第八章-現(xiàn)代仿真技術(shù)

第八章現(xiàn)代仿真技術(shù)

在本書的前七章，已向讀者系統(tǒng)地介紹了控制系統(tǒng)計算機仿真的基本原理﹑方法和仿真軟件。在上世紀80年代，由于對復(fù)雜大系統(tǒng)的分析與設(shè)計的需要，以及計算機技術(shù)的突飛猛進和周邊學(xué)科的某些理論與技術(shù)問題的突破，使得計算機仿真這一學(xué)科得以迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也在日益拓寬和加深。為使讀者能更好地了解仿真技術(shù)的一些最新發(fā)展，以及今后能在仿真領(lǐng)域做進一步的研究，或?qū)⒎抡婕夹g(shù)應(yīng)用于一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)之中，本書的后兩章將向讀者介紹仿真這一學(xué)科的新思想﹑新概念和新方法。由于篇幅有限，涉及問題均是基本的，有興趣的讀者可以參考有關(guān)文獻。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)

面向?qū)ο蟮母拍詈吞攸c面向?qū)ο蟮姆椒ㄊ且环N在分析和設(shè)計階段獨立于程序設(shè)計語言的概念化過程。它不僅僅是一種程序設(shè)計技術(shù)，更重要的它是一種新的思維方式。它能夠幫助分析者、設(shè)計者以及用戶清楚地描述抽象的概念，使相互之間容易進行信息交流。在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法中，對象(Object)和傳遞消息(MessagePassing)分別是表現(xiàn)事物及事物間相互聯(lián)系的概念；類(Class)和繼承(Inheritance)是適應(yīng)人們一般思維方式的描述范式；方法(Method)是允許作用于該類對象上的各種操作，以及對象的封裝性(encapsulation)、實體的多態(tài)性(polymorphism)以及動態(tài)聯(lián)編(dynamicbinding)等特點。下面介紹這些有關(guān)的術(shù)語。

8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(1)對象客觀世界中的任何事物在一定的前提下都可以成為認識的對象。一個人可以是一個對象，一個學(xué)校也可以是一個對象。對象不僅僅是物理對象，還可以是某一類概念實體的實例。例如操作系統(tǒng)中的進程、室內(nèi)照明的等級等?？梢?，世界上的任何事物都是對象，或是某一個對象類的一個元素。復(fù)雜的對象可由相對比較簡單的對象以某種方法組成，甚至整個客觀世界可認為是一個最復(fù)雜的對象。為了研究對象，必須用某種形式去表示對象。在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)中，對象是基本的運行實體，它有兩個方面的內(nèi)容需要表示，一是對象的種類所屬，即屬性，二是對象的行為活動。屬性和活動是相互影響的，屬性界定了對象的可能活動，而活動又能改變對象自身的屬性狀態(tài)，同時對象之間存在相互作用于依存關(guān)系。因此，對象表示包括三個方面，即屬性、活動、關(guān)聯(lián)關(guān)系。在計算機內(nèi)部，對象通?？捎萌P(guān)系來表示：對象：＝<接口，數(shù)據(jù)，操作>其中接口描述對象與其他對象的關(guān)系，數(shù)據(jù)描述對象的屬性，操作描述對象的行為活動。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(2)消息消息是描述對象間的相互作用的一種方法。在面向?qū)ο蠓椒ㄖ?，對象間的相互作用用對象間的通信——收發(fā)消息來實現(xiàn)。當一個消息發(fā)送給某個對象時，該消息包含要求接收對象去執(zhí)行某些活動的信息，接到消息的對象經(jīng)過解釋，然后予以響應(yīng)，這種通信機制稱為消息傳遞。程序的執(zhí)行是由對象間傳遞消息來完成的。發(fā)送消息的對象稱為發(fā)送者，接收消息的對象稱為接收者。消息中只包含發(fā)送者的要求，它告訴接收者需要完成哪些處理，但并不指示接收者應(yīng)該怎樣完成這些處理。發(fā)送消息的對象不需要知道接收消息的對象如何對請求予以響應(yīng)。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(3)類類是一組相似對象的集合，它描述了該組的共同行為和屬性。例如，Integer是一個類，它描述了所有整數(shù)的共有性質(zhì)(包括整數(shù)的大小和算術(shù)運算)。3、4、5等具體的整數(shù)都是類的對象，都具備算術(shù)和大小比較能力。類是在對象之上的抽象，有了類以后，對象則是類的具體化，是類的實例。對象在軟件運行過程中由其所屬的類動態(tài)生成。一個類可以生成多個不同的對象，這些對象雖然外部特性和內(nèi)部實現(xiàn)都相同，但它們可以有不同的內(nèi)部狀態(tài)值。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(4)方法方法是指在對象中被定義的過程，即對類的某些屬性進行操作以達到某一目的的過程。它的實現(xiàn)類似于非面向?qū)ο笳Z言中的過程和函數(shù)，它是與類的屬性封裝在一起的。如果一個類的公有方法可用在許多領(lǐng)域，這個類就可作為重復(fù)利用的軟件組件。(5)繼承性一個類可以有父類和子類，繼承性描述了它們之間的關(guān)系，是父類和子類之間共享數(shù)據(jù)和方法的機制。一個類能繼承其父類的全部屬性與操作，在定義和實現(xiàn)一個類時，可以在一個已存在的類的基礎(chǔ)上進行，把這個已存在的類所定義的內(nèi)容做為自己的內(nèi)容，并加入若干新的內(nèi)容。一個類如果只從一個父類得到繼承稱為單繼承，如果有兩個或兩個以上的父類，則稱為多繼承。繼承性是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言不同于其他語言的最主要的特點，是其他語言所沒有的。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(6)封裝性將一個對象的數(shù)據(jù)和操作過程組合起來，然后將其封裝并限定在一嚴格的范圍內(nèi)，只能被同類中的操作過程直接訪問，不允許其它類的對象的介入，這稱為封裝。可以理解為一個模塊的內(nèi)部狀態(tài)和實現(xiàn)方法完全隱藏在模塊內(nèi)部，模塊間的依賴性很小，或者說封裝的方法就是把應(yīng)用程序分解為較小的功能組件。(7)多態(tài)性在收到消息后，對象要予以響應(yīng)，不同的對象收到同一消息可產(chǎn)生不同的結(jié)果，這一現(xiàn)象稱為多態(tài)性。應(yīng)用多態(tài)性，用戶可以發(fā)送一個通用的消息給多個對象，每個對象按自身的情況決定是否響應(yīng)和如何響應(yīng)，這樣，同一消息就可以調(diào)用不同的方法。8.1面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)(8)動態(tài)聯(lián)編在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言中，消息的傳遞用過程調(diào)用的方式來實現(xiàn)。聯(lián)編是把過程調(diào)用和響應(yīng)調(diào)用的執(zhí)行碼結(jié)合在一起的過程。在一般的程序設(shè)計語言中，這個過程在編譯時進行，叫做靜態(tài)聯(lián)編，而面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言采用動態(tài)聯(lián)編的方式，即在運行過程中進行聯(lián)編。這是由類的繼承性和多態(tài)性決定的，面向?qū)ο蟪绦螂y以靜態(tài)地確定要執(zhí)行的代碼，而只能在運行過程中動態(tài)找到響應(yīng)方法，并把它和代碼加以結(jié)合。8.1.2UML統(tǒng)一建模語言20世紀80年代末90年代初，在專著、論文或技術(shù)報告等形式提出的OOA/OOD方法或OO建模語言有近50種以上，這些面向?qū)ο蠓椒ǜ髯杂幸惶赘拍睢⒍x、表示法、術(shù)語和使用的開發(fā)過程，它們之間的細微差別使人覺得不知依據(jù)哪個概念更好，特別是對于非專業(yè)的讀者。從1994年開始，美國Rational軟件公司的G.Booch、J.Rumbaugh和L.Jacobson把他們各自提出的方法統(tǒng)一并吸收了許多其他面向?qū)ο蟮姆椒?，?997年9推出了UML1.1并提交到OMG(ObjectManagementGroup)，同年11月被OMG采納。統(tǒng)一建模語言(UML：UnifiedModelingLanguage)是一個通用的可視化建模語言，用于對軟件進行描述、可視化處理、構(gòu)造和建立軟件系統(tǒng)制品的文檔。它記錄了對必須構(gòu)造的系統(tǒng)的決定和理解，可用于對系統(tǒng)的理解、設(shè)計、瀏覽、配置、維護和信息控制。UML適用于各種軟件開發(fā)方法、軟件生命周期的各個階段、各種應(yīng)用領(lǐng)域以及各種開發(fā)工具，是一種總結(jié)了以往建模技術(shù)的經(jīng)驗并吸收當今優(yōu)秀成果的標準建模方法。8.1.2UML統(tǒng)一建模語言UML的概念模型包括三方面的內(nèi)容：UML的基本構(gòu)造塊、支配這些構(gòu)造塊如何放在一起的規(guī)則和一些運用于整個UML的公共機制。本書簡單介紹UML的基本構(gòu)造塊的內(nèi)容，請感興趣的同學(xué)參考有關(guān)UML的書籍。UML的構(gòu)造塊有3種構(gòu)造塊：事物、關(guān)系和圖。(1)事物事物是對模型中最有代表性的成分的抽象；關(guān)系把事物結(jié)合在一起；圖聚集了相關(guān)的事物。在UML中的事物有4種：結(jié)構(gòu)事物(structuralthing)、行為事物(behavioralthing)、分組事物(groupingthing)和注釋事物(annotationalthing)。結(jié)構(gòu)事物：通常是模型的靜態(tài)部分，描述概念或物理元素。包括類、接口、協(xié)作、用況、主動類、構(gòu)件和節(jié)點這7種元素。8.1.2UML統(tǒng)一建模語言行為事物：是UML模型的動態(tài)部分，描述了跨越時間和空間的行為，共有2類行為事物：交互和狀態(tài)機。前者由在特定語境中共同完成一定任務(wù)的一組對象之間交換的消息組成，后者描述了一個對象或一個交互在生命周期內(nèi)響應(yīng)事件所經(jīng)歷的狀態(tài)序列。分組事物：是UML模型的組織部分，是一些由模型分解成的“盒子”，最主要的分組事物是包。注釋事物：是UML模型的解釋部分，這些注釋事物用來描述、說明和標注模型的任何元素。(2)關(guān)系UML中有4種關(guān)系：依賴(dependency)、關(guān)聯(lián)(association)、泛化(generalization)和實現(xiàn)(realization)。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言依賴是兩個事物間的語義關(guān)系，其中一個事物(獨立事物)發(fā)生變化會影響另一個事物(依賴事物)的語義；關(guān)聯(lián)是一種結(jié)構(gòu)關(guān)系，描述對象之間的連接；泛化是一種特殊/一般關(guān)系，特殊元素(子元素)的對象可替代一般元素(父元素)的對象；實現(xiàn)是類元之間的語義關(guān)系，其中的一個類元指定了由另一個類元保證執(zhí)行的契約，實現(xiàn)關(guān)系主要用在一是接口和實現(xiàn)它們的類或構(gòu)件之間，二是用況和實現(xiàn)它們的協(xié)作之間。(3)圖UML最常用的9種圖是：①類圖；②對象圖；③用況圖；④順序圖；⑤協(xié)作圖；⑥狀態(tài)圖；⑦活動圖；⑧構(gòu)件圖；⑨實施圖。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言①類圖(classdiagram)：類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。不僅定義系統(tǒng)中的類，表示類之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等，也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類的屬性和操作)。類圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系，在系統(tǒng)的整個生命周期都是有效的。圖為自動柜員機（ATM）系統(tǒng)的取錢使用案例的類圖。8.1.2UML統(tǒng)一建模語言

圖8.1.1ATM系統(tǒng)的取錢使用案例的類圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言②對象圖(objectdiagram)：對象圖是類圖的實例，幾乎使用與類圖完全相同的標識。它們的不同點在于對象圖顯示類的多個對象實例，而不是實際的類。一個對象圖是類圖的一個實例。由于對象存在生命周期，因此對象圖只能在系統(tǒng)某一時間段存在。③用況圖(UseCasediagram)它顯示用況與角色及其相互關(guān)系，從用戶角度描述系統(tǒng)功能，并指出各功能的操作者。圖表示了自動柜員機(ATM)系統(tǒng)的用況圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言

圖8.1.2自動柜員機(ATM)系統(tǒng)的用況圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言④順序圖(sequencediagram)：順序圖顯示對象之間的動態(tài)合作關(guān)系，它強調(diào)對象之間消息發(fā)送的順序，同時顯示對象之間的交互。⑤合作圖(collaborationdiagram)：合作圖和順序圖相似，顯示對象間的動態(tài)關(guān)系。除顯示信息交換外，合作圖還顯示對象以及它們之間的關(guān)系。如果強調(diào)時間和順序，則使用順序圖；如果強調(diào)上下級關(guān)系，則選擇合作圖。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言⑥狀態(tài)圖(statechartdiagram)：狀態(tài)圖在UML中也稱狀態(tài)機。它表現(xiàn)一個對象或一個交互在整個生存周期內(nèi)接受刺激時的狀態(tài)序列以及它的反應(yīng)與活動，附屬于一個類或一個方法。狀態(tài)圖描述類的對象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件。通常，狀態(tài)圖是對類圖的補充，在實際效用上并不需要為所有的類畫狀態(tài)圖，僅為那些有多個狀態(tài)、其行為受外界環(huán)境的影響并且發(fā)生改變的類畫狀態(tài)圖。圖表示了銀行中帳目的狀態(tài)圖。圖8.1.3銀行中帳目的狀態(tài)圖

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言⑦活動圖(activitydiagram)：活動圖描述滿足用況要求所要進行的活動以及活動間的約束關(guān)系，有利于識別并行活動。⑧構(gòu)件圖(componentdiagram)：構(gòu)件圖描述代碼部件的物理結(jié)構(gòu)及各部件之間的依賴關(guān)系。一個部件可能是一個資源代碼部件、一個二進制部件或一個可執(zhí)行部件。它包括邏輯類或?qū)崿F(xiàn)類的有關(guān)信息，有助于分析和理解部件之間的相互影響程度。

8.1.2UML統(tǒng)一建模語言⑨實施圖(deploymentdiagram)：實施圖定義了系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)。它可以顯示實際的計算面和設(shè)備(用節(jié)點表示)以及它們之間的連接關(guān)系，可顯示連接的類型及部件之間的依賴性。在節(jié)點內(nèi)部，放置可執(zhí)行部件和對象以顯示節(jié)點跟可執(zhí)行軟件單元的對應(yīng)關(guān)系。UML是一種建模語言而不是一種方法。它不包含任何過程指導(dǎo)。也就是說，它并不講述如何運用面向?qū)ο蟮母拍钆c原則去進行系統(tǒng)建模，而只是定義了用于建模的各種元素，以及由這些元素所構(gòu)成的各種圖的構(gòu)成規(guī)則。UML的功能(表達能力)無疑是很強的，它吸取了多種面向?qū)ο蠓椒ǖ母拍詈蛨D形表示法，但UML也是復(fù)雜的，這意味著，無論是學(xué)習(xí)它還是在工程中使用它，都要付出比以往高得多的代價。但是如果UML的使用是普遍的，復(fù)雜的問題又會變得簡單，這就是面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)點。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真?zhèn)鹘y(tǒng)仿真軟件主要提供仿真運行的機制和通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)。建模的任務(wù)就是把實際系統(tǒng)中對象之間的相互作用關(guān)系轉(zhuǎn)換成在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部對數(shù)據(jù)的操作。不同的仿真軟件使用不同術(shù)語、概念，采用不同仿真建模策略，具有不同語義和語法。因此使用這些軟件進行研究就必須利用軟件提供的設(shè)施來建立仿真模型。面向?qū)ο蟮姆抡嬖噲D消除這種過程，使用戶能夠以應(yīng)用領(lǐng)域熟悉的直觀的對象概念來建立仿真模型。建模觀念與人們認識現(xiàn)實世界的思維方式一致，因此不需要多少概念上的轉(zhuǎn)換。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真在面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)中，系統(tǒng)中的對象往往與現(xiàn)實世界的實際對象一一對應(yīng)，建模的主要任務(wù)就是把系統(tǒng)類庫中提供的對象，進行適當?shù)男薷呐c組合形成仿真模型，而且用戶也可以根據(jù)問題的需要自己建立適當?shù)膶ο?，并可以保存在系統(tǒng)類庫中。這種方法既有利于預(yù)定義對象的方便性，也具有用戶建立對象的靈活性。在面向?qū)ο蟮姆抡嬷薪M成系統(tǒng)的對象是仿真的主要成分。Shannon清楚地描述了仿真對象的概念，指出：“仿真模型的目的就是用一組雜亂五章的對象及其相互關(guān)系組織成一個系統(tǒng)的整體，而這個整體將顯示這些關(guān)系相互作用的效果”。Booch研究了面向?qū)ο蟮姆纸馀c功能分解之間的區(qū)別，認為在許多情況下，面向?qū)ο蠓纸馐歉鼮樽匀坏姆纸猓⑻岢隽嗣嫦驅(qū)ο蠼５囊话悴襟E：

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真

確定構(gòu)成系統(tǒng)的各個組成部分和它們的屬性；

確定每個對象的操作和功能；

確定每個對象相對于其他對象的可見度；

確定每個對象的接口；

實現(xiàn)每個對象。具體地說就是，第一步把系統(tǒng)分解成在問題空間活動的實體或?qū)ο螅@些對象應(yīng)當是系統(tǒng)中的活動實體，相似的對象可以分組成對象類。第二步，定義對象的操作，用以刻畫對象或?qū)ο箢惖男袨樘卣?。操作的定義確定了對象的靜態(tài)語義，通過定義每個對象必須遵守關(guān)于時間和空間上的約束，可以確定每個對象動態(tài)行為。第三步確定對象或?qū)ο箢愔g的靜態(tài)關(guān)聯(lián)性，即確定每個對象需要與哪些對象進行通信。第四步確定對象的接口。接口是對象與外界進行通信的唯一通道，它確定了對象之間以及與仿真環(huán)境進行通信的形式。最后一步是為每個對象選擇一種適當?shù)谋磉_，并實現(xiàn)上一步確定的接口。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真面向?qū)ο蟮姆抡鏋榉抡嫒藛T提供了開發(fā)模塊化可重用的仿真模型的工具。它把系統(tǒng)看成由相互作用的對象所組成，而對象則往往表示現(xiàn)實系統(tǒng)中的真實實體，從而提高了仿真模型的可理解性、可擴充性和模塊性，并且便于實現(xiàn)仿真與計算機和人工智能的結(jié)合。其優(yōu)點體現(xiàn)在：(1)可理解性面向?qū)ο蠓抡鎸υO(shè)計者、實現(xiàn)者以及最終用戶來說都改進了仿真的可理解性。因為仿真系統(tǒng)中的對象往往直接表示現(xiàn)實系統(tǒng)中的真實實體，這些實體在面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)中可以用外觀上類似人們熟悉的實際系統(tǒng)的對象的圖形或圖像來表示。用戶可以通過圖形界面與仿真模型進行交互，利用圖形或圖像來直接建立仿真模型，這對于熟悉實際系統(tǒng)的用戶來說是很容易理解的。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(2)可重用性和可擴充性在面向?qū)ο蟮姆抡嬷校梢越⑵鹨粋€模型庫，用以保存以前建立的模型。模型庫中的模型可以作為建立新模型的可重用構(gòu)件，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)內(nèi)在的繼承機制可以容易地和系統(tǒng)地修改現(xiàn)有的對象(類)以建立新的對象，并且可以加入現(xiàn)有的類庫中。類庫提供了仿真建模所需要的一般設(shè)施，通過修改現(xiàn)有的類，可以建立各種應(yīng)用中所需要的特殊對象。(3)模塊性面向?qū)ο蟮姆抡媸悄K化的，對象作為模型，已知對象的所有信息都保存在該模塊中，因此不需要特殊的過程來尋找相應(yīng)的信息。這種信息的封裝意味著容易改變一個對象的含義或修改其性能，而且不會影響其他的對象。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(4)圖形用戶界面面向?qū)ο蠓抡嫦到y(tǒng)中的對象往往表示實際系統(tǒng)中的真實實體，因而在系統(tǒng)中可以用相似的圖形或圖像來表示，因此更便于建立非常直觀的圖形用戶界面。用戶可以直接在屏幕上建立系統(tǒng)的圖形描述，直觀地構(gòu)造仿真模型。在仿真過程中利用動畫顯示仿真模型地運行過程，各種仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以利用圖形來顯示。這種圖形表達能力對于用戶了解仿真過程、理解仿真結(jié)果都有很大幫助。(5)仿真與人工智能的結(jié)合在面向?qū)ο蟮姆抡嬷?，對象封裝了它們的功能，而功能可以包含智能。因而利用人工智能與專家系統(tǒng)的方法可以在功能中嵌入智能，使對象也具有決策與學(xué)習(xí)能力。仿真與人工智能的結(jié)合可以增強仿真的能力。在基于知識的仿真系統(tǒng)和專家仿真系統(tǒng)方面，許多學(xué)者已進行了廣泛的研究，表明了人工智能與專家系統(tǒng)在輔助仿真建模、仿真結(jié)果的解釋和仿真模型靈敏度分析等方面的重要作用。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真(6)并行仿真面向?qū)ο蟮姆抡媸窃诙嗵幚砥魃喜⑿袌?zhí)行的面向?qū)ο蟮姆抡?。對于仿真封裝了所有的信息，因而每個對象都能按分配給自己的處理程序執(zhí)行它的功能。這樣，對象在某種程度上可以相對獨立地運行。正是由于對象之間地這種相對獨立性，產(chǎn)生了并行仿真執(zhí)行的可能性。仿真的并行執(zhí)行可以極大地降低仿真時間，允許仿真更多的對象，能夠?qū)崿F(xiàn)更詳細的仿真。離散事件系統(tǒng)仿真是面向?qū)ο蠓椒ㄗ钸m合的應(yīng)用領(lǐng)域之一，這是因為面向?qū)ο蟮碾x散事件系統(tǒng)仿真和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計一樣都是以對象為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，面向?qū)ο笈c仿真的一致性在這里得到很好的體現(xiàn)。目前主要應(yīng)用在制造系統(tǒng)，因為制造系統(tǒng)的物理組成部分很容易直觀的用對象來進行描述。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真由于連續(xù)系統(tǒng)的模型通常是用微分方程來描述的，仿真算法主要是數(shù)值積分法及離散相似法，它與離散事件系統(tǒng)的模型及算法有很大的不同，所以在應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒ㄉ希灿兴煌?。對連續(xù)系統(tǒng)進行面向?qū)ο蠼＃梢园殉Ｓ玫哪K化建?？醋魇且环N廣義的面向?qū)ο蟮姆椒ā＜磳⒁粋€復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成許多模型塊，每個模型塊又可劃分成若干個子模型，直到不能再(或不必)分為止，最基本的子模型被稱為模型元素或基本模型。這樣，建模過程就變成對各種基本模型進行定義，然后利用模型拼合技術(shù)將它們組成模型塊(稱為拼合模型)；若干個下層模型塊又可拼合成上層模型塊，直到形成整個系統(tǒng)。顯然，這里的模型塊與面向?qū)ο蠓椒ㄖ械膶ο箢愑性S多相似之處，它同樣具有封裝、繼承等性質(zhì)。需要指出的是，拼合模型與基本模型之間的關(guān)系是一種組合關(guān)系，不能生搬硬套地將拼合模型看成父類，而將基本模型看作是子類。

面向?qū)ο蟮慕Ｅc仿真在建模和仿真的不同階段，如仿真建模、仿真實驗、動畫輸出等，面向?qū)ο蟮姆椒ǘ家勋@得了應(yīng)用，比如面向?qū)ο蟮慕换ナ綀D形技術(shù)、人工智能技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，特別是利用面向?qū)ο蟮姆椒ń⒏鞣N復(fù)雜系統(tǒng)的模型，如大型軍用系統(tǒng)、柔性制造系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，已取得了許多實際成果。例如，美國NASA的軟件工程實驗室(SEL)已將面向?qū)ο蠹夹g(shù)成功地用于11個項目開發(fā)中，面向?qū)ο蠹夹g(shù)的采用使這些項目的代碼重用率從20%增至80%，同類新項目開發(fā)費用降低三分之二，開發(fā)周期減少一半，修改與出錯率僅為原來的十分之一，被它們稱之為到目前為止最有影響的方法；由CAE-Link公司為Johnson太空中心開發(fā)的Freedom空間站驗證與訓(xùn)練設(shè)備(SSVTF)是一項源代碼超過180萬行的大型仿真項目，該項目主要為空間站宇航員和地面飛行控制者提供全面訓(xùn)練，從基本操作、任務(wù)規(guī)劃到?jīng)Q策驗證，計劃將面向?qū)ο蠼７椒ㄅc軟件重用技術(shù)貫穿于需求分析、設(shè)計、編碼全過程；McDonnellDouglasAerospace將面向?qū)ο蠹夹g(shù)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的實時仿真及任務(wù)規(guī)劃；Hewlett-Packard采用面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計方法開發(fā)了16個商業(yè)項目；Rand公司成功開發(fā)了“蘭德面向?qū)ο蠓抡嫦到y(tǒng)(ROSS)”等等。

面向?qū)ο蠓抡媾e例面向?qū)ο蟮姆抡嬉馕吨脩粢沧兂梢环N語言的設(shè)計者。用戶不僅只利用語言中預(yù)定義的對象，而且還可以利用一組工具建立自己新的對象；用戶不僅要知道如何使用對象，而且必須知道如何描述對象與實現(xiàn)它們。一旦建立了對象類庫，建模工作就很簡單，任務(wù)就是創(chuàng)建控制與刪除對象，用以模擬實際系統(tǒng)的活動。在面向?qū)ο笤O(shè)計的階段，要確定組成系統(tǒng)的對象、對象的屬性和功能，以及對象間的關(guān)系。在實現(xiàn)階段，就要用某種程序語言來實現(xiàn)仿真設(shè)計模型。當然，不用面向?qū)ο蟮恼Z言，也能夠?qū)崿F(xiàn)面向?qū)ο蟮姆抡?。但使用面向?qū)ο蟮恼Z言，實現(xiàn)起來較為容易。由于C++語言較好地兼顧了C語言和面向?qū)ο笳Z言地特點，C++語言成為目前使用最廣泛地面向?qū)ο笳Z言。下面以微分方程組的四階龍格－庫塔解法為例，用BorlandC++簡要說明面向?qū)ο笤O(shè)計仿真算法過程。

面向?qū)ο蠓抡媾e例classVector{private：float*v//向量的值intsz//向量的維數(shù)public：Vector()；Vector(ints)；Vector(ints,float*a)；Vector(constVector&.a)；//以上皆為構(gòu)造函數(shù)～'Vector()；//析構(gòu)函數(shù)Vectoroperator+(constVector&.)//向量與向量相加Vectoroperator+(constfloat&.)//向量與實數(shù)相加Vectoroperator*(constfloat&.)//向量子函數(shù)相乘float&.operator[](constint&.)//向量各分值Vector&.operator=(constVector)；//等式重加載}；在龍格－庫塔算法中，為了符合人們的思維習(xí)慣和體現(xiàn)人類的習(xí)慣寫法，引入了兩個類：向量類和微分方程組類。向量類具有兩個私有狀態(tài)，即向量的值與向量的維數(shù)，重載了“＋”、“×”等操作，其定義如下：

面向?qū)ο蠓抡媾e例classDiffEqutionsprivate：floatStep，TO，*Inn；//Step：步長，TO：起始時間，Inn：微分方程組初值intStepNum，Dim；//StepNum：仿真時間，Dim：微分方程組維數(shù)virtualVectorEqutions(VectorYY.floata)；//虛函數(shù)，微分方程組VectorRunge(VectorYin,floatt)；//龍格－庫塔算法public：DiffEqutions(floatSl，floatTl，intStepNum1，intDim1，float*In)；//構(gòu)造函數(shù)~DiffEqutions()；//析構(gòu)函數(shù)voidSlvRg()}；

微分方程組類把微分方程組的共性抽象出來，如長、起始時間、方程組初值、方程組維數(shù)等，定義如下：

面向?qū)ο蠓抡媾e例對于微分方程組表達式的操作，定義為虛函數(shù)；在具體求解一個微分方程組時，把這個微分方程組類作為父類，具體的微分方程組作為導(dǎo)出類，重新定義微分方程組這個操作，那么這個導(dǎo)出類就繼承了父類型微分方程組類的數(shù)據(jù)操作，這就是繼承性。采用上述方法求解微分方程組，，初值為，初始時間，仿真時間為10秒，仿真步長為0.1。用龍格－庫塔法求解的源程序如下。

面向?qū)ο蠓抡媾e例//DiffEqu.hpp#ifndefDiffEqu_HPP#defineDiffEqu_HPP#endif//ThedefinationofVectorClass向量類的定義classVector{private：float*v；intsz；public：Vector()；Vector(ints)；Vector(ints,float*a)；Vector(constVector&.a)；～'Vector()；Vectoroperator+(constVector&)；Vectoroperator+(constfloat&)；Vectoroperator*(constfloat&)；float&operator[](constint&)；Vector&operator=(constVector&)；}；//ThedefinationofDiffEqutionsClass微分方程組類的定義

面向?qū)ο蠓抡媾e例classDiffEqutions{private：floatStep，TO，*Inn；intStepNum,Dim；virtualVectorEqutions(VectorYY.floatac){return(YY)；}VectorRunge(VectorYin,floatt)；public：DiffEqutions(floatSl,floatTl.intStepNum1,intDim1,float*IN)；~DiffEqutions()；voidSlvRg()；}；//DiffEqu.cpp#ifndefDiffEqu_HPP#include"DiffEqu.hpp"#endif#include<iostream.h>//ThemembersofVectorClass向量類成員函數(shù)Vector::Vector(){}Vector::Vector(ints,float*a){sz==s；v=newfloat[s]；for(inti=0；i<s；i++)v[i]=a[i]；}

面向?qū)ο蠓抡媾e例Vector::Vector(ints){sz=s；v=newfloat[s]；}Vector::Vector(constVector&a){sz==a.sz；v=newfloat[sz]；for(inti=0；i<s；i++)v[i]==a.v[i]；}Vector::Vector(){deletev；}VectorVector::operator+(constVector&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]+an.v[i]；returntemp；}VectorVector::operator+(constfloat&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]+an；return(temp)；}VectorVector::operator*(constfloat&an){Vectortemp(sz)；for(inti=0；i<sz；i++)temp.v[i]=v[i]*an；return(temp)；}float&Vector::operator[](constint&i){returnv[I]；}；Vector&Vector::operator=(constVector&a){sz=a.sz；v=newfloat[sz]；for(inti=0；i<sz；i++)v[I]=a.v[I]；return*this；}；

//ThemembersofDiffEqutionsClass

面向?qū)ο蠓抡媾e例DiffEqutions::DiffEqutions(floatSl,floatTl，intStepNum1，intDim1，float*IN){Step=S1；T0=t1；Dim=Dim1；StepNum=StepNum1；INN=newfloat[Dim]；for(inti=0；i<Dim；i++)INN[i]=IN[i]；}；DiffEqutions::～DiffEqutions(){deleteINN；}VectorDiffEqutions::Runge(VectorYin,floatt){VectorKl,K2.K3.K4,Yout；Kl=Equtions(Yin,t)*Step；K2=Equtions(Yin+Kl*.5,t+Step*.5)*Step；K3=Equtions(Yin+K2*.5,t+Step*.5)*Step；K4=Equtions(Yin+K3,t+Step)*Step；Yout=Yin+(K1+K2*2.+K3*2.+K4)*(1/6.)；return(Yout)；}；

面向?qū)ο蠓抡媾e例voidDiffEqutions::SlvRg(){floath,t；VectorYIN(Dim,INN)；for(inti=0,i<StepNum,i++){t=TO+I*Step；YIN=Runge(YIN，t)；for(intj=0,j<Dim,j++){h=YIN[j]；cout<<YIN[j]；}cout<<endl；}}//tl.cpp#include"tl.hpp"Vectortl::Equtions(VectorYin,floatt){VectorTEMP(2),TEMP[0]=l./Yin[1]；TEMP[l]=-l./Yin[0]；return(TEMP)；}#ifndefTl_HPP#defineTl_HPP#endif//tl.hpp

面向?qū)ο蠓抡媾e例#ifndefDIFFEQU_HPP#include"DIFFEQU.HPP"#endifclasstl:publicDiffEqutions{public:t1(floatSl,floatTl,intStepNum1,intDim1,float*IN):DiffEqutions(Sl,Tl,StepNum1,Dim1,IN){}；virtualVectorEqutions(VectorYin,floatt)；}；//Mainprogram#include"tl.hpp"voidmain(){floata[3]={1.1,0.9}；t1CC(0.1,0.1,10,2,a)；CC.SlvRg()；}8.2分布交互仿真技術(shù)

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程分布交互仿真(DistributedInteractiveSimulation,DIS)是“采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)將分布在各地的仿真設(shè)備互聯(lián)并交互作用，同時可由人參與交互作用的一種綜合環(huán)境”。它以計算機網(wǎng)絡(luò)作為支撐，將分散于不同地域的相對獨立的各類仿真器互聯(lián)起來，構(gòu)成一個大規(guī)模、多參與者協(xié)同作用的綜合虛擬環(huán)境，以實現(xiàn)含人平臺、非含人平臺間的交互以及平臺與環(huán)境間的交互。分布交互仿真在軍事方面的應(yīng)用主要有：

在新型武器系統(tǒng)開發(fā)早期對其功能做先期演示驗證；

開發(fā)新的戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)概念；

規(guī)劃、推演和重演作戰(zhàn)任務(wù)；

在一個虛擬環(huán)境中訓(xùn)練大規(guī)模兵力并進行武器系統(tǒng)效能評估。分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：DIS階段、ALSP階段和目前的HLA階段，可以用圖表示其發(fā)展過程如圖所示

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程圖8.2.1分布交互仿真技術(shù)的發(fā)展歷程

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程1983年美國國防部高級研究計劃局(DAPAR)正式提出了SIMNET(SimulationNetworking)研究計劃，并得到美國陸軍的支持，該計劃的最初目的是希望將分散于各地的多個地面車輛(坦克、裝甲車等)訓(xùn)練模擬器用計算機網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，進行各種復(fù)雜任務(wù)的綜合訓(xùn)練。到80年代末，SIMNET計劃結(jié)束時，已形成了約260個地面車輛仿真器和飛機仿真器以及指揮中心和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等的綜合仿真網(wǎng)。SIMNET的成功應(yīng)用使美國軍方充分認識到這一技術(shù)的潛在作用。1989年在美國陸軍、建模與仿真辦公室DMSO和DARPA的共同倡導(dǎo)和支持下，正式提出了分布交互仿真的概念，并制訂了一套面向分布式仿真的標準文件，以使這一技術(shù)向規(guī)范化、標準化、開放化的方向發(fā)展。美國陸軍的CATT計劃、WARSIM2000計劃、NPSNET計劃、STOW計劃等都采用了DIS標準?；贒IS標準的分布

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程交互仿真系統(tǒng)的基本思想是通過建立一致的標準通信接口來規(guī)范異構(gòu)的仿真系統(tǒng)間的信息交換，通過計算機網(wǎng)絡(luò)將位于不同地理位置上的仿真系統(tǒng)聯(lián)接起來，構(gòu)成一個異構(gòu)的綜合作戰(zhàn)仿真環(huán)境，滿足武器性能評估、戰(zhàn)術(shù)原則的開發(fā)和演練以及人員訓(xùn)練等的需要。異構(gòu)的仿真系統(tǒng)間的互操作是建立在標準的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)基礎(chǔ)上的。20世紀80年代末，美國國防部開始研究使用聚合級作戰(zhàn)仿真為聯(lián)合演習(xí)提供支持。所謂聚合級仿真是指揮團、營、連等部隊單元級的構(gòu)造仿真，而不是單個作戰(zhàn)人員和實體的仿真。按DIS標準構(gòu)成的仿真系統(tǒng)用于平臺級實時連續(xù)系統(tǒng)的描述，聚合級仿真協(xié)議ALSP(AggregateLevelSimulationProtocol)用于分布的聚合級以離散事件為主的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，它實質(zhì)上

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程是“構(gòu)造仿真”。構(gòu)造仿真的時間管理不同于DIS系統(tǒng)，它不一定與實際時鐘直接聯(lián)系，而是采用時間步長、事件驅(qū)動等方法，它只要保證聚合級仿真系統(tǒng)中時間對所有仿真應(yīng)用是一致的，而且保證事件的因果關(guān)系正確。1990年1月，美國高級研究計劃署提出了聚合級仿真協(xié)議的概念，主要研究聚合級的分布構(gòu)造仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、標準和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并將基于ALSP標準的分布交互仿真系統(tǒng)應(yīng)用于1992年、1994年和1996年的軍事演習(xí)，使ALSP標準得到了改進和完善。在DIS和ALSP的基礎(chǔ)上，為消除DIS在體系結(jié)構(gòu)、標準和協(xié)議等方面的局限和不足，又發(fā)展了新的分布交互仿真體系結(jié)構(gòu)HLA，它能提供更大規(guī)模的、將構(gòu)造仿真、虛擬仿真、實況仿真集成在一起的綜合環(huán)境，實現(xiàn)各類仿真系統(tǒng)間的互操作、動態(tài)管理、一點對多點的通訊、系統(tǒng)和部件的重用、以及建立不同層次和不同粒度的對象模型。1995年美國國防部發(fā)布了針對建模與仿真領(lǐng)域的通

8.2.1分布交互仿真的發(fā)展歷程用技術(shù)框架，該框架由任務(wù)空間概念模型(CMMS，ConceptualModelofMissionSpace)、高層體系結(jié)構(gòu)HLA(HighLevelArchitecture)和一系列的數(shù)據(jù)標準三部分組成，其中高層體系結(jié)構(gòu)是通用框架的核心內(nèi)容。美國國防部已宣布不再支持非HLA標準的仿真系統(tǒng)，HLA已經(jīng)成為目前分布交互仿真系統(tǒng)普遍采用的標準。

分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)分布交互仿真與以往的仿真技術(shù)不同，具體表現(xiàn)在以下方面：

在體系結(jié)構(gòu)上，由過去的集中式、封閉式發(fā)展到分布式、開放式和交互式，構(gòu)成在互操作、可移植、可伸縮及強交互的協(xié)同仿真體系結(jié)構(gòu)。

在功能上，由原來的單個武器平臺的性能仿真，發(fā)展到復(fù)雜環(huán)境下，以多武器平臺為基礎(chǔ)的體系與體系對抗仿真。

在手段上，從單一的構(gòu)造仿真、實況仿真和虛擬仿真，發(fā)展成集上述多種仿真為一體的綜合仿真系統(tǒng)。

在效果上，由只能從系統(tǒng)外部觀察仿真的結(jié)果或直接參與實際物理系統(tǒng)的測試，發(fā)展到能參與到系統(tǒng)中，與系統(tǒng)進行交互作用，并可得到身臨其境的感受。分布交互仿真是計算機技術(shù)的進步與仿真需求不斷發(fā)展的結(jié)果，其特點主要表現(xiàn)在五個方面，即分布性、交互性、異構(gòu)性、時空一致性和開放性。分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)(1)分布性：分布式交互仿真的分布性表現(xiàn)為地域分布性、任務(wù)分布性和系統(tǒng)的分布性。地域分布性是指組成仿真系統(tǒng)的各個節(jié)點處于不同的地域。它們可以同處于一個局域網(wǎng)中，也可以處于不同的局域網(wǎng)中；可以處于同一個城市，也可以處于不同的城市甚至不同的國家。任務(wù)分布性是指同一個仿真任務(wù)可以由幾臺計算機共同協(xié)同完成。比如一個實時仿真結(jié)點的任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)的通信、大量的模型解算和圖形的繪制等，其中每一項都需要大量的計算。為了保證該結(jié)點的實時性，可以配置多臺計算機來分別其任務(wù)。這種同一任務(wù)由多臺計算機來協(xié)同完成的現(xiàn)象就是任務(wù)分布性。系統(tǒng)的分布性是指同一個仿真系統(tǒng)可以分布在不同的計算機上。這些計算機可以處于同一地域，也可以處于不同的地域。(2)交互性：分布式交互仿真的交互性包括人機交互和作戰(zhàn)時的對抗交互。所謂人機交互是指參與作戰(zhàn)演習(xí)的人員通過計算機將其對仿真系統(tǒng)的命令傳達給仿真系統(tǒng)。比如指揮人員通過計算機下達系統(tǒng)暫停命令等。所謂對抗交互是指參與作戰(zhàn)的對抗雙方相互之間交互作戰(zhàn)信息。比如紅方向藍方進行了一次射擊，則紅方應(yīng)該將射擊PDU發(fā)送給系統(tǒng)中的藍方，以保證作戰(zhàn)環(huán)境的時空一致性。

分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)(3)異構(gòu)性：分布式交互仿真的另一個突出的特點是對已有系統(tǒng)的集成。如何將這些地域上分散、不同的制造廠商開發(fā)、系統(tǒng)的硬件和軟件配置各不相同、實體表示方法與精度各異的仿真結(jié)點聯(lián)結(jié)起來并實現(xiàn)互操作，就成為研究人員待解決的問題，也是DIS技術(shù)中的關(guān)鍵。(4)時空一致性：在分布式交互仿真系統(tǒng)中，人是通過計算機生成的綜合環(huán)境的各種真實的感受來作出響應(yīng)而形成＂人在回路”的仿真，所以DIS系統(tǒng)必須保證仿真系統(tǒng)中的時間和空間與現(xiàn)實世界中的時間和空間的一致性。時空一致性是指DIS各節(jié)點或各軟件對象的行為根據(jù)所模擬的時空關(guān)系，按嚴格規(guī)定的時序進行，以使用戶產(chǎn)生逼真的時空感受。為此必須建立統(tǒng)一的時間和空間基準。時空一致性原則要求DIS網(wǎng)上各節(jié)點在交互作用時，其狀態(tài)信息應(yīng)具有統(tǒng)一的幾何和時間表達。(5)開放性：開放性是指體系結(jié)構(gòu)的開放性，其目的是建立一種具有廣泛適用性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，在這一框架下可以實現(xiàn)各類系統(tǒng)或子系統(tǒng)的集成，以構(gòu)建大規(guī)模的和多用途的作戰(zhàn)仿真。主要的集成包括：平臺級作戰(zhàn)仿真器、聚合級作戰(zhàn)仿真模型、評估和預(yù)測類分析模型、C4I系統(tǒng)和實際武器系統(tǒng)等。分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)分布交互仿真系統(tǒng)還有實時性的要求，即要求實體狀態(tài)必須是實時更新的、實體間的信息必須是實時傳播的、圖形顯示必須是實時生成的等。另外，在分布交互仿真系統(tǒng)中沒有中央計算機控制整個仿真演練。以往的仿真系統(tǒng)使用一個中央計算機來維護整個虛擬世界的狀態(tài)，并計算每個實體的行為對其他實體和環(huán)境的影響。而DIS系統(tǒng)中，通過分布式仿真方法來實現(xiàn)各實體的互操作，由通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的主機上的仿真應(yīng)用軟件來完成每個實體狀態(tài)的計算。當新的主機連接到網(wǎng)絡(luò)上時，它帶來了自己的資源。分布交互仿真的關(guān)鍵技術(shù)主要有：分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)(1)合理的分布式結(jié)構(gòu)合理平衡的計算和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能是一切分布式計算系統(tǒng)設(shè)計所需要解決的矛盾之一。從本質(zhì)上講，這意味著在給定可用資源(CPU計算速度、磁盤存儲容量、I/O吞吐率、鏈路帶寬、路由器轉(zhuǎn)發(fā)緩存容量、應(yīng)用程序、敏感信息等)及其代價的情況下，如何在網(wǎng)絡(luò)上合理分配以保證系統(tǒng)性能及設(shè)計約束(如某些信息只能置于某處或必須置于某組織監(jiān)控之下等)，解決方案直接體現(xiàn)于系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。(2)信息交換標準為了生成時空一致的仿真環(huán)境，并支持仿真實體間的交互作用，必須制定相應(yīng)的信息交換標準。目前，DIS中普遍采用的是IEEE1278標準，主要包括信息交換的內(nèi)容、格式的約定以及通信結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議的選取等。對協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU，rotocolDataUnit)中的數(shù)據(jù)信息的格式和含義都進行了詳細的規(guī)定，這些PDU在仿真應(yīng)用之間、以及仿真應(yīng)用與仿真管理程序之間進行交換。例如，實體狀態(tài)PDU的組成如圖所示：

分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)

圖8.2.2實體狀態(tài)PDU(3)DR技術(shù)DR(DeadReckoning)是DIS中普遍采用的一項技術(shù),它可以在仿真精度和通信帶寬之間進行很好的折衷，即可以在一定的仿真精度要求的前提下，大大減少仿真結(jié)點之間的狀態(tài)信息傳遞次數(shù)。DR算法的基本思想可概括為以下三點：①仿真實體除有一個精確的運動模型外，還在本結(jié)點維護一個簡單的運動模型(DR模型)；分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)②在每個仿真結(jié)點中放入可能與之發(fā)生交互作用的其他結(jié)點的DR模型，并以這些模型為依據(jù)推算這些結(jié)點的狀態(tài)，供本結(jié)點的有關(guān)功能模塊使用；③當自身的精確模型輸出與DR模型輸出之差大于某一個給定閾值時，向其他結(jié)點發(fā)送自身狀態(tài)的更新信息，同時更新自身DR模型的狀態(tài)。(4)時鐘同步技術(shù)時間一致性和空間一致性是DIS系統(tǒng)中的典型問題，時空一致性是指DIS各仿真結(jié)點或各軟件對象的行為所模擬的時空關(guān)系，按嚴格規(guī)定的時序進行，以給用戶造成逼真的和符合實際的時空感受。作為一個分布式系統(tǒng)，導(dǎo)致DIS時空不一致性的因素包括：分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)

各結(jié)點的本地時鐘不同步(未校準于某同一時鐘，即時間一致性問題)；

網(wǎng)絡(luò)阻塞導(dǎo)致仿真結(jié)點間的信息傳遞延遲；

消息接收順序與發(fā)送順序不一致。在分布交互仿真系統(tǒng)中，時鐘同步方法分為三類：a.軟件同步算法。完全利用軟件完成分布式系統(tǒng)中各時鐘的同步，但這種軟件發(fā)生同步的工作量很大，且結(jié)點間的同步偏差容易積累，更重要的是，同步信息在廣域網(wǎng)上傳輸時延遲大，且有很大的不確定性，這會使軟件同步的效果不理想。b.硬件同步。硬件同步往往是借助于全球定位系統(tǒng)(GPS)來實現(xiàn)。但由于GPS硬件的價格昂貴，完全依靠GPS進行同步的成本很高，不現(xiàn)實。

分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)c.分層式混合同步。采用硬件和軟件同步一起工作來實現(xiàn)結(jié)點間的時鐘同步。具體描述如下：對于DIS中的每一個局域網(wǎng)，選擇某一個結(jié)點作為TIMERMaster，并在TM中引入一個GPS接收機及相應(yīng)的時鐘接口設(shè)備，這樣，在不同的LAN中的TM就可以通過GPS的時間信號實現(xiàn)同步；在每一個LAN內(nèi)部，各結(jié)點通過軟件實現(xiàn)與該LAN的TM同步。(5)接口處理技術(shù)由于分布式交互仿真是對已有系統(tǒng)的集成，這些系統(tǒng)可以是不同的制造廠商生成、系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)配置各不相同、實體表示方法與描述精度各異的且在地域上也是分散的。通常這些仿真結(jié)點具有自己的仿真約定，而這些約定不一定遵從分布交互仿真協(xié)議。因此，要將這些結(jié)點納入分布交互仿真環(huán)境中，就必須對其進行適當?shù)男薷暮蛿U充。如果這些修改和擴充完全通過仿真結(jié)點來實現(xiàn)，將會給仿真結(jié)點造成很大的負擔。此外，一旦結(jié)點脫離分布交互仿真環(huán)境獨立運行時，還需將上述改動復(fù)原，這就破壞了仿真結(jié)點各自的獨立性。故這種方法通用性差，效率較低。分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)引入接口處理器(InterfaceProcessor,簡稱IP)的目的正是為了解決由于聯(lián)網(wǎng)而附加給仿真結(jié)點的負擔，從而減少對仿真結(jié)點所做的修改，最大限度地維護結(jié)點的獨立性。換句話說，結(jié)點間的交互作用首先通過接口處理器進行預(yù)處理，從而將各個結(jié)點的差異封裝起來。因此，接口處理器是不同仿真結(jié)點聯(lián)網(wǎng)運行的必要裝置，也是分布交互仿真中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

分布交互仿真技術(shù)的特點和關(guān)鍵技術(shù)(6)虛擬環(huán)境技術(shù)為了保證仿真的真實性，需要生成虛擬的天空、陸地海洋等地理環(huán)境及風(fēng)、雨、雷、電等自然現(xiàn)象。虛擬環(huán)境技術(shù)還包括計算機生成兵力CGF(ComputerGeneratedForces)和CCA(ComputerControlledAircraft)的智能技術(shù)。這對于構(gòu)造時空一致的逼真的仿真環(huán)境是極為重要的。

(7)仿真管理技術(shù)DIS中涉及大量的仿真結(jié)點，為了更好地使各結(jié)點在時空一致的仿真環(huán)境中運行，必須對仿真結(jié)點的運行過程(初始化、啟動、暫停、中止)進行管理、協(xié)調(diào)和調(diào)度。8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準仿真實體(SimulationEntity)、仿真結(jié)點(SimulationNode)、仿真應(yīng)用(SimulationApplication)、仿真管理計算機(SimulationManager)、仿真演練(SimulationExercise)和仿真主機(SimulationHost)是DIS系統(tǒng)經(jīng)常遇到的幾個概念。其中，仿真結(jié)點可能是一臺仿真主機，也可能是一個網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。很多情況下，仿真結(jié)點和仿真主機并不嚴格區(qū)分，均指參與仿真演練的計算機，在一個DIS網(wǎng)絡(luò)中，包含多個仿真結(jié)點；仿真應(yīng)用包括軟件和真實設(shè)備之間的計算機硬件接口，每一臺仿真主機中都駐留有一個仿真應(yīng)用；一個或多個互相交換的仿真應(yīng)用構(gòu)成一個仿真演練，參與同一仿真演練的仿真應(yīng)用共享一個演練標識符；仿真實體是仿真環(huán)境中的一個單位，每一個仿真應(yīng)用負責維護一個或多個仿真實體的狀態(tài)；仿真管理計算機中駐留有仿真管理軟件，負責完成局部或全局的仿真管理功能。圖形象地表明了以上各概念的含義及它們之間的關(guān)系。8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準圖8.2.3DIS中的幾個基本概念及其相互關(guān)系8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準DIS在邏輯上采用的是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如圖所示。其中的每一個仿真結(jié)點都將本結(jié)點的實體數(shù)據(jù)發(fā)往網(wǎng)絡(luò)中其他所有的仿真應(yīng)用，同時又接收其他仿真應(yīng)用的信息。按照DIS的原則，由接收方來決定所收到的信息是否對本結(jié)點有用，如果是無用信息，就將其放棄。圖8.2.4DIS邏輯拓撲結(jié)構(gòu)8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準DIS的體系結(jié)構(gòu)特點可概括為：

自治的仿真應(yīng)用負責維護一個或多個仿真實體的狀態(tài)；

用標準PDU來傳送數(shù)據(jù)；

仿真應(yīng)用負責發(fā)送仿真實體的狀態(tài)金額交互信息；

由接收仿真應(yīng)用來感知事件或其他實體的存在；

用DR算法來減少網(wǎng)絡(luò)中的通信負荷。DIS的這種網(wǎng)狀邏輯結(jié)構(gòu)從網(wǎng)絡(luò)管理角度來說是比較容易實現(xiàn)的。通過規(guī)范異構(gòu)的仿真結(jié)點間信息交換的格式、內(nèi)容及通信規(guī)則，DIS實現(xiàn)了分布仿真系統(tǒng)間的互操作，構(gòu)成一個仿真環(huán)境。然而，這種建立在數(shù)據(jù)交換標準之上的體系結(jié)構(gòu)畢竟是一種低層次的隨意的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)對與處理具有復(fù)雜的邏輯層次關(guān)系的系統(tǒng)是不完備的。由于自治的仿真結(jié)點之間是對等的關(guān)系，所以每個仿真結(jié)點不僅要完成自身的仿真功能，還要完成信息的發(fā)送、接收、理解等處理。不同的仿真結(jié)點間的邏輯和功能

8.2.3DIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和標準的層次關(guān)系只是通過在PDU中增加某些信息來實現(xiàn)。因此，隨著DIS需求的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)DIS結(jié)構(gòu)存在一定的局限性，主要表現(xiàn)是：(1)體系結(jié)構(gòu)方面的缺陷：由于DIS把數(shù)據(jù)定義于結(jié)構(gòu)之中，使得DIS協(xié)議不夠靈活和高效，例如如果某實體要通知其他網(wǎng)絡(luò)實體它的狀態(tài)發(fā)生了變化，這一狀態(tài)改變只需要PDU數(shù)據(jù)的某一位發(fā)生變化，但它必須發(fā)送整個實體狀態(tài)PDU來表示這一改變。(2)對于聚合級仿真不太適合：DIS是定位于實時、平臺級的分布式仿真，對于聚合級仿真等要求不同時間推進機制的仿真應(yīng)用則不太適合。(3)網(wǎng)絡(luò)負荷及處理負擔：DIS使用廣播方式來發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣不僅加重了網(wǎng)絡(luò)負荷，也加重了各結(jié)點的處理負擔。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)1992年，美國國防部提出了“國防建模與仿真倡儀”，要求在全新的結(jié)構(gòu)、方法和先進的技術(shù)基礎(chǔ)上，建立一個廣泛的、高性能的、一體化的和分布的國防建模與仿真綜合環(huán)境，并提出了應(yīng)用性、綜合性、可用性、靈活性、真實性和開放性的要求。在經(jīng)過四個原型系統(tǒng)的開發(fā)和實驗后，于1996年8月正式公布了HLA體系結(jié)構(gòu)。HLA是分布交互仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，它是一個通用的仿真技術(shù)框架，它定義了構(gòu)成仿真各部分的功能及相互間的關(guān)系。HLA涉及以下幾個基本概念：聯(lián)邦(Federation)：為實現(xiàn)某種特定的仿真目的而組織到一起，并能夠彼此進行交互作用的仿真系統(tǒng)、支撐軟件和其它相關(guān)的部件就構(gòu)成一個聯(lián)邦，其執(zhí)行過程稱為聯(lián)邦執(zhí)行。聯(lián)邦成員(Federate)：組成聯(lián)邦的各仿真應(yīng)用系統(tǒng)稱為聯(lián)邦成員。對象(Object)：對象在這里是指對某一應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)所要進行仿真的實體建立的模型。圖是HLA框架下聯(lián)邦組成的邏輯示意圖。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)

圖8.2.5HLA的邏輯拓撲在HLA框架下，聯(lián)邦成員通過RTI(RuntimeInfrastructure)構(gòu)成一個開放性的分布式仿真系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有可擴充性。其中，聯(lián)邦成員可以是真實實體系統(tǒng)、構(gòu)造或虛擬仿真系統(tǒng)以及一些輔助性的仿真應(yīng)用。在聯(lián)邦的運行階段，這些成員之間的數(shù)據(jù)交換必須通過RTI。運行時間支撐框架RTI底層通訊支持系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò)通訊或共享內(nèi)存方式等)聯(lián)邦成員2RTI接口模塊聯(lián)邦成員NRTI接口模塊聯(lián)邦成員1RTI接口模塊

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)HLA的基本思想就是利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計、開發(fā)和實現(xiàn)系統(tǒng)的對象模型來獲得仿真聯(lián)邦的高層次互操作和可重用。HLA主要由三部分組成：(1)(Rules)：描述了定義HLA應(yīng)遵循的基本原則，共包括10條基本規(guī)則；相容性規(guī)則給出了使仿真納入HLA中所必須遵守的一些規(guī)則。這些規(guī)則分為聯(lián)邦(Federation)規(guī)則和聯(lián)邦成員(Federate)規(guī)則兩部分。聯(lián)邦規(guī)則主要概括為：1在一個聯(lián)邦中，每個對象的表現(xiàn)應(yīng)限于聯(lián)邦成員內(nèi)，不應(yīng)在RTI中；2在一個聯(lián)邦運行過程中，所有聯(lián)邦成員內(nèi)的FOM數(shù)據(jù)交換必須經(jīng)過RTI；3在一個聯(lián)邦運行過程中，所有聯(lián)邦成員與RTI間的接口必須符合接口規(guī)范；4在一個聯(lián)邦運行過程中，每個對象的屬性在任何給定時刻必須從屬于唯一的一個聯(lián)邦成員；5每一個聯(lián)邦必須具有一個FOM來描述對象間的交互；

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)聯(lián)邦成員規(guī)則主要概括為：1每個聯(lián)邦成員必須具有一個SOM來描述對象的屬性；2聯(lián)邦成員應(yīng)能夠在SOM中更新和(或)接收對象屬性，并能夠發(fā)送和(或)接收外部對象的交互信息；3聯(lián)邦成員應(yīng)能夠在執(zhí)行過程中動態(tài)地傳遞和(或)接收屬性所有權(quán)；4聯(lián)邦成員應(yīng)能夠變化相應(yīng)的條件值，以保證對象屬性的更新；5聯(lián)邦成員應(yīng)能夠管理局部時間，以協(xié)調(diào)與聯(lián)邦內(nèi)其它成員的數(shù)據(jù)交換；(2)對象模型模板(ObjectModelTemplate:OMT)：描述了建立HLA對象模型應(yīng)遵守的書寫規(guī)范；OMT是對仿真中的對象、對象屬性和對象間信息交互的格式和內(nèi)容進行定義的標準化描述。HLA中的聯(lián)邦對象模型FOM(FederationObjectModel)和仿真對象模型SOM(SimulationObjectModel)是通過OMT來描述的，F(xiàn)OM借助于OMT提供的標準

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)化的記錄格式，為一個特定的聯(lián)邦中各聯(lián)邦成員之間需交換的數(shù)據(jù)的特性進行描述，以便各聯(lián)邦成員在聯(lián)邦的運行中正確、充分地利用這些數(shù)據(jù)進行互操作。FOM中的數(shù)據(jù)主要包括：聯(lián)邦中的作為信息交換主體的對象類及其屬性，交互類及其參數(shù)，以及對它們本身特性的說明。SOM描述的是各個仿真成員在聯(lián)邦運行過程中可以提供(公布)給聯(lián)邦的信息，以及它需要(定購)從其它仿真成員接收的信息，它反映的是仿真成員具備的向外界“公布”信息的能力及其向外界“定購”信息的需求。與FOM一樣，SOM中包含的數(shù)據(jù)也是作為信息交換主體的對象類及其屬性和交互類及其參數(shù)以及對它們本身特性的說明。FOM/SOM是一種建模的標準化的技術(shù)和方法，它便于模型的建立、修改、生成與管理，便于仿真資源的重用。OMT由對象模型鑒別表、對象類結(jié)構(gòu)表、屬性表、交互類結(jié)構(gòu)表、參數(shù)表、維數(shù)表、時間表示表、用戶定義的標簽表、同步表、傳輸類型表、開關(guān)表、數(shù)據(jù)類型和FOM/SOM詞典組成。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)(3)接口規(guī)范說明(InterfaceSpecification)：描述了聯(lián)邦成員與HLA運行時間框架(RunTimeInfrastructure:RTI)之間的功能接口。RTI是一組應(yīng)用軟件，在每個聯(lián)邦成員的主機中都有駐留程序，可看作是一個分布式的操作系統(tǒng)。它作為分布式仿真的運行支撐系統(tǒng)，用于實現(xiàn)各類仿真應(yīng)用之間的交互操作，是聯(lián)接系統(tǒng)各部分的紐帶，是HLA仿真系統(tǒng)的核心。聯(lián)邦成員在開發(fā)過程中遵守相應(yīng)的規(guī)則和與RTI的接口規(guī)范，在運行過程中也只與本機中的RTI駐留程序進行直接交互，其余的交互任務(wù)全部由RTI來完成。可見，HLA系統(tǒng)的通訊任務(wù)實際上是在分布的各個RTI部件之間完成的。RTI為多種類型的仿真間的交互提供了通用服務(wù)，這些服務(wù)主要包括如下六個方面：

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)1聯(lián)邦管理(FederationManagement)：對聯(lián)邦執(zhí)行的整個生命周期的活動進行協(xié)調(diào)；2聲明管理(DeclarationManagement)：提供服務(wù)使聯(lián)邦成員聲明它們能夠希望創(chuàng)建和接收的對象狀態(tài)和交互信息，實現(xiàn)基于對象類或交互類的數(shù)據(jù)過濾；3對象管理(ObjectManagement)：提供創(chuàng)建、刪除對象，以及傳輸對象數(shù)據(jù)和交互數(shù)據(jù)等服務(wù)；4所有權(quán)管理(OwnershipManagement)：提供聯(lián)邦成員間轉(zhuǎn)換對象屬性所有權(quán)服務(wù)；5時間管理(TimeManagement)：控制協(xié)調(diào)不同局部時鐘管理類型的聯(lián)邦成員(如DIS仿真系統(tǒng)、實時仿真系統(tǒng)、時間步長仿真系統(tǒng)和事件驅(qū)動仿真系統(tǒng)等)在聯(lián)邦時間軸上的推進，為各聯(lián)邦成員對數(shù)據(jù)的不同的傳輸要求(如可靠的傳輸和最佳效果傳輸)提供服務(wù)；6數(shù)據(jù)分布管理(DataDistributedManagement)：通過對路徑空間和區(qū)域的管理，提供數(shù)據(jù)分發(fā)的服務(wù)。允許聯(lián)邦成員規(guī)定它發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)的分發(fā)條件，以便更有效地分發(fā)數(shù)據(jù)。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)HLA采用對稱的體系結(jié)構(gòu)。所謂對稱的體系結(jié)構(gòu)是指在整個仿真系統(tǒng)中，所有的應(yīng)用程序都是通過一個標準的接口形式進行交互作用。共享服務(wù)和資源是實現(xiàn)互操作的基礎(chǔ)。一方面，HLA正是分布仿真的開發(fā)、執(zhí)行同相應(yīng)的支撐環(huán)境分離開，這樣可以使仿真人員將重點放在仿真模型及交互模型的設(shè)計上，在模型中描述對象間所要完成的交互動作和所需交互的數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心交互動作和數(shù)據(jù)交換是如何完成的；另一方面，RTI為聯(lián)邦中的仿真提供一系列標準的接口(API)服務(wù)，用以滿足仿真所要求的數(shù)據(jù)交換和交互動作完成，同時還要負責協(xié)調(diào)各個方面各個層次上的信息流的交互，使聯(lián)邦能夠協(xié)調(diào)執(zhí)行。聯(lián)邦成員在對象模型中聲明的要求傳輸給相應(yīng)的成員，并完成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)操作，從而實現(xiàn)將變化的信息傳輸?shù)叫枰牡胤?，這樣可以大量減少網(wǎng)絡(luò)負載，而不像DIS那樣采用廣播的方式將所有信息傳輸?shù)剿薪Y(jié)點。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)在HLA的體系下，由于RTI提供了較為通用的標準軟件支撐服務(wù)，具有相對獨立的功能，可以保證在聯(lián)邦內(nèi)部實現(xiàn)成員及部件的即插即用(PlugandPlay)，針對不同的用戶需求和不同的目的，可以實現(xiàn)聯(lián)邦快速、靈活的組合和重配合，保證了聯(lián)邦范圍內(nèi)的互操作和重用。此外，防止同其支撐環(huán)境分離，通過提供標準的接口服務(wù)，隱蔽了各自的實現(xiàn)細節(jié)，可以使這兩部分相對獨立地開發(fā)，而且可以最大程度地利用各自領(lǐng)域的最新技術(shù)來實現(xiàn)標準的功能和服務(wù)，而不會相互干擾。這就使分布交互仿真的發(fā)展與計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展保持同步。HLA的體系結(jié)構(gòu)特點可概括為：

仿真應(yīng)用之間不直接通信，所以網(wǎng)絡(luò)通信功能集中由RTI實現(xiàn)。

向RTI發(fā)出某種接口服務(wù)的功能調(diào)用，RTI根據(jù)各個仿真應(yīng)用的需要，調(diào)動系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布。

判斷服務(wù)請求所要求的通信機制，最后按照所要求的通信機制與相應(yīng)的仿真應(yīng)用通信。

高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)作為HLA核心的仿真運行支撐系統(tǒng)RTI的開發(fā)是HLA研究的重點，RTI實際上是一個中間件，它提供HLA接口規(guī)范中定義的標準接口調(diào)用，按照HLA規(guī)則開發(fā)的各類仿真應(yīng)用能夠方便地“插到”RTI之上，并通過RTI提供的服務(wù)完成各類仿真應(yīng)用之間的互操作。目前，有美國國防部推出的DMSORTI、瑞典PITCH公司的pRTI和美國MARK公司推出的MARKRTI，國內(nèi)也有國防科技大學(xué)推出了KDRTI。8．3虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念近十余年來，計算機技術(shù)的發(fā)展進入了虛擬世界的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(VirtualReality)技術(shù)又是發(fā)展最快的一項多學(xué)科綜合技術(shù)，“虛擬現(xiàn)實是在計算機技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計算機和極其復(fù)雜的數(shù)據(jù)進行交互的一種技術(shù)”，它綜合了計算機圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有向用戶提供視覺、聽覺和觸覺、味覺和嗅覺等感知功能的能力，人們能夠在這個虛擬環(huán)境中觀察、聆聽、觸摸、漫游、聞賞、并與虛擬環(huán)境中的實體進行交互，從而使用戶親身體驗沉浸虛擬空間中的感受。虛擬現(xiàn)實通常是指頭盔顯示器和傳感手套等一系列新型交互設(shè)備構(gòu)造出的一種計算機軟硬件環(huán)境，人們通過這些設(shè)施以自然的技能、聽覺及觸覺等多種感官的反饋。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念現(xiàn)階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已不僅僅是哪些戴著頭盔顯示器和傳感手套的技術(shù)，而且還應(yīng)包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗的技術(shù)與方法。它要創(chuàng)建一個酷似客觀環(huán)境又超越客觀時空、能沉浸其中又能駕馭其上的和諧人機環(huán)境，也就是一個由多維信息所構(gòu)成的可操縱的空間。它的最重要的目標就是真實的體驗和方便自然的人機交互，能夠達到或部分達到這樣目標的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。從概念上講，任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用三個“I”來描述其特性，這就是沉浸“(Immersion)”“交互(Interaction)”“想象(Imagination)”。如圖所示。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念這三個“I”反映了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，就是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人的主導(dǎo)作用，其表現(xiàn)是：(1)人能夠沉浸到計算機系統(tǒng)所創(chuàng)建的環(huán)境中，而不是僅從計算機系統(tǒng)的外部去觀測計算處理的結(jié)果；(2)人能夠用多種傳感器與多維化信息的環(huán)境發(fā)生交互作用，而不是僅通過鍵盤、鼠標與計算環(huán)境中的單維數(shù)字化信息發(fā)生交互作用；(3)人可從定性和定量綜合集成的環(huán)境中得到感性和理性的認識從而深化概念和萌發(fā)新意，而不僅從以定量計算為主的結(jié)果中得到啟發(fā)和對事物的認識。

圖8.3.1三I圖

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念構(gòu)建一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)需要軟、硬件的支持，硬件方面主要有：(1)高性能計算機。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)必須有運算速度高、圖形能力強的計算機硬件支持，以實時處理復(fù)雜的圖像并縮短參與者的視覺延遲。例如，SGI公司的InfiniteRealityTM系統(tǒng)的紋理填充可達到每秒20.6G象素，紋理下載速度是336Mbyte/秒，每秒可以處理244M、5×5的RGBA圖像。(2)頭盔顯示器。頭盔顯示器提供一種觀察虛擬世界的手段，通常支持兩個顯示源及一組光學(xué)器件。這組光學(xué)器件將圖像以預(yù)先確定的距離投影到參與者面前，并將圖形放大以加寬視域。(3)跟蹤定位系統(tǒng)。為了與三維虛擬世界交互，必須感知參與者的視線，即跟蹤其頭部的位置和方向，這需要在頭盔上安裝頭部跟蹤傳感器。為了在虛擬世界中移動物體或移動參與者的身體，必須跟蹤觀察者的手位和手勢，甚至于全身的各肢體的位置，此時參與者需要穿戴數(shù)手套和數(shù)據(jù)服裝。另外，也可使用三維或六維鼠標和空間球等裝置與虛擬世界進行交互。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念(4)立體聲音響和三維空間定位裝置系統(tǒng)。借助立體聲音響可以加強人們對虛擬世界的實際體驗。聲音裝置采集或合成自然聲音信號，并利用特殊處理技術(shù)使這些信號在360°球體中空間化，使參與者即使頭部在運動也能感覺到聲音保持在原處不變。(5)觸覺/力量反饋裝置。觸覺反饋裝置使參與者除了接受虛擬世界物體的視覺和聽覺信號外，同時還能接受其觸覺刺激，如紋理、質(zhì)地感；力量反饋裝置則可以提供虛擬物體對人體的作用力，或虛擬物體之間的吸引力和排斥力的信號。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念在軟件方面，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)除一般所需的軟件支撐環(huán)境之外，主要是需要提供一個產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集或產(chǎn)生虛擬環(huán)境的"外殼"。它至少具有以下的功能:

能夠接受各種高性能傳感器的信息，如頭盔的跟蹤信息；

能生成立體的顯示圖形；

能把各種數(shù)據(jù)庫(如地形地貌數(shù)據(jù)庫、物體形象數(shù)據(jù)庫等)、各種CAD軟件進行調(diào)用和互聯(lián)的集成環(huán)境。具有典型代表性的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件有:虛擬世界工具箱WorldToolKit(WTK)、MultiGenCreator、Vega、Maya、IRISPerformer、VTree、OpenGVS等等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由效果產(chǎn)生器、實景仿真器、應(yīng)用系統(tǒng)和幾何構(gòu)造系統(tǒng)組成。(1)效果產(chǎn)生器。效果產(chǎn)生器是完成人與虛擬環(huán)境交互的硬件接口裝置，包括能產(chǎn)生沉浸感的各類輸入裝置，例如，頭盔顯示器、立體聲耳機等，以及能測定視線方向和手指動作的輸裝置，例如頭部方向探測器和數(shù)據(jù)手套等。(2)實景仿真器。實景仿真器是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的核心部分，它由計算機軟硬件系統(tǒng)、軟件開發(fā)具及配套硬件(如圖形和聲效卡)組成，接收或發(fā)送效果產(chǎn)生器產(chǎn)生或接收的信號。(3)應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)是面向具體問題的軟件部分，描述仿真的具體內(nèi)容，包括仿真的時態(tài)邏輯、結(jié)構(gòu)，以及仿真對象之間和仿真對象與用戶之間的交互關(guān)系。應(yīng)用軟件的內(nèi)容直接取決于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用目的。(4)幾何構(gòu)造系統(tǒng)。幾何構(gòu)造系統(tǒng)提供了描述仿真對象的物理屬性(外形、顏色、位置等)信息，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)在生成虛擬世界時需要使用和處理這些信息。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本概念實物虛化、虛物實化和高效的計算機信息處理是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的三個主要方面。實物虛化是將現(xiàn)實世界的多維信息映射到計算機的數(shù)字空間生成相應(yīng)的虛擬世界。主要包括實體建模、空間跟蹤、聲音定位、視覺跟蹤和視點感應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)將現(xiàn)實世界中的各種事物的多維特性映射到計算機的數(shù)字空間生成虛擬世界中的對應(yīng)事物，并使得虛擬環(huán)境對用戶操作的檢測和操作數(shù)據(jù)的獲取成為可能。虛物實化是使計算機生成的虛擬世界中的事物所產(chǎn)生的對人的感官的各種刺激盡可能逼真地反饋給用戶，從而使人產(chǎn)生沉浸感。主要是視覺、聽覺、力覺和觸覺等感知技術(shù)。高效的計算機信息處理，包括信息獲取、傳輸、識別、轉(zhuǎn)換，涉及理論、方法、交互工具和開發(fā)環(huán)境，是實現(xiàn)實物虛化和虛物實化的手段和途徑。一般來說，虛擬現(xiàn)實中計算機信息處理需要高計算速度、強處理能力、大存儲容量和強實時聯(lián)網(wǎng)特性等特征。主要涉及數(shù)據(jù)管理技術(shù)、圖形圖像生成技術(shù)、聲音合成與空間化技術(shù)、模式識別以及分布式和并行計算等等關(guān)鍵