一種基于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         08-05-05 10:45:00     作者：戚淮兵1 譚代倫2     編輯：studa0714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)一的形式化規(guī)范而導(dǎo)致的可重用性差，互操作性差，難以適應(yīng)跨平臺和分布式應(yīng)用需求的困難。     關(guān)鍵詞  離散事

2、件系統(tǒng)規(guī)范；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。多年來，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出多種很好的實(shí)體模型1-2，成功地建立自己的虛擬實(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)自動控制工程中心的V-Lab系統(tǒng)，中國科技大學(xué)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等。但這些系統(tǒng)都是針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域，采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，難以適應(yīng)跨平臺和分布式應(yīng)用的需求，其虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和虛擬實(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)建開放的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。 &#

3、160;  解決上述問題方法目前主要有兩種：一種是利用人工智能的理論和方法構(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；另一種是研究和建立虛擬實(shí)驗(yàn)的通用標(biāo)準(zhǔn)5。但目前面向Agent的軟件工程（Agent-Oriented Software Engineering，AOSE）方法還不完善，缺乏成熟穩(wěn)定的Agent系統(tǒng)開發(fā)平臺6，因而軟件開發(fā)難度大，Agent系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有待商榷，而對虛擬實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化的研究目前也處于探索階段，標(biāo)準(zhǔn)的完善和廣泛認(rèn)同還需要很長時間，為此，本文提出了一種基于DEVS（Discrete EVent System Specifications，D

4、EVS）的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，從而較好地解決了上述問題。1  DEVS形式理論    DEVS是美國學(xué)者Bernard P. Zeigler提出的一種離散事件系統(tǒng)形式化描述模型7。它將每個子系統(tǒng)都看作是一個具有獨(dú)立內(nèi)部結(jié)構(gòu)和I/O接口的基本功能模塊，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，稱為DEVS原子模型（atomic DEVS）。    DEVS原子模型通常可用一個七元組描述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為時間推進(jìn)

5、函數(shù)， 表示在沒有外部事件輸入時系統(tǒng)狀態(tài)保持為s的時間， 表示靜止?fàn)顟B(tài)，ta(s)=0為瞬時態(tài)，表示不消耗時間的即時運(yùn)算，該狀態(tài)的運(yùn)行中不推進(jìn)仿真時鐘；  是atomicDEVS的全狀態(tài)集，其中e表示系統(tǒng)在狀態(tài)s停留的時間； 為內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，若無外部事件輸入，系統(tǒng)經(jīng)ta(s)時間后自動將狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 ，同時將e置0； 為外部狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，若有外部事件 輸入，系統(tǒng)立即轉(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)移時不產(chǎn)生輸出。    DEVS耦合模型（coupled DE

6、VS）由多個DEVS原子模型通過一定的連接規(guī)則構(gòu)成，它可以作為更大的子系統(tǒng)的原子模型使用，從而形成對整個系統(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，每個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)耦合模型中的多個成員同時發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移時，選擇優(yōu)先級最高的成員的狀態(tài)轉(zhuǎn)移作為耦合模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。  

7、60; 在DEVS中，模型的功能執(zhí)行通過抽象仿真器實(shí)現(xiàn)，抽象仿真器是一種算法描述，用以說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，調(diào)用模型的轉(zhuǎn)移函數(shù)，修改本地的仿真時鐘。抽象仿真器與模型之間是一一對應(yīng)關(guān)系。2  虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的DEVS形式化模型2.1  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)（Virtual Experiment System， VES）中的實(shí)體可分為虛擬器件（Virtual Instrument， VI）和虛擬場景（Virtual Scenes， VS）兩類12：   

8、; 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)立的信號輸入、輸出接口和信號處理功能，有獨(dú)立的三維圖像屬性、物理化學(xué)特性和操作規(guī)則，能及時響應(yīng)外部事件，接收外部信息，在仿真時鐘的推進(jìn)下獨(dú)立工作。不失一般性，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，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為信號輸入集；t為仿真時鐘；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在仿真時鐘的推進(jìn)下，接收信

9、號，響應(yīng)事件，完成仿真運(yùn)算，產(chǎn)生仿真輸出，控制系統(tǒng)狀態(tài)的變化；Y為信號輸出集， ；P為物理模型（Physical Model），定義虛擬器件的物理化學(xué)特性，是建立抽象仿真器的基礎(chǔ)；O為交互模型（Operational Model），定義虛擬器件與外界交互的規(guī)則和方式，產(chǎn)生交互事件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互； 為內(nèi)部反饋信號，在內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)移時產(chǎn)生，其反饋模式由物理模型描述；G為三維圖像模型（Graphical Model），采用三維圖像仿真虛擬器件的外觀特性及其變化規(guī)則，產(chǎn)生交互效應(yīng)，其變化域由輸出接口控制；輸入接口負(fù)責(zé)完成外界輸入信號（X）、交互事件（O）和內(nèi)部狀態(tài)反饋信號 的預(yù)處理，包括事件響應(yīng)和信號變換；輸出接口接收S的運(yùn)算結(jié)果，產(chǎn)生 、Y和圖像模型變化的控制信號。交互模型與圖像模型之間通過輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)虛通信。集合X和集合Y可用如下格式描述：    虛擬場景（VS）是對特定實(shí)驗(yàn)平臺的仿真，其主要功能有：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)