基于HLA的光學設(shè)施運控仿真聯(lián)邦成員設(shè)計與優(yōu)化

李承民，張 濤，張 斌，張書媛

（1.中國科學院大學 北京　100049；2.中國科學院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 北京　100094；3.武漢大學經(jīng)濟與管理學院，湖北 武漢　430072）

基于HLA的光學設(shè)施運控仿真聯(lián)邦成員設(shè)計與優(yōu)化

李承民1，張 濤2，張 斌2，張書媛3

（1.中國科學院大學 北京100049；2.中國科學院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 北京100094；3.武漢大學經(jīng)濟與管理學院，湖北 武漢430072）

巡天類光學載荷是空間天文觀測的重要載荷，運控系統(tǒng)是其中的重要組成。在利用HLA分布式仿真技術(shù)對巡天觀測仿真過程中發(fā)現(xiàn)，空間中復雜的環(huán)境以及較多的成像約束使得運控類聯(lián)邦成員任務(wù)負擔較重，計算需求大，該聯(lián)邦成員的運算效率直接影響整體仿真效率。因此，本文通過設(shè)計樂觀約束判別算法以及基于openMP多線程技術(shù)優(yōu)化該成員的運控運算方式，提高運行效率。實驗表明，改進后的運控聯(lián)邦成員大幅提高了光學設(shè)施仿真任務(wù)執(zhí)行效率，仿真聯(lián)邦成員的運算時間減少55%，仿真聯(lián)邦整體運行時間減少了27.4%。

HLA；光學設(shè)施；聯(lián)邦設(shè)計；openMP；樂觀策略

隨著我國載人航天事業(yè)的迅速發(fā)展，空間載荷呈現(xiàn)出高復雜性、高精確性以及對工作環(huán)境高要求的特點。為了高效地驗證和優(yōu)化載荷的設(shè)計方案，國內(nèi)外均采用仿真方法開展了大量的工作[1-4]。但是，對某些復雜的空間載荷，如本文涉及的光學設(shè)施，其在軌觀測任務(wù)受到多種因素的限制，且各約束條件之間存在交叉耦合關(guān)系，使用傳統(tǒng)的單機方法進行仿真時，運算速度和模型相似度都受到很大限制，以至于結(jié)果可信度并不高。因此需要采用分布式仿真，并對仿真框架以及每個仿真模型進行合理的設(shè)計和優(yōu)化。基于HLA的分布式仿真系統(tǒng)是解決此類問題的良好方案。

在利用HLA分布式仿真技術(shù)對光學載荷巡天觀測進行仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，控制聯(lián)邦成員負責巡天任務(wù)總體規(guī)劃、復雜約束條件判斷和仿真流程控制，是整個仿真聯(lián)邦的核心。但由于觀測要考慮到如光學平臺位姿、天區(qū)劃分、日月雜散光影響、帆板視場遮擋、結(jié)構(gòu)干涉、SAA區(qū)影響、停機時間等眾多因素，無論是任務(wù)規(guī)劃還是運行時狀態(tài)監(jiān)測均需考慮這些約束，使得運控聯(lián)邦成員計算量巨大，成為整個仿真系統(tǒng)的瓶頸。

文中采用了基于openMP的并行算法和樂觀約束判別算法，對運控聯(lián)邦成員進行了優(yōu)化，降低了運控聯(lián)邦成員的計算復雜度，提高了運算效率，從而使得整個仿真聯(lián)邦運算效率提高。

1　大型光學設(shè)施仿真聯(lián)邦總體設(shè)計

為了驗證現(xiàn)有設(shè)計方案，充分考慮任務(wù)運行中的能源、雜散光等約束條件，設(shè)計了基于HLA的分布式仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。仿真系統(tǒng)以完成科學目標的任務(wù)時間定量分析為結(jié)果，給出最終的大致結(jié)論，并對運營規(guī)劃算法給出評估。整個仿真聯(lián)邦分為3個模塊：計算模塊、相機模擬模塊和運行時監(jiān)測模塊。各模塊之間數(shù)據(jù)通過RTI進行交互。

1.1計算模塊

計算模塊包括軌道計算聯(lián)邦成員、日月位置計算聯(lián)邦成員、姿態(tài)計算聯(lián)邦成員和意外事件聯(lián)邦成員。

1）軌道計算聯(lián)邦成員計算J2000坐標系下光學設(shè)施的位置和姿態(tài)。

2）日月位置計算聯(lián)邦成員利用DE405星歷庫計算太陽月球的位置。

3）姿態(tài)計算聯(lián)邦成員根據(jù)姿態(tài)算法計算出當前大型光學設(shè)施的姿態(tài)。

4）意外事件聯(lián)邦成員按照預定概率產(chǎn)生意外事件。

1.2仿真模塊

仿真計算模塊包括運控聯(lián)邦成員、相機聯(lián)邦成員和數(shù)據(jù)統(tǒng)計聯(lián)邦成員。

1）運控聯(lián)邦成員根據(jù)光學設(shè)施的位姿、日月位置以及歷史觀測記錄利用任務(wù)規(guī)劃算法計算出下一次要觀測的目標區(qū)域，是整個仿真聯(lián)邦的核心。

2）相機聯(lián)邦成員模擬相機實際拍攝時工作方式。

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計聯(lián)邦成員記錄整個仿真聯(lián)邦運行中的數(shù)據(jù)，用于結(jié)果分析和錯誤處理。

1.3監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊包括SAA區(qū)聯(lián)邦成員、帆板監(jiān)測聯(lián)邦成員、約束條件判斷聯(lián)邦成員和虛擬目標聯(lián)邦成員。

1）SAA區(qū)聯(lián)邦成員用來判斷光學載荷是否在 SAA區(qū)中，用來控制光學設(shè)施工作狀態(tài)。

2）帆板監(jiān)測聯(lián)邦成員根據(jù)太陽位置計算帆板狀態(tài)，并判斷帆板是否出現(xiàn)在視場中。

3）約束條件判斷聯(lián)邦成員用于修正樂觀約束判斷算法帶來的誤差。

4）虛擬目標聯(lián)邦成員用來對被觀測目標行為進行模擬。

圖1　仿真聯(lián)邦結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diag ram of the simulation system

2　運控聯(lián)邦成員設(shè)計

HLA（High Level Architecture，高層體系結(jié)構(gòu)）是分布式仿真的高層體系結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)大型復雜仿真系統(tǒng)的聯(lián)合系統(tǒng)仿真及擴展。其基本思想就是使用面向?qū)ο蟮姆椒ǎO(shè)計、開發(fā)及實現(xiàn)系統(tǒng)不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真系統(tǒng)高層次上的互操作性與可重用性[5-6]。

在整個大型光學設(shè)施仿真聯(lián)邦中，運控聯(lián)邦成員負責天區(qū)規(guī)劃以及部分約束條件判斷，為整個聯(lián)邦的核心。運控聯(lián)邦成員設(shè)計的好壞直接影響到整個仿真聯(lián)邦的工作效率以及仿真結(jié)果的可信程度。

運控聯(lián)邦的整體流程設(shè)計如圖2所示，在接收到來自其它聯(lián)邦成員的數(shù)據(jù)之后，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃算法計算出目標天區(qū)，發(fā)送給其它聯(lián)邦成員，并根據(jù)從其它聯(lián)邦成員接收到的消息來判斷觀測是否成功。重復此過程，直到完成整個仿真任務(wù)。

其中計算目標天區(qū)模塊為整個運控聯(lián)邦成員甚至是整個仿真系統(tǒng)的核心。在光學載荷整體的設(shè)計方案確定之后，目標天區(qū)規(guī)劃算法是唯一影響任務(wù)完成時間的因素，并且計算目標天區(qū)所用時間占運控聯(lián)邦成員運行時間的70%。所以目標天區(qū)計算模塊設(shè)計的好壞直接影響到整個仿真的結(jié)果與仿真的速度。

圖2　運控聯(lián)邦成員流程圖Fig.2　Flow chart of the control federation

3　運控聯(lián)邦成員優(yōu)化

運控聯(lián)邦成員需要對大量天區(qū)進行約束條件計算，為整個聯(lián)邦中計算量最大的聯(lián)邦成員，成為了提升整個仿真速度瓶頸，因此如何對運控聯(lián)邦成員進行優(yōu)化是運控聯(lián)邦成員設(shè)計的關(guān)鍵。針對運控聯(lián)邦成員可以從計算方法優(yōu)化以及約束判別算法兩個方面進行優(yōu)化。本文分別使用基于openMP的并行算法和樂觀約束判別算法對上述兩個方面進行了優(yōu)化。

3.1基于openMP的優(yōu)化

OpenMP是一個為在共享存儲的多處理機上編寫并行程序而設(shè)計的應(yīng)用程序接口，是可移植多線程應(yīng)用程序開發(fā)的行業(yè)標準，在細粒度與粗粒度線程技術(shù)上具有很高的效率[7-8]。

3.1.1算法并行可行化分析

通過對整個聯(lián)邦成員各部分運行時間統(tǒng)計可知，計算可見天區(qū)是整個運控聯(lián)邦成員中計算量最大的部分，約占整個運控聯(lián)邦運行時間的50%。

對可見天區(qū)觀察的實質(zhì)為對劃分好的每一個子天區(qū)進行約束條件的計算，此部分計算相互獨立，且各個天區(qū)的計算之間并沒有前后的邏輯關(guān)系，適合于將其計算并行化以提高計算效率[9-13]。

3.1.2并行程序設(shè)計串行化算法代碼為：

對坐標為（I，j）的天區(qū)進行可見性判斷

若本串行代碼的基礎(chǔ)上通過嵌入指令語句將外層循環(huán)并行化，雖然工作量小，但是在算法的內(nèi)層循環(huán)中，啟動數(shù)據(jù)規(guī)約仍然需要系統(tǒng)開銷，如果能夠避免該操作，將進一步提高并行效率。對并行算法進行重新設(shè)計可解決此問題。改進后的算法并行的粒度較原來相比更細，并行程度更高。

重新設(shè)計后代碼：

對坐標為（I，j）的天區(qū)進行可見性判斷

針對改進后的算法，使用嵌入指令語句#pragma omp paraellel for將計算并行化，可顯著提高計算效率。

3.1.3實驗結(jié)果

實驗平臺如表 1所示，openMP優(yōu)化選項開啟，使用openMP優(yōu)化可見天區(qū)的計算，實驗數(shù)據(jù)為程序多次運行取平均值，如圖3所示。通過使用openMP使得計算效率提高了42%。

表1　實驗平臺配置表Tab.1　The experimental platform configuration

3.2樂觀約束判別算法

3.2.1傳統(tǒng)約束判別算法

由于光學載荷自身成像需要，針對單一目標的觀測需要連續(xù)拍攝N個仿真步長，且在拍攝過程中要時刻滿足觀測約束條件。因此，在對目標天區(qū)進行約束條件計算時要對未來N個仿真步長中所有約束條件進行計算，只有全部滿足約束的可見天區(qū)才能夠作為要觀測的天區(qū)，仿真流程如圖3所示。這種約束判別算法可保證計算得出的目標天區(qū)一定符合要求，但是使得計算復雜度大幅度提高。

圖3　openMP優(yōu)化運行時間對比圖Fig.3　Comparison of run time about the optimistic about openMP

圖4　傳統(tǒng)約束判別算法流程圖Fig.4　Flow chart of traditional constrain judge algrithm

3.2.2樂觀約束判別算法

通過對運行時數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在持續(xù)N個仿真步長的觀測過程中太陽、月亮的位置變化不到0.5%，即主要約束條件變化幅度非常小。對于絕大部分天區(qū)來說，如果能夠滿足初始時刻的約束條件，就能滿足整個觀測時間段內(nèi)的約束。

基于以上分析，設(shè)計了樂觀約束判別算法，即認為滿足初始時間約束條件的天區(qū)為可觀測的目標天區(qū)，并在仿真系統(tǒng)中加入了運行時約束條件判斷聯(lián)邦以修正此算法帶來的誤差，算法流程如圖 4所示。此算法在犧牲一定的觀測成功率的代價下，能夠降低計算復雜程度，提高仿真速度。

通過實驗數(shù)據(jù)分析，在多色成像模式與無縫巡天模式下，因采用樂觀約束判別算法造成的觀測失效次數(shù)與總觀測次數(shù)如表2所示。引入樂觀的約束條件判斷機制之后而造成的觀測失效只占了全部觀測次數(shù)的0.67%。拍攝失敗次數(shù)完全在可以接受的范圍之內(nèi)。在本聯(lián)邦成員中，采用了樂觀約束判別算法。

3.2.3實驗結(jié)果

由于計算可見天區(qū)耗時與觀測點選取有關(guān)，且方差很大。所以統(tǒng)計了200次目標天區(qū)計算，耗時累計值如圖 5所示，可見，樂觀約束判斷算法使得程序計算時間縮短了33.7%。

表2　樂觀約束判別算法觀測結(jié)果表Tab.2　Result of observation with optimistic constrain judge algorithm

圖5　樂觀約束判別算法流程圖Fig.5　Flow chart of optimistic constrain judge algorithm

圖6　樂觀約束判別算法耗時Fig.6　Time cost of optimistic judge algorithm

3.3實驗結(jié)果

使用基于openMP的并行算法優(yōu)化和基于貪心的樂觀約束判別機制后，運控聯(lián)邦成員完成200次觀測耗時如圖6所示。可見使用基于openMP的并行算法優(yōu)化和基于貪心的樂觀約束判別機制使得整體運行時間減少了55%。從而使得整個仿真聯(lián)邦仿真速度提高，最終使得仿真時間減少了27.4%。

4　結(jié)　論

在綜合考慮了空間中復雜的環(huán)境以及眾多成像約束對運控聯(lián)邦成員運行效率影響的基礎(chǔ)上，文中采用了基于openMP的并行優(yōu)化方法和基于貪心的樂觀約束判別算法對運控聯(lián)邦成員進行了優(yōu)化，降低了運控聯(lián)邦成員的計算復雜度，使得仿真整體時間減少了27.4%。同時基于openMP的并行方法和樂觀約束判別算法對于其他復雜環(huán)境、多約束的大規(guī)模仿真系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。

圖7　優(yōu)化前后耗時對比Fig.7　Time cost comparison before and after optimization

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Design and optimization of HLA-Based optical facility control federate simulation

LI Cheng-min1，2，ZHANG Tao2，ZHANG Bin2，ZHANG Shu-yuan3
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；3.Economics and Management School of Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Sky survey optical facilities are becoming more and more important in astronomical observation，and control is the core of this kind of facilities.In the process of building the HLA-based astronomical observation simulation system，it is found that control federation's efficiency directly affects the overall efficiency，due to multi-constrain of the observation.For improving the simulation efficiency，the optimistic judging algorithm and openMP-based optimization method are designed. The result show that new control federation greatly improves the efficiency of optical facilities simulation，and the computational complexity is decreased；the overall running time is reduced by 43%.

HLA；optical facilities；federation design；openMP；optical judging algorithm

TP399

A

1674－6236（2016）01-0031-04

2015-04-09稿件編號：201504083

國家重大專項（Y214102RN）

李承民（1989—），男，北京人，碩士。研究方向：系統(tǒng)仿真。