平行仿真技術(shù)研究*

王會(huì)霞

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

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平行仿真技術(shù)研究*

王會(huì)霞

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

平行系統(tǒng)理論將復(fù)雜空間由物理空間擴(kuò)展到虛擬空間，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制。仿真技術(shù)作為航天工程研制中的有力支撐手段，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展對(duì)仿真技術(shù)具有巨大的推動(dòng)作用。本文分析了各種技術(shù)推動(dòng)下的航天仿真技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合平行系統(tǒng)理論對(duì)平行仿真技術(shù)的特點(diǎn)和組成框架進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。最后給出了導(dǎo)彈武器平行仿真系統(tǒng)的應(yīng)用。

平行系統(tǒng)；平行仿真； 智能決策；深綠

平行系統(tǒng)的提出基于以下認(rèn)識(shí)：在多數(shù)情況下對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究既沒有系統(tǒng)的足夠精確的模型，也不能建立可以解析地預(yù)測(cè)系統(tǒng)短期行為的模型。由于無法或難以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行解析分析和預(yù)測(cè)，同時(shí)也無法或難以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，多數(shù)情況下只能試探性地對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行決策和控制[1]。為此提出平行系統(tǒng)的思想，利用人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制。

平行系統(tǒng)理論將復(fù)雜空間由物理空間擴(kuò)展到虛擬空間，即由某一個(gè)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬的人工平行系統(tǒng)所組成的虛實(shí)結(jié)合的共同系統(tǒng)。并采用ACP方法利用“復(fù)雜空間” 求解復(fù)雜系統(tǒng)問題。ACP是指人工社會(huì)(Artificial societies)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(Computational experiments)和平行執(zhí)行(Parallel execution)。ACP的核心就是把復(fù)雜系統(tǒng)“虛”的和“軟”的部分建立起來,通過可定量、可實(shí)施的計(jì)算化及實(shí)時(shí)化，使之“硬化”，真正地用于解決實(shí)際的復(fù)雜問題[2]。因此，對(duì)平行系統(tǒng)可以理解為：利用復(fù)雜系統(tǒng)、智能科學(xué)及建模仿真等理論，構(gòu)建與實(shí)際系統(tǒng)相似和平行的人工系統(tǒng)，采用計(jì)算實(shí)驗(yàn)的方法在人工系統(tǒng)中進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)，同時(shí)通過人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行、演化逼近和反饋控制，對(duì)實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模擬、演化、試驗(yàn)、分析和控制[3]。

仿真技術(shù)在航天型號(hào)研制過程中發(fā)揮了重要作用，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展對(duì)仿真技術(shù)而言具有巨大的推動(dòng)作用，結(jié)合平行系統(tǒng)理論可以解決新型武器仿真論證、協(xié)同作戰(zhàn)模擬、作戰(zhàn)性能分析與評(píng)估及系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證等需求，為任務(wù)的完成提供更多的解決方案，降低風(fēng)險(xiǎn)，縮短研制周期。

1 航天仿真技術(shù)

在我國的航天工業(yè)領(lǐng)域，仿真技術(shù)已成為開發(fā)研制大型航天運(yùn)輸系統(tǒng)和復(fù)雜武器裝備的重要工具，深入到研制的各個(gè)階段。隨著高精度、高可靠性、復(fù)雜飛行環(huán)境和可重復(fù)使用等新型飛行器的研制需求的提出，尤其是大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了有力支撐，因此仿真技術(shù)具有如下發(fā)展趨勢(shì)：

1) 從設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證向基于仿真的設(shè)計(jì)發(fā)展

仿真以模型為基礎(chǔ)，引入物理設(shè)備、環(huán)境因素和人為因素等其它影響條件，進(jìn)行大量推演計(jì)算以實(shí)現(xiàn)仿真目的，它更側(cè)重于對(duì)方案的驗(yàn)證而不是系統(tǒng)的優(yōu)化。為了實(shí)現(xiàn)基于仿真的設(shè)計(jì)，需要在仿真系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建、并行算法開發(fā)、高精度快速數(shù)值積分算法、高精度快速符號(hào)運(yùn)算、仿真系統(tǒng)接口互操作、仿真數(shù)據(jù)的自動(dòng)化后處理和基于仿真結(jié)果的控制參數(shù)靈敏度分析等方面開展研究，建設(shè)高性能計(jì)算平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2) 由程序化向智能化發(fā)展

目前多數(shù)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行都基于事先制定的仿真腳本或者作戰(zhàn)想定，該方式對(duì)于瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境而言缺乏一定的適應(yīng)性和覆蓋性。智能仿真技術(shù)根據(jù)情況的變化實(shí)時(shí)改變決策并執(zhí)行，從而更為全面的驗(yàn)證作戰(zhàn)策略、作戰(zhàn)效能。較為典型的智能系統(tǒng)是美軍DARPA于2007 年展開的“深綠”系統(tǒng)研究，如圖1。采用仿真技術(shù)維護(hù)狀態(tài)空間圖，并根據(jù)實(shí)時(shí)作戰(zhàn)變化進(jìn)行預(yù)估變化和預(yù)先決策為作戰(zhàn)提供決策支持。相比事先假設(shè)的變化，指揮官可以根據(jù)實(shí)時(shí)作戰(zhàn)變化而做出對(duì)應(yīng)的決策。作戰(zhàn)過程中仿真系統(tǒng)將從指揮控制系統(tǒng)獲取相應(yīng)信息，及時(shí)更新仿真系統(tǒng)中的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和最新作戰(zhàn)目標(biāo)。通過超實(shí)時(shí)仿真分析與評(píng)估，指揮員不斷匹配、優(yōu)選、調(diào)整和補(bǔ)充未來作戰(zhàn)方案，生成多種合理的行動(dòng)方案。

圖1 “深綠”系統(tǒng)框架[4]

3)從地面到“云端”

云仿真是利用網(wǎng)絡(luò)和云仿真平臺(tái)按需組織各種仿真資源，提供用戶各種建模與仿真服務(wù)的一種仿真新模式。仿真云將地理上分散的模型、設(shè)備和各類數(shù)據(jù)等仿真資源相互連接。仿真節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入仿真云，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既向云端提供資源和服務(wù)，也可以從云端獲取資源和服務(wù)。根據(jù)仿真任務(wù)的需要定制仿真節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)配。仿真模式由以前的按照任務(wù)需求建立模型、購買設(shè)備和搭建仿真系統(tǒng)改為按照任務(wù)需求購買仿真服務(wù)組成仿真系統(tǒng)。

上述模式的實(shí)現(xiàn)涉及到云的構(gòu)造和使用。仿真云由“云服務(wù)”提供商的云和用戶注冊(cè)的云構(gòu)成。該系統(tǒng)將在云仿真平臺(tái)對(duì)資源的動(dòng)態(tài)管理下，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化建模仿真系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，完成“云仿真”[5]。圖2中，左側(cè)為目前仿真系統(tǒng)的構(gòu)成形式，右側(cè)為基于云的仿真系統(tǒng)構(gòu)成。仿真系統(tǒng)的模型、算法和數(shù)據(jù)處理等功能和服務(wù)可以從仿真云進(jìn)行訂購并完成仿真任務(wù)。

圖2 仿真云框架

2 平行仿真技術(shù)

在復(fù)雜系統(tǒng)中，主體通常具有智能性與自適應(yīng)性，可以按照規(guī)則做出決策，隨時(shí)準(zhǔn)備根據(jù)接收到的新信息修改自身的行為規(guī)則。對(duì)于這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，很難以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式對(duì)其進(jìn)行定義以及定量分析。通過建立仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)、評(píng)估、訓(xùn)練和維護(hù)等無法直接對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行的工作。仿真系統(tǒng)的重要指標(biāo)實(shí)時(shí)性建立在仿真系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系之上，不管是并行仿真還是串行仿真，仿真過程都是按時(shí)間推演的過程。平行仿真系統(tǒng)(Parallel Simulation System)的不同在于以下2個(gè)方面：

1) 人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)平行運(yùn)行

平行仿真系統(tǒng)中人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，人工系統(tǒng)的輸入不是預(yù)先設(shè)定的仿真想定而是實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸出結(jié)果。人工系統(tǒng)除了和實(shí)際系統(tǒng)保持同步運(yùn)行之外，還根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況需要超實(shí)時(shí)計(jì)算得到“未來”可能的運(yùn)算結(jié)果，及時(shí)更新人工系統(tǒng)。尤其對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)，對(duì)可靠性要求較高，不能終止實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行而言，例如作戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)、在軌飛行器和電力系統(tǒng)等。所以平行系統(tǒng)雖然是平行運(yùn)行但是需要采用高性能計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)未來的預(yù)估。

2) 人工系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果可以直接作用到實(shí)際系統(tǒng)

人工系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)可能面臨的變化，通過超實(shí)時(shí)計(jì)算得到運(yùn)算結(jié)果，經(jīng)過在線分析、驗(yàn)證與評(píng)估、智能決策后產(chǎn)生的結(jié)果并且作用到實(shí)際系統(tǒng)中，提前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。對(duì)系統(tǒng)的提前干預(yù)包括系統(tǒng)運(yùn)行中的故障排除、協(xié)同工作中的新任務(wù)布置及飛行器運(yùn)行軌道改變等情況。

平行仿真系統(tǒng)由模型(Model)、計(jì)算(Computing)、驗(yàn)證(Test)和決策(Decision)構(gòu)成。

模型是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的抽象，可以是數(shù)學(xué)模型、實(shí)物及數(shù)據(jù)模型等形式，模型的建立需要經(jīng)過校核與驗(yàn)證。

計(jì)算采用高性能計(jì)算技術(shù)基于模型實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真算例的實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)快速運(yùn)算。包括科學(xué)計(jì)算、工程計(jì)算、采用多核及多任務(wù)并行計(jì)算等方法。實(shí)時(shí)運(yùn)算用于保證人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的同步運(yùn)行，超實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)信息變化更新后的快速計(jì)算。

驗(yàn)證與評(píng)估實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境預(yù)測(cè)，即根據(jù)操作指令和實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)未來的狀態(tài)，通過讓仿真系統(tǒng)以較實(shí)際過程快得多的速度運(yùn)行，對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行預(yù)示、預(yù)演和評(píng)估，使得操作員可以對(duì)指令序列驗(yàn)證，增加操作指令的合理性。

決策與學(xué)習(xí)主要實(shí)現(xiàn)在線智能決策，根據(jù)超實(shí)時(shí)計(jì)算、評(píng)估結(jié)果，生成多種合理的行動(dòng)方案，經(jīng)過不斷匹配、調(diào)整和尋優(yōu)得到最優(yōu)解決方案。

決策產(chǎn)生的中間方案作用到人工系統(tǒng)上用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的場(chǎng)景預(yù)示，稱之為虛擬執(zhí)行；決策產(chǎn)生的最終方案作用到實(shí)際系統(tǒng)上用于改變實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，稱之為實(shí)際執(zhí)行。平行仿真系統(tǒng)感知、計(jì)算、驗(yàn)證、決策以及虛擬執(zhí)行通過不斷迭代達(dá)到最優(yōu)方案。

圖3 平行仿真系統(tǒng)

3 平行仿真應(yīng)用

導(dǎo)彈武器控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)通過飛行性能仿真對(duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和性能進(jìn)行仿真。利用仿真技術(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)施加模擬干擾，分析閉合系統(tǒng)在一定輸入下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析各系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以評(píng)定控制系統(tǒng)的性能。通常用于設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證、設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)和實(shí)物系統(tǒng)故障復(fù)現(xiàn)等。當(dāng)導(dǎo)彈武器研制完成后試驗(yàn)室的仿真系統(tǒng)不再發(fā)揮作用。

導(dǎo)彈武器平行仿真系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)物系統(tǒng)為在研或研制完成的導(dǎo)彈武器實(shí)物系統(tǒng)，平行試驗(yàn)系統(tǒng)為試驗(yàn)室的仿真系統(tǒng)。平行試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)物系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)更新、計(jì)算、評(píng)估與決策，將結(jié)果用于實(shí)物系統(tǒng)的反饋控制。導(dǎo)彈武器平行仿真系統(tǒng)可用于作戰(zhàn)性能評(píng)估、故障診斷與決策、武器維護(hù)與訓(xùn)練等任務(wù)。

平行試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成包括：接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)物系統(tǒng)與平行試驗(yàn)系統(tǒng)的物理連接。

平行試驗(yàn)協(xié)同軟件實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互，工作協(xié)同和資源共享。數(shù)據(jù)交互指平行系統(tǒng)獲取實(shí)物系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；工作協(xié)同指平行系統(tǒng)和實(shí)物系統(tǒng)之間的任務(wù)規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度；資源共享指文件、數(shù)據(jù)和設(shè)備等資源的共享。

模型包括彈體模型、彈載計(jì)算機(jī)模型、慣性器件模型和伺服機(jī)構(gòu)模型等，模型的形式可以是數(shù)學(xué)模型、虛擬模型和實(shí)物模型。

超實(shí)時(shí)計(jì)算引擎完成平行試驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)，當(dāng)實(shí)物系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、單機(jī)特性及關(guān)鍵參數(shù)等信息有變化時(shí)完成平行試驗(yàn)系統(tǒng)的超實(shí)時(shí)計(jì)算，快速得到仿真結(jié)果，以便于信息的評(píng)估和智能決策方案的確立。

圖4 導(dǎo)彈武器平行仿真系統(tǒng)

4 結(jié)論

平行仿真系統(tǒng)將復(fù)雜空間由物理空間擴(kuò)展到虛擬空間，為管理和控制復(fù)雜系統(tǒng)提供了一種新的方法。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計(jì)算和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，航天仿真的發(fā)展趨勢(shì)為從驗(yàn)證到設(shè)計(jì)、從子系統(tǒng)到體系化，從程序化到智能化，從地面仿真到云仿真，技術(shù)的發(fā)展為高性能、智能化和全生命周期的航天仿真提供了可行性手段。平行仿真技術(shù)則是這種趨勢(shì)下的一種體現(xiàn)，通過平行仿真系統(tǒng)可以解決新型武器仿真論證、協(xié)同作戰(zhàn)模擬、作戰(zhàn)性能分析與評(píng)估、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證等需求，從而為任務(wù)的完成提供更多的解決方案，降低風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 王飛躍.平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制[J].控制與決策，2004, 19(5): 485-489.(Wang Feiyue.Parallel System Methods for Management and Control of Complex Systems[J]. Control and Decision, 2004, 19(5): 485-489.)

[2] 王飛躍.平行控制:數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013， 39(4): 293-302.(Wang Feiyue. Parallel Control: A Method for Data-Driven and Computational Control[J]. Acta Automatica Sinica, 2013, 39(4): 293-302.)

[3] 郭剛,陳彬,邱曉剛.平行系統(tǒng)的人工環(huán)境構(gòu)建技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011， 23(8): 1686-1690.(Guo Gang，Chen Bin, Qiu Xiaogang. Artificial Environment Construction Technology of Parallel System[J]. Journal of System Simulation, 2011, 23(8):1686-1690.)

[4] J.R.Surdu, K. Kittla. The Deep Green Concept, MSIAC JOURNAL, NOV2008, volume 3, lessue 3, 1-23.

[5] 李伯虎,等.一種基于云計(jì)算理念的網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真平臺(tái)—“云仿真平臺(tái)” [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009， 21(17)：5292-5299.(Li Bohu,et al .Networked Modeling & Simulation Platform Based on Concept of Cloud Computing Cloud Simulation Platform[J].Journal of System Simulation，2009, 21(17): 5292-5299.)

[6] 畢長(zhǎng)劍.大數(shù)據(jù)時(shí)代建模與仿真面臨的挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014， 31(1): 1-3.(Bi Changjian.Modeling and Simulation are Geared to Challenge in the Age of Big Data[J].Computer Simulation ，2014, 31(1):1-3.)

Research on Parallel Simulation Technology

Wang Huixia

Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China

Parallelsystemtheorywhichextendsthecomplexspacefromphysicalspacetovirtualspacecanbeusedtomanageandcontrolthecomplexsystem.Simulationtechnologiesareimportantwayforaerospaceengineering,suchasbigdata,internet,parallelcomputationandcloudcomputingarethepowerfulpropulsiontosimulationtechnology.Thedevelopmenttrendofaerospacesimulationtechnologyisanalyzed.Theparallelsimulationinfrastructureisresearchedanddesignedaccordingtotheparallelsystemtheory.Atlast,amissileparallelsimulationsystemprototypeisperformed.

Parallelsystem;Parallelsimulation;Intelligentdecision;Deepgreen

*國家自然科學(xué)基金(61333008)

2016-05-13

王會(huì)霞(1975-)，女，河北人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榉植际椒抡婕夹g(shù)、控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)及虛擬試驗(yàn)技術(shù)；王 成(1983-)，男，湖北人，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；趙 耀(1984-)，男，河北人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)仿真。

V448.15

A

1006-3242(2016)06-0064-04