Введение

Стандарт распределенного моделирования
стандарт IEEE для распределенного моделирования

Архитектура высокого уровня (HLA) – это стандарт распределенного моделирования, используемый при создании симуляции для решения более широкой задачи путем объединения (федерации) нескольких симуляций. Стандарт был разработан в 1990-х годах под руководством Министерства обороны США и впоследствии стал открытым международным стандартом IEEE. Он является рекомендуемым стандартом в рамках НАТО согласно STANAG 4603. Сегодня HLA применяется в различных областях, включая оборону и безопасность, а также в гражданских приложениях. Цель HLA – обеспечение взаимодействия и повторного использования компонентов. Ключевые характеристики HLA:
Возможность соединения симуляций, работающих на различных компьютерах, локально или удаленно, независимо от их операционной системы и языка реализации, в единую Федерацию. Способность определять и использовать модели данных для обмена информацией – Федеральные объектные модели (FOM) – для различных предметных областей. Сервисы для обмена информацией с использованием механизма публикации-подписки, основанного на FOM, с дополнительными опциями фильтрации. Сервисы для координации логического (симуляционного) времени и обмена данными с временными метками. Сервисы управления для контроля и корректировки состояния Федерации. HLA служит основой для разработки стандартизированных и расширяемых FOM в различных сообществах, например, в аэрокосмической и оборонной промышленности. Архитектура определяет следующие компоненты: Инфраструктуру времени выполнения (RTI), предоставляющую стандартизированный набор сервисов через различные языки программирования. Эти сервисы включают обмен информацией, синхронизацию и управление Федерацией. Федераты – отдельные системы моделирования, использующие сервисы RTI. Федеральная объектная модель (FOM), определяющая классы объектов и классы взаимодействий, используемые для обмена данными. FOM может описывать информацию для любой области. Вместе указанные компоненты формируют Федерацию. Стандарт HLA состоит из трех частей:

IEEE Std 1516 2010 Framework and Rules, определяющий десять архитектурных правил, которым должны соответствовать компоненты или вся Федерация. IEEE Std 1516.1 2010 Federate Interface Specification, определяющий сервисы, которые должны предоставляться RTI. Сервисы предоставляются в виде API на C++ и Java, а также в виде веб-сервисов. IEEE Std 1516.2 2010 Object Model Template Specification, определяющий формат, который должны использовать объектные модели HLA, такие как FOM.

История и версии

HLA была инициирована в начале 1990-х годов, когда доктор Анита К. Джонс, директор отдела оборонных исследований и инженерии Министерства обороны США, поручила Управлению оборонного моделирования и симуляции (DMSO) задачу "обеспечить совместимость и возможность повторного использования оборонных моделей и симуляций". Она включает в себя:
IEEE 1516–2010 – Стандарт архитектуры высокого уровня моделирования и симуляции – Структура и правила, включающие API DLC на C++ и Java, API веб-сервисов и отказоустойчивость. Машинночитаемые части этой версии HLA, такие как XML-схемы, API на C++, Java и WSDL, а также примеры FOM/SOM, можно загрузить из раздела загрузок IEEE 1516 на веб-сайте IEEE. Полные тексты стандартов доступны бесплатно для членов SISO или могут быть приобретены в магазине IEEE.

HLA 1516-20XX (HLA 4)

Разработка новой версии HLA началась в январе 2016 года организацией SISO и в настоящее время продолжается.

Общая терминология HLA

Среда выполнения (RTI): программное обеспечение, предоставляющее стандартизированный набор сервисов, как это определено в спецификации HLA Federate Interface. Существует семь групп сервисов. Федерат: система, такая как моделирование, инструмент или интерфейс к реальным системам, подключающаяся к RTI. Примеры инструментов – регистраторы данных и средства управления. Федерат использует сервисы RTI для обмена данными и синхронизации с другими федератами. Федерация: набор федератов, подключенных к одному и тому же RTI вместе с общей FOM. Выполнение федерации: сессия, в ходе которой набор федератов совместно выполняются в федерации с определенной целью, используя один и тот же RTI и FOM. Объектная модель федерации (FOM): документ, определяющий классы объектов, классы взаимодействий, типы данных и дополнительные данные, используемые для обмена информацией в федерации. FOM – это XML-файл, соответствующий формату шаблона HLA Object Model и связанной с ним XML-схеме. Для обмена данными в различных предметных областях используются различные FOM. Существуют стандартизированные FOM, называемые референсными FOM, которые обычно используются в качестве отправной точки для разработки FOM. FOM может разрабатываться и расширяться модульным способом с использованием модулей FOM. Модель объектов моделирования (SOM): документ, определяющий классы объектов, классы взаимодействий, типы данных и дополнительные данные, которые конкретное моделирование публикует и/или на которые подписывается в федерации. SOM также является XML-файлом, соответствующим формату шаблона HLA Object Model и связанной с ним XML-схеме. SOM также могут разрабатываться и расширяться модульным способом с использованием модулей SOM. Объект: объекты используются для представления данных, сохраняющихся в течение определенного периода времени и имеющих атрибуты, которые могут обновляться. Они определяются в FOM/SOM с использованием класса объектов. Взаимодействие: взаимодействия используются для представления мгновенных событий с параметрами. Отправленное взаимодействие нельзя обновить (в отличие от классов объектов). Они определяются в FOM/SOM с использованием класса взаимодействий. Типы данных: представление и интерпретация данных атрибутов и параметров определяются в FOM/SOM с использованием типов данных HLA. Публикация: федерат, публикующий класс объектов с набором атрибутов, может регистрировать и удалять экземпляры этого класса объектов, а также обновлять значения его атрибутов. Федерат, публикующий класс взаимодействий, может отправлять взаимодействия этого класса взаимодействий вместе с соответствующими значениями параметров. Подписка: федерат, подписавшийся на класс объектов с набором атрибутов, обнаружит регистрацию и удаление экземпляров этого класса объектов и получит обновления подписанных атрибутов. Федерат, подписавшийся на класс взаимодействий, будет получать взаимодействия этого класса взаимодействий вместе с соответствующими значениями параметров.

Спецификация интерфейса

Услуги RTI определены в спецификации интерфейса HLA. Они объединены в семь групп услуг. В дополнение к этим услугам, модель объектов управления (MOM) предоставляет услуги, позволяющие программно проверять и настраивать состояние федерации. Большинство RTI состоят из центрального компонента RTI (CRC) – исполняемого файла – и локальных компонентов RTI (LRC) – библиотек, используемых федератами. Услуги предоставляются через API на C++ или Java, а также с использованием веб-сервисов. В API на C++ и Java услуги вызываются посредством вызовов экземпляра класса RTI Ambassador. RTI доставляет информацию федерату, используя обратные вызовы, которые осуществляются посредством вызовов экземпляра класса Federate Ambassador. В API веб-сервисов, определенном с помощью WSDL, федераты выполняют вызовы и получают обратные вызовы, используя веб-сервисные запросы и ответы. Описания групп услуг ниже сосредоточены на ключевых услугах. Исключения и уведомления не включены.

Соответствие Федерации

Для обеспечения корректного взаимодействия между симуляциями определен способ проверки соответствия федерата. Он включает в себя гарантию того, что каждый класс и взаимодействие, указанные в SOM для данного федерата, используются в соответствии с описанным типом использования: "PublishSubscribe", "Publish", "Subscribe" или "None".

STANAG 4603

HLA (как в текущей версии IEEE 1516, так и в предшествующей версии "1.3") является предметом соглашения о стандартизации НАТО (STANAG 4603) в области моделирования и симуляции: Стандарты архитектуры моделирования и симуляции для обеспечения технической интероперабельности: Архитектура высокого уровня (HLA).

Базовая модель объекта

Базовая объектная модель (BOM), SISO STD 003 2006 — это сопутствующий стандарт, разработанный SISO для повышения повторного использования и компоновки в симуляциях HLA. Он предоставляет способ определения концептуальных моделей и их сопоставления с FOM HLA.

Альтернативы

В индустрии распределенного моделирования и симуляции (DM&S) наиболее распространенной альтернативой HLA для симуляции военных платформ в реальном времени является распределенная интерактивная симуляция (DIS), IEEE 1278.1 2012 – протокол симуляции. Большинство поставщиков RTI HLA также поддерживают DIS в своих продуктах. Что касается промежуточного программного обеспечения, наиболее близкого по функциональности к HLA, например, возможности публикации и подписки (P&S), обратите внимание на Data Distribution Service (DDS), который обладает многими схожими характеристиками, но использует открытый протокол обмена данными для обеспечения совместимости систем.

Критика

HLA — это промежуточное программное обеспечение, ориентированное на обмен сообщениями, которое определяется как набор сервисов, предоставляемых API на C++ или Java. Стандартизированного протокола обмена данными не существует. Участники федерации должны использовать библиотеки RTI от одного и того же поставщика и, как правило, одной и той же версии, что в некоторых случаях рассматривается как недостаток. Большинство современных инструментов также обеспечивают взаимодействие через сокеты.