計算機仿真系統(tǒng)介紹
1引言
計算機仿真系統(tǒng)是仿真的依托，形象地說成是仿真的大舞臺也很貼切，最準確的說法應(yīng)當是，計算機仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究不可或缺的實驗工具。每個仿真應(yīng)用領(lǐng)域，有了各自適用的計算機仿真系統(tǒng)，才能給出具有所需置信度的仿真結(jié)果。大量實例表明，仿真技術(shù)的有效應(yīng)用，必須依托于先進的計算機仿真系統(tǒng);只有服務(wù)于應(yīng)用的計算機仿真系統(tǒng)的發(fā)展，才能帶動仿真技術(shù)的發(fā)展。但是，迄今為止，國內(nèi)外依然存在著建立仿真應(yīng)用的時間太長、費用太高問題。原因就在于缺乏正確的技術(shù)理論指導(dǎo)，或盲目追求大而全，或低水平地重復(fù)。顯然，在需求牽引、技術(shù)推動、經(jīng)濟支撐下，緊跟時代前進步伐，要用信息化理念和方法建立計算機仿真系統(tǒng)。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用》一書中所說，高新技術(shù)與先進管理相結(jié)合才可能有高質(zhì)量仿真系統(tǒng)的誕生。
2現(xiàn)有計算機仿真系統(tǒng)
現(xiàn)有許多計算機仿真系統(tǒng)、仿真試驗室、仿真中心可供參考。諸如美國亞那巴馬州紅石兵工廠的高級仿真中心(ASC)、以法爾肯空軍基地國家試驗中心為核心的美國國家試驗臺、德國航空航天試驗院的空間運行中心、中國航天部門遍布全國各地的仿真中心、國防科大三院的分布實時仿真系統(tǒng)(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服務(wù)系統(tǒng)(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系統(tǒng)(Systemonchip，SoC)等。國內(nèi)外計算機仿真系統(tǒng)，真是琳瑯滿目。它們按空間分布不同可分為集中式、分布式和嵌入式三大類型。國內(nèi)外集中式計算機仿真系統(tǒng)經(jīng)過模擬仿真系統(tǒng)、混合仿真系統(tǒng)和數(shù)字仿真系統(tǒng)三大里程碑式地發(fā)展，從20世紀80年代開始，數(shù)字仿真在計算機仿真中獨占鰲頭，從此以后，集中式計算機仿真系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)都是數(shù)字式的，而且大都采用便于獨立集中管理的主機－終端的體系結(jié)構(gòu)，并能進行數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真，而且隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，正在虛擬化、智能化。虛擬化使得計算機仿真系統(tǒng)用虛擬樣機取代物理樣機，從而能夠廣泛用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計、軍事演習、復(fù)雜操作訓(xùn)練、過程排演等領(lǐng)域。智能化使得計算機仿真系統(tǒng)有機地融合人工智能技術(shù)，以適應(yīng)信息化的需要。同時，還應(yīng)該采用“結(jié)構(gòu)規(guī)模優(yōu)化”方法，構(gòu)造多級結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、多段結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)分析與綜合，設(shè)計高性能價格比的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從主機—終端模式，向客戶機—服務(wù)器模式、集中—分布模式發(fā)展。20世紀80年代開始出現(xiàn)了分布交互式仿真(DIS)系統(tǒng)，而且發(fā)展迅速，很快由基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)的DIS成為其主流。多年實踐表明，HLA尚有許多需要改進的地方。現(xiàn)在，美國國防部已經(jīng)認識到HLA是必要的，但僅有HLA卻是不夠的。目前經(jīng)濟有效的方案無非是通過網(wǎng)絡(luò)化、集成化、協(xié)同化把地理分布較廣的現(xiàn)有仿真設(shè)施組成一個新的計算機仿真系統(tǒng)�，F(xiàn)在看來，性能價格比最高者當是多微機DIS系統(tǒng)，它不僅具有HLA的優(yōu)點，而且彌補HLA不足，使邦員內(nèi)部也有重用性和互操作性，而且具有結(jié)構(gòu)仿真、實況仿真和虛擬仿真等功能。當前，欲將傳統(tǒng)DIS許多成果用到HLA中，就得考慮HLA和DIS兩系統(tǒng)之間的互聯(lián)方式。一般來說有兩種方式，即網(wǎng)關(guān)方式和中間件方式。兩者的主要區(qū)別在于:網(wǎng)關(guān)方式以運行一個獨立的應(yīng)用程序來實現(xiàn)相關(guān)的轉(zhuǎn)換，在該方式中將外部HLA邦員和DIS實體作為輸入值，然后實現(xiàn)兩者之間的互操作，而中間件方式則將轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)做為應(yīng)用程序的一系列類嵌入在程序中，并通過執(zhí)行應(yīng)用程序?qū)IS和HLA中的相關(guān)信息輸出�；谶@兩種基本方式，目前有四種相關(guān)的實現(xiàn)技術(shù):①打包技術(shù)將軟件直接嵌入到DIS底層接口，在數(shù)據(jù)傳送前將DIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HLA數(shù)據(jù)模式，并在接收數(shù)據(jù)后將HLA數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換成DIS數(shù)據(jù)格式，顯然無需特殊的硬件支持。②本地化技術(shù)產(chǎn)生一個本地的HLA仿真，這意味著所有網(wǎng)絡(luò)接口都要包括一個仿真軟件。這樣可以很好地實現(xiàn)所有HLA的特性，但初始化傳輸時大量的程序修改以及相關(guān)協(xié)議的改變。③轉(zhuǎn)換器技術(shù)提供單獨的應(yīng)用程序，一般來說，要使用單獨的計算機來完成轉(zhuǎn)換功能，雖然無需對仿真程序作任何修改，但仿真延時相應(yīng)有所增加。④協(xié)議接口單元(PIU)技術(shù)通過定義API函數(shù)來實現(xiàn)不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，這是DIS/HLA轉(zhuǎn)換方式中較好的選擇方案。嵌入式計算機仿真系統(tǒng)(Embeddedcomputersimulationsystem)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和國防系統(tǒng)領(lǐng)域。其基本特征是小型化、可隨身攜帶，一般通過軟件和硬件來實現(xiàn)其功能，但硬件成本較高，而軟件具有靈活和成本較低等優(yōu)點。軟硬件劃分的結(jié)果直接決定嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院郭金金等人(2010)提出一種新的嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分算法，先采用嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成有向無環(huán)圖，可將嵌入式系統(tǒng)軟硬件劃分問題轉(zhuǎn)換成一個多條件約束問題，用螞蟻放置于有向無環(huán)圖頂點上，對系統(tǒng)軟硬件劃分準確率作為螞蟻算法優(yōu)化目標，通過蟻群算法搜索最優(yōu)目標函數(shù)值，有效避免傳統(tǒng)劃分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索時間。當前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域一個十分重要的研究課題是，如何讓嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時保持一定的性能并安全運行。國內(nèi)外廣泛探索，但往往缺乏支持動態(tài)安全策略的設(shè)計思想，對嵌入式系統(tǒng)在遭受侵害時如何保護系統(tǒng)安全、保持系統(tǒng)的性能，并將破壞降低等方面的研究較少。哈爾濱工程大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙國冬等人基于模式匹配方法研發(fā)了安全等級評估系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在不顯著增加系統(tǒng)開銷前提下，有效地阻止系統(tǒng)異常的產(chǎn)生，提高系統(tǒng)的彈性應(yīng)對能力。無論那種類型，計算機仿真系統(tǒng)通常由數(shù)字計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)實際設(shè)備(實物)和一些專用、通用設(shè)備組成，且具有現(xiàn)代化技術(shù)水平，兼有構(gòu)造仿真、實況仿真和虛擬仿真三種功能。計算機仿真系統(tǒng)的中心，當然是數(shù)字計算機系統(tǒng)，諸如，單片機、單板機、仿真機系統(tǒng)、微機系統(tǒng)、工作站系統(tǒng)、小巨型機系統(tǒng)、多機系統(tǒng)等等。它們各自都包括硬、軟件兩部分。數(shù)字計算機的機型往往直接決定著計算機仿真系統(tǒng)的類型，用戶可從中選擇經(jīng)濟適用的機型。通用設(shè)備就是商品化的觀測記錄設(shè)備，信號發(fā)生器，聲像通信設(shè)備等，而系統(tǒng)實際設(shè)備(實物)和一些專用設(shè)備，隨仿真應(yīng)用領(lǐng)域不同差別甚大。比如，航空航天領(lǐng)域的'飛行仿真系統(tǒng)，除了需要控制系統(tǒng)實物以外，還需要轉(zhuǎn)臺、負載臺、離心機、必要的模擬器和實物操作臺等專用設(shè)備。
3計算機仿真系統(tǒng)發(fā)展的最新動態(tài)
1)多層次使能技術(shù)美國國防科學(xué)局(1997)認為，建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，必須解決實現(xiàn)的技術(shù)，即下述五個層次使能技術(shù):①基礎(chǔ)技術(shù)(光纖通訊、集成電路、軟件工具、人的行為模型、環(huán)境模型等);②元、部件級技術(shù)(內(nèi)存、顯示、局域網(wǎng)、微處理器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)造工具，測試設(shè)備等);③系統(tǒng)級技術(shù)(微機系統(tǒng)，人一機界面，遠距離通訊/廣域網(wǎng)、計算機圖像生成等);④應(yīng)用級技術(shù)(制造過程仿真、工程設(shè)計建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機作戰(zhàn)仿真等);⑤集成綜合仿真環(huán)境技術(shù)(樣機、規(guī)劃、設(shè)計與制造，訓(xùn)練與備戰(zhàn)，測試與評估等)。其中，大部份的硬件和網(wǎng)絡(luò)能力由商業(yè)市場作為成熟產(chǎn)品提供，如微機系統(tǒng)、遠距離通訊/廣域網(wǎng)、人一機界面、計算機圖像生成、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、局域網(wǎng)、光纖通訊、軟件工程工具等，而有些如制造過程仿真，工程設(shè)計建模與仿真，隨機作戰(zhàn)仿真，環(huán)境模型等滿足軍用仿真需求者都由國防部組織解決。
2)邏輯靶場概念(logicalrangeconcept，LRC)美國在20世紀90年代提出LRC，試圖要解決以信息化為代表的武器系統(tǒng)互操作試驗，特別是以C4ISR為核心、從傳感器探測端到指揮與控制再到武器交戰(zhàn)的完整作戰(zhàn)過程試驗，其規(guī)模和范圍超出了現(xiàn)有任一個物理靶場的試驗評估能力，在物理意義上完全重建靶場既無必要也不可能，只有通過一體化虛實合成靶場才能提供這種復(fù)雜作戰(zhàn)空間的逼真表示。為了全面評估信息化武器裝備的作戰(zhàn)效能，傳統(tǒng)試驗訓(xùn)練靶場必須適應(yīng)以信息為中心的一體化聯(lián)合試驗發(fā)展需要，向跨物理靶場邊界、跨試驗訓(xùn)練邊界、跨真實和仿真資源邊界的無邊界靶場轉(zhuǎn)變。通過組合、重用各種仿真資源，邏輯靶場可以將傳統(tǒng)靶場融入到仿真世界中，也可以看作是用仿真世界來擴展傳統(tǒng)靶場的任務(wù)空間。在邏輯靶場中，實際武器裝備或兵力除了可以利用傳統(tǒng)方式進行交互外，還可以與位于不同地域的仿真資源進行交互。目前，支持靶場試驗資源互操作、重用、組合的體系結(jié)構(gòu)主要有兩類:先進分布式仿真(ADS)和試驗與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(TENA)。20世紀80年代中期，美國國防部提出了ADS的概念，其產(chǎn)生與發(fā)展的核心是為了解決建模與仿真領(lǐng)域存在的問題:目前絕大多數(shù)仿真器應(yīng)用實現(xiàn)較為孤立，仿真器之間的交互性和重用性差;開發(fā)、維護和使用費時及成本高;驗證性、有效性和置信度較差。ADS技術(shù)應(yīng)該從體系結(jié)構(gòu)上建立這樣一個框架，它能盡量涵蓋建模與仿真領(lǐng)域中所涉及的各種不同類型的仿真系統(tǒng)，并利于它們之間的互操作和重用，它也必將隨著仿真技術(shù)和各種支撐技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。ADS技術(shù)使實況仿真、虛擬仿真和構(gòu)造仿真三類仿真在實施中不斷得到發(fā)展。從構(gòu)造和實施一個ADS系統(tǒng)的角度，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有:①系統(tǒng)總體技術(shù)，主要包括DIS(IEEE1278)和HLA(IEEE1516)，可是HLA不適應(yīng)具體領(lǐng)域的特定需求。②軟件框架和平臺技術(shù)。③網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)。④建模、驗?zāi)Ｅc計算機生成兵力(CGF)技術(shù)。⑤虛擬環(huán)境技術(shù)。⑥系統(tǒng)性能評估技術(shù)。TENA是建立在ADS基礎(chǔ)之上針對試驗/訓(xùn)練領(lǐng)域的特定需求對HLA進行擴展，提供了試驗/訓(xùn)練所需的更多特定的能力，其最終目標是成為美軍靶場司令官委員會(RCC)標準。美國加州海軍空戰(zhàn)中心開發(fā)的虛擬導(dǎo)彈靶場(Virtualmissilerange，VMR)是LRC的典型案例。在VMR第一個導(dǎo)彈就是AIM－7P海麻雀防空導(dǎo)彈。此外，聯(lián)合先進分布式仿真(JointAdvancedDistributedSimulation，JADS)項目涵蓋了武器系統(tǒng)集成、端到端試驗和電子戰(zhàn)。它的成功實施，展示了邏輯靶場在試驗訓(xùn)練領(lǐng)域的巨大作用和廣闊前景。葫蘆島92941部隊袁剛等人(2010)認為，實現(xiàn)LRC的關(guān)鍵技術(shù)是體系結(jié)構(gòu)與合成環(huán)境的構(gòu)建、傳統(tǒng)靶場儀器儀表的改造和信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。
3)仿真機系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化我們生活的世界就是一個網(wǎng)絡(luò)世界，網(wǎng)絡(luò)的普遍性是客觀存在的。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究早在20世紀50年代就開始了，起始點就是隨機圖ER模型。ARPANET(1969)建成，標志著人類社會進入信息時代，也可稱為互聯(lián)網(wǎng)時代。信息化席卷全球，現(xiàn)代信息技術(shù)將會影響到方方面面。國際標準化組織的開放系統(tǒng)互連基本參考模型，即通常所說的七層協(xié)議(1977)問世以來，第三代計算機網(wǎng)絡(luò)(Com-puternetwork)得到廣泛關(guān)注。它使用戶能共享網(wǎng)絡(luò)中的所有硬、軟件和數(shù)據(jù)等資源、分散計算機的負荷、提高可靠性、使計算機的使用具有可擴展性及可換性。小世界模型(Smallworldmodel)的引入和無尺度網(wǎng)絡(luò)模型(Scalefreenet-workmodel)的發(fā)現(xiàn)，推動了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的深入。計算機網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)、電力網(wǎng)、供水網(wǎng)、食品供應(yīng)網(wǎng)、銀行金融系統(tǒng)、輸油管網(wǎng)、輸氣管網(wǎng)、控制網(wǎng)絡(luò)等大量的實際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，都具有小世界和無尺度特性。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大，單靠網(wǎng)絡(luò)實驗進行研究不太現(xiàn)實。隨著網(wǎng)絡(luò)的進一步擴充，越來越需要網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)來為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計提供客觀、可靠的定量依據(jù)，縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，提高網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中決策的科學(xué)性，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資風險。計算機網(wǎng)絡(luò)是分布交互式仿真系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，它是用通信線路把多個分布在不同地點的計算機，通過數(shù)據(jù)傳輸而聯(lián)接起來的一種網(wǎng)絡(luò)。計算機網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是:用戶突破了地理條件的限制，方便地使用遠地的計算機;由于資源公用、避免了重復(fù)投資;可充分利用各地資源的特長，實現(xiàn)協(xié)同操作;可實現(xiàn)幾個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸和實時管理。網(wǎng)絡(luò)化，就是開展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真。利用計算機對所研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)行為進行動態(tài)模仿，即是通過網(wǎng)絡(luò)程序的運行來模擬網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)工作過程。
一個完整的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅包括數(shù)據(jù)幀、收發(fā)兩端的各種設(shè)備，還包括通訊協(xié)議和傳輸信道等。常見的計算機網(wǎng)絡(luò)有1553B總線、CAN總線(英德和歐空局廣泛采用)、基金會現(xiàn)場總線、LonWorks、PROFIBUS、以太網(wǎng)(Ethernet)、光纖通信、藍牙(Bluetooth)、無線通信、小世界模型、無尺度模型等。雖然計算機網(wǎng)絡(luò)琳瑯滿目，若按交換功能分類，常用的也只有四種:①線路交換;②分組交換;③混合交換;④報文交換。若按拓撲結(jié)構(gòu)分類僅有三種:①集中式網(wǎng)絡(luò);②分散式網(wǎng)絡(luò)，又稱非集中式網(wǎng)絡(luò)(含具有一定交換功能的集中器或復(fù)用器);③分布式網(wǎng)絡(luò)。若按通信特性分類也只有三種:①資源共享網(wǎng)絡(luò);②分布式計算網(wǎng)絡(luò);③遠程通信網(wǎng)絡(luò)。若按作用范圍分類，則有廣域網(wǎng)(Wideareanetwork，WAN)、局域網(wǎng)(Localareanetwork，LAN)、城域網(wǎng)(Metropolitanareanetwork，MAN)之分。要使計算機仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)果精確地與實際情況一致，仿真的模型就應(yīng)盡可能詳細。這樣，仿真占用的資源和耗費的時間與精力也會隨之增加。如何在模型復(fù)雜性與仿真的準確性之間找到合適的平衡和折衷，是實現(xiàn)仿真時的中心問題。目前對網(wǎng)絡(luò)仿真主要有兩種途徑:①用一組方程描述網(wǎng)絡(luò)特性，然后用計算機語言通過編程，實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)仿真;②借助已有的網(wǎng)絡(luò)仿真工具進行仿真。前者難度大且通用性不好;后者無需大量編程，通用性好，很容易實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)仿真，代表了通信網(wǎng)絡(luò)仿真的發(fā)展方向。主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件及其高端產(chǎn)品基本產(chǎn)自美國，而適用于網(wǎng)絡(luò)仿真的軟件平臺有以下三類:①用于商業(yè)目的開發(fā)的如OPNET、Qual-Net(升級版WebSim)、BONes、Netsim。②基于系統(tǒng)研究開發(fā)的如SIM++、NS2(REAL是其前身)、Maisie、GloMoSim、IN-SANE。③基于軍事應(yīng)用開發(fā)的如TIMS、NETWARS、OPSIM。網(wǎng)絡(luò)仿真還有許多熱點問題，諸如:①無擁塞的安全網(wǎng)絡(luò);②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirelesssensornetworks，WSN);③移動自組網(wǎng)(Mobileadhocnetworks，MANET);④移動智能體(Mo-bileAgent);⑤衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真。
4)仿真網(wǎng)格(SimulationGrid)網(wǎng)格技術(shù)是一項新興并且正在發(fā)展的技術(shù)，其核心是解決網(wǎng)上各種資源(如計算資源，存儲資源，軟件資源，數(shù)據(jù)資源等)的動態(tài)共享與協(xié)同應(yīng)用。網(wǎng)格與仿真的結(jié)合為各類仿真應(yīng)用對仿真資源的獲取、使用和管理提供了巨大的空間。同時，它以嶄新的理念和方法為仿真領(lǐng)域中諸多挑戰(zhàn)性的難題的解決提供了技術(shù)支撐(如:仿真應(yīng)用的協(xié)同開發(fā);仿真運行的協(xié)調(diào)、安全和容錯;新的資源管理機制;資源監(jiān)控和負載平衡等)等。目前國外已開展了仿真與網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合的研究項目，如:SF－Express基于網(wǎng)格技術(shù)解決資源分配和動態(tài)容錯等問題;“CrossGrid”、“RTILayer”、“FederationLayer”、“Feder-ateLayer”三個層次按照HLA標準采用網(wǎng)格技術(shù)對RTI的實現(xiàn)進行研究;DS－Grid(英國伯明漢大學(xué)、諾丁漢大學(xué)和新加坡南洋技術(shù)大學(xué)的協(xié)作項目，e－Science姊妹項目)、Ness-Grid和FederationXGrid等較為系統(tǒng)地研究面向仿真的應(yīng)用網(wǎng)格。當前，仿真網(wǎng)格技術(shù)研究的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)包括:仿真網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)和總體技術(shù)，仿真網(wǎng)格服務(wù)資源的動態(tài)綜合管理技術(shù)，仿真領(lǐng)域資源等的網(wǎng)格化(服務(wù)化)技術(shù)，仿真網(wǎng)格協(xié)同建模/仿真的互操作技術(shù)，仿真網(wǎng)格運行的監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，仿真網(wǎng)格應(yīng)用的開發(fā)與實施技術(shù)，仿真網(wǎng)格的可視化服務(wù)實現(xiàn)技術(shù)，仿真網(wǎng)格的安全支撐技術(shù)，仿真網(wǎng)格的門戶技術(shù)等。
5)云計算(CloudComputing)云計算是網(wǎng)格計算(GridComputing)、分布式計算(Dis-tributedComputing)、并行計算(ParallelComputing)、實用計算(UtilityComputing)、網(wǎng)絡(luò)存儲技術(shù)(NetworkStorageTechnolo-gies)、虛擬化(Virtualization)、負載均衡(LoadBalance)等傳統(tǒng)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。它通過網(wǎng)絡(luò)把多個成本相對較低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的完美系統(tǒng)，并借助SaaS(軟件即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))、IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、MSP等先進的商業(yè)模式把這強大的計算能力分布到終端用戶手中。云計算的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強大計算處理能力!云計算的第一個里程碑是，1999年Salesforce．com提出的通過一個網(wǎng)站向企業(yè)提供企業(yè)級的應(yīng)用的概念。Google，當算是最大的云計算使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多個地點、超過100萬臺服務(wù)器的支撐之上，這些設(shè)施的數(shù)量正在迅猛增長。Google值得稱頌的是不保守。它早已以發(fā)表學(xué)術(shù)論文的形式公開其云計算三大法寶:GFS、MapReduce和BigTable，并在美國、中國等高校開設(shè)如何進行云計算編程的課程。IBM(2007)推出了“改變游戲規(guī)則”的“藍云”計算平臺，為客戶帶來即買即用的云計算平臺。微軟緊跟云計算步伐(2008)推出了WindowsAzure操作系統(tǒng)，通過在互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)上打造新云計算平臺，讓W(xué)indows真正由PC延伸到Azure(藍天)上。Azure的底層是微軟全球基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，由遍布全球的第四代數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。目前，云計算的主要應(yīng)用有亞馬遜網(wǎng)站、谷歌公司、Salesforce和微軟公司。
6)賽伯物理系統(tǒng)(Cyberphysicalsystem，CPS)CPS在美國挑戰(zhàn)下的領(lǐng)先－競爭世界中居于8大關(guān)鍵信息技術(shù)之首。國內(nèi)譯作信息物理系統(tǒng)、智慧物理系統(tǒng)，并不統(tǒng)一，這里稱之為賽伯物理系統(tǒng)。賽伯同計算機和自動控制有關(guān)，賽伯空間是信息化空間，顯然，賽伯是信息化帶來的新概念。歐洲CPS同義詞是總體工程(Ensembleengineer-ing)。CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(Computation，Communication，Control)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)。CPS將讓整個世界互聯(lián)起來，如同互聯(lián)網(wǎng)改變了人與人的互動一樣，CPS將會改變?nèi)伺c物理世界的互動。CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，特別是連接到互聯(lián)網(wǎng)上，使得物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等功能。CPS典型特征有六:①其組件可自由地動態(tài)加入和退出，能支持高度的柔性;②層次化，可滿足不同層次的服務(wù)質(zhì)量要求;③計算與物理成分融合，連續(xù)過程與離散事件交織，規(guī)模大小、時間跨度各異，系統(tǒng)通信和交互方式多變;④I/O取決于場景;⑤實現(xiàn)開放控制(與物理系統(tǒng)多層次交互);⑥高度自動、自治、協(xié)調(diào)、規(guī)�？勺儯揖哂新�(lián)邦式、分布式、開放型、可重構(gòu)性及時空一致性。CPS并不排斥物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)該說，物聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種簡約應(yīng)用，或者說，CPS讓物聯(lián)網(wǎng)的定義和概念明晰起來。物聯(lián)網(wǎng)中的物品不具備控制和自治能力，通信也大都發(fā)生在物品與服務(wù)器之間，因此物品之間無法進行協(xié)同。清華大學(xué)自動化系肖田元(2010)提出一種擴展的HLA建模與仿真框架，該框架基于MDA實現(xiàn)CPS的建模，提出了兩類新技術(shù)，一類稱為資源管理聯(lián)邦技術(shù)，另一類稱為互配RTI技術(shù)，將目前的HLA平面結(jié)構(gòu)擴展為多層結(jié)構(gòu)，從而支持多層多聯(lián)邦的協(xié)同并發(fā)運行，以松耦合集成的方式實現(xiàn)大規(guī)模、異構(gòu)CPS的設(shè)計、建模與仿真。
7)普適化仿真系統(tǒng)(Ubiquitoussimulationsystem)普適計算是MarkWeiser(1991)提出的關(guān)于未來計算模式的構(gòu)想，其目標是使由計算和通信構(gòu)成的信息空間與人們生活的物理空間相融合的智能化空間，在這個智能化空間中人們可以隨時隨地透明地獲得計算和信息服務(wù)。普適化仿真技術(shù)將實現(xiàn)信息空間與物理空間結(jié)合的一種新仿真模式，推動現(xiàn)代建模仿真研究、開發(fā)與應(yīng)用進入一個嶄新的時代。普適化仿真就是緊密集成計算機硬軟件、通訊硬軟件、各類傳感器、設(shè)備、模擬器，構(gòu)造使由計算和通信構(gòu)成的信息空間與人們生活的物理空間相結(jié)合的普適化空間(Ubiquitousspace)，并在其中融合普適計算技術(shù)、網(wǎng)格計算技術(shù)與Webservice技術(shù)，讓仿真進入真實系統(tǒng)，無縫地嵌入到日常生活事物中。面向未來復(fù)雜、異構(gòu)、動態(tài)的普適計算環(huán)境，普適仿真系統(tǒng)應(yīng)具備四個基本特征:①普及:仿真資源無所不在;②隨時隨地:人們可以在工作、生活的現(xiàn)場就可以獲得仿真服務(wù)，而不需離開這個現(xiàn)場去端坐在一個專門的計算機面前;③自適應(yīng):仿真信息空間能以適合用戶的方式提供能適應(yīng)變化的計算環(huán)境的、連貫的仿真服務(wù);④透明:用戶獲得仿真服務(wù)時不需要花費很多注意力，仿真服務(wù)的訪問方式是十分自然的，甚至是用戶本身注意不到的，即所謂蘊涵式的交互。從仿真網(wǎng)格體現(xiàn)出來的特性和優(yōu)勢來看，仿真網(wǎng)格不失為實現(xiàn)普適化仿真的一種很好的手段和技術(shù)途徑。首先，仿真網(wǎng)格借助于網(wǎng)格技術(shù)，實現(xiàn)了人們生活中的各種軟、硬件仿真資源的服務(wù)化，為用戶屏蔽了復(fù)雜、異構(gòu)的普適計算環(huán)境，使得仿真資源無所不在，解決了“普及”的問題。其次，網(wǎng)格技術(shù)使得仿真應(yīng)用的終端延伸到了網(wǎng)絡(luò)的每一個角落，徹底擺脫了時間和空間的束縛，人們通過使用任何(有線無線、移動固定的)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，就可以訪問網(wǎng)格環(huán)境中的仿真資源和服務(wù)，滿足了對“隨時隨地”的需求。但是，動態(tài)、復(fù)雜、異構(gòu)的普適仿真環(huán)境對仿真網(wǎng)格提出了更高的要求。首先，對于計算資源、用戶終端的移動，網(wǎng)絡(luò)連接的不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制這些普適計算環(huán)境中常見的問題，仿真網(wǎng)格還需要研究更好的解決策略。復(fù)雜而變化的普適計算環(huán)境對仿真網(wǎng)格的自適應(yīng)能力提出了更高的要求。其次，仿真網(wǎng)格仍然沒有擺脫“桌面計算模式”，即仿真信息空間和物理空間是隔離的。如果在仿真網(wǎng)格中引入普適計算技術(shù)，將很好的滿足普適仿真環(huán)境對仿真網(wǎng)格在移動性、自適應(yīng)性、動態(tài)容錯性、人機交互模式上的新需求，使得仿真信息空間能以適合用戶的方式提供能適應(yīng)變化的仿真環(huán)境和連貫的仿真服務(wù)。結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)和普適計算技術(shù)的普適化仿真網(wǎng)格技術(shù)將成為網(wǎng)絡(luò)化建模仿真研究應(yīng)用關(guān)注的新焦點。在國內(nèi)外都處于探討和起步階段。普適化仿真網(wǎng)格還存在很多有待進一步研究的問題。例如普適化仿真網(wǎng)格中的安全機制，與傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫集成，仿真任務(wù)的動態(tài)管理，普適計算環(huán)境下仿真服務(wù)的動態(tài)發(fā)現(xiàn)，支持自適應(yīng)的仿真資源動態(tài)配置，仿真服務(wù)的動態(tài)組合調(diào)度，面向普適計算的仿真網(wǎng)格終端，蘊含式人機交互模式和智能感知接口，普適化仿真網(wǎng)格的應(yīng)用模式等。隨著普適計算技術(shù)的發(fā)展和仿真網(wǎng)格應(yīng)用規(guī)模、范圍的擴展，普適化仿真網(wǎng)格的技術(shù)內(nèi)涵和外延也將得到進一步的豐富和提升。
4結(jié)束語
計算機仿真系統(tǒng)是基于仿真的系統(tǒng)研究的一種實驗工具，直接關(guān)系到仿真質(zhì)量，需要把建立仿真系統(tǒng)當作一項系統(tǒng)工程來認真對待，并且在計算機仿真系統(tǒng)建立過程中密切關(guān)注高新技術(shù)與先進管理相結(jié)合。只有這樣，才能克服建立仿真應(yīng)用的時間太長、費用太高的國際性問題，也才能有利于仿真技術(shù)隨著時代前進步伐持續(xù)發(fā)展。
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