半物理仿真技術工業應用現狀及發展趨勢

蔡安江 蔣周月 郭師虹 薛曉飛

1. 西安建筑科技大學 機電工程學院, 西安 710055 2. 西安建筑科技大學 土木工程學院, 西安 710055

隨著計算機技術的高速發展，仿真技術已經應用到各行各業，而半實物仿真作為其中一個分支，已廣泛涉及到機電技術、液壓技術、控制技術及接口技術等領域。半實物仿真技術將具體的研究對象接入計算機仿真回路進行試驗，因而更接近實際生產。

系統仿真技術通過系統模型試驗來研究系統的運行特性，主要分為數學仿真、半物理仿真和全物理仿真3種類型[1]。半物理仿真，又稱半實物仿真或物理-數學仿真，其英文名稱國內多用 semi-physical simulation[2-3]表示，而國外多用 hardware-in-the- loop simulation (HIL)[4-5]表示。半物理仿真將被仿真對象系統的一部分以實物或物理模型的方式引入仿真回路，被仿真對象系統的其余部分以數學模型描述，并把它轉化為仿真計算模型，借助于物理效應模型，實現實時數學仿真與物理仿真的聯合仿真[6]。

半物理仿真的優勢是能夠把數字仿真的靈活性和物理仿真的精確性相結合，可以充分發揮各自的功能[7]。為了將較少的開發時間、故障成本以及系統模擬的計算資源應用到我國各項研發工作中，將半物理仿真技術推廣到我國其他各項研究領域具有重要的意義。本文分析了半物理仿真技術在國內外的研究現狀，總結了其目前的應用對象和應用領域，展望了半物理仿真的發展趨勢。

1 半物理仿真國內應用現狀

隨著仿真技術的快速發展，半物理仿真已成為現代工程技術的重要支柱，在國防工業領域和民用工業領域都有廣泛應用。

1.1 國防工業領域

在國防工業領域，我國已經建成了多種特點的半物理仿真系統。2010年，哈爾濱工業大學的常同立[8]探討了一種驗證空間對接動力學半物理仿真系統仿真結果真實性的試驗研究方法，該方法具有較強的實用性，能夠廣泛應用于實際空間對接中。2014年，深圳航天東方紅海特衛星有限公司的杜曉東等人[9]，利用半物理仿真系統驗證雙目視覺引導下的航天器近距離自主交會接近的特征識別、位姿解算、導航制導與控制等關鍵算法。

在軍事系統方面，仿真技術的應用為部隊指揮、作戰和訓練提供了有效工具，為我軍現代化建設做出了重要貢獻。2010年，北京航天自動控制研究所的周志久等人[10]，設計了不帶轉臺和帶轉臺的2種半物理仿真系統模擬無人機的飛行狀況，且2種半物理仿真系統可以相互關聯，能夠對整個無人機飛控系統設計的合理性及有效性進行完備的驗證；2014年，北京理工大學的范世鵬等人[11]通過建立激光末制導導彈半物理仿真平臺，設計出末制導段彈道半物理仿真模型，深入研究導引頭入瞳光學特性和實時更新照射環境特性，創造了更接近于飛行試驗的半物理仿真環境，達到仿真技術相似原理的要求。

1.2 民用工業領域

在民用工業領域中，半物理仿真運用在組合導航系統、控制系統和調壓系統等方面。

在導航系統方面，2006年，北京航空航天大學的曹娟娟等人[12]，提出了1種用于減少 MIMU/GPS/MMC組合導航濾波算法計算量的快速濾波方法，以提高算法的實時性，并利用半物理仿真試驗驗證了該算法的有效性和實時性。2011年，南京航空航天大學導航研究中心的于永軍等人[13]設計了基于 DSP的半物理仿真系統，并利用其驗證了基于一次采樣的四階龍格庫塔捷聯算法能有效提高捷聯解算的實時性和導航精度。

在控制系統方面，中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室的周煥銀等人[14]于2011年通過半物理仿真平臺驗證了基于神經網絡補償器的動態反饋控制算法具有更好的動態性能和較強的抗干擾能力，相比于 PID控制算法，大大提高了系統的魯棒性；2014年，西北工業大學的陳俊碩等人[15]，利用半物理仿真實驗驗證了其設計的永磁同步電機速度控制器提高了系統魯棒性。

在為國防工業領域和民用工業領域服務的同時，半物理仿真的應用也正不斷向交通、教育、通訊和經濟等多個領域擴展。

2 半物理仿真國外應用現狀

對模型的實現來說，通過使用硬件作為計算機模擬的一部分，可以減少模擬復雜性及合并因素。半實物仿真已成功地應用于控制、制造等許多領域。

2.1 控制領域

2013年，韓國的Junoh Jung等人[16]使用狀態依賴Riccati方程技術，對航天器編隊飛行姿態同步控制策略進行了分析和研究，并使用半實物仿真實驗和數值模擬對問題進行跟蹤和調節；2015年，德國的J. Paul等人[4]對微衛星的空間對接與交會設計了半物理仿真系統。2015年，法國的C.Quérel等人[17]開發了一個半物理模型預測由柴油發動機產生的氮氧化物(NOx)的排放量；2016年，埃及的Ahmad M. El-Nagar等人[18]在研究中，用半物理仿真驗證了區間二型模糊比例微分控制器(IT2F-PD)的性能。

2.2 機械制造領域

2005年，德國的Stoeppler G等人[19]提出了一種不同類型的仿真策略，該方法在機床的仿真模型中集成了控制硬件；2014年，波蘭的Krzysztof J. Kalin′ski等人[5]開發并真正執行了對柔性工件的主動振動控制進行高速銑削過程監視的方法。

2.3 機器人領域

在機器人領域，半實物仿真已經從許多不同的角度應用。這些方法包括：機器人在回路仿真，如使用真實的和模擬的移動機器人在一個虛擬的環境中相互作用[20]。控制器在回路仿真，其中一個真正的控制單元與機器人的計算機模型交互[21]，以及關節在環仿真，在關節上模擬真正的致動器上的負載[22]。

2.4 其他領域

除了集中應用于以上領域，半物理仿真還應用在了循環加熱系統[23]、車輛駕駛員信息系統和報警系統[24]、分布式網絡的開發[25]及并行隨機力[26]等方面。半物理仿真可以減少開發時間和成本[19]，已被證明是有用的設計工具。因此，對其應用對象進行全方位了解有利于更合理地學習借鑒不同領域的半物理仿真。

3 半物理仿真應用對象概況

通過對半物理仿真的應用進行歸納總結可知，其應用對象主要存在于諸如航空航天[1, 6-9, 27]、無人機[11]、組合導航系統[12-13]、控制系統[14-15]及調壓系統等行業與領域，如表1所示。

表1 半物理仿真的應用對象概況

從其應用對象的歸納分析可以看出，當前半物理仿真的應用雖然涉及到社會生產與生活的各個領域與各種機械設備，但絕大多數半物理仿真的研究還停留在航天器的空間對接以及無人機的飛行控制；距離實現半物理仿真應用至整個社會生產的各個領域是值得未來探索的一項重要的研究內容。

4 半物理仿真發展趨勢

4.1 半物理仿真研究趨勢

從上述國內外應用現狀可以看出，半物理仿真技術在航空航天和武器制導等軍用領域已被廣泛應用，而在民用工業領域，除了組合導航系統方面，目前還未被推廣。軍用技術轉為民用,服務于國家經濟建設已成常態，也是發展趨勢。所以，半物理仿真技術未來的發展和應用將在軍、民的工業領域展開，尤其是傳統制造工業領域。

目前，我國正大力推廣“中國制造2025”，并與德國“工業4.0”全面對接。德國“工業4.0”是以智能制造為主導的第四次工業革命，旨在通過充分利用“信息物理系統”(Cyber-Physical System)，將制造業向智能化轉型。半物理仿真技術以其兼具數字仿真的柔性和物理仿真的精確性的特點，將助力信息物理系統的推廣應用。

從德國“工業3.0”的“數字化”升級到德國“工業4.0”的“智能化”，數控機床是基礎。此外，《中國制造2025》中明確表示要以提升可靠性、精度保持性為重點，開發高檔數控系統，加快實現產業化，加強用戶工藝驗證能力建設，并且預期關鍵工序數控化率到2025年指標達到64%。如果以半物理仿真作為信息系統，以數控機床作為物理系統，通過計算過程和物理進程相互影響的反饋循環，實現深度融合和實時交互，可以增加和擴展新的功能。故將半物理仿真應用到數字控制工業領域，實現數控機床的智能化，是未來的一大發展趨勢，機械化產品也將從“數控時代”向“智能時代”發展，從根本上提高產品功能、性能和市場競爭力。

4.2 半物理仿真技術發展趨勢

控制系統結構和計算機建模仿真技術發展深刻影響著半物理仿真技術的發展。一方面，復雜的多領域系統的半物理仿真技術隨著計算機仿真在系統研究過程中的深入應用，提出了一系列新的技術需求。近年來，針對半物理仿真技術的研究也在致力解決這一工程問題，其首要前提是對復雜多領域系統的統一模型描述。另一方面，裝備系統規模逐漸擴大，超大規模的系統仿真計算需求日益增長，為充分利用超級計算機和云計算服務的強大計算功能，實現超大規模運算，有必要在半物理仿真中實現對系統模型的自動分解和并行化計算。

世界各國一直重視半物理仿真，近年來，在計算機技術飛速發展的信息化智能化背景下，半物理仿真已成為現代工程技術的重要支柱。其在航空航天、機械、電工、化工、通信，特別是國防軍事等領域的工程設計研究，已成為現代高科技產業的代表之一。未來半物理仿真將向高智能化、全面化和集成化發展，在工程技術領域發揮更大的作用。

5 總結

半物理仿真技術以其高效率、低成本的特性，廣泛應用于國內外的航空航天和武器制導等軍事領域。在民用工業領域也因其逼真度較高，而不斷開拓發展。本文介紹了半物理仿真概念與特點，歸納其國內外應用現狀，在總結該技術應用對象的基礎上預測了半物理仿真技術的發展趨勢。

半物理仿真技術將在現代工業領域朝著高智能化和綜合化發展，在中國制造智能轉型升級的過程中發揮出更大的積極作用。

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