，通過(guò)輸入接口感知交互事件，接收與之關(guān)聯(lián)的虛擬器件和虛擬場(chǎng)景的信息輸入，仿真真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的信息變換，操縱圖像模型的轉(zhuǎn)變以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，用戶(hù)通過(guò)圖形用

10、戶(hù)界面(GraphicalUserInterfaces,GUI)與系統(tǒng)交互，交互信息由交互模型接收處置，產(chǎn)生交互事件。虛擬場(chǎng)景和虛擬器件都擁有獨(dú)立的仿真時(shí)鐘，整個(gè)系統(tǒng)的同步通過(guò)輸入輸出接口之間的信息互換實(shí)現(xiàn)，沒(méi)必要設(shè)置全局同步時(shí)鐘，這有利于散布式模式的實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的和諧機(jī)制作為一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其圖像模型、物理模型、交互模型、抽象仿真器和接口之間是緊密結(jié)合，和諧工作的。當(dāng)交互模型同意用戶(hù)操作后，交互事件一方面直接傳給圖像模型以操縱其手動(dòng)部件模擬相應(yīng)的交互操作，另一方面由輸入接口傳給抽象仿真器，抽象仿真器依據(jù)所給定的操作參數(shù)和物理模型的約束條件進(jìn)行仿真運(yùn)算并將結(jié)果傳給輸出接口，信號(hào)經(jīng)

11、輸出接口后分為三路：一路直接傳給本模塊的圖像模型的自動(dòng)部件產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；一路按特定的反饋模式反饋回輸入接口；一路傳給與之邏輯連接的其它虛擬器件的抽象仿真器進(jìn)行處置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真。其工作流程如圖3。3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠹夹g(shù)是目前開(kāi)發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)最靠得住而有效的解決方式，對(duì)象是現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)體的模型，它集數(shù)據(jù)抽象、類(lèi)繼承、消息傳遞、事件觸發(fā)為一體，有良好的可重用性、擴(kuò)展性和交互能力。一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一個(gè)虛擬場(chǎng)景和多個(gè)虛擬器件組成，虛擬場(chǎng)景和虛擬器件是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，因此，虛擬演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)超級(jí)適合采納而向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。利用面向?qū)ο蠓绞綄?duì)虛擬場(chǎng)景和虛擬器件實(shí)現(xiàn)模塊化,用數(shù)值模型成立實(shí)驗(yàn)原理、

12、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)操作及虛擬器件的物理模型、接口模型及交互模型等功能實(shí)體的數(shù)學(xué)關(guān)系，用VRML實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景和虛擬器件的三維實(shí)體仿真，用JAVA3D編程實(shí)現(xiàn)其操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的仿真，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)實(shí)時(shí)交互。圖4展現(xiàn)了用VRML和JAVA3D實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)系仿真模型。圖4VRML和JAVA3D實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)系仿真模型4終止語(yǔ)本文提出了一種基于DEVS形式理論和面向?qū)ο蠓绞綄W(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的形式化模型，討論了該模型的Java3D的建模實(shí)現(xiàn)方案及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。該模型具有層次化、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，較好地解決了傳統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)中虛擬設(shè)備可重用性差，難以構(gòu)建開(kāi)放的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的缺點(diǎn)。但就模型及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)而言，虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)

13、體的通信、同步和靠得住性問(wèn)題、環(huán)境轉(zhuǎn)變的自適應(yīng)問(wèn)題、意外故障處置等還需要做進(jìn)一步的深切研究。參考文獻(xiàn)1 AlyI.El-Osery,JohnBurge,AntonySaba.V-Lab-AVirtualLaboratoryforAutonomousAgents-SLABasedControllersJ.IEEETransactionsonSystems,ManandCybernetics,2002,32(6)2 HuoJQ,WangXP.thecomputersimulationexperimentssystemanditspracticeincollegephysicseducatoinC.

14、ProceedingsofInternationalConferenceonNewtechnologyinPhysicsEducation,1998,10：19-233 MichaelDuarte，Brianvirtuallaboratoryforthedisabled).InternationalConferenceonEngineeringEducation,August6T0,2001,Oslo,Norway4 RuiminShen,LipingShen,DazhengWang.AnAgent-basedmodelofVirtualExperimentJ.ProceedingsoftheInternationalConferenceonComputersinEducation,ICCE,20025 范新偉，申瑞民，申麗萍,虛擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化的研究和解決方案J.運(yùn)算機(jī)仿真，2005,22(1)6 毛新軍，常志明等.面向Ag