復雜系統實時仿真平臺關鍵技術探討

柴娟芳,高 文,郝恩義,李艷紅,趙呂懿,唐成師

(上海機電工程研究所,上海 201109)

0 引言

隨著現代戰場環境的復雜化、時變化及干擾的多樣化,武器裝備復雜程度不斷提高,呈現出體系化、智能化、實戰化的發展趨勢。單枚導彈已無法適應新的作戰模式,多體協同作戰[1]通過戰場數據鏈將參戰裝備構成一個作戰網絡,在網絡指控中心調控下,各武器裝備間相互通信、信息共享,以取得更高效的整體作戰效能;單模制導武器難以適應復雜多變的戰場環境,采用2種或2種以上制導傳感器的多模復合制導武器充分發揮單模各自優勢,取長補短,獲取優越的綜合性能,從而提升制導精度。因此,多體協同武器、多模復合制導武器等復雜系統是未來戰場的主角。

國內復雜系統仿真大多處于數字仿真階段,難以完全滿足多體協同探測制導、多模復合制導控制等關鍵技術攻關驗證的需求。因此,為解決復雜系統全任務剖面驗證評估難的問題,迫切需要對復雜系統實時仿真平臺技術進行研究,在室內為其提供實時、靈活、通用、易擴展的實時仿真支撐平臺,為復雜系統的設計、研制、定型、批產等全生命周期的仿真驗證提供重要支撐。

1 國內外研究現狀及分析

1.1 國外研究現狀及分析

國外研究機構早在20世紀就展開了實時仿真平臺的研究與探索,典型有以下幾類產品。

1)ADI實時仿真平臺

ADI公司是美國較早開展實時仿真平臺研究的公司,從專用仿真機時代就推出了AD10,AD100專用實時仿真計算機,獲得成功應用[2-3]。進入通用計算機仿真時代后,AD100仿真軟件系統ADSIM得到了繼承和繼續應用,ADSIM 遵循CSSL 標準,是一種面向連續動力系統的仿真建模語言,通過狀態空間微分方程建模,使動力學分析和設計過程大大簡化。繼AD100 之后,ADI 公司推出了基于VME/Power PC架構的AD-RTS 仿真機和基于通用計算機的AD-rt X 仿真機,并配套推出了ADvantage Framework仿真支撐軟件系統。由于ADSIM建模語言專用性,其應用逐步萎縮,后采用目前主流的Matlab/Simulink建模工具。

2)dSPACE實時仿真平臺

dSPACE實時仿真平臺[4]由德國dSPACE 公司開發,是在Matlab/Simulink的基礎上進行設計并應用于控制系統研究與開發的軟硬件工作平臺。該平臺通過實時接口(RTI)實現了與Matlab/Simulink的無縫連接,采用了具有高速數據處理與計算能力的dSPACE硬件處理器,配備了豐富的I/O 接口,可組成不同規模及種類的應用系統。軟件環境具有強大功能及方便使用的整套體系,包括算法代碼生成、實驗與調試、產品代碼生成和標定等軟件。

3)RT-LAB實時仿真平臺

RT-LAB實時仿真平臺[5-8]是加拿大Opal-RT Technologies公司推出的一種基于模型的工程設計應用平臺,實現工程項目設計、實時仿真、原型與硬件快速在回路測試。它采用并行及分布式計算技術,相比傳統仿真機提升了運行計算能力,減少了仿真時間,且運算性能強大,可完成大規模電力系統和大量電力電子器件的實時仿真。它集成Matlab/Simulink和MATRIXx/SystemBuild,并采用一系列算法對模型運行優化以利于實時運行。該平臺上位機安裝Windows操作系統,利用Matlab/Simulink和RT-LAB軟件完成仿真建模、在線調參及信號監控等;下位機上安裝REDHAT Linux實時操作系統,完成模型的分布式實時運算;上位機和下位機之間利用UDP/IP協議進行通信。

4)iHawk實時仿真平臺

美國并行計算機公司研制開發的i Hawk實時仿真工作平臺[9-10]是基于ConCurrent Red Hawk實時Linux操作系統,提供了強大的模型解算能力和IO 處理能力。平臺上運行的實時操作系統提供獨特的處理器屏蔽和進程綁定功能,使得系統可通過Simulation Workbench 仿真框架平臺任意將不同任務分配到不同的處理器/核上運行,而通過處理器屏蔽可實現指定任務的強實時功能,Matlab/Simulink模型可無縫集成進仿真環境中。同時,仿真平臺支持多種總線信號和IO 通道信號,擴展性較強。

5)Labview-RT 實時仿真平臺

美國NI公司于20世紀80年代中期提出了虛擬儀器的概念,并推出了一個圖形化建模開發平臺Labview。為了滿足測控領域中日益增多的實時性需求,NI公司在Labview 平臺的基礎上增加了Real Time(RT)組件形成了Labview-RT 實時組件[11-12]。Labview-RT 以其開發界面良好在半實物仿真系統上得到了廣泛運用。但是,其在仿真建模和模型驅動方面略顯不足。此外,Labview-RT 平臺的各種數據采集卡都是采用美國NI公司提供的專用板卡,軟硬件平臺的通用性及可擴展性不夠好。

表1從硬件架構、軟件系統、建模工具等方面對比了國外幾種典型的實時仿真平臺。綜合分析可知,國外實時仿真平臺在計算能力、實時性能、通信能力、功耗、可靠性、產品集成度、成熟度等方面具有明顯優勢,通常具有較高性能的硬件設備和開放式架構,較高效的仿真建模和仿真運行控制環境,主要表現在系統的開放性和可擴展性良好、運算功能較強、接口功能豐富、模型開發工具豐富、運行監控特性突出等。但國外這些平臺產品大多以Matlab/Simulink建模為主體結構,用于國內航空航天裝備研制的復雜系統分布式實時仿真領域,其靈活性和適用性稍顯不足,維護成本高,二次開發困難,價格昂貴。

表1 國外實時仿真平臺對比Tab.1 Comparison of foreign real-time simulation platform

1.2 國內研究現狀及分析

國內基于高速發展的通用計算機技術,開展實時仿真平臺技術研究和工程應用實踐多年,取得了許多重要成果。

1)HY-RTSIII實時仿真平臺[13]

HY-RTSIII實時仿真平臺由北京機電工程研究所在“十一五”期間研制。該平臺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、可靠的仿真環境,適用于衛星姿態控制加載仿真、制導武器仿真、無人機仿真、水下航行器仿真及其他領域的控制仿真。其具有開放性的體系結構、強大的實時仿真運算功能、具有自主知識產權的高速實時光纖網絡、高性能的實時I/O 接口、提供圖形化、模塊化、參數化的通用仿真建模工具等特點。

2)實時一體化仿真平臺[13]

實時一體化仿真平臺是由北京機電工程研究所在“十二五”期間研制。該平臺由實時仿真模型開發及控制系統、仿真模型實時解算系統、仿真實時可視化系統、仿真數據庫系統、仿真狀態監控系統、高精度時鐘同步裝置、以太網交換機、實時網絡交換機和通用信號接口裝置組成。平臺提供高性能強實時仿真運行環境,提供4個以上的高精度同步時鐘源,具備通用建模功能,提供圖形化建模開發環境;支持基于數據庫的面向對象的模型類的管理和重用;具備光纖網、并口、串口、1553B 等常見接口實時通訊能力。

3)YH-Astar高性能實時仿真平臺[14-17]

YH-Astar是國防科技大學計算機學院所研制的高性能實時仿真平臺。該平臺以一體化建模仿真軟件YH-SIMLIB為核心,以通用計算機、Windows操作系統和專用I/O 系統為基礎。其硬件結構采用通用計算機和COTS接口,通用性、擴展性較好。仿真計算機采用Intel系列處理器以及并行數據接口,提供多種外部接口方式,在模型構建上兼容YFSIM 與ADSIM 語言。基于通用計算機實時仿真平臺的研制,促進了實時仿真技術的發展,為并行分布實時仿真技術的發展提供了技術支撐。

4)KD-DRT 分布實時仿真平臺[18-20]

KD-DRT 是國防科技大學仿真工程研究所研制的多機并行分布實時仿真平臺,提供支持多個計算機節點的實時并行仿真運行的能力,既能仿效集群計算機支持計算密集型的復雜模型的快速計算,也能支持I/O 密集型的多計算機系統的半實物仿真應用集成,同時基于數據庫、分布實時仿真引擎、實時時間同步等模塊能實現分布實時仿真試驗的配置和運行管理,極大提高仿真效率和便捷性。KD-DRT舍棄了傳統實時仿真的主副雙機結構,直接采用分布實時體系結構,支持仿真節點數的擴展和仿真模型在節點間的靈活遷移。

5)導彈武器系統綜合仿真試驗平臺[21-24]

導彈武器系統綜合仿真試驗平臺是上海機電工程研究所在“十二五”期間研制。該平臺采用異地異構聯合仿真體系結構,基于DDS的通信機制和GPS授時的時間同步技術,通過層次化的管理結構將數字仿真、半實物仿真等有機集成,組成了一體化綜合仿真試驗平臺,具備武器系統多層次、分布、異構和不同實時性約束的聯合仿真能力。該平臺具備穩定的幀時間控制和獨立時鐘驅動管理,提供豐富的I/O接口數據記錄顯示和事后分析工具、仿真試驗管理配置、仿真運行在線監控等。

綜上所述,國內實時仿真平臺相比國外起步較晚,現有平臺在通用性、適配性、可靠性等方面與國外相比差距較大;復雜系統實時仿真面臨著仿真實體規模大、仿真模型復雜且種類多、仿真模式多樣化、實時性控制要求高、數據交互量大且錯綜復雜、仿真計算存儲能力要求高、接口異構且種類多等問題,因此急切需要設計一種適用于復雜系統的實時仿真新平臺,進一步提升平臺架構通用性、適配性、可擴展性,提升平臺實時性控制性能及數據通信能力,提升I/O 集成交互的異構能力和通用化程度等,以滿足復雜系統研制全任務剖面實時仿真驗證評估的需求。

2 復雜系統實時仿真平臺解決方案

復雜系統實時仿真平臺一般由操作系統、硬件及接口、開發平臺、應用軟件等組成,系統解決方案如圖1所示。它是一種面向復雜裝備實時仿真應用的通用化、標準化、友好化的支撐平臺,通過建立集“操作系統、開發平臺、系統架構、應用軟件、硬件接口”為一體的實時仿真平臺通用框架,具有集仿真模型開發、實時運行與在線監控的通用集成環境,根據全局統一物理時鐘,利用高速網絡通信裝置和智能I/O 設備實現海量信息的高速通信與各類接口的智能交互,并提供仿真分析與結果評估工具。

圖1 復雜系統實時仿真平臺解決方案Fig.1 System solutions of complex system real-time simulation platform

復雜系統實時仿真平臺以高速以太網和高速光纖網的雙網結構作為通信主干線,采用實時仿真中“前端機+目標機”的通用結構實現。以各類計算機、高速以太網為硬件基礎,基于Windows/Linux操作系統和VC/QT/MySql/Matlab 等開發平臺,開發可視化建模、資源管理、在線監控、仿真配置和仿真評估等應用軟件,進行前端機的開發;同時以各類總線工控機、高速實時通信裝置、智能接口交互設備、高精度時鐘同步裝置、同步I/O 卡等為硬件基礎,基于RTX/Vx Works/實時Linux等實時操作系統和Workbench/GCC/GNU 開發平臺,開發接口適配、數據采集記錄、模型實時仿真等應用軟件,進行目標機的開發。構建出不同實時性約束的系統框架,具備集資源管理、可視化建模、組態化運行、實時仿真控制、仿真過程在線監控、接口適配、實時網絡通信和智能I/O 交互等功能,支持多體協同多模復合制導等復雜系統的仿真應用。

3 復雜系統實時仿真平臺的關鍵技術

3.1 實時仿真平臺通用架構

復雜系統實時仿真包括苛刻實時性要求的信號生成,也包括強實時性要求的模型計算,還包括弱實時性要求的指令下達及對實時性要求不高的人機交互、仿真可視化等功能。這種對實時性要求的多樣性和苛刻性不僅是復雜系統實時仿真平臺的本質特性,而且也是系統技術設計和實現的難點和關鍵。鑒于仿真實時性的不同約束條件,提出了“四層雙網”的實時仿真平臺體系架構,如圖2所示。其中,“四層”是指非實時層、弱實時層、強實時層、苛刻實時層。非實時層用于和時間約束無關的離線處理,包括資源配置、模型開發、數據分析評估、模型庫/數據庫管理等;弱實時層用于實時性能要求不高的部分,包括仿真管理與控制、數據記錄、仿真顯示、弱實時模型、弱實時接口等;強實時層用于實時仿真實時性嚴格約束的部分,包括模型實時計算、仿真時序控制、飛行姿態模擬控制、目標/干擾/環境模擬控制、仿真設備接口控制等,該層也是復雜系統實時仿真的主體;苛刻實時層用于實時仿真中和目標、干擾信號生成相關的部分,如雷達射頻信號生成、紅外成像信號生成、引信回波信號生成等。“雙網”是指以太網和高速實時通信網。以太網主要傳輸實時性要求不太高的數據和命令,高速實時通信網主要傳輸實時性要求高的數據和命令。

圖2 復雜系統實時仿真平臺結構Fig.2 Complex system real-time simulation platform structure

3.2 實時仿真時鐘同步

時鐘同步為各實時仿真節點提供一個統一的高精度、高穩定的物理時鐘源,確保各仿真節點時間同步,確保數據通信和交互滿足實時性約束要求。它是復雜系統實時仿真平臺的心臟,難點在于不同實時性要求的層內節點間及層間時鐘存在同步問題。為解決這些問題,采用了高精度網絡對時協議和高速反射內存網,設計了基于GPS/北斗授時的高精度時鐘同步裝置,為各節點提供高精度的統一的時鐘信息,如圖3所示。由圖可見：時鐘服務器通過二合一天線將北斗和GPS 報文信息進行融合,輸出1脈沖/秒的信號,并將處理后的時鐘信息以IEEE 1588v2的時鐘對時協議通過網口經專用PTP 交換機傳輸至PCIe時頻卡;PCIe時鐘卡將時鐘信息解析,計算網絡傳輸延遲輸出1 pulse/s和UTC時間;同時PCIe時鐘板卡輸出高精度中斷信號,最終實現每1 ms向多個實時仿真節點發送反射內存中斷和UTC時間信息,從而完成對各仿真節點的時間同步。

圖3 高精度時鐘同步裝置Fig.3 High-precision clock synchronization device

3.3 實時仿真智能適配

復雜系統實時仿真需要實現分布在不同地域仿真資源的互聯、互通、互操作,以及各類資源的可重用和快速接入。為保證實時性和通信速率,不同實時仿真節點一般通過光纖交換機進行組網通信。然而,現有各仿真系統執行相同功能的節點被賦予了相同的節點號及相同的數據存儲地址和空間,若將多套仿真系統只通過光纖交換機簡單聯通,會出現數據存儲地址和節點號沖突、多終端同時響應中斷、重新分配地址節點工作量大且通用性不強等問題。為此,采用實時仿真智能適配技術用于各異構實時仿真系統的數據交互和協議轉換,實現各異構實時仿真子系統互聯的同時實現不同仿真子系統間控制命令與數據的隔離。

圖4給出了“工控機+多反射內存卡”的實時仿真智能適配方案,各反射內存卡分別連接一套實時仿真系統,同時制定其軟件工作基本流程,在反射內存網協議中增加適配器地址段,制定以命令字、指令字等控制信息為依據的基本命令及數據傳輸協議。

圖4 實時仿真智能適配裝置示意圖Fig.4 Real-time simulation intelligent adaptation device

3.4 超高速網絡通信與智能I/O 交互

超高速網絡通信可實現多個實時仿真系統間、節點間海量數據遠距離、低延遲、高速率的傳輸,它是復雜系統實時仿真平臺數據實時傳輸的保證。其技術難點在于：1)現有反射內存網傳輸速率為2.1 Gbit/s,在當前星型物理拓撲結構上無法滿足更高速的數據傳輸需求;2)大量低重用率數據在通信主干網交互會影響數據通信速率,造成板載內存溢出,導致主干網數據擁塞。基于Rapid IO 技術研制的超高速網絡通信裝置,可以有效解決上述問題。該裝置已實現以下功能：基于工業標準SRIO 傳輸協議,傳輸速率最高可達20 Gbit/s;支持40 G QSFP或10 G SFP接口模塊,支持單/多模光纖;提供8/12端口SRIO 交換機,端口支持QSFP/SFP,可遠程控制;支持PCI-e,XMC,PXI-e接口,可應用于VME、VPX 工控機、工作站/服務器等。

智能I/O 交互能適配仿真設備(或產品)I/O 中的模擬量、開關量、CAN、RS422 等接口,實現將各種類型I/O 數據通過實時通信網與仿真模型交互。其技術難點為：1)如何適應多種設備接口卡的總線類型;2)如何根據設備布置和設備I/O 總線類型靈活配置設備接口機類型和數量。本文提出的智能I/O 交互裝置采用異構、分布、多機的接口控制結構,設計分布實時仿真引擎及適配器,該裝置已實現以下功能：兼容支持Vx Works,Linux等操作系統;兼容支持PCI,PCIE 等多種常用總線工控機;支持不同總線多目標機同時運行;自適應完成各種模擬量、開關量、1553B、CAN、RS422、LVDS等常用板卡的驅動與配置。

4 復雜系統實時仿真平臺的典型應用

復雜系統實時仿真試驗系統如圖5所示。由圖可見：該系統主要由指控中心、分仿真系統等組成。在高精度時鐘同步裝置全局統一授時下,由指控中心統一調度,制定仿真流程,通過實時仿真智能適配裝置將仿真控制指令及數據解耦合后發送到各分仿真系統,各分仿真系統接收到指令和數據后控制仿真設備開始實時仿真;同時通過智能IO 交互設備實現仿真系統與被試產品間的信息和數據實時異構交互,并實時傳回指控中心;通過超高速網絡通信裝置實現點對點的低重用率、海量數據的傳輸。試驗過程中,指控中心全程實時監控仿真運行情況、評估各系統仿真結果。

圖5 多體協同制導仿真試驗系統示意圖Fig.5 Multi-body collaborative guidance simulation test system

1)基于復雜系統實時仿真平臺將多套半實物仿真系統構建成多體協同制導半實物仿真系統應用于多體協同制導仿真,仿真系統之間傳遞指令和數據信息,實現飛行器與飛行器、飛行器與預警系統等信息的實時傳遞及指控大回路閉環,采用高精度時鐘同步裝置和實時仿真智能適配裝置解決多體協同時空一致、數據鏈實時交互等問題。

2)基于復雜系統實時仿真平臺將多套半實物仿真系統構建成多模復合制導半實物仿真系統應用于多模復合制導仿真,仿真系統之間解決實時傳遞制導信息的問題,以實現復合導引頭之間的信息實時傳遞及小回路閉環,采用實時仿真智能適配裝置、高精度時鐘同步裝置、智能IO 交互裝置,解決復合導引頭數據融合、時空一致、異構接口實時交互等問題。

3)基于復雜系統實時仿真平臺將多套半實物仿真系統構建成多部件組合(如導引頭、慣性測量裝置、引信等)聯合仿真系統,用于不同組件一體化聯合設計的仿真驗證,采用智能IO 交互裝置、高精度時鐘同步裝置等解決多部件異構接口的數據交互與長線實時傳輸、時空一致等問題。

另外,紅外成像或射頻合成孔徑雷達(SAR)成像仿真時,其圖像產生節點和實時驅動節點間需要海量數據實時傳輸,采用超高速網絡通信裝置解決低重用率、海量數據的傳輸而不影響主干網通信。

復雜系統實時仿真平臺除了可應用到武器領域多體協同制導仿真、多模復合制導仿真、多部件組合全鏈路實時仿真等方面之外,還可應用于無人機群作戰仿真、艦艇編隊作戰仿真、空襲編隊作戰仿真等航空航天領域,具有較好的通用性、適配性和可擴展性。

5 結論

本文在分析國內外實時仿真平臺研究現狀的基礎上,結合復雜系統的實時仿真需求和特點,提出了一種新的適用于復雜系統的實時仿真平臺解決方案,詳細論述了平臺關鍵技術的具體實施途徑,結合典型案例證明了所提出的復雜系統實時仿真平臺具有較好的通用性、適配性和可擴展性,可以給復雜系統實時仿真技術的發展和應用提供有益借鑒。該平臺除了進一步追求控制實時性、數據傳輸高速可靠、交互智能適配之外,還需在仿真建模、高效評估、實時在線監控等方面進行進一步研究,提升仿真建模的高效性,豐富仿真建模的多樣性,加強實時仿真評估的有效性和實用性,提升平臺實時在線監控的有效性和可視化水平。