體系建模與仿真：基礎與實踐

第Ⅰ篇基 本 概 念

第1章體系建模與模擬

1.1虛擬構建與試驗

1.2面向虛擬構建與試驗的建模和模擬內涵

1.3多範式建模實現多學科協同

1.4學術背景

1.5體系建模和模擬入門

第2章DEVS整合式開發環境

2.1MS4 Me建模仿真環境

2.1.1針對建模仿真用戶的介紹

2.1.2針對建模仿真開發人員的介紹

2.2針對建模仿真專家的介紹

2.2.1系統結構和行為

2.2.2有限確定性DEVS

2.2.3系統實體結構

2.3爵士樂隊案例

2.4本章小結

附錄DEVS的關鍵屬性

參考文獻

第3章系統實體結構基礎

3.1建模仿真的簡單流程

3.2建模仿真過程元件的分解和耦合

3.3建模仿真過程的分層結構

3.4本章小結

第4章DEVS自然語言模型及其細化

4.1在時間序列中生成作業的FDDEVS模型

4.2處理作業的FDDEVS模型

4.3簡單的工作流耦合模型

4.4在Java中將FDDEVS細化為具有完整能力的模型

4.5將ProcessorOfJobs細化為Java模型

4.6變換器： 測量作業完成時間和輸送量的模型

4.7使用細化過程處理不確定性狀態轉換

4.8使用細化過程處理多路併發輸入

4.9使用細化過程生成多路併發輸出

4.10使用時序圖加快模型開發過程

4.11本章小結

附錄變換器FDDEVS文件(Transducer.dnl)

第5章特化和修剪

5.1特化

5.2特化的修剪

5.3特化的多次出現

5.4添加特化的規則： 沒有規則

5.4.1根實體下的特化

5.4.2方面實體下的特化

5.4.3特化實體下的特化

5.4.4組合特化

5.5變數和特化

5.6本章小結

第6章方面和多方面

6.1多方面(分解)

6.1.1表達同一實體的不同方面

6.1.2修剪方面

6.1.3方面： 視角和抽象

6.2多方面——實體的多個相關分解

6.2.1方面的局限性

6.2.2多方面重組

6.2.3多方面修剪

6.2.4多方面統一耦合

6.2.5一對多和多對一的耦合

6.2.6基於多方面的分層構建

6.2.7統一成對耦合

6.2.8預定義的耦合規格說明

6.3本章小結

參考文獻

第7章管理修剪中的繼承

7.1創建帶下畫線的實例

7.2指定繼承的基類

7.3配置基類

7.4修剪中的繼承

7.5指定來自子類的繼承

7.6本章小結

第8章自動修剪和基於規則的修剪

8.1自動修剪

8.1.1枚舉修剪

8.1.2隨機修剪

8.2上下文無關修剪及上下文相關修剪

8.2.1上下文相關選擇的修剪演算法

8.2.2有條件的基於規則的修剪

8.2.3unless或ifnot條件規則

8.2.4實例： 時間嚴格(timecritical)的建模與模擬

8.2.5從剩餘選項中隨機選擇

8.3本章小結

參考文獻

第Ⅱ篇高 級 概 念

第9章DEVS模擬協議

9.1DEVS模擬協議概述

9.2DEVS模擬協議在MS4 Me中的體現

9.2.1介面物件

9.2.2輸入輸出埠

9.2.3有限確定性離散事件模擬系統(FDDEVS)規格說明

9.3實現DEVS協議的分散式模擬

9.3.1標準的DEVS協議實現

9.3.2基於點對點消息交互的DEVS協定實現

9.3.3基於即時消息交互的DEVS協定實現

9.4作為模擬交互操作標準的DEVS協議

9.4.1帶事件調度模擬器的DEVS協定

9.4.2關於模擬的互通性的經驗教訓

9.5本章小結

附錄ASimulator.dnl摘錄

附錄BCoordinator.dnl摘錄

參考文獻

第10章動態結構： 智能體建模和發佈/訂閱

10.1動態結構和智慧體建模

10.2基於發佈/訂閱的資料分發機制

10.2.1發佈者

10.2.2訂閱者

10.2.3發佈/訂閱路由器

10.2.4發佈/訂閱操作

10.3資料分發服務

10.3.1資料分發服務中的DEVS模擬協定

10.3.2DEVS信息

10.3.3相關埠和通信主題

10.4本章小結

附錄AExcerpts from PublishSubscribeRouter.dnl

附錄BExcerpts from Agent.dnl

參考文獻

第11章基於興趣關注的資訊交換：映射與模型

11.1背景

11.1.1汽車購買中的資訊框架應用實例

11.2網路資料收集裡的應用

11.2.1網路流量資料表示

11.3映射方法

11.3.1多方面映射

11.4交換XML的DEVS模型

11.4.1生成XML檔的模型

11.4.2用DEVS模型描述基於系統實體結構的
XML映射

11.4.3主系統實體結構到基於興趣關注的系統
實體結構的映射

11.4.4交換相同XML的模型

11.5本章小結

附錄系統實體結構實例

參考文獻

第12章構建DEVS模型的語言

12.1原子模型的受限自然語言規格說明

12.1.1FDDEVS模型的局限性

12.1.2FDDEVS增強設施

12.1.3增強設施的開發優勢

12.2分層耦合模型的受限自然語言規格說明

12.3DEVS和UML

12.4本章小結

附錄FDDEVS的形式化定義

參考文獻

第Ⅲ篇應用

第13章柔性建模的支撐環境

13.1通過開發過程支援多路徑

13.2SOA(面向服務架構)中作為服務的建模仿真工具

13.3實例研究： 分體式衛星系統

13.3.1建模仿真支撐環境如何適應各類利益相關方

13.3.2系統實體結構： MSE柔性的關鍵支撐

13.3.3建模仿真支撐環境的實現： 面向服務架構

13.3.4建模仿真支撐環境的模擬服務

13.3.5使用Web服務的模擬

13.4建模仿真支撐環境操作： 執行緒實例

13.5本章小結

附錄

參考文獻

第14章基於服務的軟體系統

14.1引言

14.2基於服務的軟體系統

14.3面向服務的體系架構

14.4SOADEVS模擬建模

14.4.1簡單模型

14.4.2複合模型

14.5SOADEVS 模型元件

14.5.1通用消息

14.5.2簡單服務

14.5.3複合服務模型

14.6模擬模型範例

14.7動態結構SOAD

14.7.1代理執行模型設計

14.7.2扁平和分層模型組合

14.8本章小結

14.9練習

參考文獻

第15章雲系統模擬建模

15.1引言

15.2軟體/硬體協同設計

15.3SOCDEVS SW/HW建模

15.3.1軟體服務系統模型

15.3.2硬體系統模型

15.3.3服務系統映射

15.4面向服務的語音通信系統

15.4.1基本度量

15.4.2模擬參數估計

15.4.3實驗設置和執行

15.4.4實例模擬結果

15.5本章小結

參考文獻

第16章體系模型庫

16.1引言

16.2邏輯化、視覺化和持久化建模的統一

16.2.1簡單的網路病毒模型

16.2.2範本、範本實例和實例模型的類型

16.2.3模擬和非模擬類型的模型

16.2.4邏輯模型

16.2.5視覺化模型

16.2.6持久化模型

16.2.7模型命名空間

16.3CoSMoS進程生命週期

16.4CoSMoS雲建模

16.4.1硬體模型

16.4.2軟體模型

16.4.3軟體(服務)系統映射模型

16.4.4模型約束

16.5本章小結

參考文獻

第17章基於體系的生命系統建模與模擬

17.1生命系統建模與模擬中的挑戰

17.2DEVS和VLE為何適用於生命系統建模和模擬

17.2.1系統方法： 湧現與規模轉換

17.2.2異構形式和生命系統複雜性

17.2.3VLE和試驗計畫

17.3動物流行病的監測和控制

17.3.1動機和目標

17.3.2模型描述

17.3.3模擬結果

17.4植物生長模型

17.4.1動機和目標

17.4.2Ecomeristem模型

17.4.3總體功能

17.4.4拓撲

17.4.5DEVS的實現

17.4.6驗證

17.4.7結論

17.5生命系統的模型連續性

17.6本章小結

參考文獻

第18章基於活躍度的體系實現

18.1能量與活躍度

18.2體系原型構建

18.3實驗框架和定時需求

18.4體系模型中的能量和活躍度

18.5活躍度概念綜述

18.6定時需求、能量和活躍度

18.7體系實例： 撲救森林火災

18.8體系硬體實現的有關活動

18.9實驗測試

18.10本章小結

附錄Quantizer.dnl

參考文獻


體系建模與模擬： 基礎與實踐
插圖目錄

圖1.1以建模和模擬為中心的體系開發6

圖2.1爵士樂隊的順序圖介面示例13

圖2.2由時序圖生成的爵士樂隊模型13

圖2.3MS4 Me初始使用者介面的一部分14

圖2.4用於創建原子模型的受限自然語言15

圖2.5用於將FDDEVS模型擴展為成熟DEVS模型的標記塊16

圖2.6面向系統實體結構規格說明的受限自然語言16

圖2.7顯示分解和特化圖示的系統實體結構樹17

圖2.8MS4 Me指定結構和行為的方法18

圖2.9RhythmSection的狀態圖22

圖2.10作為系統規格說明的DEVS原子模型24

圖2.11作為系統規格說明的DEVS耦合模型的耦合封閉性25

圖2.12面向離散事件系統的DEVS普適性和獨特性25

圖3.1“瀑布”形式的建模仿真過程28

圖3.2建模仿真過程的系統實體結構圖28

圖3.3建模仿真過程的系統實體耦合結構圖32

圖3.4SES生成的DEVS耦合模型的模擬檢視器32

圖3.5分解DataGatherPhase的SES擴展結構圖33

圖3.6作為MSProcessSystem中的一個擴展元件的
DataGatherPhase模型34

圖3.7MSProcessSystem的分層模型(以黑盒模型的形式展示了
元件耦合模型)35

圖3.8ClarifyObjectivesPhase的分解圖36

圖3.9ContructModePhase的分解圖37

圖3.10ExecuteModelPhase的分解圖37

圖3.11InterpretResultsPhase的分解圖38

圖4.1作業生成器的框架圖與狀態圖41

圖4.2模擬檢視器中的GeneratorOfJobs43

圖4.3ProcessorOfJobs的框架圖與狀態圖43

圖4.4模擬檢視器中的ProcessorOfJobs44

圖4.5模型檢視器中的簡單工作流模型45

圖4.6DEVS模型中的輸入與輸出埠45

圖4.7GeneratorOfJobs的狀態圖描述47

圖4.8ProcessorOfJobs的狀態圖51

圖4.9模擬檢視器中擴展後的SimpleWorkFlow模型53

圖4.10書的生命週期54

圖4.11反應過程的系統實體結構框架圖54

圖4.12用於測試無人自主系統的時序圖60

圖4.13測試無人自主系統的耦合模型60

圖4.14使用時序圖來細化變換器包61

圖4.15用於測試無人自主系統的分層模型62

圖4.16用特化增強系統實體結構63

圖5.1表示meansToGetData特化的MSProcessSystem系統實體結構67

圖5.2從初始選擇到最終完成的修剪過程68

圖5.3修剪介面中多次出現的特化的SES結構69

圖5.4一輛車的SES分層結構72

圖6.1添加fastProcess後MSProcessSystem的SES框架75

圖6.2多方面重構78

圖6.3Alltoall的耦合模式80

圖6.4基於匹配的耦合81

圖6.5MultiEnclaveNet結構83

圖6.6單軌電車車站組合86

圖7.1修剪和轉換的SimpleWorkflow94

圖8.1JobContext系統實體結構100

圖9.1DEVS的分層服務架構109

圖9.2DEVS模擬協議110

圖9.3MS4 Me中的協調器和模擬器112

圖9.4模擬器的輸入和輸出埠114

圖9.5協調器的輸入和輸出埠114

圖9.6協調器的狀態圖115

圖9.7模擬器的狀態圖116

圖9.8具有多方面耦合的標準DEVS協議實現118

圖9.9具有多方面耦合的基於點對點消息交互的DEVS協定實現120

圖9.10帶有多方面耦合的基於即時消息交互的DEVS協定實現121

圖9.11應用於基於事件的模擬器的DEVS模擬協定123

圖10.1AgentAndActor的初始結構狀態131

圖10.2AgentAndActor模型後續結構狀態131

圖10.3簡單想定的時序圖134

圖10.4發佈者的狀態圖134

圖10.5訂閱者的狀態圖134

圖10.6附加了政治(Politics)耦合埠的簡單模擬檢視器135

圖10.7路由器的狀態圖136

圖10.8測試案例的順序圖137

圖10.9DEVS/DDS分散式模擬結構139

圖10.10“所有”與“每個”的耦合關係142

圖10.11跟蹤執行者的發佈/訂閱服務144

圖11.1系統實體結構和修剪的實體結構通過ontology和
imiplementations層聯繫起來151

圖11.2基於系統實體結構的資訊交換框架151

圖11.3性能分析和安全測試的資訊交換框架156

圖11.4由主PacketInfo 系統實體結構到消費者需求的映射157

圖11.5從PacketInfo 系統實體結構到POD攻擊系統實體結構的映射158

圖11.6從源SesPesPair物件到目標SesPesPair物件的映射159

圖11.7多方面之間的映射160

圖11.8狀態設計器生成GeneratorXML的圖解161

圖11.9GeneratorXML的狀態圖標注162

圖11.10帶有標注的MapXML的狀態轉換圖164

圖11.11NetDataDistributor順序圖165

圖11.12MapNDistributor的狀態圖166

圖11.13基於共用SesPesPair的模型之間的XML交換167

圖11.14SimonSays實例中檔交換的SES大綱167

圖12.1虛擬構建與測試的支援層次171

圖12.2DEVS自然語言到Java模型的流程示意圖172

圖12.3從自然語言到SES再到MS4 Me Java模型的路徑示例圖177

圖12.4FDDEVS 與 SES生成路徑的結合示意圖177

圖12.5UML與DEVS的規格說明語言178

圖13.1調節柔性MSE中的不同利益相關方188

圖13.2開發訓練模擬器的另一個流程188

圖13.3採用反向驗證步驟的模擬器開發過程189

圖13.4模擬器開發過程中的資訊流190

圖13.5由與中央存儲區交互的工具支援的模擬開發過程190

圖13.6SOA中作為服務支援建模仿真的工具191

圖13.7顯示典型服務序列(紫色)和資訊流(灰色)MSE工作流195

圖13.8建模仿真支撐環境(MSE)的實現196

圖13.9建模仿真支撐環境(MSE)工作流的受限編排197

圖13.10具有封裝的實驗框架和物理模型模擬器(PMS)的模擬服務198

圖13.11實驗框架的交互199

圖13.12主系統實體結構(SES)給出了服務需求的特徵描述和擬探索的
可能的架構202

圖13.13SatelliteModule(衛星模組)重構為ImageSats和 RelaySats204

圖13.14從主系統實體結構(Master SES)到物理模型系統實體結構
(Physical Model SES)的映射205

圖14.1自我調整的基於服務的軟體系統概念模型214

圖14.2面向服務計算中的服務和消息傳遞模式215

圖14.3SOA相容的DEVS簡單服務組合217

圖14.4SOA相容的複合服務組合218

圖14.5SOAD中的消息220

圖14.6服務客戶與端點之間的聯繫221

圖14.7SOAD中的簡單服務221

圖14.8ServiceProvider中的內部事件函數222

圖14.9複合服務模型224

圖14.10業務過程執行語言224

圖14.11旅行社服務模型226

圖14.12採用語音通信的分層US ZIP服務227

圖14.13採用複雜ResortByZip服務的簡單USZIP和Resort服務228

圖14.14代理執行類圖模型233

圖14.15代理執行模型的時序圖234

圖14.16執行模型的狀態圖235

圖14.17代理模型的狀態圖235

圖14.18添加和移除代理和訂閱者的代碼片段236

圖15.1語音通信系統示例242

圖15.2系統集成協同設計流程的基本步驟243

圖15.3基於軟體/硬體元件及其集成的雲系統分割理念243

圖15.4通用軟體服務模擬模型類圖245

圖15.5處理作業和資訊軟體服務作業圖248

圖15.6軟體服務系統模型249

圖15.7代理、發行者和訂閱者的設計規格說明249

圖15.8處理機模型元件(DEVSSuite模擬器樹形結構)256

圖15.9三種軟體服務的輸入輸出映射及其對應的處理機和
網路交換器258

圖15.10一個單處理機支援兩種軟體服務258

圖15.11使用通過兩個鏈路和一個交換機連接的兩個處理器的
兩種軟體服務交互259

圖15.12子網路的SES259

圖15.13處理器和服務的SES261

圖15.14有背景流量和沒有背景流量的輸送量測量一264

圖15.15有背景流量和沒有背景流量的輸送量測量二265

圖15.16有背景流量和沒有背景流量的輸送量測量三265

圖15.17通過使用一個路由器連接兩個處理機，包含一個發行者、
兩個訂閱者、一個代理的語音通信系統266

圖16.1使用代碼生成進行的邏輯化、視覺化和持久化建模270

圖16.2邏輯化、視覺化和持久化類型的模型271

圖16.3支援檢測感染資訊的病毒網路模型273

圖16.4遞增模型開發過程274

圖16.5典型病毒網路模型中的範本、範本實例和實例模型的
樹形結構圖274

圖16.6邏輯模型特化275

圖16.7描述樹形結構和方塊模型的CoSMoS UI視圖277

圖16.8含有其他複合模型的複合實例範本模型，以及另一種含有
圖元元件的複合模型的框圖278

圖16.9NetVirusExp模型元件的結構複雜性度量和VirusProcQ
模型元件的行為複雜性度量279

圖16.10範本、實例範本和實例模型實體及其之間的關係279

圖16.11非模擬模型和埠及其與範本模型和實例範本模型間的
關係280

圖16.12用於存儲資料庫和平面檔的CoSMoS目錄的工作空間281

圖16.13開發模型、配置實驗、執行模擬的CoSMoS生命週期進程282

圖16.14以SOA服務為例的圖元和複合實例範本實例模型283

圖16.15圖16.14中所示的實例範本模型的範本和實例模型284

圖16.16H樣式的硬體系統模型286

圖16.17有兩個特殊範本模型的軟體系統287

圖16.18軟體系統的映射模型287

圖17.1動物流行病監測和控制的概覽圖297

圖17.2監測、決策、控制和疾病的耦合模型(源自［Bont12］)298


圖17.3(a) 採取/不採取控制措施時的流行病軌跡； (b) 監測模型“觀測”出的軌跡； (c) 抽樣率的軌跡； (d) 利用SIS模型並通過實驗程式模型估算的軌跡； (e) 控制強度指標的軌跡300

圖17.4由一個主幹(含兩節)和兩個分蘖構成的分生組織模型的
MS4 Me圖304

圖17.5Ecomeristem示意圖305

圖17.6Ecomeristem的簡化有限態自動機示意圖308

圖17.7水分脅迫和無水分脅迫時的稻田(第36天，
從第21天開始水分脅迫)309

圖17.8兩種基因型——IR64(上)和Azucena(下)的
Ecomeristem的驗證310

圖18.1連接資訊和能量的活躍度316

圖18.2基於活躍度的系統設計方法316

圖18.3體系的簡化原型系統317

圖18.4通信增強型體系原型317

圖18.5與體系耦合的實驗框架318

圖18.6增強體系概念模型與框架的交互318

圖18.7體系實驗框架319

圖18.8計時延遲約束319

圖18.9體系實現模型的實驗框架320

圖18.10體系的部分實現模型320

圖18.11SensorSystem(傳感系統)實現模型的擴展321

圖18.12適時發生的事件321

圖18.13活躍等級與對應的元件數322

圖18.14森林火災撲救體系架構324

圖18.15自我調整量化器(Quantizer)狀態圖325

圖18.16自我調整量化器感測器包326

圖18.17基於DEVS的硬體設計方法327

圖18.18測試案例實驗結果328

圖18.19可找出最少能量分配的頻率搜索329


表格目錄
表3.1元件的輸入輸出30

表10.1通信主題、相關的DEVS協定的發佈者和訂閱者140

表10.2“所有”和“每個”在複合中的作用143

表14.1基於服務的軟體系統的QoS指標214

表14.2DEVS和SOA元素之間的對應關係216

表14.3WSDL與服務資訊和服務查找消息220

表14.4Travel Agent服務模型的精選指標228

表14.5添加和移除發佈者和訂閱者的時間238

表15.1語音通信配置260

表15.2硬體系統組態260

表16.1軟體/硬體協同設計模式285