● 摘要
在应用需求的牵引和支撑技术的推动下，建模与仿真技术始终处于一个不断发展的动态过程之中。随着建模与仿真技术在众多领域的深入应用，模型的共享与重用、仿真复杂性等问题更加突出，复杂系统仿真中混合异构模型的互操作、组合式仿真等新问题不断涌现；同时，自二十世纪末IT领域进入一个迅猛发展时期，新技术、新理念不断出现，如Web服务、网格计算（Grid Computing）、SOA（Service-Oriented Architecture）、云计算（Cloud Computing）等，如何将它们应用于建模与仿真是当前的一个研究热点。在这种背景下，结合作者近几年在航空、航天、船舶、军事训练与保障等领域的科研实践，本文提出了面向服务的建模与仿真方法。首先剖析了面向服务建模与仿真的概念内涵，建立了其技术体系，并对面向服务仿真工程的实施体系、基础架构等内容进行了阐述；然后，从面向服务的分析与建模、面向服务的应用架构模型、面向服务的仿真运行支撑和面向服务的应用系统开发与VV&A（Verfication，Validation and Accreditation）等方面对其中的关键技术进行了系统研究；最后，对面向服务的建模与仿真技术在科研实践中的应用情况进行了介绍。论文的主要工作和研究成果如下：（1） 在归纳总结建模与仿真面临的问题，以及系统地分析当前IT新技术及其在建模与仿真中的应用情况的基础上，提出了面向服务的建模与仿真方法，它以SOA、混合系统理论和系统工程方法等为基础，以广义的Web服务技术为手段，按照面向服务的原则进行系统分析与建模，通过服务组合方式构建仿真应用。该方法从技术层面内在地支持模型资源跨部门/跨领域/跨项目的重用与共享、组合式仿真、多学科混合异构模型的互操作等，是仿真网格、仿真云等当前网络化建模与仿真技术研究与应用的基础。（2） 针对面向领域的仿真服务分析，提出了一种基于本体的方法：首先在剖析模型资源的概念、分类与特征的基础上，建立了模型资源的元本体；然后，探讨了基于元本体进行面向领域的本体建设问题，包括领域本体的构造和本体实例的捕获；最后，对基于描述逻辑DL从领域知识库ABox（本体实例库）中推理出服务候选的方法进行了研究，并采用模式映射的方法将选出的本体实例的信息映射为服务描述（WSDL），作为进一步服务建模的基础。与同类建模方法（SOAD、领域工程方法、ODM等）相比，该方法具有描述精确、信息全面（静态结构、动态行为）和信息转换自动化等特征。（3） 为了满足不同类型的仿真应用对模型性能的不同要求，建立了多元化的仿真服务技术体系。该体系涵盖了当前的多种服务技术，并囊括了基于WSDL扩展的Web服务概念；研究了各类服务技术在状态保持、单实例/多实例、持久性、实时性等方面的特性，并进行了对比与实验；最后，探讨了一种WSDL驱动的统一服务调用机制，以实现仿真服务技术体系下不同类型服务的统一调用方法。（4） 基于组件技术建立了面向服务的仿真应用架构模型：仿真服务组件模型CosimModel，一方面作为面向服务的仿真应用开发的一种规范和指导，弥补了当前Web服务研究领域在这方面的不足；同时该模型以混合自动机HIOA（Hybrid I/O Automata）为理论基础，为连续系统、离散系统和混合系统的建模提供了一种统一的形式化描述规范。文章从接口层、架构层和实现层三个层面对CosimModel进行了描述，并列举了它在组合式仿真中的应用模式。（5） 针对仿真服务组合提出了基于HIOA扩展模型的行为调度算法和时间管理算法，并建立了相应的仿真服务组合引擎——Cosim仿真引擎，兼具了服务组合中信息传递、行为调度等基本功能和仿真特有的时间管理功能，并且能够适应比例时钟推进、步长推进、协商推进，以及实时、欠实时、超实时、AFAP（As Fast As Passible）等多种仿真演进模式；而且，其行为调度功能采用形式化计算的方法实现，具有很强的实时性。（6） 建立了按照CosimModel规范进行面向服务的仿真应用开发的过程模型，规划了应用开发中必需的活动和过程，以及每个活动或过程的前提和输出结果。该过程模型具有并行、协同和一致等特征，支持并行工程中的“V”型开发模式、自顶向下和自底向上的实施方法，以及概念空间人员和仿真空间人员的协同工作。（7） 建立了面向服务的建模与仿真中的VV&A过程模型，并提出了具有针对性的校核与验证方法：基于状态空间State Space的形式化验证法、基于可执行概念模型组件的动态推演法和基于白盒/黑盒测试的校核与验证法等，它们具有与开发过程结合紧密、问题针对性强等特征。