衛(wèi)翔　邵作浩

摘要：本文針對各類異構仿真系統(tǒng)在信息實時傳輸、信息共享、數據維護等方面的互聯(lián)互通需求，研究了通用黑板技術的技術原理，總結了其技術優(yōu)勢，設計了基于黑板技術的異構仿真系統(tǒng)結構，為解決仿真系統(tǒng)數據實時共享難、業(yè)務協(xié)同難等問題提供了一種新的思路方案。

[關鍵詞]通用黑板 分布式 仿真系統(tǒng)

分布式交互仿真要求通過采用協(xié)調一致的結構，統(tǒng)一的數據標準、協(xié)議、數據庫，以及局域網或廣域網技術，將分散配制的各類仿真器、仿真管理及應用程序進行互聯(lián)，建立一個無縫的虛擬環(huán)境。每個分布的仿真器對應于仿真虛擬環(huán)境中的一個或多個實體。這就需要一個“數據軟總線”，將各類應用掛接在這個數據軟總線上，實現數據和信息的實時傳輸和共享。掛接在數據軟總線上的應用程序必須要有統(tǒng)一的數據交換協(xié)議和必要的數據結構。

近些年來出現了基于內存共享的通用黑板GBB（GenericBlack-Board）技術，與傳統(tǒng)技術架構相比，GBB在信息共享、協(xié)同計算、分布控制等方面性能優(yōu)異，在業(yè)務構造、模型開發(fā)、系統(tǒng)集成等方面也有不俗表現，為解決信息實時共享難、業(yè)務協(xié)同難等問題，提供了一種新的思路方案。

1通用黑板概念

GBB在20世紀80年代在人工智能研究中提出，最早是用于開發(fā)基于黑板結構的專家系統(tǒng)?；贑ommon Lisp和CLOS的擴展，能為用戶提供一個開放式的擴展結構，已在過程控制、設計規(guī)劃、工作流協(xié)同等方面得到應用。隨著技術的不斷發(fā)展，通用黑板中的核心黑板數據機構在功能和性能上也有了很大的提升。由于其高效便捷的分布式數據快速共享特點，可以廣泛應用于異地分布式、異構信息系統(tǒng)集成，解決海量業(yè)務信息的高速共享、快速處理問題。

GBB是一個通用的數據倉庫。在仿真應用時，它包含了整個仿真執(zhí)行過程的應用數據，采用共享內存空間機制，使得所有Agent能夠在任何時間訪問該數據。

GBB內存分配采用內存換性能的策略（即“以空間換時間”），在系統(tǒng)運行前按本地黑板所需最大的數據量提前分配內存空間，系統(tǒng)運行期間，黑板不再進行內存分配與釋放。

GBB每塊數據區(qū)采用“讀、寫”雙緩存機制，通過雙緩存的輪轉解決多應用數據同步問題，實現黑板數據的一致性，具體是通過更新循環(huán)來實現。在每個周期的結尾，該周期所更新的數據對所有“讀”的代理來說變成可用，而舊的數據變成“可寫”。這種“雙緩存”的機制，確保了未實現鎖機制的條件下，沒有代理讀取數據而另一個代理正更新數據。

2GBB技術原理

2.1GBB存儲結構

GBB以關系數據庫的形式保持應用數據。GBB主要由四類表格組成：主實體表、實體表、描述符表、消息表。圖1提供了一個表示主實體表、實體表和描述符表關系的示例。

2.1.1主實體表

主實體表保持了GBB中可用實體的列表。此表中每個條目包含了一個引用值，該引用指向實體表一個條目，并包含了該實體的附加通用信息。這些信息包括：

（1）實體ID：特有的標識，表示整個黑板內某個實體。該實體ID從實體創(chuàng)建開始到刪除始終保持不變。

（2）創(chuàng)建時間：實體被創(chuàng)建和被引用到黑板中的時間。

（3）實體類型：枚舉值，定義了實體的類型。實體的類型指向一個特定的實體表，該表中實體已經被定義。

2.1.2實體表

實體是用來表示應用域內的對象。不同實體類型定義了不同的數據項，而數據項里包含了相關信息。

GBB保持了一組實體表，每個實體表保持了一組特定類型實體的信息。一個實體表的每個條目保持了如下數據：

（1）實體ID;

（2）實體狀態(tài)：對實體觀察者來說實體可用時，可由用戶設置;

（3）引用：指向主實體表中相關條目。

2.1.3描述符表

描述符用來“描述”GBB中實體的數據結構。每個描述符類型包含了數據的不同類型，可為幾種不同實體類型所用。

描述符表與主實體表和實體表不同，它用于維持應用程序的特定數據，而后兩者用于保持通用信息。每個描述符表維持特定類型的信息（由應用程序所定義）;在描述符表內每個單一條目包含了如下信息：

（1）引用，指向相關實體（實體表內的一個條目）;

（2）最后更新時間;

（3）描述符數據，每個條目包含了數據的兩份拷貝，使得“讀者”在更新新的數據時，還可以查詢前一個計算周期里所更新的數據。

2.1.4消息表

GBB中的消息包含單獨的表中。每個消息表包含了特定類型的消息，也就是說特定結構的數據。

消息表作為循環(huán)隊列來處理;當一個表滿時，舊的消息被刪除以騰出空間給新的消息。

2.2消息處理機制

分布式的應用之間除數據交換以外，還需要進行事件的通知，稱之為“消息”。一般采用消息管理器進行消息分發(fā)，但受網絡和運行環(huán)境的影響，消息會在傳遞過程中發(fā)生丟失，延遲，業(yè)務應用系統(tǒng)會等待這些丟失和延遲的消息，從而造成業(yè)務處理的延遲。

GBB將消息作為數據進行處理，在本地黑板中設置消息數據區(qū)，并充分運用通用黑板中數據的快速同步機制，任何一個應用只須讀寫共享內存區(qū)中的消息數據區(qū)，就可在近實時的時間內獲取或發(fā)布消息信息。

因為在本周期內發(fā)送的消息，需要等待網絡管理器在下一周期同步所有內存數據區(qū)時，才能更新到所有節(jié)點，接收方在下一周期才能取到該消息數據。為保障實時性要求高的消息交互需求，GBB技術框架產品也提供了業(yè)務應用間消息直接傳遞的機制。

兩種消息傳遞機制并存，使得在網絡中只需傳遞少量的“實時消息”即可實現實時交互，這在很大程度上簡化了業(yè)務系統(tǒng)間的信息交互，確保了業(yè)務信息交互的實時性。

“發(fā)后不管”如何解決消息的丟失問題？本地黑板中為每個消息維護一個緩沖池，池的大小根據消息發(fā)送的頻率提前定義，從而有效的解決了消息丟失的問題。

3GBB技術優(yōu)勢

3.1信息實時共享

GBB采用輪轉式的雙緩沖內存數據共享區(qū)技術，信息更新快、信道占用少，能夠精巧解決海量、分布、異構系統(tǒng)間信息實時同步、高效共享的老大難問題。

采用這種輪轉式的雙緩沖內存數據共享區(qū)技術，十分巧妙的將數據一致性問題轉換為內存切換問題，可在毫秒級確保多個內存數據區(qū)內的一致性，極其高效地解決了分布式內存數據區(qū)的近實時同步更新問題。由于只更新變化的數據，有效降低系統(tǒng)網絡通信流量，同時又能充分利用當前內存讀寫性能、網絡傳輸速度提升、價格降低的優(yōu)勢。

3.2方便的數據維護機制

由于GBB技術框架的數據集中管理機制，可以使用戶能夠很方便的對本地黑板的所有數據進行集中維護，如通過GBB瀏覽器可以很方便的查看、顯示本地應用所讀寫的所有數據。

3.3數據與應用高度解耦

GBB技術架構突出以數據為中心的系統(tǒng)集成思想，首先將整個系統(tǒng)的數據整合為一塊大的“邏輯黑板”，也就是完整的數據集。在進行分布式應用部署時，從邏輯黑板中為網絡中的每個節(jié)點分配相應的數據塊，即“本地黑板”。本地黑板數據的定義、分配、管理與應用程序的處理邏輯完全無關，不僅方便實現數據與應用的解耦，而且也方便應用與應用之間的解耦。

從業(yè)務應用的角度看，每個應用只須從本地黑板讀寫數據，不需要關注其他數據的提供者和使用者，不需要向某個指定的應用去申請數據，也不需要向某個指定的應用提供數據。

從數據的角度看，所有應用可以分為數據提供者和數據使用者，數據使用者只需關注具體的應用功能，而無需關注數據的來源。

3.4并行處理優(yōu)勢

根據GBB這一優(yōu)勢，可實現業(yè)務構件根據多樣化的任務需求自由組合、即插即用，業(yè)務處理能夠方便的實現從傳統(tǒng)“單線”串行處理模式轉變?yōu)椤岸嗑€”并行處理模式，這種模式能夠支持當前大數據和人工智能時代高速處理、復雜協(xié)同、智慧涌現等各種智能化、并行處理方法的引入。從而使我們能夠更加靈活、快速地構建系統(tǒng)，各業(yè)務系統(tǒng)可靈活配置，也使得系統(tǒng)能夠快速部署，柔性重組能力更強。更加適應聯(lián)合作戰(zhàn)體系海量信息共享、決策知識涌現、多維業(yè)務協(xié)同的要求。

3.5協(xié)同開發(fā)優(yōu)勢

通用黑板技術的提出背景就是為了解決人工智能中的協(xié)同工作問題，其運行機制為協(xié)同開發(fā)提供了便利條件。

在復雜系統(tǒng)的研究與工作中，必然會涉及到多人異地的協(xié)同并行開發(fā)。協(xié)同開發(fā)的本質問題就是如何解決異地分布式開發(fā)條件下的成果共享。GBB提供了一種基于黑板的信息交流機制。該機制由網絡管理員、本地管理員、本地黑板組成，本地黑板是指在網絡中的每臺計算設備上創(chuàng)建的共享內存數據區(qū)，本地管理員負責創(chuàng)建、維護本地黑板上的數據，網絡管理員負責確保網絡上所有節(jié)點的本地黑板數據的一致性。

每個應用讀寫本地黑板的內容，本地管理員提供相關讀寫服務，當本地黑板有數據更新時，本地管理員會發(fā)出通知，并由網絡管理員負責將更新后的數據發(fā)布到其他節(jié)點的本地黑板，完成網絡上數據的一致性。

4基于GBB的分布式仿真系統(tǒng)應用

在仿真領域，多Agent系統(tǒng)（MAS，Multi-AgentSystems）是由若干自主交互實體（Agents）組成的，每個Agent通常執(zhí)行一個指定的任務或模擬一個智能的實體。MAS的繼承結構為分布系統(tǒng)和創(chuàng)建分布式Agent系統(tǒng)提供極大的優(yōu)勢。在分布式多Agent系統(tǒng)（DMAS，DistributedMulti-AgentSystems）中，Agent分布在網絡空間中，突破了單機計算能力的限制。

如圖2所示，GBB框架設計為DMAS，其中的黑板作為主要信息的倉儲、應用Agent間數據交換的機制，提供全系統(tǒng)的明細和通告服務。GBB處于系統(tǒng)架構的核心。該架構背后的主要概念是創(chuàng)建一個聯(lián)合的數據倉儲，使得多個軟件Agent在需要時來訪問和修改數據，這樣使整個系統(tǒng)進行時間異步操作，同時通過強制事件驅動操作來保證同步。架構的頂層是基于GBB的應用和DMAS，包括圖中的系統(tǒng)工具部分和應用程序部分，以及GBB記錄和回放應用程序。

GBB就是一個分布在節(jié)點之間的通用的數據倉儲，使得應用數據能夠被每個節(jié)點中的Agent所獲得。該數據倉儲由兩個應用支持：GBB管理器（GBBManager）負責每個獨立節(jié)點中倉儲的創(chuàng)建和維護，SNA（SerialNetworkAdapter）負責數據的分發(fā)和節(jié)點間的同步。該架構的主要指導思想是：

（1）Agent之間的全部交互都要通過GBB;

（2）在所有的系統(tǒng)節(jié)點中，分布的數據都是一*樣的;

（3）一個Agent并不需要知曉其它Agent的動作和知識。

5總結

GBB通用黑板技術適用于大型分布式仿真系統(tǒng)的基礎內核和底層支撐框架。采用GBB技術，可以非常方便的實現分布式仿真計算，將大量的復雜模型根據計算量的大小合理配置到不同的仿真節(jié)點，充分發(fā)揮計算機網絡中的硬件計算資源，大大提高了仿真模型的計算效率;采用GBB技術，實現了本地黑板數據的快速讀寫，以及網絡數據的高速共享;同時也方便實現復雜仿真系統(tǒng)的分布式集成與部署。

通用黑板相比傳統(tǒng)技術架構，先進性包容性更強，特別是在信息共享、協(xié)同計算、分布控制等方面性能優(yōu)異，在業(yè)務構造、模型開發(fā)、系統(tǒng)集成等方面也有不俗表現，為解決信息系統(tǒng)實時共享難、業(yè)務協(xié)同難等問題，提供了一種新的技術方案。

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