基于DEVS的建模与仿真API开发.pdf

摘要

随着社会的发展，人类面临的问题越来越呈现出复杂大系统的特征。这些系统

规模巨大，内部存在复杂的离散过程和连续过程的相互耦合，统称为混合系统

（Hybridsystem）。该系统演化呈高度非线性，难以或不能用解析方法对其进行分析，

仿真成为研究这类系统唯一有效的手段。针对混合系统的建模与仿真已做了大量的

研究，受限于将系统分为离散事件和连续状态两类截然不同系统的研究传统，现有

的仿真软件也多为某一类系统专门开发，不能适应人类社会持续发展对混合系统分

析研究的需求。

离散事件系统规范（Discreteeventsystemspecification，DEVS）是为离散事件

系统的建模与仿真提出的一种形式化机制，它应用面向对象的思想，采用严格的数

学语言描述系统的动态行为。量化状态系统（QuantizedStateSystem，QSS）通过

将连续系统的状态离散化而将其转化为离散事件系统，进而可在DEVS下进行描述。

DEVS+QSS能实现两类过程的统一建模，还能准确地各过程的交互影响，特别适合

于混合系统的建模与仿真。

本文运用C++面向对象技术，基于DEVS开发了一套系统建模与仿真的应用程

序接口（API）软件，并以电路系统的仿真进行了验证。主要工作如下：

（1）开发了建模子系统。设计了原子（Atomic）模型基类、耦合（Coupled）

模型类、模型库管理类及其它辅助对象类。原子是系统模型的基本单元，分为

Mealy型和Moore型两类，Mealy型用于描述静态过程，Moore型用于描述动态过

程，便于对系统子行为的高效仿真。具体原子模型从原子基类继承而得，并存在于

独立的动态链接库中，便于模型库的修正扩充。耦合模型是模型的容器，通过耦合

模型实现了子模型的交互耦合和模型的层次化构建和管理。模型库管理可以方便地

管理模型组件包，动态加载模型并创建模型实例。

（2）开发了仿真器子系统。设计了调度器类和仿真器类和其他辅助工具类。

调度器负责Moore模型的事件调度，通过维护按照下一个事件发生时间排序的

Moore模型二叉堆，实现准确的模型调度和执行。Mealy模型则通过拓扑排序来进

行调度管理，保证了模型间的正确执行顺序和相互影响的准确性。仿真引擎控制整

个仿真过程，通过采用模型扁平化算法，简化原子模型之间的通信路径，避免耦合

模型引入的额外复杂性和延迟，与传统DEVS仿真器相比，提高了仿真运行的效率。

I

此外，仿真引擎采用了多线程技术对仿真器性能进行优化，在仿真复杂系统时能够

显著提升运行效率和实时性。

（3）开发了电路仿真模型库。设计了多种电路模型，包括电阻、电容、电感、

二极管、开关管等。电路仿真采用了状态方程方法，能够直接描述电路元件的动态

特性，简化复杂电路并提供灵活的建模方式，适用于各种类型的电路系统。最后通

过调用电路模型库构建Boost电路和整流电路对软件仿真功能进行了验证，结果表

明该软件在误差允许范围能正确仿真相应电路，同时证明了该软件能够用于混合系

统的建模与仿真。

关键词：量化状态系统；DEVS；多线程；混合系统

II

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsociety,theproblemsfacedbyhumanbeingsaremoreand

morecharacterizedbythecomplexityoflargesystems.Thesesystemsarehugeinscale,

withcomplexmutualcouplingofdiscreteandcontinuousprocesses,whichare

collectivelyknownasHybridsystem.Theevolutionofthissystemishighlynonl