一體化實時仿真平臺技術(shù)的發(fā)展與展望

劉 金，周振浩，李艷雷，孔文華，金曉旭，張津源

（北京機電工程研究所，北京 100074）

0 引言

各類飛行器具有非線性、不確定性、多層次性和變化大等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜程度不斷提高。與此同時，飛行器仿真技術(shù)也逐漸向支持飛行器系統(tǒng)的“三全”方向發(fā)展，即全壽命（包括論證階段、方案階段、研制設(shè)計階段、生產(chǎn)布置階段和使用保障階段），全系統(tǒng)（包括主要裝備、支持裝備、保障裝備）和管理全方位[1]。這種發(fā)展趨勢帶來了以下四類新的仿真需求：

1）計算機技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用使仿真對象性能變得更加高效，對仿真系統(tǒng)高性能實時計算能力帶來了挑戰(zhàn)；

2）隨著飛行器系統(tǒng)對研制質(zhì)量、研制周期要求不斷提升，對仿真建模標準化、通用化、平臺化等提出了更高的要求；

3）仿真應(yīng)用深度和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，飛行器系統(tǒng)仿真平臺的體系結(jié)構(gòu)、資源布局、開放性和集成能力日益成為關(guān)注的重點；

4）多領(lǐng)域復(fù)雜飛行器系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)設(shè)計，需要發(fā)展建模仿真全過程工具集的支持，以降低用戶工作強度，提升建模仿真資源的重用性、共享性和可靠性。

基于飛行器系統(tǒng)研制的一體化實時仿真平臺技術(shù)是集仿真建模、高性能實時計算、實時運行控制、高速實時通訊于一體的試驗驗證關(guān)鍵技術(shù)。它適用于飛行器的方案論證、設(shè)計、測試、評估、訓(xùn)練、保障維護等全生命周期過程。

滿足飛行器發(fā)展需求的一體化實時仿真平臺，通常應(yīng)具備以下幾個特點：

1）提供高性能強實時仿真運行環(huán)境。具備穩(wěn)定控制幀周期的能力，具備高精度時鐘同步控制能力，具備實時接口通信能力；

2）具備通用化建模能力。提供統(tǒng)一的仿真建模語言，具備圖形化建模開發(fā)及驗證環(huán)境，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模；

3）具備仿真模型資源的統(tǒng)籌優(yōu)化與管理能力。包含仿真模型庫、故障模型庫、模式庫等，支持基于數(shù)據(jù)庫的面向?qū)ο竽Ｐ皖惖墓芾砗椭赜茫?/p>

4）具備高性能實時計算及海量數(shù)據(jù)存儲能力。能在規(guī)定的時間內(nèi)完成復(fù)雜的計算任務(wù)，具備海量數(shù)據(jù)的實時存儲能力；

5）系統(tǒng)具有良好的擴展性和較強的通用性。采用具有良好擴展能力的系統(tǒng)體系框架，可靈活、快速地增強仿真系統(tǒng)的功能或性能，滿足不同仿真系統(tǒng)的通用需求。

典型的一體化實時仿真平臺通常可分為網(wǎng)絡(luò)平臺、硬件平臺、軟件平臺、基礎(chǔ)支撐和功能模塊五個層次，如圖1所示。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及對比分析

1.1 國外一體化實時仿真平臺技術(shù)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)概念，如面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和虛擬化等，逐漸被引入到仿真平臺技術(shù)框架中，以提高仿真系統(tǒng)的效能，促進仿真的可重用、互操作、可組合[2]。新型體系結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)給實時仿真平臺帶來了重要的機遇和挑戰(zhàn)。國外的研究機構(gòu)已經(jīng)展開了利用新型體系結(jié)構(gòu)對實時仿真平臺的研究與探索，比較典型的有以下幾類產(chǎn)品。

（1）dSPACE實時仿真平臺

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國dSPACE公司研發(fā)的控制系統(tǒng)仿真測試平臺，與Matlab/Simulink/RTW兼容，并實現(xiàn)了無縫連接，具有以下特點：

a.運算功能較強：采用高速處理器構(gòu)建專門仿真運算卡，能夠獨立高效地完成控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)半實物仿真的計算任務(wù)，同時也能與其它板卡聯(lián)合進行實時計算。

b.接口功能豐富：通過選擇不同的I/O配置，即可組成不同的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 一體化實時仿真平臺Fig.1 Integrated real-time simulation platform

c.支持系統(tǒng)原型的快速建模：能在較短時間內(nèi)完成模型/參數(shù)的修改、代碼的生成及下載。

d.通用性好：代碼生成及下載軟件、試驗工具軟件均基于WINDOWS，軟件開發(fā)平臺為Matlab/Simulink環(huán)境。

e.實時性較好：代碼可獨立運行于實時系統(tǒng)，在不中斷試驗過程的前提下，通過內(nèi)存映射訪問各種試驗參數(shù)及結(jié)果變量[3]。

（2）RT-LAB實時仿真平臺

RT-LAB是一種基于模型的工程設(shè)計應(yīng)用平臺，實現(xiàn)工程項目的設(shè)計、實時仿真、原型與硬件快速在回路測試，具有以下特點：

a.系統(tǒng)的開放性和可擴展性較好。可自主選擇實時仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方式和軟硬件模塊。支持單節(jié)點、分布式和嵌入式目標機3種系統(tǒng)配置，采用上下位機結(jié)構(gòu)和QNX實時操作系統(tǒng)。

b.接口功能較強。在分布式節(jié)點系統(tǒng)配置下，每個節(jié)點可采用COTS接口卡連接外部設(shè)備。

c.建模功能豐富。兼容Matlab/Simulink等多種仿真建模軟件。

d.運行監(jiān)控特性突出。在多個目標機或者對稱多處理器（SMP）計算機上，各分布式節(jié)點可同步運行，具備集成顯示和監(jiān)控面板，提供動態(tài)信號跟蹤、在線參數(shù)編輯功能。

（3）iHawk實時仿真平臺

美國并行計算機公司研制開發(fā)的iHawk實時仿真工作平臺是基于ConCurrent RedHawk Linux實時操作系統(tǒng)，支持PCI或VME總線及對稱多處理器（SMP）的實時仿真計算平臺，已廣泛應(yīng)用于世界各地的航空航天、船舶、兵器、核工業(yè)、水電、交通等領(lǐng)域。iHawk仿真平臺具有如下特點：

a.實時仿真運算功能較強。采用實時操作系統(tǒng)和多核芯處理器，具有穩(wěn)定的幀周期控制。

b.具備高性能的I/O接口和完善的I/O控制能力，使得用戶有充分的選擇余地來搭建自己的系統(tǒng)，為自己的板卡訂制驅(qū)動程序。

c.模型開發(fā)工具豐富。提供圖形化建模與調(diào)試開發(fā)工具，支持Matlab/Simulink模型、C/C++模型開發(fā)，支持靈活的IO映射，提供實時調(diào)試的優(yōu)化、分析、跟蹤輔助工具。

d.仿真運行環(huán)境功能較強。配有實時操作系統(tǒng)、圖形化建模與調(diào)試開發(fā)工具、測試開發(fā)集成環(huán)境、輔助實時調(diào)試環(huán)境等軟件和接口驅(qū)動與實時調(diào)度軟件等。

1.2 國內(nèi)一體化實時仿真平臺

國內(nèi)開展一體化實時仿真平臺技術(shù)研究和工程應(yīng)用實踐多年，用于飛行器研制，取得了許多重要成果。從20世紀90年代開始，先后研制成功銀河仿真II型計算機YH-F2、銀河超級小型仿真機、海鷹實時仿真工作站（HY-RTS）等，其性能已達到國際先進水平。進入21世紀，國內(nèi)研制成功了基于通用計算機的YH-Astar高性能實時仿真平臺、海鷹實時仿真平臺HY-RTSIII等產(chǎn)品，為飛行器實時仿真和半實物仿真提供了完整的解決方案。

（1）YH-Astar高性能實時仿真平臺

YH-Astar為國防科技大學(xué)計算機學(xué)院研制的基于通用計算機的高性能實時仿真平臺，硬件結(jié)構(gòu)采用通用計算機和COTS接口，通用性、擴展性較好。

其中，一體化建模與實時仿真軟件YH-SIMLAB包括仿真建模環(huán)境、編譯器、調(diào)試器、多變量函數(shù)生成器、函數(shù)庫、模型庫、實時網(wǎng)API、I/O通信庫、人機交互環(huán)境和曲線顯示與分析子等系統(tǒng)，具有以下功能：

a.YHSIM++語言支持直接用微分方程、差分方程建模。

b.提供了大量仿真專用函數(shù)和模型，支持連續(xù)系統(tǒng)和離散事件仿真。

c.提供高效的語言翻譯器，可將仿真程序轉(zhuǎn)譯成C語言代碼，支持代碼優(yōu)化及仿真語言的跟蹤、調(diào)試。

d.提供高效的設(shè)備驅(qū)動程序及I/O通信庫，支持對I/O設(shè)備的高速訪問，支持在線網(wǎng)絡(luò)通訊。

e.具備強大的實時數(shù)據(jù)處理，事后分析功能，可同步顯示數(shù)據(jù)曲線。

（2）HY-RTSIII實時仿真平臺

HY-RTSIII實時仿真平臺是由航天三院三部研制的新一代實時仿真集成環(huán)境。該系統(tǒng)針對飛行器研制全生命周期，為用戶提供通用、開放的仿真平臺和安全、可靠的仿真環(huán)境。適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制加載仿真、制導(dǎo)武器仿真、無人機仿真、水下航行器仿真及其它領(lǐng)域的控制仿真，具有如下特點：

a.具有開放性的體系結(jié)構(gòu)。采用標準工業(yè)控制計算機，提高了平臺的可維護性。

b.實時仿真運算功能強大。自主研發(fā)的基于Linux的專用操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定的幀周期控制和時鐘控制，具備實時仿真、大數(shù)據(jù)實時存儲能力。

c.采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速實時光纖網(wǎng)絡(luò)，解決了仿真系統(tǒng)組網(wǎng)、設(shè)備互聯(lián)與仿真數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)燃夹g(shù)難題。

d.提供高性能的實時I/O接口，具備完善的I/O控制和多種形式的數(shù)字I/O驅(qū)動能力。

假設(shè)3a沒有得到支持可能的原因是，很多企業(yè)在生產(chǎn)過程中難以擺脫原有的慣性，企業(yè)中高層領(lǐng)導(dǎo)者不愿意改變現(xiàn)有的管理方式。而且企業(yè)只依靠現(xiàn)有的資源進行創(chuàng)新是不夠的，應(yīng)該將現(xiàn)有資源進行整合和積累，沒有這個過程，企業(yè)很難進行技術(shù)創(chuàng)新。

e.提供圖形化、模塊化、參數(shù)化的通用仿真建模工具，具有豐富的飛行器模型庫、故障模型庫、算法庫，可與Matlab/Simulink等模型實現(xiàn)無縫連接，支持用戶對仿真資源的升級、擴充和管理。

f.采用時間驅(qū)動與事件驅(qū)動相結(jié)合方式，構(gòu)建仿真框架，通過該框架控制組件的運行。

g.設(shè)計了獨特的硬件抽象層模塊。可以統(tǒng)一管理計算機的接口資源和實時模塊資源。

1.3 國內(nèi)外現(xiàn)狀對比分析

通過以上對國內(nèi)外一體化實時仿真平臺技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀介紹可知，國外相關(guān)產(chǎn)品在計算能力、實時性能、通訊能力、功耗、可靠性等方面具有明顯優(yōu)勢，產(chǎn)品集成度、成熟度較高，通常具有更高性能的硬件設(shè)備和開放式架構(gòu)，更高效的仿真建模和仿真運行控制環(huán)境。但在航空航天、武器裝備研制等特定應(yīng)用領(lǐng)域，其靈活性和適用性稍顯不足。表現(xiàn)在，缺乏相應(yīng)的模型庫、算法庫等仿真支撐資源，應(yīng)用維護成本高、二次開發(fā)困難、價格昂貴。因此研究和探索與我國武器裝備發(fā)展需求相適應(yīng)的，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能一體化實時仿真平臺意義重大。

2 主要研究方向及發(fā)展重點

隨著國內(nèi)飛行器的發(fā)展，一體化實時仿真平臺需重點開展總體架構(gòu)、仿真建模、仿真支撐等方面的研究。

2.1 一體化實時仿真平臺總體技術(shù)

一體化實時平臺總體技術(shù)是一體化實時平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)。需要從需求牽引、技術(shù)推動和工程研制角度出發(fā)，開展以下幾方面的研究：

一體化仿真平臺（系統(tǒng)）體系結(jié)構(gòu)；

一體化仿真平臺資源規(guī)劃統(tǒng)籌和綜合管理；

仿真系統(tǒng)的綜合集成。

體系結(jié)構(gòu)研究是一體化仿真平臺總體技術(shù)的關(guān)鍵，其主要實現(xiàn)以下目標：

1）從縱向上來說，體系結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合應(yīng)用各類仿真技術(shù)，實現(xiàn)對飛行器系統(tǒng)研制全過程的仿真驗證，支撐飛行器品質(zhì)改進，降低研制成本。

2）從橫向上來說，體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能實現(xiàn)仿真資源的優(yōu)化統(tǒng)籌，擴大仿真規(guī)模，提升仿真系統(tǒng)快速獲取互補性資源的能力。

一體化實時仿真平臺體系結(jié)構(gòu)通常采用分層的方法，對仿真資源和仿真控制進行管理。通過對仿真平臺體系結(jié)構(gòu)進行層次化設(shè)計，確定每一層次的功能模塊以及各層次之間的相互支撐關(guān)系，進行仿真資源的合理布局，對各類仿真資源進行有效和統(tǒng)一管理，使之成為有機整體，從而實現(xiàn)仿真資源的高度重用和高度共享。

層次化的一體化實時仿真平臺體系架構(gòu)由系統(tǒng)服務(wù)層，仿真運行環(huán)境層、仿真開發(fā)環(huán)境層、仿真應(yīng)用管理層等組成。如圖2所示。

2.2 通用仿真建模技術(shù)

以模塊化、參數(shù)化、通用化為核心的仿真建模平臺需要提供統(tǒng)一的仿真建模語言，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的建模、驗?zāi)＃鼓繕讼到y(tǒng)研究人員專注于問題本身。

為滿足這樣的需求，通用仿真建模需從以下幾方面進行研究：

1）模型標準化。標準化的模型定義是仿真建模的基礎(chǔ)和依據(jù)，它不僅要描述建模對象的特性、輸入輸出、狀態(tài)發(fā)展變化，而且需要明確與其它模型間的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此，在模型標準研究中，需要研究如何描述模型的內(nèi)特性、外特性及與其它模型間的數(shù)據(jù)通信機制。

2）模型分析策略。結(jié)合系統(tǒng)辨識等方法高度抽象提取影響模型狀態(tài)變化的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計合理的模型組件架構(gòu)與組件裝配方法，對模型資源進行充分發(fā)掘，提煉得到標準的模型組件。

3）異構(gòu)模型集成。支持異構(gòu)模型間的接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)基于不同圖形建模環(huán)境產(chǎn)生的異構(gòu)模型協(xié)同工作。

4）建模環(huán)境構(gòu)建。在模型參數(shù)化和組件化設(shè)計思想指導(dǎo)下，構(gòu)建靈活的建模環(huán)境，實現(xiàn)仿真模型由簡到繁，由分散到集中的建立過程。

圖2 層次化的一體化實時仿真平臺體系架構(gòu)Fig.2 System architecture of hierarchical integrted real-time simulacion platform

2.3 一體化仿真支撐技術(shù)

一體化仿真支撐技術(shù)是支持優(yōu)質(zhì)、高效完成系統(tǒng)建模、仿真試驗與仿真結(jié)果分析評估等活動的重要手段，是將一體化仿真理論研究成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的中間環(huán)節(jié)，包含大量其他領(lǐng)域的專業(yè)知識，可以直接指導(dǎo)各類平臺化產(chǎn)品的研發(fā)與集成。主要包含仿真標準與規(guī)范、仿真VV&A，仿真支撐軟件和仿真支撐硬件等。

對于飛行器系統(tǒng)仿真，需要重點關(guān)注以下幾個問題。

（1）實時運行技術(shù)實時運行技術(shù)需要從以下幾個方面進行研究：a.仿真運行平臺。要求性能穩(wěn)定、計算效率高、具備多種類型的總線和外部接口，支持高效數(shù)據(jù)通信及系統(tǒng)內(nèi)部時鐘同步。硬件平臺包括仿真節(jié)點和通訊產(chǎn)品。仿真節(jié)點要求具有穩(wěn)定性，針對具體仿真應(yīng)用可升級可定制；通訊產(chǎn)品需要具備高帶寬、低延遲，時間確定性等特點；軟件平臺包括操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、數(shù)據(jù)庫等，要求技術(shù)成熟、功能齊全，實時性能優(yōu)越，技術(shù)支持和資源豐富等。

b.實時操作系統(tǒng)。結(jié)合仿真系統(tǒng)實時性需求，研究評價系統(tǒng)實時性指標的方法。針對處理器的實時調(diào)度策略、高精度定時技術(shù)、數(shù)據(jù)實時存儲技術(shù)、接口實時驅(qū)動技術(shù)、硬件抽象層設(shè)計技術(shù)，開展實時操作系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計。

c.實時仿真調(diào)度。研究仿真人機交互、接口動態(tài)配置與實時驅(qū)動、仿真流程配置、系統(tǒng)運行管理等。尤其要關(guān)注在仿真模型和仿真數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，正常仿真/故障模式仿真流程的實現(xiàn)機制。

（2）實時通訊技術(shù)

實時通訊技術(shù)需要從以下幾個方面進行研究：

a.實時網(wǎng)絡(luò)通訊方法。研究數(shù)據(jù)、命令、中斷等各種消息的實時傳輸機制，包括通訊數(shù)據(jù)校驗、錯誤處理、時標同步等。

b.高速通訊及高速電路設(shè)計。一體化實時仿真平臺應(yīng)包含實時通訊接口、高速交換機，支持各類信號（數(shù)字量、模擬量等）的遠距離傳輸?shù)龋话闵婕安捎肎bps以上高速通訊接口電路、高速集成電路設(shè)計技術(shù)。

（3）基于組件的通用仿真框架系統(tǒng)運行控制技術(shù)

a.通用仿真框架設(shè)計。需要將實時仿真系統(tǒng)采用的運行控制機制，嵌入在通用仿真框架的底層，并通過該框架的底層驅(qū)動，控制組件運行。

b.接口和建模工具組件化。仿真平臺的人機交互界面模塊可采用組件化的接口和建模工具實現(xiàn)，以利于平臺的統(tǒng)一調(diào)度和運行控制，統(tǒng)一管理計算機的接口資源和實時模塊資源，設(shè)計硬件抽象層模塊，提升實時仿真平臺的性能。

3 發(fā)展展望

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，一體化實時仿真平臺技術(shù)呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1）適應(yīng)各類復(fù)雜實時仿真需求且具備標準化、規(guī)范化和開放性的特點。

對于復(fù)雜飛行器系統(tǒng)，要求在更苛刻的幀周期內(nèi)，完成更復(fù)雜的模型解算和接口操作。需要綜合利用并行計算技術(shù)、基于FPGA的計算硬件技術(shù)和分布式集群網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等，為新一代飛行器提供完善的實時解決方案；需建立一體化實時仿真平臺標準，構(gòu)建更加開放的平臺共用體系結(jié)構(gòu)，以滿足不同類型飛行器、不同研制階段的仿真需求。

2）更高效、方便、實用的通用仿真建模平臺。構(gòu)建圖形化、參數(shù)化、組件化的通用仿真建模平臺，實現(xiàn)海量經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)的挖掘，以滿足新一代飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)復(fù)雜設(shè)計、原型快速搭建和半實物仿真試驗驗證需求。

3）智能化的高速仿真實時網(wǎng)絡(luò)。隨著飛行器的發(fā)展，飛行器系統(tǒng)將日益復(fù)雜、功能更加強大，用于飛行器性能驗證的仿真系統(tǒng)復(fù)雜度劇增，如：非標設(shè)備數(shù)量快速增加、仿真節(jié)點數(shù)量急劇增大，滿足強實時、靈活接入、大數(shù)據(jù)量交互和高可靠性的智能高速仿真實時網(wǎng)絡(luò)將是實時仿真實現(xiàn)的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

本文針對飛行器的仿真需求，對國內(nèi)外一體化實時仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，詳細分析了一體化實時仿真技術(shù)的主要研究內(nèi)容和研究重點；針對未來飛行器的發(fā)展需求，對一體化化仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了初步展望，以求為相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有益借鑒。

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