試驗床技術(shù)概念體系與框架研究

謝連寶， 林 琪

（1.裝備學(xué)院 研究生管理大隊，北京101406； 2.裝備學(xué)院 航天指揮系，北京101406）

很多關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)都是耗資巨大、非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，比如空間操控技術(shù)等，采用什么方法對這些復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果進(jìn)行集成演示、效能評估、總體設(shè)計指標(biāo)驗證等，是必須考慮的重要問題?；谠囼灤玻瓿珊蛢?yōu)化仿真系統(tǒng)的設(shè)計和研制，進(jìn)行各種作戰(zhàn)環(huán)境下的流程仿真，通過仿真的形式對設(shè)計結(jié)果快速驗證，通過抽象關(guān)鍵技術(shù)、模擬真實條件、弱化次要約束等一系列措施，可以降低技術(shù)難度與投資成本，縮短研制周期，打破傳統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)模式所面臨的困境，體現(xiàn)了未來技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此深入研究試驗床對促進(jìn)新技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。試驗床技術(shù)［1－4］，其本質(zhì)是針對具有共同特性的一系列飛行器構(gòu)筑的通用技術(shù)研究平臺，以快速實現(xiàn)重點、難點技術(shù)突破的技術(shù)。在很多領(lǐng)域，試驗床是指能模擬實際環(huán)境進(jìn)行大量測試的開發(fā)環(huán)境，通過將技術(shù)試驗與技術(shù)應(yīng)用結(jié)合起來，打破傳統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)模式所面臨的困境，表現(xiàn)出了巨大潛力，也體現(xiàn)了未來技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，試驗床技術(shù)越來越受到各國的重視。

1 試驗床技術(shù)的提出

試驗床技術(shù)興起源于技術(shù)發(fā)展的需要。20世紀(jì)以來，新技術(shù)革命促進(jìn)了技術(shù)的迅速發(fā)展，然而技術(shù)發(fā)展所付出的技術(shù)代價也在不斷增加，包括資金、人力、物力和研制周期等，如何既能保證技術(shù)的快速發(fā)展不受制約，又能降低技術(shù)代價已成為世界各國關(guān)注的熱點問題。此外，某些武器試驗已很難做到全系統(tǒng)、全過程、全物理環(huán)境下的真實驗證試驗，如核爆試驗，未來的全球打擊和空間攻防對抗武器、網(wǎng)絡(luò)電磁空間武器及其防護(hù)手段有效性的評估等。正是在這種技術(shù)發(fā)展的客觀需求下，催生了試驗床技術(shù)，它的出現(xiàn)為解決這一系列問題創(chuàng)造了可能。在20世紀(jì)80年代美國實施“星球大戰(zhàn)”計劃時，就專門為動能武器和激光武器建立了試驗床（如動能攔截器（kinetic kill vehicle，KKV）懸浮試驗床）。隨著技術(shù)的發(fā)展，試驗床已廣泛應(yīng)用于新技術(shù)開發(fā)和武器裝備研制中，貫穿于武器研制概念論證、技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成和演示驗證等各個階段，取得了顯著效果。國外試驗床種類繁多、用途各異，表1總結(jié)了國外幾種典型試驗床［5－8］。

以快速機動空間試驗床為例，F(xiàn)AST項目的目標(biāo)是研發(fā)一種重量輕、發(fā)電功率高、具有高機動性的航天器試驗床。FAST項目的開展，就是希望通過關(guān)鍵技術(shù)突破，加強航天器平臺在軌維持能力、機動能力以及空間態(tài)勢感知能力。為實現(xiàn)FAST項目的預(yù)期目標(biāo)，設(shè)想了2個階段的發(fā)展計劃。一是地面試驗床的設(shè)計與組裝，高功率發(fā)電系 統(tǒng)（high－power generation system，HPGS）的性能仿真，實現(xiàn)對太陽能能源集中器、高效電源轉(zhuǎn)換設(shè)備、太陽的定位與跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)的突破。二是制造并組裝2個HPGS地面試驗床，在模擬空間環(huán)境的條件下，進(jìn)行性能測試與演示驗證。由于FAST具有較強的能源供應(yīng)能力，因此，可以搭載大型雷達(dá)設(shè)備與通訊設(shè)備，強化航天器空間態(tài)勢感知能力與預(yù)警能力，具有很強的戰(zhàn)略意義。

綜上，試驗床廣泛應(yīng)用于空間研發(fā)領(lǐng)域、新技術(shù)開發(fā)和武器系統(tǒng)研制，貫穿了概念論證、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、系統(tǒng)集成演示驗證等各個階段，是一個為了設(shè)計、分析和大規(guī)模多技術(shù)系統(tǒng)的虛擬樣機制造的軟件環(huán)境，使復(fù)雜系統(tǒng)能快速建模、仿真和虛擬原型。試驗床技術(shù)包含了仿真平臺、模型集成與協(xié)同仿真等相關(guān)內(nèi)容［9－13］。仿真平臺是本質(zhì)屬性，模型集成是基本任務(wù)要求、應(yīng)具備的基本功能，協(xié)同仿真是最初的原則依據(jù)。試驗床技術(shù)與它們之間的區(qū)別在于實現(xiàn)了試驗平臺與應(yīng)用平臺的一體化。

我國試驗床技術(shù)的研究從“十五”開始，已開展了試驗床的先期研究，所構(gòu)建的試驗床在技術(shù)上已有一些儲備，但由于缺乏頂層規(guī)劃，應(yīng)用領(lǐng)域有限，發(fā)展力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，試驗床技術(shù)在我國有著很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

2 試驗床概念體系研究

試驗床的概念包含仿真平臺、模型集成與協(xié)同仿真等技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

2.1 試驗床概念間關(guān)系

概念依存于概念結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，彼此之間存在著各種不同形式的聯(lián)系。正是基于這些關(guān)系，才有可能把試驗床的全部概念組成一個概念體系。概念間的關(guān)系分為層級關(guān)系和非層級關(guān)系。層級關(guān)系體現(xiàn)的是范疇層次關(guān)系，包括種屬關(guān)系和整體－部分關(guān)系2種類型。種屬關(guān)系是指下位概念（種）是上位概念（屬）外延的一部分。下位概念除了具有上位概念的一切特征之外，至少還有一個區(qū)別于同一抽象層面的其他下位概念的獨特特征。種屬概念順序形成縱向序列，而一組并列排在同一層次上的概念，則組成橫向序列。

在上位概念表示整體，而下位概念表示該整體組成部分的情況下，就存在整體－部分關(guān)系。這些部分合起來就構(gòu)成整體。在整體－部分關(guān)系中的上位概念稱作整體概念，而下位概念稱作部分概念。整體－部分關(guān)系也可以用垂直和水平的系列來表示。圖1所示為“仿真平臺”的種屬關(guān)系和整體－部分關(guān)系。

圖1 仿真平臺等級結(jié)構(gòu)

非層級關(guān)系也反映了客體之間的某些關(guān)系，例如可憑借經(jīng)驗在概念之間建立主題聯(lián)系時，就存在聯(lián)想關(guān)系，聯(lián)想關(guān)系又稱主題關(guān)系或?qū)嵱藐P(guān)系。

模型集成、虛擬原型、仿真平臺3種技術(shù)與試驗床之間存在主題關(guān)系。仿真平臺通過綜合集成技術(shù)實現(xiàn)多仿真平臺的集成，信息的交互，體現(xiàn)試驗床多平臺、多形式、互操作性等特點；虛擬原型技術(shù)通過提高用戶對需求的理解，加快了多平臺仿真模型的設(shè)計進(jìn)程及簡化調(diào)試，降低與系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的風(fēng)險，體現(xiàn)試驗床的低成本、研制周期短的原則。其關(guān)系如圖2所示。

圖2 概念主題關(guān)系

概念的層級關(guān)系有助于概念的抽象和劃分，這種抽象過程可由下向上不斷進(jìn)行，從而建立一個多層次的垂直概念體系，其中的每一個層次稱為抽象層面。而概念的非層級關(guān)系的形成是基于人們經(jīng)驗中的多種意象圖式。

2.2 試驗床概念體系建立

試驗床概念體系的建立是以弄清復(fù)雜系統(tǒng)仿真領(lǐng)域各專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和基本知識點的基本概念及其彼此間的關(guān)系為基礎(chǔ)的。試驗床概念體系是由一組相關(guān)的仿真系統(tǒng)概念構(gòu)成，如圖3所示。仿真系統(tǒng)概念組成了以概念間的關(guān)系為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)一致的試驗床概念體系。每個概念在體系中都占據(jù)一個確切的位置，這個唯一位置應(yīng)由內(nèi)涵（即組成概念的唯一的特征集合）和概念外延所確定。每個概念不能隨意變動，否則就會破壞整個概念體系，造成概念混亂。理想的概念體系應(yīng)該層次分明，結(jié)構(gòu)合理，正確反映客觀事物，便于下定義和規(guī)范指稱，也便于協(xié)調(diào)和容納不同語言的相應(yīng)術(shù)語體系。概念體系一般以種屬關(guān)系為主架，在個別地方輔以整體－部分關(guān)系和主題關(guān)系等。

圖3 試驗床概念體系

3 試驗床結(jié)構(gòu)框架研究

試驗床框架主要提供一個協(xié)同計算環(huán)境，建成促進(jìn)不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)，解決關(guān)于不同硬件平臺，不同構(gòu)件和不同軟件組件之間的協(xié)同問題。主要解決4個方面問題：

1）構(gòu)建何種支持現(xiàn)有模型和模型技術(shù)重用的開放結(jié)構(gòu)；

2）如何做到系統(tǒng)與主流設(shè)計、分析軟件及已有研究成果的無縫集成；

3）如何對已有系統(tǒng)或待建系統(tǒng)作進(jìn)一步地擴展；

4）如何實現(xiàn)促進(jìn)不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行。

由此試驗床的結(jié)構(gòu)框架主要包含試驗系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，分布式資源庫和運行支撐環(huán)境3個方面。

開發(fā)環(huán)境支持系統(tǒng)構(gòu)造階段的各類活動，開發(fā)階段生成的各類數(shù)據(jù)／信息／模型將提交給分布式資源庫來管理；分布式資源庫管理分布虛擬試驗環(huán)境中涉及的大量數(shù)據(jù)信息，是運行支撐環(huán)境的強大支持系統(tǒng)；運行支撐環(huán)境主要解決各應(yīng)用子系統(tǒng)在運行階段的試驗推進(jìn)、時間管理和數(shù)據(jù)交互等問題。由此一般的試驗床架構(gòu)由集成用戶接口，決策者用戶接口，集成系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)，模型功能管理，模型庫管理，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和文件存儲系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 試驗床結(jié)構(gòu)框架

集成用戶接口提供模型轉(zhuǎn)化到試驗床的能力，決策者用戶接口是仿真接口，支持試驗床中被控集成模型的執(zhí)行和腳本發(fā)展，仿真系統(tǒng)通過腳本運行集成模型。模型功能管理為不同的事務(wù)提供事件邏輯，模型庫管理提供庫的發(fā)展和管理（恢復(fù)、保存、構(gòu)造），數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于存儲模型及其細(xì)節(jié)，文件存儲系統(tǒng)用合適的方案存儲模型和它的細(xì)節(jié)。

3.1 開發(fā)環(huán)境

試驗床的開發(fā)環(huán)境主要支持以下3個階段的活動：

1）分析待建系統(tǒng)。開發(fā)環(huán)境的首要任務(wù)就是使用一定的方法（如面向?qū)ο?、面向過程或基于組件的思想），按照一定的原則，將復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的分解，定義成功能、接口明確的子模塊；并定義各子模塊的功能、輸入／輸出，以及模塊之間的相互依賴關(guān)系等屬性，為系統(tǒng)的建模工作做好準(zhǔn)備。

2）系統(tǒng)構(gòu)建。根據(jù)前一階段的分析，用一定的方法和結(jié)構(gòu)來完成系統(tǒng)的構(gòu)建。為使試驗床能適用于不同規(guī)模的仿真試驗和便于進(jìn)一步地集成與擴展，對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的靈活性提出了嚴(yán)格要求。體系結(jié)構(gòu)的靈活性是通過可重用的軟件組件體現(xiàn)的，組件之間的耦合關(guān)系是一個重要的方面，組件之間的耦合性越小，系統(tǒng)就越靈活。另外，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)還須支持可擴展性、魯棒性、集成性和互操作性。

3）模型開發(fā)與集成。這里所說的模型是指數(shù)字化模型。它是仿真試驗的一個重要組成部分，包括2大類：一是仿真實體模型，比如飛機、導(dǎo)彈等，不但包括仿真對象的幾何特征數(shù)據(jù)，還包括相應(yīng)的物理特征數(shù)據(jù)、算法以及控制方法等。這一類模型通常也稱為虛擬樣機，相應(yīng)的建模工具有Catia、UG、Nastran、LMS的Virtual.lab等［14］。二是環(huán)境和目標(biāo)模型，比如大規(guī)模地形模型、典型環(huán)境三維模型、典型武器系統(tǒng)幾何實體模型、典型目標(biāo)三維實體模型等，系統(tǒng)不關(guān)注它們的物理特征，只關(guān)心它們的幾何特征。對于這一類模型的創(chuàng)建，一是基于商用軟件的人工創(chuàng)建，二是利用一些數(shù)字化手段，從原始模型直接得到物體的幾何表示。

3.2 分布式資源庫

分布式資源庫有2種組織結(jié)構(gòu)：層次結(jié)構(gòu)與對等結(jié)構(gòu)。層次結(jié)構(gòu)是由不同級別的資源節(jié)點組織而成的，物理資源存放在下級資源中心，下級資源中心到上級資源中心注冊并同步資源描述信息，用戶可在上級資源中心檢索到該節(jié)點范圍內(nèi)所有下級資源中心的資源信息。對等結(jié)構(gòu)是指各個資源節(jié)點不分級別，都是對等的、獨立的系統(tǒng)。用戶向某一節(jié)點提交查詢請求時，該節(jié)點中如果沒有相關(guān)資源，就把請求發(fā)送給所有與之相連的其他節(jié)點，其他節(jié)點收到請求后在自己資源庫中進(jìn)行查詢，并把查詢結(jié)果返回給發(fā)出請求的節(jié)點。鑒于集中式存儲管理難度大，以及對等結(jié)構(gòu)的資源庫容易造成網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載過重等局限，可采用資源的分布式存儲和層次結(jié)構(gòu)管理，通過建立資源目錄中心，對分布存儲的資源節(jié)點進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，實現(xiàn)分布式資源的快速檢索，并采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（data distribution service，DDS）技術(shù)［15］解決資源目錄中心和分布式資源庫節(jié)點之間信息的交互問題。

3.3 運行支撐環(huán)境

運行支撐環(huán)境是核心，提供試驗床運行時的共用方法和共享資源，具有通信管理、數(shù)據(jù)管理、時間管理及相關(guān)的公共服務(wù)能力，并且可提供試驗過程的推進(jìn)方法和管理、試驗過程描述，使得實驗過程可借助這個運行支撐環(huán)境來進(jìn)行。如圖5所示，本文提出以DDS為中間件，并結(jié)合人機交互技術(shù)、語言翻譯技術(shù)、組件技術(shù)和時間管理等技術(shù)開發(fā)構(gòu)建試驗床運行支撐環(huán)境。

基于DDS中間件技術(shù)。通過DDS技術(shù)可將各試驗應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行實時的傳輸，根據(jù)試驗應(yīng)用對數(shù)據(jù)的需求不同，將數(shù)據(jù)按照各自的來源和目的地進(jìn)行傳遞，有效解決服務(wù)器瓶頸和單點失效的問題，實現(xiàn)試驗應(yīng)用和底層支撐服務(wù)以及試驗應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞以及消息消費者的異步通信，可靠性得到保證。

圖5 試驗床運行支撐環(huán)境

人機交互技術(shù)。友好的人機交互能力使人能夠進(jìn)入仿真回路中，體現(xiàn)人在仿真系統(tǒng)的決策作用，進(jìn)一步增強試驗床的實時控制、實時處理和實時響應(yīng)能力。

語言翻譯技術(shù)。由于不同的仿真模型要由不同開發(fā)團(tuán)隊，不同仿真軟件開發(fā)完成，各個模型的語言自然不同，為了保證所有模型的可用，以及試驗床的可擴展性要求，必須要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型翻譯，在模型庫中引用的每個模型都要執(zhí)行此操作。

組件技術(shù)?；诮M件的技術(shù)，可以將大量已有的模型抽象并設(shè)計實現(xiàn)成一個個可重用的組件，避免開發(fā)過程中重復(fù)勞動，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，縮短系統(tǒng)集成周期，提高系統(tǒng)的質(zhì)量。

時間管理。在消息傳遞方面可以應(yīng)用DDS提供的QoS（quality of service）服務(wù)策略在數(shù)據(jù)包中加上時戳，訂購方根據(jù)時戳完成數(shù)據(jù)排序，保證數(shù)據(jù)時序的正確性；在時間推進(jìn)方面可以根據(jù)具體實際情況采用全局信號同步推進(jìn)、統(tǒng)一時鐘同步推進(jìn)、統(tǒng)一時鐘異步推進(jìn)和非受控異步推進(jìn)等方式。

另外試驗床的運行支撐環(huán)境負(fù)責(zé)完成仿真試驗初始配置，設(shè)置初始想定劇情，啟動和結(jié)束仿真。保證實施仿真過程的順利進(jìn)行，通過對仿真系統(tǒng)中的仿真成員進(jìn)行控制，使各個仿真成員在統(tǒng)一的管理下，協(xié)調(diào)一致地完成仿真模型計算和仿真數(shù)據(jù)交互。

4 結(jié) 束 語

試驗床技術(shù)作為技術(shù)突破的重要手段，展現(xiàn)出了無限生機，技術(shù)試驗與應(yīng)用的平臺一體化也必將成為未來試驗床技術(shù)發(fā)展的趨勢。另外試驗床開發(fā)周期長、投資規(guī)模大，動輒數(shù)年、十幾年，甚至幾十年（如X－33／X－37飛行試驗床），投資一般為數(shù)千萬至數(shù)億美元不等。為減少開發(fā)風(fēng)險，可以在加強總體規(guī)劃與設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用邊開發(fā)邊應(yīng)用邊完善的發(fā)展思路。但是由于國內(nèi)外試驗床領(lǐng)域資料尚不充足，試驗床概念體系和結(jié)構(gòu)框架研究還很匱乏，有待進(jìn)一步研究和深入。

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