劉旭東，張 亶

(1.煙臺職業(yè)學院 信息工程系，山東 煙臺 264670；2.浙江大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310027)

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基于MDA的虛擬儀表建模與仿真平臺設計

劉旭東1，張 亶2

(1.煙臺職業(yè)學院 信息工程系，山東 煙臺 264670；2.浙江大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310027)

目前，模擬器在現(xiàn)代教學與訓練中得到了越來越廣泛的應用，虛擬儀表成為模擬器研制中不可或缺的重要模擬組件，呈現(xiàn)高度化集成、綜合化顯示的發(fā)展趨勢，如何快速地構建虛擬儀表仿真應用成為項目研制中的突出問題.本文以虛擬儀表的仿真為中心，基于MDA的思想，構建了虛擬儀表建模與仿真平臺，并對平臺中的基礎性圖元、設備圖元、語義、類代碼生成等關鍵性模型組件的設計實現(xiàn)方法進行了探討.實際應用表明，利用該平臺可快速實現(xiàn)虛擬儀表軟件的開發(fā)，具有效率高、柔性強的優(yōu)點.

虛擬儀表；模擬器；模型；模型驅動架構；建模與仿真

目前，在汽車、飛機等交通設備以及各類儀器中存在著大量的以常規(guī)技術表現(xiàn)的儀表、指示器以及具有高度集成性的綜合顯示設備等，這些顯示終端為操控人員提供了直觀的信息，輔助人員完成各類操作動作.

隨著仿真技術的飛速發(fā)展，模擬器通常是輔助院校教學和實際訓練的重要手段，如汽車駕駛模擬器可完成人員的各類設備熟悉，道路指示燈以及路標的理解掌握以及路上駕駛的學習等[1-2]，設備拆裝模擬器可保障職業(yè)類院校學員了解設備內部結構，拆裝設備使用等.

在各類模擬器中，儀表、綜合顯示設備等畫面的模擬已成為模擬器研制不可或缺的手段之一，通常對于顯示設備的仿真有采用實裝或仿真件、虛擬儀表[3-4]兩種手段和方法.采用實裝或仿真件對設備畫面進行模擬具有逼真度高的優(yōu)點，但較之虛擬儀表，存在著成本高昂、設備功能修改繁瑣、可靠性相對低等方面的問題；采用虛擬儀表在成本上較之實裝或仿真件具有明顯的低成本優(yōu)勢，且在可靠性、可擴展性等方面具有一定的優(yōu)勢.但利用虛擬儀表進行設備畫面的仿真，優(yōu)勢是對具有高集成度的綜合顯示畫面的仿真具有以下幾個方面的難點：

(1)綜合顯示畫面高度集成、顯示畫面多樣，仿真時工作量巨大.

(2)綜合顯示畫面數(shù)據(jù)來源多個設備，數(shù)據(jù)間的交聯(lián)關系復雜，設計難度大.

(3)綜合顯示畫面中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生通常由模型支持，各個模型設計涉及不同的專業(yè)門類，需要不同專業(yè)知識的人員進行協(xié)同開發(fā).

模型驅動架構(Model Driven Architecture，MDA)作為一種基于模型驅動技術的軟件開發(fā)框架，通過可視化的建模過程將平臺無關模型自動轉化為平臺相關模型，有效簡化了系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程[5].本文主要圍繞模擬器設計中虛擬儀表設計與實現(xiàn)開展相關的研究，綜合運用計算機技術與圖形圖像技術，基于MDA和軟件設計模式的思想，構建了虛擬儀表快速建模與仿真平臺，使設計人員通過平臺提供的各類圖元、邏輯設計組件和可視化操作界面，快速構建與實裝一致的虛擬儀表界面以及邏輯接口，

生成工程代碼框架，領域專家將模型代碼集成至代碼框架，最終實現(xiàn)虛擬儀表的仿真.

1 平臺總體結構

基于MDA的虛擬儀表快速建模與仿真平臺采用組件模式設計[6]，遵循“低耦合、高內聚”的軟件設計思想，主要由集成開發(fā)框架、基礎性圖元模型組件、設備圖元模型組件、語義模型組件、屬性動態(tài)映射組件、類代碼生成組件、操控邏輯組件、人機界面框架、代碼框架組件及網(wǎng)絡通信組件[7]組成，總體結構如圖1所示.

圖1 基于MDA的虛擬儀表建模與仿真平臺總體結構

(1)集成開發(fā)框架：屬于元模型層次，是系統(tǒng)底層基礎性支撐平臺，作為仿真系統(tǒng)設計的元類包，解決系統(tǒng)集成中的各種問題.

(2)基礎性圖元模型組件：實現(xiàn)對文字、點、線、面及圖像等多種基礎圖元的繪制與放大、縮小、選擇、移動及拖放等基本操作，是設備圖元模型組件設計的基礎，使設備圖元模型組件的繪制和操作行為與具體的繪制引擎隔離，增強組件的可移植性，基礎性圖元組件基于橋接器的設計模式進行設計，同時支持OpenGL、GDI和GDI+三種繪圖引擎.

(3)設備圖元模型組件：基于基礎性圖元模型組件，通過調用基礎性圖元組件提供的各種圖元和操作服務，實現(xiàn)儀表、綜合顯示畫面中各種復雜圖元的繪制與操作.該組件直接調用基礎性圖元模型組件提供的各種服務，而不與具體的繪圖引擎交互，以提高其可重用性.

(4)語義模型組件：語義模型組件面向虛擬儀表中各個圖元對應的具體設備，如汽車發(fā)動機轉數(shù)表來源于發(fā)動機，車速指示器對應速度測量設備等，通過對上述各種設備的抽象，歸納各種設備的共性屬性與行為，形成語義模型的屬性和方法，并在建模平臺中支持語義模型的擴展和語義模型的實例化，實例化的模型在建模過程中綁定至相應的圖元對象.

(5)屬性動態(tài)映射組件：主要包括本地和遠程兩類對象屬性的動態(tài)映射，實現(xiàn)各類參數(shù)的同步更新，確保數(shù)據(jù)顯示的正確性與實時性.實現(xiàn)設計中對于遠程對象，采用遠程對象本地化的策略，即對應遠程對象在本地創(chuàng)建相應的對象與其對應，由網(wǎng)絡通信組件確保遠程對象和本地對象間數(shù)據(jù)的同步更新；本地對象由相應支持模型進行屬性的更新.

(6)類代碼生成組件：面向語義模型組件，生成語義模型的類代碼.

(7)操控邏輯組件：完成虛擬儀表設備仿真過程中與模擬器內部設備操作邏輯的描述，其在建模過程中建立，并形成相應的狀態(tài)轉換配置文件.

(8)代碼框架組件：以代碼框架的形式提供給開發(fā)人員，開發(fā)人員將建模仿真平臺生成的語義模型類代碼、人機界面及狀態(tài)轉換配置文件集成入代碼框架內的指定接口.

(9)人機界面框架：在各種組件的配合下，完成建模仿真平臺人機界面中主窗口、工程樹、圖標、位圖、對話框及屬性頁的設計，是直接與操作人員交互的接口.

(10)網(wǎng)絡通信組件：基于面向對象的思想，對RTI、UDP等網(wǎng)絡通信技術進行封裝，在隱藏網(wǎng)絡各個對象通信及事件交互細節(jié)的基礎上，實現(xiàn)外系統(tǒng)與虛擬儀表設備間的數(shù)據(jù)交聯(lián).

2 主要組件設計與實現(xiàn)

2.1 基礎性圖元模型組件設計

基礎性圖元模型組件基于集成開發(fā)框架進行開發(fā)，是一套對基礎性圖元模型進行繪制和管理的圖元組件，其通過對基礎圖元繪制和行為管理的封裝，使得設備圖元模型組件的繪制直接調用其接口完成，而不必關心其采用的繪制技術，主要提供以下服務：

(1)基本圖元繪制：包括文本、點、線、面及圖像的繪制及屬性設置.

(2)圖元行為管理：圖元的選擇、縮放、平移、旋轉、矢量點調整、聚合及解聚等.

(3)圖元管理：實現(xiàn)對圖元對象的管理，包括增加、刪除、修改和查詢等操作.

為了使得基礎性圖元模型組件能更大限度地兼容不同的繪圖引擎，同時在設備圖元模型組件上對實現(xiàn)技術進行隱藏，保持上層接口的一致性，在組件設計中采用了橋接器模式進行設計，通過基礎圖元模型包對GDI、GDI+和OpenGL三種繪圖技術進行封裝，通過該設計方法，一方面可以實現(xiàn)接口與實現(xiàn)部分的分離，另一方面可提高組件的擴充性.其中，基礎圖元模型包提供繪制各種基本形狀的虛函數(shù)接口，其具體的繪制行為由基于GDI的圖元模型繪制包、基于GDI+的圖元模型繪制包及基于OpenGL的圖元模型繪制包依據(jù)不同的繪圖引擎完成.基礎圖元模型包設計實現(xiàn)如圖2所示.

圖2 基礎圖元模型包設計

(1)基本圖元模塊：包括圖元模型基類、文本圖元、圖像圖元、圓與橢圓圖元、線條圖元、多邊形圖元等基本圖元的繪制和行為操作.

(2)畫布：實現(xiàn)對圖元的管理和畫布的設置及圖元行為的管理.

(3)基本數(shù)據(jù)結構：用于支撐基本圖元模塊和畫布設計.

2.2 設備圖元模型組件設計

設備圖元模型組件主要面向虛擬儀表顯示中的各類復雜圖元，基于基礎性圖元模型組件提供的各類基礎服務，實現(xiàn)對復雜圖元的設計實現(xiàn)，設備圖元模型組件設計如圖3所示.

由圖可以看出，設備圖元模型主要包括設備圖元和圖元行為兩個部分，設備圖元的繪制不與特定的圖元繪制引擎產(chǎn)生任何形式的關系，主要是通過利用基礎性圖元組件提供的點、線、面和圖像等基礎性繪制服務，通過圖元間的復合生成，同時，繪制的設備圖元又可以作為基礎圖元進一步復合，生成更加復雜的設備圖元；圖元行為主要是通過對基礎性圖元組件定義的移動、縮放、旋轉、變量映射等行為的繼承與擴展，形成設備圖元所特有的行為.

圖3 設備圖元模型組件設計

圖4 語義模型組件設計

2.3 語義模型組件設計

語義模型組件是面向具體仿真的虛擬儀表設計而定義的一套模型組件，該組件通過定義統(tǒng)一的父類及模型處理所需的接口函數(shù)，為設備數(shù)學模型的設計提供了一致的接口調度模式，包括模型初始化、模型退出、模型解算等調用接口，設計人員在進行各類模型組件的開發(fā)時，主要是在定義的父類模型類的基礎上進一步擴展，形成所需的設備模型組件.同時，系統(tǒng)定義了部分默認的模型組件，如發(fā)動機類、速度測量設備類等，設計人員也可在默認的模型組件基礎上進一步擴展.系統(tǒng)運行后，模型組件內各個接口由系統(tǒng)自動調用.語義模型組件設計如圖4所示.

設備基類提供的接口主要包括：

(1)OnInit：初始化接口，設備實體創(chuàng)建后調用，用于實現(xiàn)對成員變量的初始化操作.

(2)OnTick：仿真過程中周期性回調接口，用于仿真數(shù)學模型的解算.

(3)Output：仿真過程中周期性回調接口，用于發(fā)布對象數(shù)據(jù).

(4)OnQuit：設備對象刪除后調用接口，用于對象內存釋放.

(5)ClassInit：靜態(tài)成員函數(shù)，完成本地變量的屬性注冊.

2.4 類代碼生成組件設計

類代碼生成[8-9]組件完成用戶在建模仿真平臺下依據(jù)仿真系統(tǒng)需要在語義模型組件下擴展的設備模型類代碼，并依據(jù)屬性動態(tài)映射組件的需求，結合集成開發(fā)框架提供的服務，實現(xiàn)對屬性變量的自動注冊.類代碼生成組件結構如圖5所示.

圖5 類代碼生成組件設計實現(xiàn)

類代碼生成組件在已建立的語義對象模板的基礎上，根據(jù)用戶擴展的設備類的屬性和方法，在模板中查詢屬性標識符CodeMapping-Attribute和CodeMapping-Method，將用戶定義的設備類屬性和方法添加在相應的標識符內，并在ClassInit函數(shù)中對屬性進行注冊，供屬性動態(tài)映射組件使用.

屬性標識符結構：

//CodeMapping-Attribute-Start

//CodeMapping-Attribute-End

方法標識符結構：

//CodeMapping-Method-Start

//CodeMapping- Method -End

3 系統(tǒng)設計流程

基于平臺進行仿真應用開發(fā)的過程如圖6所示.主要過程包括建模、軟件設計及生成可執(zhí)行程序3個部分.

圖6 仿真應用開發(fā)過程

(1)建模：依據(jù)實際的原型系統(tǒng)，基于虛擬設備建模仿真平臺完成.

人機界面設計：以可視化的方式在建模仿真平臺建立原型系統(tǒng)所需的各種人機交互界面，并生成人機界面配置文件；

狀態(tài)轉換邏輯設計：依據(jù)設計的人機界面和實際系統(tǒng)的狀態(tài)轉換邏輯，在建模仿真平臺上設計系統(tǒng)的操作邏輯，并形成狀態(tài)轉換配置文件；

語義模型設計：根據(jù)原型系統(tǒng)的實際，生成所需的設備類，并對其屬性和方法進行設計，生成所需的類模板；

屬性動態(tài)映射過程設計：依據(jù)語義模型的設計，在生成類模板時自動對屬性變量進行注冊.

(2)軟件設計

虛擬儀表系統(tǒng)通用框架：將生成的設備類模板植入代碼框架組件；

代碼設計：植入領域專家的算法、模型.

(3)編譯生成可執(zhí)行文件：通過編譯器生成仿真系統(tǒng)的可執(zhí)行文件.

4 運行效果

基于MDA的虛擬儀表建模與仿真平臺運行效果如圖7所示.由圖可以看出，系統(tǒng)可視化界面主要由四個部分組成，左側為系統(tǒng)設計區(qū)，包括設備圖元設計和設備模型設計等兩個部分，用戶可在相應的樹節(jié)點派生自身需要的模型；中部上方為可視化建模區(qū)，用戶在該區(qū)域完成虛擬儀表界面的設計工作，并形成圖元腳本配置文件，如圖8所示；中部下方為操作信息提示區(qū)，該區(qū)域主要對用戶的操作步驟進行記錄及顯示，為用戶建模過程提供輔助支持；右側區(qū)域為屬性設置窗口，用戶通過該窗口實現(xiàn)模型參數(shù)的定義，同時完成設備模型與圖元模型間交聯(lián)關系的建立.

圖7 平臺運行效果圖

圖8 圖元腳本文件描述示意圖

由圖可以看出，基于MDA的虛擬儀表建模與仿真平臺主要面向模擬器中虛擬儀表系統(tǒng)快速設計，設計人員可通過可視化的手段對虛擬儀表系統(tǒng)進行建模，并將建模成果直接反映到軟件系統(tǒng)中，形成仿真軟件的總體框架，后期通過豐富后的數(shù)學模型即可生成所需的仿真應用.

5 結束語

本文針對模擬訓練系統(tǒng)虛擬儀表設計中存在的圖元數(shù)量繁多、交聯(lián)關系復雜、專業(yè)門類多等特點，通過對平臺技術架構及設備圖元模型、語義模型、屬性動態(tài)映射、類代碼生成等關鍵技術的研究，設計了基于MDA的虛擬設備快速建模與仿真平臺.通過該平臺可有效地將系統(tǒng)設計師、軟件設計師、領域專家的工作進行分離，使得不同的設計人員更多地關注于自身的領域，提高了系統(tǒng)仿真的效率，為虛擬儀表的仿真提供了一種新的手段和方法.同時，該平臺可應用于汽車、飛機等平臺終端顯示界面的早期設計驗證中.

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Design of Virtual Instrument Modeling and Simulation Platform Based on MDA

LIU Xu-dong1, ZHANG Dan2

(1. Department of Information Engineering, Yantai Vocational College, Yantai, 264670;2. School of Computer Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China)

At present, simulator has been used in modern teaching and training widely. Virtual instrument is an important assembly in the development of simulator, appears the trend of high integration and synthetic display. It is an outstanding problem how to develop the virtual instrument application rapidly in the project development. The paper develops the modeling and simulation platform of virtual instrument based on MDA around the virtual instrument simulation. Key modeling assembly has been discussed in detail, including basic graphic elements, device graphic elements, semantics and class code generation as so on. The platform has been applied in the actual project, can develop the application of virtual instrument rapidly, and has advantage of high efficiency and strong flexibility.

virtual instrument; simulator; model; MDA; modeling and simulation

2016-08-25

浙江省高技能人才培養(yǎng)和技術創(chuàng)新活動計劃項目(2013R30056)；煙臺職業(yè)學院校企合作項目(2015yzxq001)

劉旭東(1976-)，男，山東龍口人，煙臺職業(yè)學院信息工程系副教授．

TP311.5

A

1672-2590(2016)06-0058-07