一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——“云仿真平台”

应用层
多学科虚拟样机 协同仿真应用
图 1 “云仿真”模式
大规模体系级 协同仿真应用
其他 仿真应用
应用门户/支
虚拟样机
仿真数据库/ 多学科虚拟 大规模体系级协 基于普适化运 协同可视 通用
安
撑工具层
项目管理 模型库/知识 样机问题求 同仿真问题求解 行环境的协同 化与分析 门户
工具
库管理工具
解环境
环境
云仿真平台支持一种新的仿真模式——“云仿真”模式， 它是一种利用网络和云仿真平台按需组织各种仿真资源（仿
真云），以提供用户各种建模与仿真服务的新的仿真模式。 上述模式的实现涉及到云的构造和使用。云由“云服务”提供 商的云和用户注册的云构成。云的应用步骤如下：在安全体 系的支持下，各类用户首先通过网络环境中的云仿真平台门 户进行仿真任务需求的定义；然后云仿真平台便能按用户需 求自动查找和发现所需资源（仿真云），并基于“服务”组合 的方式按需动态构造仿真应用系统（仿真云群）；进而该系 统将在云仿真平台对资源的动态管理下，进行网络化建模仿 真系统的协同运行，完成“云仿真”（见图 1）。
(1.北京仿真中心，北京 100854；2.北京航空航天大学，北京 100083； 3.中科院计算所，北京 100080；4.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)
摘 要：基于仿真网格[1]的研究成果，进一步提出了一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台
——“云仿真”平台，讨论了它的研究背景、技术内涵、特色以及体系结构，并介绍了已完成的关键
协同、互操作、重用等性能的新型的分布建模仿真系统；2) 方面取得了较大进展。因此，针对上述仿真网格需改进之处，
人们希望能够通过网络随时随地无障碍地获取所需的建模 本文作者提出：引入“云计算”理念，进一步融合虚拟化、普
仿真服务。因此，以现代网络技术为支撑的“网络化建模与 适计算和高性能计算等技术，构建一种新的基于云计算理念
3 云仿真平台关键技术
化服务。 云仿真可视化门户采用 B-S 多层体系结构，如图 4 所示，
分为功能逻辑层、应用支撑中间件层、资源服务中间件层和 可视化资源层。
其中功能逻辑层提供导入地形、HLA[4]数据驱动、场景 更新显示、动态海面、多体动力学可视化等视景仿真功能模 块；应用支撑中间件层提供支持视景仿真和分布式交互仿真 的程序开发包，视景仿真程序开发包采用 OpenGVS[5]实现 仿真可视化应用的快速开发，分布式交互仿真基于 HLA 仿 真体系结构实现可视化模型的重用和互操作；资源服务中间 件层提供可视化资源查找、动态调度、可视化服务的封装和 调用等基本功能操作；可视化资源层主要包括虚拟场景地 形、虚拟样机几何模型等可视化模型资源。
文献标识码：A
文章编号：1004-731X (2009) 17-5292-08
Networked Modeling & Simulation Platform Based on Concept of Cloud Computing—Cloud Simulation Platform
LI Bo-hu1,2, CHAI Xu-dong1, HOU Bao-cun1, LI Tan2, ZHANG Ya-bin2, YU Hai-yan3, HAN Jun2, DI Yan-qiang2, HUANG Ji-jie2, SONG Chang-feng2, TANG Zhen2, WANG Peng2, SHI Guo-qiang2, WANG Xiao-hua4
(1. Beijing Simulation Center, Beijing 100854, China; 2. Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China; 3. Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 4. Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
总体, 并行工程。
真网格的能力。下文将对云仿真平台的技术内涵、特色、体 系结构进行阐述，并全面介绍作者研究开发的云仿真平台原 型 COSIM-CSP 有关的 12 项关键技术研究成果和典型应用 示范系统，最后给出了云仿真平台下一步的工作展望。
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第 21 卷第 17 期 2009 年 9 月
第 21 卷第 17 期 2009 年 9 月
系统仿真学报
Vol. 21 No. 17 Sep., 2009
面 向 “ 云 仿 真 ” 的 服 务 层 ： 对 原 仿 真 网 格 ——COSIMGRID[1]的资源服务中间件层和面向应用的核心服务层进行 整合和较大扩充，开发提供了面向云仿真模式的十类共性支 撑服务，包括面向多用户的资源调度管理服务、普适化协同 仿真服务、虚拟化仿真资源信息管理服务、智能化资源发现 服务、协同仿真组合调度服务、仿真资源自适应与容错迁移 服务、协同可视化引擎服务、基于 Web Service/网格技术的 仿真资源管理服务、基于 Web 的 HLA/RTI 分布交互仿真服 务和基于虚拟化技术的仿真资源动态管理与优化配置服务 等。
李伯虎，等：一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台——“云仿真平台”
Vol. 21 No. 17 Sep., 2009
1 云仿真平台的内涵与应用模式
云仿真平台是一种新型的网络化建模与仿真平台，是仿 真网格的进一步发展。它以应用领域的需求为背景，基于云 计算理念，综合应用各类技术，包括复杂系统模型技术、高 性能计算技术、先进分布仿真技术/VR 技术、现代网络技术、 虚拟化技术、普适化技术、人工智能技术、产品全生命周期 管理（PLM）技术、管理技术、系统工程技术，及其应用领 域有关的专业技术等，实现系统/联邦中各类资源（包括系 统/项目参与单位有关的模型资源、计算资源、存储资源、 网络资源、数据资源、信息资源、知识资源、软件资源，与 应用相关的物理效应设备及仿真器等）安全地按需共享与重 用，实现网上资源多用户按需协同互操作，实现系统/联邦 动态优化调度运行，进而支持工程与非工程领域内已有或设 想的复杂系统/项目进行论证、研究、分析、设计、加工生 产、试验、运行、评估、维护和报废等（全生命周期）活动 （仿真系统工程）。
第 21 卷第 17 期 2009 年 9 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 21 No. 17 Sep., 2009
一种基于云计算理念的网络化建模与仿真平台
——“云仿真平台”
李伯虎 1,2，柴旭东 1，侯宝存 1，李 潭 2，张雅彬 2，余海燕 3，韩 军 2，邸彦强 2， 黄继杰 2，宋长峰 2，唐 震 2，王 鹏 2，施国强 2，王晓华 4
Abstract: Based on the research fruits of Simulation Grid [1], a networked modeling & simulation platform was put forward based on the concept of cloud computing, then its research background, connotation, features and infrastructure were discussed, and the finished research of the related key technologies and typical application demonstration system were introduced. The primary research and practice show that: the “Cloud Simulation” platform can improve the capability of simulation grid in sharing, collaborating, fault-tolerating and migrating multi-granularity resources on demand by multi-user, which establishes a new modeling and simulation mode—“Cloud Simulation”. Finally, the future work of cloud simulation platform was given. Key words: cloud simulation platform; simulation grid; HLA; cloud computing; M&S
引 言1
仿真系统”应运而生。作者曾在文章[1]中提出了仿真网格 Cosim-Grid，较好实现了网格/联邦中各类资源安全地动态共
2005 年 6 月，美国总统信息技术顾问委员会在给总统 享与重用、协同互操作、动态优化调度运行。然而，从应用
的 建 议 报 告 《 Computational Science: Ensuring America’s Competitiveness》中指出，由算法与建模仿真软件、计算机
角度看，目前的仿真网格还需要加强如下能力：(1)细粒度资 源(包括网格节点内的 CPU 核、存储器、软件等子资源)的共
与信息科学以及计算基础设施等三大元素构成的计算科学， 享能力；(2)充分支持多用户的能力；(3)协同能力；(4)容错
已经逐步成为继理论研究和实验研究之后认识、改造客观世 界的第三种重要手段[2]。随着建模仿真技术在工程与非工程
仿真门户
评估门户
全
面向”云 面向多用户的资 普适化协同 虚拟化仿真资源 智能化资源 协同仿真组 仿真资源自适应 协同可视化
仿真”的 源调度管理服务 仿真服务
信息管理服务
发现服务 合调度服务 与容错迁移服务 引擎服务
体
服务层
基于Web Service/网格技术的仿 基于Web的HLA/RTI分布交互仿真 基于虚拟化技术的仿真资源动态管
技术研究和典型应用示范系统。初步研究与实践表明：提出的“云仿真”平台能够进一步改善仿真
网格对多用户在多粒度资源按需共享、协同、容错迁移等方面的能力，进而建立了一种新的建模
仿真模式——“云仿真”。最后给出了云仿真平台下一步的工作展望。
关键词：云仿真平台；仿真网格；HLA；云计算；建模仿真技术
中图分类号：TP391.1
的网络化建模与仿真平台——“云仿真平台”，以加强现有仿
收稿日期：2009-08-18
修回日期：2009-08-26
支持项目：国家 973 项目(2007CB310900)；国家 863 项目(2007AA04Z153)
作者简介：李伯虎(1938-), 男, 中国工程院院士, 博导, 研究方向为系统
建模与仿真技术, 先进分布仿真技术, 虚拟样机工程, 仿真网格, CIMS
2 基于云仿真平台的云仿真系统体系结构
基于云仿真平台的云仿真系统体系结构如图 2 所示，它 是一种面向服务的层次化体系结构。
资源层（云层）：提供云仿真平台调度使用的各类仿真 资源，包括网络和经过虚拟化封装的建模和仿真资源（模型 资源、工具软件资源、计算资源、存储资源、数据资源、知 识资源和各类模拟器、科学仪器等）。
真资源管理服务
（XMSF）服务
理与优化配置服务
系
资源层 （云层）
数据库 资源
模型库 资源
知识库 资源
网
虚拟化封装
存储 计算资源/ CAD/CAE 资源 集群资源 工具资源
络
Baidu Nhomakorabea
多学科优 化工具/算
法资源
CAD/CAE 数据转换
工具
模拟器/
物理效应 /VR等设备
图 2 基于云仿真平台的云仿真系统体系结构
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能力；(5)安全应用机制；特别是(6)支持多用户通过网络随 时随地按需获得各类建模仿真服务的能力。
领域应用的不断深入，出现了两类新的需求：1)被仿真系统
目前，“云计算”正成为信息领域研究的热点[3]，它在用
的规模和结构日益扩大和复杂，迫切需要具有分布、异构、 户通过网络及云计算平台随时随地按需获得计算服务能力
应用门户/支撑工具层：为用户登录“云仿真平台”进行仿 真活动提供浏览器和桌面形式的门户/支撑工具，包括项目 管理工具、仿真数据库/模型库/知识库管理工具、多学科虚 拟样机问题求解环境、大规模体系级协同仿真问题求解环 境、普适化协同仿真门户、协同可视化与分析评估门户和通 用门户等。
应用层：包括多学科虚拟样机协同仿真应用和大规模体 系级协同仿真应用及其它各类仿真应用。