分布仿真的广义时空一致性框架、演化机理及应用研究

发布时间：2020-06-15 19:48

【摘要】：建模与仿真技术一直以来在装备研制、部队训练、作战指挥等诸多国防科研和军事活动中发挥着重要作用,而面向服务的分布仿真(Service-oriented Distributed Simulation Applications,简称SODSA)已成为分布式建模与仿真领域的研究热点和前沿问题,呈现出大规模化、面向服务、动态性、复杂化、地理分散性、普适性等新特征。时空一致是开展上述各种分布仿真应用的基础和前提,先前研究或侧重于考虑狭义的时间和空间概念,或只单独考虑某个部分的不一致因素,或缺乏对系统全生命周期中各种不一致现象及其演化规律的动态分析等。需指出,仅仅实现时钟同步、时间推进一致性维持、空间配准等狭义的时空一致,只是确保仿真过程与结果一致性或正确性的必要条件;仿真模型、仿真服务、用户认知等层面的广义概念上的时空一致性问题对整个仿真过程的一致性程度也起着至关重要的作用。SODSA新特点及其时空一致性新内涵迫切需要用于提高仿真系统全局时空一致性程度的新框架、新理论与新方法。为解决上述问题,本文首先提出了一个SODSA系统全局广义时空一致性问题求解框架,阐述了系统广义时空一致性需求、内涵及各仿真时空域关联关系,进而重点建立了各仿真时空域内时空一致性动态演化机理模型,并量化分析了各种导致系统不一致的影响因素;在此基础上,深入研究了针对资源域时空一致性控制的参量差分时钟同步算法及其性能,提出了系统全局广义时空一致性控制的多层级量化评估模型;最后,以无人机突防仿真系统开发应用为背景,结合本文提出的理论与方法,对整个系统的广义时空一致性实施控制,系统运行结果验证了本文理论与方法的有效性和正确性。论文主要开展了以下几个方面的研究:一、提出了SODSA广义时空域层级一致性框架及概念模型。首先定义了仿真的狭义和广义时空的概念,在此基础上,通过系统性分析SODSA的广义TSC需求及其不一致的影响因素,阐述了系统从底层资源、仿真模型、仿真服务到用户认知的全局TSC轴概念;提出了广义时空层级一致性框架、四域一致性模型、一致性时空成熟度,全面系统地阐述了SODSA中广义时空层级一致性的内涵、特点和关联关系,为后续动态演化机理建模、分析及其应用研究奠定了基础。二、重点建立了SODSA广义时空一致性三层动态演化机理模型,并量化分析了各时空域的不一致因素(也称约束元)的影响力。三层动态演化机理模型主要包括基于有限自动机的资源域时钟一致性演化、基于有向超图的模型域时空一致性演化和基于扩展分层有限自动机的服务域时空一致性演化。在各仿真时空域下时空一致性演化机理研究中,首先深入分析各域的一致性演化机理及主要的不一致约束元;其次根据各仿真时空域内时空一致性动态演化特点,运用有限自动机理论、扩展图论、扩展有限自动机理论分别建立上述各域的时空一致性动态演化模型;然后提出各域的时空不一致约束元动态影响的量化分析算法;最后借助仿真分析方法,运行上述各演化算法,对各域的不一致约束元进行量化分析,验证了所建立的演化模型及其量化分析算法的有效性,为后续相关应用研究奠定基础。三、提出并深入研究了资源域时钟一致性控制的参量差分时钟同步算法。在资源域时钟演化机理量化分析结果的基础上,设计新的时钟同步算法并重点对该算法的性能进行了较深入的测试。首先阐述了算法的应用背景和相关基本概念;其次介绍了基于参量差分思想的逻辑时钟模型的原理和特征;然后在该时钟模型的基础上,阐述了算法在单跳网和多跳网下的两种部署方案,并分析了算法的局限性;最后,在仿真实验条件下,重点对该算法的收敛性、同步时间、同步精度和稳定性进行深入测试与分析,验证了该算法的可行性和有效性。四、建立了SODSA广义时空一致性控制的多层级量化评估模型。该模型包括三个模块:权重赋值模型、一致性评估多层次指标体系和一致性量化评价标准。首先引入了相关基本概念和假设;其次给出了一致性量化评估的形式化定义和标准:包括一致性状态定义、一致性指标定义和评价标准等;然后结合前文提出的层级一致性框架,设计了一个多层次的评价指标体系;最后建立了多层级量化评估模型,给出了简单应用案例。五、以无人机突防仿真系统开发为例,针对各仿真时空域内的广义TSC控制问题,结合本文提出的框架构想、理论方法及应用研究,提出了一系列有针对性的技术方法、管理策略和规范指导等。系统集成实现验证了本文提出的理论与方法的正确性和有效性。本文研究的上述内容,系统论述了SODSA的广义时空域层级一致性需求框架,详细分析了其不一致影响因素的动态演化机理,初步开展了部分仿真时空域内的解决广义时空不一致问题的应用研究,对于维护SODSA的时空基准逻辑顺序关系正确性、仿真过程时空演化一致性和仿真结果与态势显示的正确性,提高SODSA系统全局的广义时空一致性程度,具有一定的理论和实践意义,可指导后续相关的时空一致性研究。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.9;E072

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