云仿真中的協(xié)同仿真支撐系統(tǒng)研究

云仿真中的協(xié)同仿真支撐系統(tǒng)研究

0云仿真的主要目標(biāo)云制造是一種基于網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的智能制造新模式。其模式和相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用將促進(jìn)中國(guó)制造業(yè)從“產(chǎn)品與服務(wù)”向“產(chǎn)品與服務(wù)”的轉(zhuǎn)變。加快中國(guó)制造業(yè)信息向便捷化、服務(wù)化、協(xié)調(diào)化、綠色化、智能化等方向的發(fā)展，提高制造企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)品制造全生命周期的各類(lèi)活動(dòng)中,仿真一直是不可缺少的技術(shù)與工具,云制造對(duì)仿真提出了新的需求,即實(shí)現(xiàn)云仿真新模式。(1)敏捷化云制造環(huán)境下產(chǎn)品的研發(fā)周期大大縮短,要求規(guī)模龐大的仿真運(yùn)行環(huán)境和仿真驗(yàn)證系統(tǒng)可以被快速部署和靈活構(gòu)建。(2)服務(wù)化在當(dāng)今盛行的按需租用服務(wù)模式影響下,為節(jié)省成本并降低投資風(fēng)險(xiǎn),散在個(gè)體或者中小企業(yè)對(duì)按需獲取仿真服務(wù)以支持制造全生命周期各階段活動(dòng)的需求大大增加。(3)綠色化面對(duì)大量制造用戶(hù)同時(shí)在線使用仿真服務(wù)的需求,仿真支撐平臺(tái)/系統(tǒng)必須支持對(duì)分散和集中的各類(lèi)仿真資源的優(yōu)化管理、共享和經(jīng)營(yíng),以降低能耗,提高資源利用率,實(shí)現(xiàn)資源增效。(4)虛擬化為便于對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一管控,需要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)仿真資源的虛擬化封裝和抽象,以屏蔽各類(lèi)仿真資源的地域分散、形態(tài)不同等異構(gòu)性。(5)協(xié)同化云制造環(huán)境下被仿真系統(tǒng)(如復(fù)雜產(chǎn)品、生產(chǎn)線等)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)日益擴(kuò)大和復(fù)雜,迫切需要多用戶(hù)獲取持續(xù)穩(wěn)定的仿真服務(wù)來(lái)協(xié)作完成仿真任務(wù)。(6)智能化云制造中的仿真應(yīng)用變得愈加復(fù)雜,需要仿真支撐平臺(tái)/系統(tǒng)能夠智能地獲取用戶(hù)的需求和組織仿真服務(wù),讓用戶(hù)可以專(zhuān)注于解決制造任務(wù)空間的問(wèn)題。云仿真將各類(lèi)仿真資源服務(wù)化/虛擬化后封裝成服務(wù)云池,并進(jìn)行統(tǒng)一、集中高效的管理和經(jīng)營(yíng),實(shí)現(xiàn)了仿真資源的快速部署和虛擬化協(xié)同仿真環(huán)境的智能、靈活構(gòu)建,能夠充分支持多用戶(hù)隨時(shí)隨地按需獲取仿真服務(wù),增強(qiáng)了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化建模仿真方法的能力。因此,云仿真作為云制造典型應(yīng)用的關(guān)鍵支撐技術(shù)和云制造中仿真即服務(wù)(SimulationasaService,SimaaS)的使能技術(shù),為滿足前述云制造對(duì)仿真的新需求提供了思路和方法。基于云制造技術(shù)的特點(diǎn),為適應(yīng)其對(duì)云仿真的“六化”需求,結(jié)合新興信息技術(shù)如云計(jì)算、虛擬化、物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)化等,本文在深入研究云仿真、協(xié)同仿真的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)化文獻(xiàn)中的云仿真體系結(jié)構(gòu)框架,研究提出云仿真環(huán)境下的協(xié)同仿真支撐系統(tǒng)框架,特別是核心功能層所需包含的核心服務(wù),以及協(xié)同仿真應(yīng)用過(guò)程(AppliciationProcessofCollaborativeSimulation,APCS)模型。1云仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由于云仿真系統(tǒng)為云制造的重要組成部分,且是云制造環(huán)境中協(xié)同仿真的直接使能系統(tǒng),本章將圍繞云仿真系統(tǒng)中的協(xié)同仿真來(lái)論述,并不考慮云仿真能力要素。云仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)框架由資源層、云仿真平臺(tái)層和服務(wù)應(yīng)用層組成。結(jié)合云制造中復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和裝備、多任務(wù)生產(chǎn)管理、協(xié)同開(kāi)發(fā)過(guò)程和多渠道供應(yīng)鏈等方面的協(xié)同仿真應(yīng)用需求,將云仿真系統(tǒng)的體系框架進(jìn)一步具體化,特別是從邏輯視圖上細(xì)化給出協(xié)同仿真核心服務(wù),如圖1所示。圖中主要包括用戶(hù)界面、協(xié)同仿真核心服務(wù)和云仿真資源池等,其余部分請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)。(1)界面接口云仿真用戶(hù)界面提供用戶(hù)使用各種仿真服務(wù)的入口,支持基于瀏覽器形式的仿真活動(dòng),例如用戶(hù)可以通過(guò)用戶(hù)界面提交仿真任務(wù)并獲取仿真結(jié)果。(2)模型仿真服務(wù)系統(tǒng)建模服務(wù)能夠提供給用戶(hù)系統(tǒng)頂層建模服務(wù)和專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域子系統(tǒng)建模服務(wù)。前者支持將復(fù)雜的多學(xué)科耦合系統(tǒng)劃分為各個(gè)子系統(tǒng),建立由元素模型、成員模型及成員模型之間交互信息模型組成的頂層系統(tǒng)模型;后者支持利用各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的商用軟件建立領(lǐng)域子系統(tǒng)的模型。仿真描述解析服務(wù)能夠從配置文件中自動(dòng)解析并獲取協(xié)同仿真任務(wù)中各個(gè)成員模型運(yùn)行環(huán)境的語(yǔ)義描述信息,為仿真資源的組織服務(wù)提供所需資源的屬性及配置信息。語(yǔ)義本體服務(wù)包括定義仿真領(lǐng)域的概念、建立概念分類(lèi)與關(guān)系等服務(wù),用于面向語(yǔ)義的資源檢索和不同領(lǐng)域之間仿真數(shù)據(jù)、模型與知識(shí)的交換、共享和復(fù)用。仿真資源組織服務(wù)用于組織用戶(hù)所需的仿真資源,構(gòu)建仿真系統(tǒng)。仿真資源有不同的形態(tài)(虛擬化、服務(wù)化、物理資源),也有即時(shí)可用和部署可用的區(qū)別,該服務(wù)用于組織上述屬性異構(gòu)的仿真資源。成員/組件自動(dòng)生成服務(wù)提供用戶(hù)友好的界面以完成對(duì)成員/組件模型框架的個(gè)性化定制,用戶(hù)在自動(dòng)生成的成員/組件模型框架的基礎(chǔ)上按照業(yè)務(wù)邏輯集成實(shí)體模型,最終生成可執(zhí)行的聯(lián)邦成員或可被仿真引擎組合的仿真組件模型。仿真任務(wù)管理服務(wù)提供對(duì)協(xié)同仿真任務(wù)的創(chuàng)建、查看和管理功能,支持仿真任務(wù)發(fā)起者靈活地定制協(xié)同仿真的工作流模型,支持按照流程信息鏈自動(dòng)調(diào)度上游工作節(jié)點(diǎn)的文檔、模型、數(shù)據(jù)等仿真資源至下游工作節(jié)點(diǎn),以協(xié)調(diào)地域分布的仿真工作人員共同完成仿真任務(wù)。仿真資源管理服務(wù)包括仿真資源基本管理服務(wù)以及仿真資源監(jiān)控、仿真資源容錯(cuò)遷移、仿真任務(wù)調(diào)度等服務(wù)。其中,仿真資源基本管理服務(wù)包括仿真資源的搜索/匹配、瀏覽/查看、上傳/下載、更改/刪除、注冊(cè)、發(fā)布等;仿真資源監(jiān)控服務(wù)可以實(shí)時(shí)采集仿真資源的狀態(tài);仿真資源容錯(cuò)遷移服務(wù)支持仿真資源在非運(yùn)行狀態(tài)(宕機(jī))下的容錯(cuò)恢復(fù);仿真任務(wù)調(diào)度服務(wù)能夠利用物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信息進(jìn)行仿真任務(wù)的靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)調(diào)整。虛擬環(huán)境控制服務(wù)包括按需自動(dòng)構(gòu)建虛擬運(yùn)行環(huán)境(單機(jī)創(chuàng)建以及批量生成虛擬集群)、控制和保存虛擬運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài),以及在仿真任務(wù)完成后撤銷(xiāo)虛擬運(yùn)行環(huán)境的服務(wù)。遠(yuǎn)程虛擬桌面服務(wù)支持遠(yuǎn)程連接動(dòng)態(tài)構(gòu)建的虛擬機(jī),獲取運(yùn)行仿真任務(wù)的虛擬機(jī)桌面環(huán)境。通過(guò)該服務(wù),用戶(hù)可以在瀏覽器中遠(yuǎn)程查看和操作虛擬環(huán)境,進(jìn)行仿真活動(dòng)。文件部署服務(wù)支持將資源文件遠(yuǎn)程部署到指定地址機(jī)器的文件夾下,以構(gòu)建仿真系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)間框架(RunTimeInfrastructure,RTI)服務(wù)可以支持分布于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的各仿真系統(tǒng)互聯(lián)互操作。廣域網(wǎng)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按需獲取WebService形式的RTI六大類(lèi)管理服務(wù);局域網(wǎng)內(nèi)的仿真系統(tǒng)運(yùn)行于高性能環(huán)境中,具有較高的性能。仿真運(yùn)行管理服務(wù)通過(guò)RTI的管理對(duì)象模型以及自定義用于運(yùn)行控制的交互類(lèi),實(shí)現(xiàn)仿真聯(lián)邦運(yùn)行時(shí)的統(tǒng)一控制(如啟動(dòng)/暫停/繼續(xù)/結(jié)束聯(lián)邦執(zhí)行)和狀態(tài)監(jiān)控(如成員邏輯時(shí)間、交互信息數(shù)目等)。數(shù)據(jù)采集與結(jié)果評(píng)估服務(wù)通過(guò)加入聯(lián)邦仿真系統(tǒng)收集運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù),支持用戶(hù)瀏覽采集感興趣的數(shù)據(jù),以及按照一定方法評(píng)估仿真結(jié)果。三維模型遠(yuǎn)程可視化服務(wù)支持用戶(hù)通過(guò)瀏覽器來(lái)遠(yuǎn)程查看三維模型的仿真動(dòng)態(tài)過(guò)程。虛擬化/服務(wù)化封裝服務(wù)包含創(chuàng)建、注冊(cè)、發(fā)布虛擬化/服務(wù)化仿真資源的功能。這里虛擬化仿真資源主要指虛擬機(jī)鏡像,它支持用戶(hù)將常用的仿真軟件資源和操作系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行組合封裝,以制作虛擬機(jī)模板,而每一個(gè)虛擬機(jī)鏡像都是一種可共享、可重用的仿真運(yùn)行環(huán)境載體;服務(wù)化仿真資源指符合WebService和JINI規(guī)范的仿真服務(wù),可以是模型服務(wù)、設(shè)備服務(wù)等。仿真引擎服務(wù)支持將仿真組件模型(非服務(wù)化的形式)或者服務(wù)化仿真資源組合,以完成復(fù)雜仿真任務(wù),促進(jìn)仿真組件模型或服務(wù)化仿真資源的共享與重用。(3)語(yǔ)義本體庫(kù)和服務(wù)資源庫(kù)云仿真資源池用來(lái)存儲(chǔ)虛擬化/服務(wù)化的仿真資源,包括語(yǔ)義本體庫(kù)、服務(wù)資源庫(kù)、虛擬資源庫(kù)等。語(yǔ)義本體庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)概念定義、專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的分類(lèi)和概念關(guān)系信息,服務(wù)資源庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)靜態(tài)服務(wù)資源以及動(dòng)態(tài)可用服務(wù)資源的目錄信息,虛擬資源庫(kù)包含經(jīng)過(guò)虛擬化封裝的各類(lèi)仿真資源。具體實(shí)現(xiàn)以上服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)介紹可參見(jiàn)文獻(xiàn),下面僅給出平臺(tái)資源管理關(guān)鍵技術(shù)。2生成動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的語(yǔ)義為支持對(duì)仿真資源全生命周期的統(tǒng)一管理,首先需要對(duì)云仿真平臺(tái)中涉及的各類(lèi)仿真資源進(jìn)行建模,給出仿真資源及資源實(shí)例的形式化描述。由于各類(lèi)仿真資源在形態(tài)、使用方式、運(yùn)行特征等方面存在明顯差異,將資源劃分為物理計(jì)算資源、虛擬資源、服務(wù)資源等進(jìn)行描述,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)仿真資源的中層分類(lèi)管理和頂層集中統(tǒng)一管理。在云仿真平臺(tái)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建過(guò)程中,存在復(fù)制、部署、運(yùn)行仿真資源的行為,因此針對(duì)每類(lèi)仿真資源,將從仿真資源和資源實(shí)例兩方面給出形式化描述及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以方便模板資源與實(shí)例資源的分類(lèi)管理。其中,資源描述中資源實(shí)例集實(shí)現(xiàn)了資源與資源實(shí)例之間的層次化關(guān)聯(lián),一個(gè)仿真資源包括若干個(gè)資源實(shí)例;而對(duì)于每個(gè)資源實(shí)例,又可以通過(guò)索引信息找到其所屬的仿真資源。事實(shí)上,不同種類(lèi)的仿真資源和資源實(shí)例,從資源運(yùn)行角度給出的形式化描述不盡相同,相互之間存在細(xì)微的差別。下面分別針對(duì)物理機(jī)資源、虛擬機(jī)資源、服務(wù)資源給出詳細(xì)的定義。定義1物理機(jī)資源和資源實(shí)例。物理機(jī)資源=?基本信息?資源ID、資源名?、特征信息?是否集群、操作系統(tǒng)類(lèi)型?、資源實(shí)例集?;物理機(jī)節(jié)點(diǎn)=?基本信息?實(shí)例ID、節(jié)點(diǎn)名、資源ID?、靜態(tài)配置?節(jié)點(diǎn)IP、CPU個(gè)數(shù)、CPU速度、內(nèi)存大小?、動(dòng)態(tài)性能?CPU利用率、內(nèi)存利用率?、狀態(tài){HPC_NOSTATE,HPC_INI,HPC_RUN-NING,HPC_SHUTOFF,HPC_ERR}?。定義2虛擬機(jī)資源和資源實(shí)例。虛擬機(jī)資源=?基本信息?資源ID、模板名?、特征信息?操作系統(tǒng)類(lèi)型、軟件列表?、資源實(shí)例集?;虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)=?基本信息?實(shí)例ID、節(jié)點(diǎn)名、資源ID?、靜態(tài)配置?節(jié)點(diǎn)IP、CPU個(gè)數(shù)、內(nèi)存大小、主機(jī)節(jié)點(diǎn)ID?、動(dòng)態(tài)性能?CPU利用率、內(nèi)存利用率?、狀態(tài){VM_NOSTATE,VM_INI,VM_RUNNING,VM_PAUSE,VM_BLOCKED,VM_SHUTOFF,VM_ERR}?。定義3服務(wù)資源和資源實(shí)例。服務(wù)資源=?基本信息?資源ID、資源名?、特征信息?是否并發(fā)、操作系統(tǒng)類(lèi)型?、資源實(shí)例集?;服務(wù)實(shí)例=?基本信息?實(shí)例ID、實(shí)例名、資源ID?、靜態(tài)配置?UDDI、CPU個(gè)數(shù)、內(nèi)存大小、主機(jī)節(jié)點(diǎn)ID?、動(dòng)態(tài)性能?、狀態(tài){SVR_NOSTATE,SVR_INI,SVR_IDLE,SVR_RUNNING,SVR_PAUSE,SVR_SHUTOFF,SVR_ERR}??；谏鲜鋈?lèi)仿真資源的基本描述,為支持仿真資源的語(yǔ)義搜索和匹配,定義可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的語(yǔ)義屬性〈用途、應(yīng)用領(lǐng)域、功能、接口、行為〉。針對(duì)每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,用戶(hù)可以在語(yǔ)義本體庫(kù)中建立對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義匹配機(jī)制,以支持資源的有效檢索?；谏鲜鲑Y源描述方法,在對(duì)物理計(jì)算資源、虛擬資源、服務(wù)資源進(jìn)行分類(lèi)管理的基礎(chǔ)上,通過(guò)資源管理中間件實(shí)現(xiàn)資源管理服務(wù)(即各類(lèi)仿真資源的統(tǒng)一管理),同時(shí)借助語(yǔ)義本體服務(wù),可以實(shí)現(xiàn)仿真資源的語(yǔ)義搜索和匹配,如圖2所示。3在云制造環(huán)境中，應(yīng)用程序流程模型3.1基于apcs模型的仿真活動(dòng)IEEEStd1516.3標(biāo)準(zhǔn)給出了基于高層體系結(jié)構(gòu)(High-LevelArchitecture,HLA)的FEDEP(federationdevelopmentandexectutionprocess)推薦步驟,可以根據(jù)需要予以裁剪或作為具體系統(tǒng)工程實(shí)踐的集成載體。受其啟發(fā),針對(duì)云制造對(duì)云仿真的六化需求,結(jié)合云制造環(huán)境中協(xié)同仿真核心服務(wù),集成和擴(kuò)充FEDEP規(guī)范形成APCS模型,其包含的簡(jiǎn)明活動(dòng)如圖3所示,圖中兩處云資源同指云仿真中接入系統(tǒng)的資源。用戶(hù)通過(guò)仿真任務(wù)管理服務(wù)發(fā)起協(xié)同仿真活動(dòng),使得多用戶(hù)可以在一個(gè)統(tǒng)一的虛擬邏輯組中共享資源和協(xié)同工作。例如,在協(xié)同仿真活動(dòng)過(guò)程中,總體工作人員將步驟(1)和步驟(2)中產(chǎn)生的結(jié)果提交給各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)人員。具體地,APCS模型包含的步驟與活動(dòng)如下:該部分的工作成果形式主要為文檔,通過(guò)云仿真中資源管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)文檔的上傳/下載、注冊(cè)/發(fā)布等操作。1)定義協(xié)同目標(biāo)該步驟首先需要確定協(xié)同仿真系統(tǒng)的目標(biāo)。例如,當(dāng)設(shè)計(jì)師完成復(fù)雜產(chǎn)品———汽車(chē)的多學(xué)科設(shè)計(jì)后,選擇使用協(xié)同仿真手段來(lái)分析汽車(chē)的加速性能、操縱靈敏度等。2)開(kāi)發(fā)概念模型進(jìn)行概念模型分析,將協(xié)同目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為功能和行為描述,如確定協(xié)同仿真系統(tǒng)中包含的對(duì)象、對(duì)象之間的靜態(tài)關(guān)系和動(dòng)態(tài)關(guān)系等。(2)基于云仿真的系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)選擇系統(tǒng)成員考察仿真系統(tǒng)對(duì)概念模型中規(guī)定的實(shí)體和行為的表示能力,同時(shí)兼顧管理、技術(shù)因素,將仿真系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)(聯(lián)邦成員)。2)準(zhǔn)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)為子系統(tǒng)(聯(lián)邦成員)分配表示系統(tǒng)概念模型中規(guī)定的實(shí)體和行為的責(zé)任,同時(shí)注意避免因子系統(tǒng)之間的密集交互帶來(lái)的通信瓶頸問(wèn)題。3)完成系統(tǒng)描述按照仿真系統(tǒng)的子系統(tǒng)劃分和責(zé)任分配,通過(guò)云仿真門(mén)戶(hù)中的系統(tǒng)建模核心服務(wù),基于圖形化建模語(yǔ)言完成系統(tǒng)組成和子系統(tǒng)交互描述;然后按照一定的語(yǔ)義本體模板格式,分層次完成對(duì)子系統(tǒng)、組成子系統(tǒng)的實(shí)體模型以及實(shí)體模型之間邏輯關(guān)系的描述。(3)仿真組件模型開(kāi)發(fā)1)準(zhǔn)備實(shí)體(專(zhuān)業(yè))模型基于實(shí)體模型規(guī)范化語(yǔ)義描述,使用規(guī)范化描述解析和語(yǔ)義本體服務(wù),分系統(tǒng)工作人員在云仿真資源庫(kù)中搜索/匹配得到相關(guān)的實(shí)體(專(zhuān)業(yè))模型,實(shí)體模型可以是通常意義上的專(zhuān)業(yè)模型,也可以是調(diào)用模型服務(wù)的客戶(hù)端。如果沒(méi)有搜索到合適的模型,則需要基于系統(tǒng)建模服務(wù)定制虛擬工作環(huán)境和使用其中的商用分系統(tǒng)工具軟件,完成專(zhuān)業(yè)模型的開(kāi)發(fā)。2)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于步驟(2)的系統(tǒng)描述過(guò)程中生成的成員對(duì)象模型(SimulationObjectModel,SOM)文件,各子系統(tǒng)工作人員使用成員自動(dòng)生成服務(wù)通過(guò)交互界面選擇訂購(gòu)和發(fā)布的類(lèi),生成成員代碼框架;然后基于代碼框架和專(zhuān)業(yè)實(shí)體模型完成成員的開(kāi)發(fā)。另外一種方法是基于組件生成服務(wù)生成仿真組件模型框架,并結(jié)合專(zhuān)業(yè)實(shí)體模型完成仿真組件模型的開(kāi)發(fā),多個(gè)仿真組件模型在仿真引擎服務(wù)的支持下組合為聯(lián)邦成員模型。最后工作人員根據(jù)專(zhuān)業(yè)實(shí)體模型文件描述運(yùn)行環(huán)境、計(jì)算能力和通信能力的需求,并參照性能評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),建立成員的需求描述元組RunEnv=?OS,SoftSet,NumCPU,MemSZ,DiskSP,NetBD?,為虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)的資源配置提供依據(jù)。3)完成單點(diǎn)局部測(cè)試基于云仿真中的成員自動(dòng)生成服務(wù),完成單個(gè)成員的交互特性測(cè)試,方法是通過(guò)生成與該成員訂購(gòu)/發(fā)布互補(bǔ)的測(cè)試成員,然后在開(kāi)發(fā)環(huán)境中協(xié)同運(yùn)行測(cè)試其交互特性是否滿足要求。(4)導(dǎo)致仿真系統(tǒng)運(yùn)行安全各子系統(tǒng)工作人員分別提交系統(tǒng)描述(系統(tǒng)頂層描述和分系統(tǒng)描述)文件、成員模型文件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等至仿真任務(wù)管理服務(wù)的門(mén)戶(hù),這些文件共同構(gòu)成協(xié)同仿真系統(tǒng)構(gòu)建、測(cè)試和運(yùn)行的基礎(chǔ)。(5)仿真資源管理服務(wù)1)仿真任務(wù)解析仿真描述解析服務(wù)獲取分系統(tǒng)(成員模型)描述文件中各成員模型的運(yùn)行環(huán)境語(yǔ)義描述信息,即RunEnv。2)虛擬機(jī)鏡像的搜索/匹配仿真資源管理服務(wù)將根據(jù)仿真系統(tǒng)中各成員模型運(yùn)行環(huán)境的語(yǔ)義描述信息來(lái)搜索/匹配滿足需求的虛擬機(jī)鏡像,并將滿足條件的虛擬機(jī)鏡像列表顯示出來(lái)供用戶(hù)選擇。3)選擇物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)和啟動(dòng)虛擬機(jī)通過(guò)獲取物理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信息以及負(fù)載的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)信息,結(jié)合仿真系統(tǒng)的需求,仿真資源管理服務(wù)可以?xún)?yōu)化地選擇最合適的幾個(gè)物理計(jì)算節(jié)點(diǎn)。仿真資源組織服務(wù)通過(guò)部署虛擬機(jī)鏡像到已選的物理節(jié)點(diǎn),使用虛擬環(huán)境控制服務(wù),按照RunEnv信息自動(dòng)配置和啟動(dòng)虛擬機(jī),同時(shí)為虛擬機(jī)自動(dòng)分配IP地址。4)獲取虛擬機(jī)桌面環(huán)境虛擬計(jì)算環(huán)境構(gòu)建后,針對(duì)以下應(yīng)用需求,通過(guò)遠(yuǎn)程虛擬桌面服務(wù)獲取正在運(yùn)行虛擬機(jī)的桌面環(huán)境是有必要的:(1)仿真系統(tǒng)運(yùn)行前,特殊需求導(dǎo)致需修改虛擬機(jī)中仿真軟件的相關(guān)運(yùn)行設(shè)置,甚至操作系統(tǒng)的配置;(2)針對(duì)那些需要用戶(hù)和仿真系統(tǒng)之間進(jìn)行交互的應(yīng)用,用戶(hù)需要虛擬機(jī)的桌面環(huán)境,以便對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行更為精細(xì)的控制;(3)確保仿真結(jié)果的正確性,不僅需要監(jiān)控仿真系統(tǒng)是否處于運(yùn)行狀態(tài),還要注意仿真系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是否拋出異常,有些異常不會(huì)導(dǎo)致仿真系統(tǒng)崩潰,但是會(huì)影響仿真結(jié)果的正確性?；谠摲?wù)用戶(hù)可以啟動(dòng)和配置虛擬機(jī)中的仿真工具軟件,建立仿真系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境,也可以隨時(shí)查看虛擬機(jī)中仿真系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)。5)部署模型文件和配置仿真系統(tǒng)仿真系統(tǒng)由各仿真成員模型和仿真運(yùn)行環(huán)境共同組成。在仿真系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境搭建后,用戶(hù)只需利用文件部署服務(wù),將仿真成員模型部署到特定的位置,并配置仿真成員模型以及操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境。(6)模擬運(yùn)行管理服務(wù)由于仿真系統(tǒng)的閉環(huán)測(cè)試與協(xié)同運(yùn)行過(guò)程大致相同,閉環(huán)測(cè)試部分不再贅述,僅介紹仿真系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行步驟,具體如下:1)通過(guò)云仿真門(mén)戶(hù),使用仿真運(yùn)行管理服務(wù)和上傳的聯(lián)邦對(duì)象模型(FederationObjectModel,FOM)文件創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行,然后基于服務(wù)化接口自動(dòng)啟動(dòng)或者手動(dòng)啟動(dòng)各個(gè)虛擬機(jī)中部署的聯(lián)邦成員模型,并加入聯(lián)邦執(zhí)行中。仿真運(yùn)行管理服務(wù)提供對(duì)整個(gè)聯(lián)邦的狀態(tài)監(jiān)視和控制等管理服務(wù),以便用戶(hù)通過(guò)統(tǒng)一的指令管理仿真實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。2)使用數(shù)據(jù)采集與結(jié)果評(píng)估服務(wù)作為一個(gè)成員加入聯(lián)邦,通過(guò)選擇訂購(gòu)感興趣的對(duì)象類(lèi)和交互類(lèi)采集仿真運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),準(zhǔn)備輸出數(shù)據(jù),以備結(jié)果評(píng)估使用。3)三維模型遠(yuǎn)程可視化服務(wù)支持用戶(hù)通過(guò)瀏覽器來(lái)遠(yuǎn)程查看三維模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。4)在仿真系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行過(guò)程中,仿真資源管理服務(wù)通過(guò)仿真資源監(jiān)控功能模塊獲得仿真資源狀態(tài),并支持兩類(lèi)容錯(cuò)遷移服務(wù),包括面向負(fù)載均衡的容錯(cuò)遷移和面向高可用的容錯(cuò)遷移。(7)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析評(píng)估用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程觀看仿真關(guān)鍵數(shù)據(jù)的三維可視化模型動(dòng)態(tài)過(guò)程,以及利用數(shù)據(jù)采集與結(jié)果評(píng)估服務(wù),基于一定算法(如回歸分析或者數(shù)據(jù)挖掘算法等),對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。3.2在線協(xié)同仿真平臺(tái)APCS模型的特點(diǎn)及對(duì)協(xié)同仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與執(zhí)行過(guò)程的強(qiáng)有力支持主要表現(xiàn)在以下四方面,從而為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“六化”提供基礎(chǔ)支撐:(1)仿真應(yīng)用過(guò)程自動(dòng)化在用戶(hù)完成少量工作后,系統(tǒng)可以自動(dòng)生成聯(lián)邦對(duì)象模型文件、成員代碼框架以及自動(dòng)部署和構(gòu)建虛擬化仿真運(yùn)行環(huán)境等。(2)資源共享和敏捷使用采用虛擬化/服務(wù)化技術(shù)和基于語(yǔ)義本體的檢索技術(shù)等,促進(jìn)了各種粒度的仿真資源共享(細(xì)粒度資源如節(jié)點(diǎn)內(nèi)CPU核、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和專(zhuān)業(yè)實(shí)體模型等,粗粒度資源如成員模型),以及根據(jù)資源忙閑不均的感知信息來(lái)優(yōu)化調(diào)度任務(wù),促進(jìn)資源的敏捷使用。(3)按需獲取持續(xù)穩(wěn)定服務(wù)引入虛擬化技術(shù)提交仿真服務(wù)的容錯(cuò)和高可用性,以及統(tǒng)籌和經(jīng)營(yíng)仿真資源池,以滿足大量用戶(hù)在線使用協(xié)同仿真服務(wù)的需求。(4)兩種類(lèi)型任務(wù)高效協(xié)同即支持時(shí)空一致緊耦合的仿真子系統(tǒng)之間的協(xié)同,以及類(lèi)似于仿真全生命周期活動(dòng)的流程性在線協(xié)同。4面向云制造的simaas仿真系統(tǒng)本文所述的協(xié)同仿真部分研究成果已經(jīng)在“大制造”過(guò)程中復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的驗(yàn)證領(lǐng)域開(kāi)展了初步應(yīng)用?；谛陆脑品抡嬷纹脚_(tái)COSIM-CSP,選擇某飛行器起落架系統(tǒng)作為應(yīng)用對(duì)象,研發(fā)其虛擬樣機(jī)協(xié)同仿真應(yīng)用系統(tǒng),初步實(shí)現(xiàn)了APCS中1~6階段的重要內(nèi)容,為其在面向云制造的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了有力幫助,促進(jìn)了云制造中特色的SimaaS模式的發(fā)展。(1)虛擬樣機(jī)仿真某飛行器起落架虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng),旨在通過(guò)對(duì)起落架機(jī)械、控制、液壓等多學(xué)科虛擬樣機(jī)的建模和協(xié)同仿真,全面分析評(píng)估在各種路面和各種起飛、降落條件下該飛行器起落架的各項(xiàng)性能。確定聯(lián)邦中包含的對(duì)象、對(duì)象之間的靜態(tài)關(guān)系和動(dòng)態(tài)關(guān)系等,該系統(tǒng)主要由可視化模型、控制系統(tǒng)模型、多體動(dòng)力學(xué)模型、液壓模型等多學(xué)科領(lǐng)域的模型組成,詳見(jiàn)文獻(xiàn)。(2)遠(yuǎn)程堂面的仿真資源使用云仿真的系統(tǒng)建模服務(wù),通過(guò)定制需要的軟件類(lèi)型,獲取軟件的虛擬使用環(huán)境,建立研究對(duì)象的系統(tǒng)頂層描述模型,如圖4所示。其中用戶(hù)選擇的虛擬使用環(huán)境配置為:WindowsXP、系統(tǒng)建模軟件、2CPU、1G內(nèi)存。云仿真資源管理服務(wù)將搜索虛擬資源庫(kù),搜索到滿足要求、占用磁盤(pán)空間最小的虛擬機(jī)鏡像,然后仿真資源組織服務(wù),將虛擬機(jī)鏡像拷貝、部署到負(fù)載較低的物理節(jié)點(diǎn)上,并按照2CPU和1G內(nèi)存的配置啟動(dòng)虛擬機(jī),而遠(yuǎn)程桌面服務(wù)根據(jù)創(chuàng)建的虛擬節(jié)點(diǎn)ID,采用VNC(virtualnetworkcomputering)協(xié)議方式將虛擬桌面環(huán)境傳送到用戶(hù)瀏覽器端,從而實(shí)現(xiàn)物理計(jì)算資源與虛擬資源的組合,由此用戶(hù)就可以使用系統(tǒng)建模服務(wù)。這里將每個(gè)學(xué)科的模型劃分為一個(gè)獨(dú)立的成員模型,從而生成HLA協(xié)同仿真系統(tǒng)的FOM,以及成員模型的相關(guān)描述文件,建立的模型通過(guò)仿真任務(wù)管理服務(wù)上傳,以實(shí)現(xiàn)工作組內(nèi)的共享。(3)成員需求表達(dá)各專(zhuān)業(yè)仿真研究人員分別通過(guò)仿真任務(wù)管理服務(wù)來(lái)獲取聯(lián)邦仿真系統(tǒng)的頂層描述模型。根據(jù)成員模型的語(yǔ)義描述,利用系統(tǒng)建模服務(wù)中的商用軟件完成專(zhuān)業(yè)模型開(kāi)發(fā),并根據(jù)系統(tǒng)頂層描述模型,使用成員自動(dòng)生成服務(wù),輔助完成基于HLA的成員模型的開(kāi)發(fā)與測(cè)試,然后對(duì)成員模型環(huán)境依賴(lài)進(jìn)行描述,如控制系統(tǒng)成員模型需求的實(shí)例化描述為RunEnv=?OS:WindowXP,SoftSet:matlab,NumCPU:2CPU,MemSZ:512M,DiskSP:?系統(tǒng)默認(rèn)?,NetBD:?系統(tǒng)默認(rèn)??；谠品抡鎱f(xié)同支撐系統(tǒng)建立控制系統(tǒng)的MATLAB模型及輔助生成成員代碼框架,如圖4所示。在云仿真系統(tǒng)中,有已注冊(cè)的動(dòng)態(tài)可用Adams模型服務(wù),其擴(kuò)展語(yǔ)義關(guān)鍵描述為?用途:起落架多體動(dòng)力學(xué)仿真,應(yīng)用領(lǐng)域:機(jī)械,功能:起落架收放多體動(dòng)力學(xué)時(shí)間序列解