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语境驱动的仿真模型可组合性测试方法研究

陈超  
【摘要】: 为了提高复杂产品的协同设计能力和不同领域、分布及异构仿真系统间的信息共享和互操作,建模与仿真(MS)已不再局限于单个组织的行为,而是强调仿真和模型的联合开发,致力于将不同组织或不同领域开发的仿真资源进行重用和组合以满足多学科协同仿真和多系统联合仿真的需要。 组合仿真已成为当前MS领域的研究热点,其理论和方法研究的核心是仿真模型的可组合性,它在反映组合有效性的同时也是新仿真系统开发的一项重要的设计原则。因此,如何判定和提高仿真模型的可组合性是组合仿真理论和方法研究的关键问题。 由于仿真模型的动态性以及模型组合行为的并发性,使得因缺陷导致的错误行为往往具有不可预测性和不可重现性。另外,为了利用模型组合实现仿真系统的快速开发,仿真模型的重用能力受到越来越多的重视,并使传统以目标驱动的最小化建模向可重用建模过渡。由于仿真模型的重用过程体现了应用语境不断变化的过程,仿真模型在不同语境中是否需要重新验证的问题变得更加突出。因此,为了确定仿真模型及其组合能否满足仿真应用的需求,需要将影响模型使用的各种信息显式地描述,从而为仿真模型的可组合性判定提供依据。 论文以使命层仿真为应用背景,通过分析使命空间的任务、执行任务的实体以及任务之间、任务与实体之间和实体之间的关系,从测试的角度研究仿真模型动态行为的可组合性问题。论文的基本思想是:在构建基于组合的MS框架的基础上,界定语境的概念及其与可组合性的关系,提出基于语境的可组合性判定准则,进而在判定准则的指导下提出支持动态可组合性判定的语境驱动的仿真模型测试方法论,从结构、过程和运行三个侧面搭建方法论的体系结构,系统地开展系统、组合和单元层次的测试研究。论文的具体内容包括: (1)在讨论语境本源的基础上分析了系统仿真的语境;结合组合仿真开发过程和传统仿真开发过程,在面向重用的MS框架的基础上提出了基于组合的MS框架,重点分析了语境在这些框架中的体现;在界定应用语境和模型语境的基础上定义了语境与可组合性的关系;形式化分析了不同语境的相互作用关系,给出了基于语境的可组合性判定准则。 (2)在分析三类认识误区的基础上,界定了仿真模型测试的概念;分析了可组合性判定准则对测试的指导作用和存在的问题,深化测试对可组合性判定的支持作用:在分析实体层次、基于组合的开发过程以及实体组合关系的基础上分析了使命层仿真的语境内涵;形式化定义了测试框架的概念和组成,由此从结构、过程和运行三个侧面阐述了测试方法论的具体内容。 (3)针对系统层测试,在辨析任务概念的基础上定义了任务模型和任务间的逻辑关系,总结了面向任务的建模方法;通过分析任务的时间属性和空间属性,给出了使命过程的任务分解原则,从而确定和限定待测试的仿真模型及其行为;基于ECA规则描述了任务约束,实现了任务的控制依赖到ECA规则的映射,给出了ECA规则的检测算法。 (4)针对组合层测试,在分析交互模式和总结交互建模方法的基础上定义了交互模型;从简单的时序特性入手,给出了原子事件的时序生成方法;在总结复合事件描述和检测的基础上,基于时态逻辑描述了交互行为的特性模式,由此完整描述了交互模型的核心——事件模型,讨论了事件模型的推导规则和一致性判定问题;基于量化正则表达式规范了特性模式的表示形式,给出了确定和不确定条件下的检测算法。 (5)针对单元层测试,在分析组织关系的变化形式和状态迁移特性的基础上,以状态可达集作为实体模型的约束建模方法,给出了可达集的生成算法;从行为演化的角度重点分析了组合层各类特性模式不能满足的原因,给出了单步迁移和迁移序列的检测算法。 (6)从测试环境和建模仿真环境的依赖关系出发分析了测试环境的需求,设计了测试环境的体系结构;通过分析约束建模工具和测试运行工具的组成,提出了面向不同测试层次的约束规范语言、测试大纲的内容模型以及层次化仿真器的改造方法。 (7)以多平台反舰导弹作战体系仿真为背景,应用论文提出的方法系统地开展仿真模型的测试,验证测试方法的有效性。 论文的主要创新包括: ·构建了基于组合的MS框架,以语境为核心提出了仿真模型可组合性的判定准则。 ·提出了支持动态可组合性判定的仿真模型测试方法论,从结构、过程和运行三个侧面系统地指导不同层次测试活动的开展。 ·面向实体的任务空间,在定义任务和任务模型的基础上提出了使命过程的分解原则,实现了任务的控制依赖到ECA规则的映射,给出了ECA规则的检测算法。 ·面向实体的组合行为,在定义交互模型的基础上扩展了交互约束的模式描述,完整描述了交互模型的核心——事件模型,并基于量化正则表达式规范了特性模式的表示形式,给出了确定和不确定条件下的检测算法。 ·面向实体的内部行为,提出了基于状态可达集的约束建模方法,给出了状态可达集的生成算法和检测算法。 ·设计了测试环境的体系结构,提出了约束规范语言、测试大纲的内容模型以及层次化仿真器的改造方法。 论文的研究属于组合仿真理论和方法的基础性研究。其中,基于语境的可组合性判定准则和语境驱动的测试方法论为仿真模型的可组合性判定提供了新的理论框架和方法体系,对组合仿真理论具有重要的推动作用。


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