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?？煞譃榫W(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為國防科技大學計算機學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)復雜系統(tǒng)的建模、驗?zāi)?，使目標系統(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)?，一般涉及采用Gbps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。

對于復雜飛行器系統(tǒng)，要求在更苛刻的幀周期內(nèi)，完成更復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控制系統(tǒng)復雜設(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)將日益復雜、功能更加強大，用于飛行器性能驗證的仿真系統(tǒng)復雜度劇增，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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