現代航空工程智能虛擬試驗技術研究

支超有

(航空工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089)

以信息技術為代表的現代高新技術的飛速發展及其在航空試驗與測試領域的廣泛應用，正帶動著航空試驗與測試技術向分布式、綜合化、通用化、網絡化、虛擬化和智能化的方向發展。在這個過程中，以仿真技術為基礎的虛擬試驗已經融入到裝備設計、研制、開發、集成等各個階段，并成為與實物試驗并重的一種新的航空產品研制試驗途徑，虛擬試驗驗證技術也成為航空產品研制過程中的核心技術之一，并深入滲透到航空裝備研發整個流程中，貫穿從概念提出與方案設計、子系統和部件設計，直到系統集成與驗證和產品認證等各個階段，并具有覆蓋裝備全生命周期、適用范圍廣的特點。

虛擬試驗驗證是一種基于數字樣機模型的復雜產品關鍵系統試驗數據產生、獲取和分析的系統工程過程，它以建模仿真、信息集成與管理技術、虛擬現實和知識工程方法為基礎，在一個由性能模型、耦合環境、流程引擎和可視化交互機制構成的數字化試驗平臺中模擬真實產品的物理試驗過程。虛擬試驗驗證技術發展的經驗表明，虛擬試驗的基礎和支撐框架是引領虛擬試驗驗證系統快速有效發展的核心。

基于云計算技術的智能虛擬試驗構架了一種網絡化的、智能化的試驗服務新模式，該模式和相關技術的研究與應用將有利于航空裝備向“產品+服務”方式轉變。智能虛擬試驗將各類試驗資源虛擬化后封裝成服務云池，通過統一、集中高效的管理和經營，實現試驗資源的快速部署和虛擬化協同試驗環境的智能、靈活構建，進而支持多用戶實時按需獲取試驗服務。筆者結合云計算，以及云計算虛擬化、物聯網和服務化等新興技術，在總結虛擬試驗技術在航空工程典型應用和技術現狀的基礎上，提出了以柔性敏捷化、開放服務化、并行協同化、集成虛擬化、知識智能化為技術特點的智能虛擬試驗概念，研究了基于層次模型的智能虛擬試驗組成體系，詳細說明了智能虛擬試驗實現技術。

1 虛擬試驗現狀

虛擬試驗以仿真技術、虛擬現實技術、計算技術、數據處理技術、數據管理技術、網絡技術等多項技術為基礎，具有“多學科、跨專業”和“多層次、跨平臺”的特點，虛擬試驗以設計數據、性能數據的定義為核心，以對所定義的功能數據和性能數據進行驗證、確認為目的，在實現中以試驗系統為基礎，以模型設計與仿真、可視化和知識工具為手段，完成對設計定義數據和性能數據的驗證、確認。圖1為虛擬試驗系統組成結構圖。

目前，在航空領域應用虛擬試驗技術的典型項目有NASA(美國航空航天局)的智能虛擬飛行控制項目、歐洲空中客車公司的A380項目，以及LMS公司的機電一體化系統仿真平臺LMS Imagine.Lab。

NASA(美國航空航天局)在其智能飛行控制中提出“在先進的計算系統和用戶環境、革命性的軟件技術和開拓性應用方面進行前沿研究，以實現NASA在航空航天技術方面的任務”的總目標。指出智能飛行控制面臨的挑戰是：開發一種飛行控制方法，在空中運輸工具的硬件和操作環境下，可以有效地處理常規的和意料之外的變化；其技術目標是：建立一種飛行控制概念，使用神經網絡技術來識別飛機的穩定性和控制衍生技術，使飛機在更為廣泛的飛行條件下實現最佳性能；開發一種學習神經網絡，在飛行中無法正常響應時，提升飛機的穩定性和控制衍生技術。

總之，智能飛行控制項目開發和飛行演示了一種飛行控制技術，可以有效地識別飛機的穩定性和控制特性，使用神經網絡，并利用這些信息優化飛機性能。其主要關注焦點是增強飛機的安全性、并降低成本。

圖2為NASA智能虛擬飛行控制試驗組成原理圖。

圖1 虛擬試驗系統組成

圖2 NASA智能虛擬飛行控制試驗組成原理

歐洲空中客車公司在A380飛機研制中，為加快研制進度，縮短研制周期，建立了大量數學模型，并開展以模型為基礎的仿真和虛擬試驗。為此，空客建立數學建模及仿真標準——AP2633，并以該標準為基礎，用于所有驗證、確認和培訓模擬器的仿真模型(實時或非實時)，支持仿真模型開發的需求和指南，以及用于模型集成和模型的交換等應用和環境中。

AP2633標準包括：過程、文檔，以及封裝(接口和控制)、模型的可移植性等在內的軟件；AP2633仿真標準開始于1999/2000年，由空客前合作伙伴為滿足系統仿真模型交換而建立，其標準化過程確定了開發(包括操作使用)和仿真模型交換(Doc和接口)的規范化過程，采用通用和強制性的測試用例(驗證和確認)，建立了適用飛機模塊化的仿真體系結構。

AP2633仿真模型與環境的接口變量可以分為三類：

① 控制環境與模型之間接口的——以仿真變量形式的模式控制流；

② 用于仿真模型的功能運行所需要的——飛機功能變量數據流；

③ 用于定義模型設置(或概要文件)軟件變量的——模型概要文件變量。

AP2633標準定義細化了模型開發，包括兩個主要步驟：模型驗證(軟件規格)和模型確認(系統需求&模型需求)；同時開發中包括兩個主要文件：開發人員的模型驗證計劃(Model Verification Plan，MVP)和各平臺的集成&確認報告(Integration&Validation Report，IVR)。

圖3為空中客車A380項目中仿真體系及工作流程示意圖。

圖3 A380仿真體系及工作流程

LMS公司機電一體化系統仿真平臺LMS Imagine.Lab的最新開發使LMS?解決方案更適合基于模型的系統工程。面向機電一體化系統仿真，使得 LMS Imagine.Lab平臺提供了從功能需求直到物理建模和仿真的開放式開發流程。該平臺包含三個模塊：LMS Imagine.LabAMESim?軟件、LMSImagine.Lab?Sysdm軟件和LMSImagine.Lab?System Synthesis軟件。

LMS Imagine.Lab AMESim是多領域、多級復雜度的機電一體化系統建模、仿真和分析的軟件環境，通過對不同庫中預定義且已經驗證的元件的簡單裝配，創建多領域仿真模型，無需耗時的編程；通過調整各元件來分析對比眾多設計方案，從而綜合平衡產品性能；在開發早期，可切實開展系統仿真。

LMS Imagine.Lab Sysdm可對從機械到控制工程的機電一體化系統數據進行組織和管理，共享和運用知識，提高效率，存儲和組織機械系統和控制系統模型和數據。

LMS Imagine.Lab System Synthesis支持配置管理、系統集成和架構驗證的軟件工具，可合成復雜的系統配置，并依據性能需求創建產品架構。

圖4為LMS Imagine.Lab虛擬試驗應用原理圖。

2 智能虛擬試驗技術特點

基于“產品+服務”方式的智能虛擬試驗具有柔性敏捷化、開放服務化、并行協同化、集成虛擬化、知識智能化的技術特點，開展相關研究與實踐，將有利于加速航空工程試驗水平的提高，進而推進航空裝備的發展。

(1)柔性敏捷化。大大縮短了智能虛擬環境下裝備的研發周期，能夠快速部署和智能構建規模龐大的智能虛擬試驗運行環境和智能虛擬試驗驗證系統。同時支持多學科、多模態、多層次和多體的模型組件及其設計過程，具有圖形化交互環境，能進行可視化建模和分析，允許各學科、各部門和設計研制、生產單位交換設計形成模型組件，實時地參與設計和試驗。

(2)開放服務化。基于云計算按需租用服務模式和服務為核心的原則，以降本增效化解風險為前提，分布在裝備各研制單位共享智能虛擬試驗資源，智能獲取智能虛擬試驗服務用以支持裝備研制全生命周期各階段驗證活動的需求將大大增加。智能虛擬試驗的分布式虛擬試驗環境具有良好的開放性，能提供功能豐富完整的工具集，支持航空裝備全生命周期的設計和性能評估，以及功能系統與全機的功能與性能驗證。

(3)并行協同化。隨著智能虛擬試驗環境中被驗證系統(如復雜產品、子系統、分系統等)規模的不斷擴大和結構的日趨復雜，以及工程管理技術、多學科虛擬協同仿真技術、前期概念規劃和后期性能評估技術、設計優化技術、虛擬環境技術、模型的校驗、驗證和確認技術的不斷融合，需要多用戶不斷獲取穩定的虛擬試驗服務來協同虛擬試驗任務。

圖4 LMS Imagine.Lab虛擬試驗應用原理圖

(4)集成虛擬化。數量龐大的試驗用戶要求同時在線使用智能虛擬試驗服務，智能虛擬試驗支撐平臺/系統必須有效支持對分散和集中的各類智能虛擬試驗資源進行全方位的優化管理、共享和服務，以達到降低能耗，進一步提高資源利用率，實現共享資源增效。同時需要實現異構智能虛擬試驗資源的虛擬化封裝和抽象，加強對共享資源的統一管理和控制，屏蔽各類智能虛擬試驗資源的地域分散、形態不同等異構性。智能虛擬試驗系統采用組件模塊化框架結構，模型組件大多數由市場上COTS產品組成，具有易于擴展和良好的可重用性；模型組件及試驗環境具有通用性、可擴展性和可重用性，能夠完成多種不同類型裝備、以及組成裝備系統的虛擬試驗。

(5)知識智能化。智能虛擬試驗中的應用復雜度日益增加，智能虛擬試驗支撐平臺/系統能夠智能地獲取用戶的需求和組織虛擬試驗服務變得越來越迫切，促使用戶可以專注于解決試驗任務空間的問題。提供功能完備的模型組件的維護功能，允許增加經過校核與驗證后的模型，更新和升級原有的模型組件，提供標準實時的界面接口，在不影響系統性能情況下允許真實部件或子系統與模型組件的替換。進行航空裝備的可制造性、可維護性、可適用性、可測試性、安全性和保障性評估。

3 智能虛擬試驗系統層次結構

智能虛擬試驗不但支持航空裝備協同研制開發過程的部件、子系統驗證，而且支持子系統、分系統的綜合驗證和系統集成驗證，還支持航空裝備全周期整機試驗。為了更好地說明智能虛擬試驗系統的層次結構，采用分層的體系結構，從底向上，依次為：智能虛擬試驗物理對象、智能虛擬試驗資源層、智能虛擬試驗核心服務層、智能虛擬試驗界面層、智能虛擬試驗應用層，其中對智能虛擬試驗核心服務層和智能虛擬試驗界面層進一步具體化，從邏輯視圖上細化提出智能虛擬試驗核心服務。智能虛擬試驗系統的層次結構如圖5所示。

下面對智能虛擬試驗物理對象、智能虛擬試驗資源層、智能虛擬試驗核心服務層、智能虛擬試驗界面層、智能虛擬試驗應用層進行詳細說明。

3.1 智能虛擬試驗物理對象層

智能虛擬試驗物理對象是需要進行試驗驗證的對象，以飛機結構系統的功能劃分，主要包括飛行控制系統、航空電子系統、機電管理系統、供配電系統、液壓能源系統、燃油系統、環境控制系統、起落架控制系統、發動機系統等。進一步細分，飛機的各功能系統又可以進一步細分為分系統，如對于現代大型飛機，飛機的飛行控制系統又可以進一步細分為駕駛艙操縱裝置分系統、電傳飛行控制分系統、自動飛行控制分系統、高升力控制分系統、機械操縱控制分系統等。各分系統還可以進一步細分為子系統或部件，如電傳飛行控制分系統進一步細分為控制―顯示子系統、計算機子系統、伺服作動子系統、傳感器子系統、BIT和余度管理子系統等。

圖5 智能虛擬試驗系統層次結構

所以，智能虛擬試驗物理對象涵蓋了待試驗驗證的功能系統、分系統，以及子系統或部件等。

3.2 智能虛擬試驗資源層

智能虛擬試驗資源層包括：試驗資源池，資源感知與接入→信息互聯網絡→資源虛擬化封裝，以及模型資源、計算資源、數據資源、軟件資源、知識資源、試驗工具及License。

智能虛擬試驗資源層主要存儲虛擬化/服務化的虛擬試驗資源，含有語義本體庫、服務資源庫、虛擬資源庫等。語義本體庫主要存儲概念定義、專業領域的分類和概念關系信息，服務資源庫主要存儲靜態服務資源以及動態服務資源的目錄信息，虛擬資源庫擁有經過虛擬化封裝的各類虛擬試驗資源。

3.3 智能虛擬試驗核心服務層

智能虛擬試驗核心服務層可實現試驗資源組織與管理、試驗環境控制、部件和系統建模與驗證、規范化描述解析、虛擬化/服務化封裝、試驗資源引擎、試驗任務調度、三維遠程可視化、試驗安全體系、成員/組件生成等功能。

智能虛擬試驗資源組織服務用于組織智能虛擬試驗資源，構建智能虛擬試驗系統。智能虛擬試驗資源具有虛擬化、服務化、物理資源等不同的形態，還存在可用和待部署的顯著區別，該服務用于組織屬性異構的虛擬試驗資源；智能虛擬試驗任務管理服務提供對試驗任務的創建、查看和管理，響應智能虛擬試驗任務發起者并智能化地定制虛擬試驗的工作流程，按照流程信息鏈自動調度各服務工作節點的文檔、模型、數據等仿真資源至用戶工作節點，智能化協調地域分布的試驗人員共同完成虛擬試驗任務。

智能虛擬試驗資源管理服務包括試驗資源智能管理、監控、容錯遷移、任務調度等服務。其中，智能虛擬試驗資源管理服務包括虛擬試驗資源的智能搜索/匹配、瀏覽/查看、上傳/下載、更改/刪除、注冊、發布等；智能虛擬試驗資源監控服務實時智能化采集試驗資源和試驗任務的狀態；試驗資源容錯遷移服務支持資源在非運行狀態下的智能化容錯恢復；試驗任務調度服務根據物理計算節點的監控信息智能化進行任務的靜態分配和動態調整。

智能虛擬試驗環境控制服務根據需要，智能構建虛擬試驗運行環境、控制和存儲虛擬試驗運行環境的狀態，以便在虛擬試驗任務完成后撤消虛擬運行環境的服務。

部件和系統建模與驗證服務可以為用戶提供系統頂層建模服務和專業領域部件、子系統、分系統和系統建模服務。將多學科耦合的復雜系統劃分為分系統、子系統及元件，建立由元素模型、成員模型及模型之間交互信息模型組成的頂層系統模型，利用各專業領域的商用軟件建立應用領域元件、子系統、系統模型。成員/組件自動生成服務完成對應用領域元件、子系統、系統模型的個性化定制，在元件、子系統、系統模型的基礎上按照業務邏輯集成為實體模型，生成可執行或可被試驗引擎調用的組件模型。

智能虛擬試驗規范化描述解析服務從配置文件中自動解析并獲取智能虛擬試驗任務中各個成員模型運行環境的語義描述信息，為虛擬試驗資源的組織服務提供所需資源的屬性及配置信息。語義本體服務包括定義虛擬試驗領域的概念、建立概念分類與關系等服務，實現面向語義的資源檢索和不同領域之間仿真數據、模型與知識的交換、共享和復用。

遠程虛擬桌面服務能夠遠程聯接動態構建的虛擬機，進而獲取運行智能虛擬試驗任務的虛擬機桌面環境。基于該服務，用戶在瀏覽器中能夠遠程訪問智能虛擬環境，進而開展智能虛擬試驗任務，并通過三維模型遠程可視化服務支持用戶通過瀏覽器來遠程查看智能虛擬試驗動態過程。

虛擬化/服務化封裝服務包含創建、注冊、發布虛擬化/服務化智能虛擬試驗資源。對實驗用戶而言，智能虛擬試驗資源通常為虛擬機鏡像，它是可共享、可重用的智能虛擬試驗運行環境載體，能夠將常用的虛擬試驗軟件資源和系統支撐環境進行組合封裝，進而制作智能虛擬機模板。智能服務化虛擬試驗資源指符合瀏覽器服務規范的各種試驗服務，可以是模型服務、設備服務等形式。

智能虛擬試驗引擎服務支持對虛擬試驗組件模型、服務化試驗資源進行有效的重新構架，能夠實現復雜虛擬試驗任務的要求，提高智能虛擬試驗組件模型或服務化虛擬試驗資源的共享與重用。

3.4 智能虛擬試驗用戶界面層

智能虛擬試驗用戶界面層實現試驗樣機生成與管理、多學科綜合與虛擬協同試驗、智能試驗交互控制與可視化、試驗結果發布查詢與評估、大數據管理與挖掘利用等功能。

智能虛擬試驗用戶界面層采取瀏覽器形式的智能虛擬試驗方式，為各種智能虛擬試驗提供服務，由用戶人機界面提交智能虛擬試驗任務并獲取智能虛擬試驗結果，以及提供可視化的運行界面，以便直觀進行試驗初始參數、狀態的設置，或者是運行過程參數和狀態的設置。試驗結果發布查詢與評估服務通過智能虛擬試驗能夠系統地采集到運行周期過程中產生的動態數據，方便用戶通過瀏覽器全面了解所采集的有效數據，監示智能虛擬試驗過程參數和狀態，以及按照特定方法評估虛擬試驗結果，甚至開展人在回路的智能虛擬試驗。

3.5 智能虛擬試驗應用層

智能虛擬試驗應用層面向航空裝備全周期整機試驗驗證、功能系統集成試驗驗證、分系統和子系統綜合試驗驗證、供應商子系統和部件試驗驗證、協同開發過程試驗驗證等各類試驗驗證，覆蓋了裝備全周期的驗證試驗。

4 結束語

在總結NASA(美國國家航空航天局)的智能虛擬飛行控制項目、歐洲空中客車公司的A380項目和LMS公司的機電一體化系統仿真平臺LMS Imagine.Lab等目前在航空工程方面應用虛擬試驗技術的典型項目現狀的基礎上，研究虛擬試驗相關特點，借鑒云計算等新興技術，分析了智能虛擬試驗在柔性敏捷化、開放服務化、并行協同化、集成虛擬化、知識智能化方面的技術特點，提出了智能虛擬試驗體系框架，從邏輯功能視圖角度給出了智能虛擬試驗的層次結構，描述進行智能虛擬試驗活動所需的核心服務，詳細說明了智能虛擬試驗物理對象層、智能虛擬試驗資源層、智能虛擬試驗核心服務層、智能虛擬試驗界面層、智能虛擬試驗應用層功能實現等關鍵技術。

智能虛擬試驗具有成本低、周期短、效率高、范圍廣、應用面寬、復用性強的特點，已貫穿到航空裝備設計研制集成生產的各個階段，具有廣闊的應用前景，對促進航空裝備研制水平的提升必將起到重要作用。