軍用嵌入式仿真技術的體系結構研究

崔磊，顏軻

（炮兵指揮學院 河北 張家口 075100）

嵌入式仿真技術由嵌入式技術和虛擬仿真技術整合而成，以仿真技術為主要功能，以嵌入式技術為實現形式。

仿真技術模擬環境和狀態對用戶產生的影響；同時允許用戶對仿真產生動作，將動作效果反饋給用戶。仿真技術必須依靠有效的體系結構，不同級別的仿真系統體系結構也不同。戰役或戰術級別的仿真技術需要隨裝備或部（分）隊行動，因此該級別的仿真技術正在向小型化、可編程化和模塊化發展。嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統的對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。

嵌入式仿真技術是將仿真技術的核心軟件植入嵌入式系統，依靠嵌入式系統的運算處理能力、探測控制能力、通信能力和存儲能力完成仿真過程。

1 軍用嵌入式仿真技術基本理論體系

1.1 嵌入式仿真技術基本功能

軍用仿真技術研究兩個方面：武器裝備仿真和作戰仿真。仿真技術將部隊實裝研究與訓練、演習、作戰推演轉化成由計算機虛擬完成的逼真過程，以減少周期和資源投入，其可重復使用的特點又方便了裝備或作戰研究。嵌入式仿真是在實現仿真功能基礎上，進一步實現小型化、可編程化和模塊化。

1.2 嵌入式仿真技術功能實現

嵌入式仿真技術3個要素是系統（被仿真對象）、系統模型和嵌入式設備。聯系這3個要素的基本活動是模型建立、仿真方案生成和仿真試驗，輔以驗證、分析和反饋。

圖1 仿真三要素和基本活動Fig.1 Three elements of simulation and their action

1.2.1 建立模型和仿真方案生成

仿真技術建模方法包括機理建模方法、系統辨識建模方法、多分辨率建模方法、面向對象建模方法、多視圖建模方法、數據可視化建模方法、多媒體建模方法、面向組件建模方法和面向服務建模方法等。模型是嵌入式仿真技術的基礎，模型是否準確地描述了被仿真對象，是結果是否可信的前提。因此要進行模型驗證，包括可信性驗證和一致性驗證，以檢查模型是否正確地描述了實際系統，以及模型輸出是否充分接近實際系統的行為。

1.2.2 仿真實驗

仿真實驗是嵌入式設備依據系統模型和仿真方案，自動計算并給出虛擬環境和虛擬狀態供用戶動作的過程，這是由嵌入式設備硬件和軟件共同完成的過程。仿真實驗以自動控制技術為理論體系，以虛擬環境和狀態的瞬態變化為激勵，以用戶動作為響應，再以該動作對虛擬環境和狀態產生的效果的反作用為反饋，整個過程是閉環控制過程，可歸納為如下數學模型

G為虛擬環境或狀態，Gb為仿真結果，H為系統處理過程，s為時間。如過程中存在用戶先于環境狀態反饋的動作，則應增加前環反饋，模型與上式基本相同，但H（S）應展開為

其中 Gr（s）、Gp（s）和 Gc（s）定性地代表仿真過程中增加前環反饋后可能存在的處理過程。

1.3 嵌入式仿真技術系統組成

嵌入式仿真技術的理論體系包括嵌入式物理效應設備、嵌入式仿真支撐平臺、基礎軟件系統和模擬仿真系統。

嵌入式物理效應設備有軟件控制，在虛擬環境和虛擬狀態中生成逼真的物理效應。仿真支撐平臺融合多種技術，包括仿真系統總體技術、建模/仿真試驗/評估工具引擎技術、VR/可視化技術、集成框架/平臺技術、中間件技術、網絡/通信技術、數據庫/模型庫/知識庫/內容管理等，為仿真過程提供處理、存儲、控制和通信能力。基礎軟件系統類似于計算機操作系統，為應用軟件提供必要保障。

模擬仿真系統完成仿真的核心過程，它是基于數據庫建立起來的算法，必須囊括被仿真系統模型的所有信息，這些信息經過算法調用生成虛擬環境和狀態。接收用戶反饋后給出效果，并通過物理效應設備輸出效果。模擬仿真系統進行仿真的基本方法有數據查詢和實時演算。數據查詢是根據反饋在數據庫中查找對應數據，是經驗式仿真，速度快，應變能力差。實時演算是將反饋信息引入算法，直接計算，是推演式仿真，應變能力強，速度相對慢。這兩種方法往往綜合運用。

2 軍用嵌入式仿真應用系統硬件結構

2.1 應用系統硬件基本結構

嵌入式仿真應用系統的硬件系統是其理論體系中硬件體系的具體化和產品化，同時以實有硬件的具體功能性能為依據。完整的嵌入式仿真應用系統硬件結構應如圖2所示。

圖2 嵌入式仿真應用系統基本硬件結構Fig.2 Embedded simulation technology’s hardware architecture

2.2 硬件系統數據采集模塊

數據采集模塊是嵌入式仿真過程的關鍵，虛擬環境和狀態的信息必須能夠被感知，才能引起用戶反應；用戶動作也必須被感知才能判斷效果。數據采集模塊由傳感器和人機交互器件組成。傳感器探測各種狀態變化，轉化為預處理信號；交互器件直接采集用戶動作，理解為用戶對某種環境或狀態的反應。

2.3 硬件系統計算和存儲模塊

計算和存儲模塊在嵌入式仿真應用系統中起著控制整個系統、存儲各類數據的作用。存儲模塊中的數據和程序與微處理器交互，經過協調分別完成對應功能。可采用的結構包括8086體系結構、ARM體系結構、DSPs器件結構和FPGA器件結構。

2.4 硬件系統接口與通信模塊

接口與通信模塊完成數據和程序的傳輸。嵌入式仿真應用系統要求與實裝無損連接，通信結構要求具備易拆裝特點和三通特點，即在不切斷原有鏈路基礎上接入分支鏈路，需增加信號能量補償。

嵌入式仿真應用系統需要與上下級系統通信。通信可采用各種適當的協議，并適當添加加密模塊。

2.5 硬件系統效果輸出組件

效果輸出組件是嵌入式仿真應用系統區別于其他嵌入式應用系統之處。仿真系統產生的效果。效果輸出組件包括硬件和軟件，其硬件即為嵌入式仿真技術基本理論體系中的物理效應設備，軟件為基礎軟件和模擬仿真系統在本地的分支或子程序。效果輸出組件受模擬仿真系統控制，以模擬仿真系統提供的順態狀態或動作為觸發。

3 軍用嵌入式仿真應用系統軟件結構

3.1 應用系統軟件基本結構

嵌入式仿真應用系統的軟件系統是其理論體系中軟件體系的具體化和產品化，是嵌入式仿真實現其功能的指揮和指導。完整的嵌入式仿真應用系統軟件結構應如圖3所示。

圖3 嵌入式仿真應用系統軟件結構Fig.3 Embedded simulation technology's software architecture

3.2 軟件系統仿真功能

虛擬環境通常指實裝或想定的環境，仿真過程是順序結構，采用數據查詢方法。這種結構是“給出環境——等待用戶動作——作出反饋”，適合離散仿真。嵌入式系統由于受硬件資源限制，比較適合采用這種觸發式軟件。因此虛擬環境仿真的嵌入式化就是軟件的精簡化。

虛擬狀態通常指過程進行到一定程度時系統所處的狀態。這些信息往往沒有經驗準備，在真實情況下即根據各種影響連續變化，且后一狀態由前一狀態和當時動作共同決定，因此需要這些量的變化模型，針對它們的仿真屬于連續仿真。這種仿真是循環結構，即實時查詢用戶是否有動作，將動作數據引入算法計算。這種仿真模式占用資源多，進行嵌入式化時必須增加資源釋放功能。

3.3 軟件系統運算處理功能

處理功能包括環境狀態處理和圖像處理。嵌入式仿真軟件對環境狀態的處理即對采集的物理量的處理。處理量大，加之嵌入式硬件資源限制，因此仿真軟件的處理功能采用優化算法，如插值法、FFT等。圖像處理是嵌入式仿真軟件必備功能，因為視覺仿真是最基本的仿真。圖像處理內容包括自然變化、用戶動作效果、虛擬狀態反饋等，需要占用大量資源，嵌入式仿真系統必須考慮到資源限制。采用二維和三維交叉結構，在不需要三維效果時進行二維處理，節省資源。處理位置上采用本地處理和遠程處理甚至云處理。

3.4 軟件系統控制功能

控制功能是仿真軟件通過嵌入式處理器協調系統運行的能力。實現控制功能的程序屬于基本軟件系統中一部分，采集仿真過程的中斷，決定是否響應，與系統本身直接相關。其控制領域包括系統資源分配、硬件動作、物理效應輸出等。

3.5 軟件系統通信功能

軟件的通信功能與硬件的通信模塊相結合工作，完成系統通信工作。實現通信功能的程序必須具備如下過程：有接口驅動，調用通信接口；合適的編解碼算法，信息準備；加密算法，對編碼加密；完整的通信協議，預留充足的字段；加密后編碼，開始通信。以上是發送結構，接收結構與之相反。

4 結束語

嵌入式仿真技術是將仿真技術小型化、可編程化和模塊化后以嵌入式系統的形式嵌入實際系統的一種技術。嵌入式仿真技術的體系結構復雜，綜合了多學科技術，以仿真技術為核心，以嵌入式技術為保障，互相融合、交互組織，形成一個完整的體系結構。充分掌握其體系結構可指導嵌入式仿真技術的研發和應用。相應級別的軍事裝備研發、訓練和行動推演都可依靠嵌入式仿真技術提高效果，減少資源消耗，深入了解軍用嵌入式仿真技術體系結構具有重要的現實意義。

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