朱靜靜，黃海于

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、交通、物聯(lián)網(wǎng)、教育等各個(gè)領(lǐng)域[1]。分布式仿真平臺(tái)也越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)應(yīng)用和科研領(lǐng)域。高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)就是一個(gè)基于分布式計(jì)算架構(gòu)的分布式系統(tǒng)[2]。現(xiàn)有的高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)是由圖形化建模子系統(tǒng)、計(jì)算工況、調(diào)度器軟件、耦合器軟件、執(zhí)行機(jī)、監(jiān)控子系統(tǒng)等構(gòu)成的一個(gè)分布式仿真平臺(tái)[3]。計(jì)算工況是整個(gè)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，目前存在的工況管理方式不夠靈活，項(xiàng)目和工況的管理上易操作性不強(qiáng)，可視化程度不高，在選取模板及其工況仿真參數(shù)配置上具有局限性，只能對(duì)指定的模塊組成的模型進(jìn)行工況仿真，功能比較單一，大大降低了系統(tǒng)建模功能的可用性。如果對(duì)計(jì)算工況的管理方式進(jìn)行應(yīng)用功能擴(kuò)展，不僅能應(yīng)用于高速列車的仿真領(lǐng)域，在多種仿真領(lǐng)域也可以使用該仿真平臺(tái)，對(duì)整個(gè)仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)更加有效的通用性。

文中以高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)為背景，針對(duì)以上問(wèn)題，主要討論了用戶端計(jì)算工況的管理方式，計(jì)算工況管理是基于用戶端仿真軟件的一個(gè)功能模塊。在用戶登錄仿真軟件后，項(xiàng)目和工況的創(chuàng)建和信息管理及其二者關(guān)系采用項(xiàng)目管理器窗口中樹形結(jié)構(gòu)層次化展示方式提供可視化程度，根據(jù)耦合連接圖進(jìn)行工況仿真參數(shù)配置，可以提高軟件的可視化和通用性，進(jìn)行模塊的功能擴(kuò)展。生成工況配置文件，進(jìn)行工況保存和耦合仿真。同時(shí)具有錯(cuò)誤警告提示機(jī)制，具有良好的用戶交互界面。用戶可以在該平臺(tái)進(jìn)行多種應(yīng)用的仿真計(jì)算。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式仿真平臺(tái)用戶端仿真軟件是以高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)為研究背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的通用仿真軟件，是整個(gè)仿真系統(tǒng)中重要的組成部分。圖1為仿真平臺(tái)框架圖。

用戶運(yùn)用仿真軟件可以為整個(gè)仿真系統(tǒng)提供原始模板，運(yùn)用模板創(chuàng)建計(jì)算工況，與調(diào)度器、耦合器、執(zhí)行機(jī)之間進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，并將仿真結(jié)果通過(guò)監(jiān)控示波器顯示出來(lái)，更好地體現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的繪制曲線的特性[4]。

圖1 仿真平臺(tái)框架

仿真軟件主要分為圖形化建模、計(jì)算工況、多用戶管理三大功能模塊，如圖2所示。

圖2 仿真軟件功能結(jié)構(gòu)

仿真軟件是使用仿真平臺(tái)的用戶接口軟件，界面的美觀、可視化，界面友好和操作方便為用戶提供了良好的用戶體驗(yàn)。仿真軟件由項(xiàng)目管理器窗口、屬性窗口、仿真模型窗口、模型耦合參數(shù)設(shè)置窗口組成，所有的操作都是通過(guò)菜單項(xiàng)和工具條完成的。采用多文檔(MDI)的MFC框架[5]，可以進(jìn)行多個(gè)模型的創(chuàng)建或者工況的仿真，采用派生CDockablePane類實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)卡式窗口，從而實(shí)現(xiàn)窗口的動(dòng)態(tài)切分功能，可以更加方便地實(shí)現(xiàn)窗口的浮動(dòng)、停靠、隱藏[6]。

系統(tǒng)建模主要是為整個(gè)仿真平臺(tái)提供仿真模型[7]。采用視圖窗口和對(duì)話框結(jié)合的方式，模塊化的建模方式[8]，主要是模型的創(chuàng)建和管理，模塊間耦合關(guān)系的設(shè)置以及模塊的屬性設(shè)置。用戶利用模塊庫(kù)中的模塊創(chuàng)建模型，建模完成后生成模型文件：模塊配置文件、模型配置文件、模型位圖文件。

計(jì)算工況主要包括項(xiàng)目和工況的層次化管理，仿真結(jié)果的圖形化顯示。主要是根據(jù)仿真模型創(chuàng)建工況，加載耦合連接圖，設(shè)置工況仿真參數(shù)，生成工況配置文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交仿真工況信息注冊(cè)到相應(yīng)的耦合器，同時(shí)將工況文件上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)度器、耦合器、執(zhí)行機(jī)分別解析相應(yīng)的配置文件進(jìn)行耦合計(jì)算，將仿真結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，最后監(jiān)控仿真結(jié)果并顯示。文中重點(diǎn)討論項(xiàng)目和工況的層次化管理部分。

用戶管理是為了便于管理多種用戶的訪問(wèn)，不同的用戶具有不同的操作權(quán)限，登錄系統(tǒng)后，有相應(yīng)權(quán)限的操作模塊[9-10]。多用戶包括系統(tǒng)管理員、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、工況創(chuàng)建人、模型創(chuàng)建人。

2 用戶端工況管理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目和工況的層次化展示

項(xiàng)目和工況的層次化展示是在項(xiàng)目管理器視圖窗口中將項(xiàng)目和工況信息以樹形列表的形式展示出來(lái)，從項(xiàng)目表cs_projecttable和工況表cs_conditiontable中讀出用戶權(quán)限內(nèi)的項(xiàng)目和工況信息，保存在數(shù)組CArraym_ArrayProject中。Project是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示項(xiàng)目的基本信息，以及項(xiàng)目下的工況信息，用于展示項(xiàng)目和工況信息。層次化的展示方式，便于用戶管理項(xiàng)目和工況，更好地理解兩者之間的關(guān)系。

項(xiàng)目管理器窗口從上到下依次展示項(xiàng)目號(hào)和項(xiàng)目名，工況創(chuàng)建人ID和創(chuàng)建人名，工況號(hào)和工況名，以及工況下模板包含的模塊信息，這種展示方式便于用戶操作。

雙擊列表中的項(xiàng)目列，即可對(duì)選中的項(xiàng)目進(jìn)行項(xiàng)目的查詢和修改、項(xiàng)目下新建工況等。雙擊工況列，即可對(duì)選中的工況進(jìn)行工況查詢和修改、耦合計(jì)算、加載仿真模型等，加載仿真模板到仿真模型窗口，并與對(duì)話框結(jié)合，對(duì)工況設(shè)置仿真參數(shù)等，將創(chuàng)建成功的工況信息上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)并提交工況進(jìn)行仿真。

2.2 項(xiàng)目的創(chuàng)建

由于每個(gè)項(xiàng)目下有多個(gè)不同工況，不同的用戶創(chuàng)建的工況也有區(qū)別，因此采用創(chuàng)建項(xiàng)目，在項(xiàng)目下再新建工況的方式進(jìn)行工況的管理，這種方式便于工況的查詢、仿真等。

項(xiàng)目的創(chuàng)建主要指項(xiàng)目負(fù)責(zé)人新建一個(gè)項(xiàng)目，配置項(xiàng)目的參數(shù)，包括項(xiàng)目的編號(hào)、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目創(chuàng)建時(shí)間、項(xiàng)目存儲(chǔ)路徑、項(xiàng)目描述、項(xiàng)目創(chuàng)建人等信息，項(xiàng)目新建成功后在項(xiàng)目管理器窗口中顯示。

用戶登錄仿真軟件后，在菜單欄中有新建項(xiàng)目子菜單，點(diǎn)擊菜單彈出新建項(xiàng)目對(duì)話框，設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)，保存項(xiàng)目信息到項(xiàng)目表cs_projecttable，如表1所示。如要新建工況，下一頁(yè)即可顯示新建工況窗口，進(jìn)行工況參數(shù)的設(shè)置。

表1 項(xiàng)目表(cs_projecttable)

2.3 項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理主要包括新建工況，查詢項(xiàng)目，修改項(xiàng)目。新建工況是指用戶在指定項(xiàng)目下，創(chuàng)建新的工況進(jìn)行耦合仿真；查詢項(xiàng)目是通過(guò)在屬性窗口中顯示項(xiàng)目的參數(shù)信息，并能夠更改指定的項(xiàng)目參數(shù)，項(xiàng)目編號(hào)是唯一標(biāo)識(shí)的，不能更改。

2.4 新建工況

新建工況是用戶對(duì)權(quán)限內(nèi)的項(xiàng)目下創(chuàng)建仿真工況，創(chuàng)建工況有兩種方式：

(1)在新建項(xiàng)目窗口，點(diǎn)擊新建工況按鈕，進(jìn)入下一頁(yè)創(chuàng)建工況的窗口。

(2)在項(xiàng)目管理器窗口，雙擊項(xiàng)目列表，點(diǎn)擊新建工況菜單，進(jìn)入創(chuàng)建工況的窗口。

窗口采用對(duì)話框的方式來(lái)設(shè)置工況信息，包括所在的項(xiàng)目編號(hào)、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目描述、工況名稱、工況號(hào)、工況創(chuàng)建時(shí)間、工況創(chuàng)建人、工況目錄、工況描述、工況模板號(hào)、設(shè)置模板信息等。其中模板信息的設(shè)置是在創(chuàng)建工況窗口中點(diǎn)擊選取模板按鈕，彈出模板窗口，模塊窗口采用ListControl控件列出可選取的模型，PictureControl控件顯示模型關(guān)系圖。用戶左鍵單擊某一模型可查看模型關(guān)系圖，判斷模型是否正確，如果保存的模板信息沒(méi)有合適的，用戶可以自己創(chuàng)建新的模型作為工況的模板，該模型也可以保存到模型表cs_modeltable中作為下次的模板使用，這樣可以更加靈活地進(jìn)行模板的選取。當(dāng)模板選取后，加載模板關(guān)系圖到模型窗口中，工況創(chuàng)建窗口中顯示工況模板號(hào)。保存工況基本信息，配置工況仿真參數(shù)，最后生成工況配置文件(.ini、.txt)，提交工況信息并將工況信息寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中進(jìn)行耦合仿真。

2.5 工況仿真參數(shù)配置

工況仿真參數(shù)的合理配置是工況能夠正確仿真的關(guān)鍵。新建工況的過(guò)程中，選取模板后，加載耦合連接圖到仿真模型窗口中，開始設(shè)置工況的仿真參數(shù)。這樣配置仿真參數(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)就是更好地實(shí)現(xiàn)了軟件的通用性、提高了可視化程度，可以根據(jù)模板中實(shí)際的模塊個(gè)數(shù)靈活設(shè)置參數(shù)。

具體的操作如下：

(1)雙擊模塊彈出工況仿真參數(shù)對(duì)話框，顯示拾取的模塊的任務(wù)號(hào)和任務(wù)名，配置模塊仿真文件、仿真基本參數(shù)，比如積分步長(zhǎng)、輸出步長(zhǎng)、操作系統(tǒng)、IP地址等的設(shè)置。每個(gè)模塊的仿真基本參數(shù)從數(shù)據(jù)表cs_condtasksimparatable中讀出，以comb-box控件顯示出來(lái)，用戶能直接選取默認(rèn)的值添加到參數(shù)列表CStringArray m_ModuleParaList中，并能修改參數(shù)的值和描述，顯示已經(jīng)配置好的參數(shù)，點(diǎn)擊已有參數(shù)列表即可對(duì)參數(shù)進(jìn)行重新修改，雙擊即可刪除參數(shù)。這樣的操作過(guò)程，方便用戶對(duì)每個(gè)模塊的獨(dú)立設(shè)置，更加清晰明了。

(2)單個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊工況全局仿真參數(shù)設(shè)置子菜單，設(shè)置工況的全局仿真參數(shù)，包括總積分步長(zhǎng)，列車數(shù)量，總積分時(shí)間。在全局仿真參數(shù)窗口中，顯示參數(shù)的默認(rèn)值，也可以對(duì)各個(gè)參數(shù)的值和描述進(jìn)行更改。

(3)保存模塊仿真參數(shù)和全局仿真參數(shù)，生成工況目錄文件夾，寫入到工況配置文件(.ini、.txt)中，保存在本地，便于用戶查看。

2.6 工況保存和耦合仿真

工況保存是指工況創(chuàng)建完成后，把工況基本信息以及仿真參數(shù)信息和配置文件保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。采用多線程的方式將文件上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，提高系統(tǒng)性能，不會(huì)出現(xiàn)界面“死機(jī)”現(xiàn)象[11]。新建的工況保存在本地，每個(gè)工況對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄文件夾，方便多工況的管理。工況目錄下包括模塊的子文件夾即模塊的模型文件信息，工況的配置文件(.ini、.txt)。工況保存的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)根據(jù)項(xiàng)目號(hào)、工況號(hào)、工況創(chuàng)建人id判斷是否已經(jīng)保存過(guò)該工況的信息，如果保存過(guò)，提示是否重復(fù)保存，否則直接進(jìn)行工況信息保存。

(2)根據(jù)路徑查找到指定工況的目錄文件夾，讀取工況配置文件(后綴為.ini)，將工況的基本信息寫入到工況表cs_conditiontable中，以及相應(yīng)的仿真信息分別寫入任務(wù)工況表、任務(wù)輸入?yún)?shù)表、任務(wù)輸出參數(shù)表、模塊輸入輸出表、模塊輸入文件表等數(shù)據(jù)表中。工況表如表2所示。

耦合仿真是先判斷工況是否已經(jīng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果沒(méi)有保存，提示需要先提交相應(yīng)工況。如果已保存，將工況的項(xiàng)目號(hào)、工況號(hào)、工況創(chuàng)建人ID通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提交給調(diào)度器，將各個(gè)模塊調(diào)度到各個(gè)計(jì)算資源上進(jìn)行仿真。仿真模型窗口中模型的線條顏色的變化說(shuō)明工況的仿真狀態(tài)。

表2 工況表

2.7 工況的管理

工況的管理是對(duì)已建好的工況進(jìn)行工況查詢，工況修改和下載耦合連接圖，工況授權(quán)。

在工況列表下，雙擊某一工況，在屬性窗口中顯示工況的基本信息，可以在該窗口中對(duì)工況參數(shù)進(jìn)行查詢和修改，可以修改模板，最終更新工況的信息。

下載耦合連接圖有4個(gè)用途：可以直接查詢工況的模板信息;用于配置工況的仿真參數(shù);在工況仿真過(guò)程中，通過(guò)模型線條的顏色變化顯示工況的仿真狀態(tài);用于對(duì)仿真工況的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，仿真結(jié)果以圖形化的方式動(dòng)態(tài)展示在窗口中[12-13]，更加直觀、方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理[14]。

工況授權(quán)是指用戶可以將自己創(chuàng)建的工況授權(quán)給其他用戶使用，自己創(chuàng)建的工況和其他用戶授權(quán)給自己的工況都能在項(xiàng)目管理器窗口中顯示出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行操作，提高了工況使用的安全性。

3 運(yùn)行結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該工況管理方式的有效性，對(duì)軟件進(jìn)行了測(cè)試仿真。根據(jù)仿真模型創(chuàng)建工況并進(jìn)行提交仿真，主要討論工況的參數(shù)配置和查詢方式。通過(guò)采用MFC程序框架模式進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)界面友好，便于操作的軟件，整個(gè)軟件的主界面如圖3所示。左側(cè)的項(xiàng)目管理器窗口對(duì)項(xiàng)目和工況進(jìn)行層次化展示，仿真模型窗口可以查看工況的模板信息，屬性窗口可以顯示仿真工況的信息及其模板信息。在高速列車仿真領(lǐng)域和分布式人臉識(shí)別領(lǐng)域運(yùn)用該工況創(chuàng)建方式在平臺(tái)上進(jìn)行仿真測(cè)試，都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，這種工況管理方式很好地體現(xiàn)了可視化和通用性。

圖3 仿真軟件主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

以高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)為研究背景，從用戶端仿真軟件中對(duì)計(jì)算工況的管理方式進(jìn)行討論，對(duì)系統(tǒng)建模和用戶權(quán)限管理不作詳細(xì)討論，討論項(xiàng)目和工況的創(chuàng)建、模板的選取、參數(shù)配置方式以及層次化展示，工況保存和耦合仿真，實(shí)現(xiàn)了一種更加直觀、便捷的工況仿真方式，能應(yīng)用于多種領(lǐng)域進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行了擴(kuò)展，增強(qiáng)了軟件使用的可視化和通用性。

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