復(fù)雜多耦合仿真模型校驗工具研究

鄒 瑩，楊 凱，劉京濤，張 昕

(北京航天自動控制研究所，北京 100854 )

1 引言

仿真技術(shù)具有無破壞、可重復(fù)、經(jīng)濟、安全、高效等特點，因此在大型運載火箭、武器裝備研制、試驗、定型、鑒定等方面具有不可缺少的重要作用。建模是建立系統(tǒng)模型的過程， 是研究系統(tǒng)的重要手段和前提， 模型是一個系統(tǒng)(實體、現(xiàn)象、過程) 的物理的、數(shù)學的或其它邏輯的表現(xiàn)形式，依模型的形式不同可將其分為實體模型和數(shù)學模型，而仿真是在計算機上或?qū)嶓w上建立系統(tǒng)的有效模型并在模型上進行系統(tǒng)實驗的過程。仿真模型是建模者對建模對象為滿足仿真應(yīng)用需求而建立的、以某種形式 (計算機語言、實體模型的物理實現(xiàn)) 給出的描述. 利用仿真模型代替被研究的對象， 在計算機或其它設(shè)備組成的環(huán)境中進行實驗， 則形成了仿真系統(tǒng)。近些年來仿真模型校驗與評估工作越來越被仿真系統(tǒng)開發(fā)者與使用者重視，其根本原因是規(guī)范的建模與模型校驗過程、仿真過程會對仿真應(yīng)用的成敗起到?jīng)Q定性的作用。近年來各國通過軍用建模與仿真標準體系構(gòu)建和應(yīng)用推廣方面取得了較多的成果，對于推動裝備建設(shè)起到了積極地作用。

在大型運載火箭、武器裝備仿真領(lǐng)域，仿真模型一般是由多個子模塊甚至子分模塊構(gòu)成的復(fù)雜模型，其多項輸出特性之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。公開資料表明針對多耦合輸出仿真模型可信度評估及VV&A工具應(yīng)用的相關(guān)研究極少。在目前大型運載火箭高密度發(fā)射、武器裝備密集研制的背景下，根據(jù)發(fā)射任務(wù)的需要具備快速仿真建模、模型校驗?zāi)芰Γ瑢Ψ抡婺芰Φ奶嵘鸬椒e極作用。

在模型校驗輔助工具研制方面，自20世紀九十年代起，西方發(fā)達國家開展了針對仿真模型VV&A一個階段或多個階段的輔助工具研制，并成功應(yīng)用于武器裝備研制方面。我國仿真領(lǐng)域的專家學者在近20年間在仿真模型VV&A工具領(lǐng)域取得了一些成果，其中哈爾濱工業(yè)大學王子才院士團隊的“復(fù)雜仿真系統(tǒng)VV&A與可信度評估支撐工具”，西北工業(yè)大學曹海旺團隊的“基于人工智能的VV&A平臺”等都取得了較大的技術(shù)突破。但這些VV&A工具由于未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，無法快速應(yīng)用到武器裝備研制過程中。在目前大型運載火箭高密度發(fā)射、武器裝備密集研制的背景下，根據(jù)發(fā)射任務(wù)的需要具備快速仿真建模、驗?zāi)Ｄ芰?，將對仿真能力的提升起到積極作用。

本文提出了針對復(fù)雜多耦合仿真模型時域校驗的方法，給出了一種仿真模型校驗輔助工具的設(shè)計及實現(xiàn)的方法，應(yīng)用仿真模型校驗輔助工具開展模型校驗工作，有效提升大型運載火箭、武器裝備多耦合輸出的復(fù)雜仿真模型校驗效率、規(guī)范其校驗過程。

2 復(fù)雜仿真模型VV&A過程管理

2.1 特點和難點

在大型運載火箭、武器裝備仿真領(lǐng)域，仿真系統(tǒng)往往十分復(fù)雜。復(fù)雜系統(tǒng)仿真一般具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多層次、仿真對象多樣性、系統(tǒng)之間信息不確定性、仿真過程中的隨機性等特點。有學者指出VV&A應(yīng)貫穿于建模與仿真的全生命周期中，涉及自仿真問題定義至仿真結(jié)論全過程。對于復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜多耦合仿真模型VV&A過程管理，可能面對VV&A技術(shù)方法研究與工程應(yīng)用研究相結(jié)合、多領(lǐng)域多學科仿真建模技術(shù)、VV&A標準文件的建立、VV&A工具的研制和推廣應(yīng)用等一系列相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

2.2 仿真模型可信度

仿真模型可信度可理解為在一定的應(yīng)用目的條件下，仿真系統(tǒng)應(yīng)用者對于整個的仿真模型以及仿真結(jié)果是否正確的信任程度；或者是基于一定目的下，應(yīng)用仿真模型代替被仿真對象，其仿真結(jié)果指標的可信程度。

如何有效的識別復(fù)雜多耦合仿真模型建模過程中是否達到了依據(jù)文件的要求，仿真模型是否符合任務(wù)提出方的期望，仿真模型是否具備可信性，這通常是一個需要反復(fù)迭代、分層校驗的多環(huán)節(jié)的評估過程。在工程應(yīng)用環(huán)節(jié)通常由承擔仿真模型校驗工作的設(shè)計人員根據(jù)實際仿真驗證任務(wù)需求，在標準文件指導(dǎo)下開展模型校驗工作。仿真模型校核、驗證的效果將影響仿真試驗結(jié)果的置信度。

2.3 模型校驗管理

模型校驗管理主要包含模型校驗的組織管理、過程管理、和文本化管理的方法。模型校驗的管理文件通常由一系列標準和作業(yè)指導(dǎo)文件，用來指導(dǎo)仿真設(shè)計人員開展仿真模型VV&A的工作，仿真模型可信性評估的效率和成果也與仿真設(shè)計人員自身的經(jīng)驗相關(guān)。

仿真系統(tǒng)內(nèi)的模型校驗管理通常由仿真模型設(shè)計規(guī)范、仿真模型校驗規(guī)范、仿真模型校驗作業(yè)指導(dǎo)書、仿真試驗規(guī)范、試驗報告編制規(guī)范等一系列標準文件組成。這些管理文件貫穿了建模與仿真的全生命周期。

2.4 仿真模型的校驗流程

仿真模型設(shè)計校驗是多學科、多專業(yè)的協(xié)同工作的過程，在工程實踐階段往往需要多輪迭代、確認來完成模型設(shè)計和校驗工作。

在模型設(shè)計校驗環(huán)節(jié)通常會由任務(wù)依據(jù)文件確認、模型設(shè)計、模型校驗、仿真結(jié)果確認等過程，在模型校驗過程中還需要制定模型校驗計劃來協(xié)同工作，形成模型校驗報告對仿真模型可信性進行評估。典型的運載火箭控制系統(tǒng)仿真模型的校驗流程如圖1所示。

圖1 仿真模型校驗流程

1) 根據(jù)依據(jù)文件開展仿真模型設(shè)計和測試工作，完成仿真軟件的編寫和調(diào)試，使仿真軟件能夠進行模型校驗。

2) 根據(jù)任務(wù)分工在模型校驗前制定模型校驗計劃。

3) 根據(jù)模型校驗計劃開展模型開環(huán)校驗。在完成單一仿真模型校驗后，進行多個相關(guān)聯(lián)的仿真模型的聯(lián)合校驗，最后進行仿真模型開環(huán)串聯(lián)校驗，每步驟均需要進行仿真模型開環(huán)校驗結(jié)果評估；

4) 將控制閉環(huán)，確保數(shù)據(jù)接口、時序交互、指令輸出等關(guān)系正確；

5) 進行閉環(huán)仿真，仿真模型校驗結(jié)果評估，合格后仿真模型校驗完成。

3 復(fù)雜多耦合仿真模型校驗方法

3.1 模型校驗的常見方法

仿真模型校核與驗證的常見方法有與其它模型比較法、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)正確性檢驗等。這些方法可簡單歸類為主觀法和客觀法。

典型運載火箭控制系統(tǒng)復(fù)雜多耦合仿真模型校驗一般根據(jù)仿真模型計算順序，逐步分析、比較仿真模型與被仿真對象在相同輸入條件下的輸出特性是否一致，從而判定仿真模型的實現(xiàn)是否正確。但這個過程中也依賴領(lǐng)域?qū)＜一蚍抡嬖O(shè)計人員的主觀判斷和經(jīng)驗。

校驗過程中通常以單一模型校驗、關(guān)聯(lián)模型校驗、串聯(lián)校驗等順序開展校驗。針對多輸入多輸出耦合關(guān)系復(fù)雜的模型，通常先將模型作為獨立模塊進行校驗，通過針對模型參數(shù)置為特定輸入條件，分析模型計算中間變量、模型輸出是否與模型校驗的依據(jù)文件及任務(wù)提出方要求一致，復(fù)雜多耦合仿真模型校驗結(jié)果也需要按模型復(fù)雜度進行多次確認。

3.2 模型校驗的一般性要求

典型運載火箭控制系統(tǒng)仿真模型校驗時，必須考慮模型校驗的任務(wù)需求和模型校驗結(jié)果評估，一般還用考慮模型校驗過程中的下列方面：

1) 仿真模型的計算順序、模塊設(shè)計應(yīng)符合相關(guān)仿真標準文件的要求；

2) 仿真模型用數(shù)據(jù)要經(jīng)過確認；

3) 仿真模型校驗過程一般遵循由簡至繁，先局部再總體的校驗順序；

4) 模型校驗時需要考慮到時序影響；

5) 模型校驗時必須考慮仿真模型校驗結(jié)果的數(shù)據(jù)存儲周期和數(shù)據(jù)存儲精度影響；

6) 校驗過程中應(yīng)對仿真模型做好技術(shù)狀態(tài)控制，確保模型校驗狀態(tài)可追溯。

7) 應(yīng)做好校驗過程關(guān)鍵信息的記錄。

8) 應(yīng)給出模型校驗的結(jié)論。

4 仿真模型校驗輔助工具及方案應(yīng)用

4.1 運載火箭仿真模型校驗

在不同的仿真模型校驗領(lǐng)域所需關(guān)注的關(guān)鍵問題不同，在典型運載火箭仿真模型校驗環(huán)節(jié)，仿真設(shè)計人員根據(jù)相關(guān)仿真模型校驗標準規(guī)范中的要求開展模型校驗工作，模型校驗的效果和效率依賴于仿真設(shè)計人員自身的經(jīng)驗和對標準規(guī)范的理解和執(zhí)行。

通過模型校驗輔助工具可以對校核、驗證、質(zhì)量保證環(huán)節(jié)進行管理。VV&A過程中還應(yīng)該遵守對獨立原則、數(shù)據(jù)正確原則、有效計劃原則等實施原則。模型校驗輔助工具的作用主要有：

1) 減少在仿真模型校驗的過程中對模型校驗人員經(jīng)驗的依賴；

2) 固化模型校驗方法、流程；

3) 提升模型校驗效率；

4) 規(guī)范模型校驗過程。

4.2 仿真模型校驗輔助工具組成

針對運載火箭控制系統(tǒng)仿真各類模型校驗需求，重點解決仿真模型校驗過程中，復(fù)雜箭體模型的數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型校驗流程指導(dǎo)及輔助工具、模型校驗報告自動生成等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了適合仿真模型校驗的輔助工具。

模型校驗輔助工具由三個既獨立又相互關(guān)聯(lián)的工具組成，一鍵式箭體數(shù)據(jù)預(yù)處理、嵌入VC++編程環(huán)境的模型校驗工具、模型校驗報告自動生成工具，模型校驗輔助工具總體方案圖如圖2。

圖2 模型校驗工具總體方案圖

4.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理工具

一鍵式仿真數(shù)據(jù)預(yù)處理工具能夠自動記錄仿真設(shè)計人員處理仿真模型數(shù)據(jù)的過程和方法，與仿真軟件相結(jié)合自動生成變量賦值關(guān)系語句供仿真軟件使用，并對原始數(shù)據(jù)有效性、合理性進行預(yù)判別。當再次處理新的數(shù)據(jù)時，可按照仿真應(yīng)用場景自動完成數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)預(yù)處理工具采用基于規(guī)則庫的數(shù)據(jù)批量處理方法，通過創(chuàng)建線程池，每個線程遍歷數(shù)據(jù)處理規(guī)則庫中的數(shù)據(jù)處理規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)處理規(guī)則中的數(shù)據(jù)處理參數(shù)，生成數(shù)據(jù)處理結(jié)果文件。數(shù)據(jù)處理過程中同步完成了數(shù)據(jù)的合理性檢驗。

一鍵式數(shù)據(jù)預(yù)處理工具可以處理一維、多維等多種數(shù)據(jù)形式，仿真模型數(shù)據(jù)處理結(jié)束后會自動生成數(shù)據(jù)處理報告，詳細記錄數(shù)據(jù)處理過程的關(guān)鍵信息，新增數(shù)據(jù)處理報告會以日志形式添加至模型校驗報告中。仿真模型數(shù)據(jù)處理報告形式如圖3所示。

圖3 仿真模型數(shù)據(jù)處理報告

4.2.2 模型校驗輔助工具

嵌入VC++編程環(huán)境的輔助校驗工具能夠在仿真軟件設(shè)計、編譯環(huán)境中，提供一組快速模型校驗工具欄組件，仿真設(shè)計人員可在不輸入代碼的情況下，快速設(shè)置、點選校驗輸入條件、點選設(shè)置校驗輸出，并將校驗結(jié)果一鍵式插入模型校驗報告中，提升模型校驗效率。模型校驗方法嚴格相關(guān)標準文件中的要求。

模型校驗工具采用VC編譯器的二次開發(fā)接口，主要使用了VC Plugin技術(shù)。將模型校驗環(huán)節(jié)的測試輸入條件、校驗結(jié)果、圖形化校驗結(jié)果顯示等功能以DLL動態(tài)庫的形式生成COM組件，在VC編譯環(huán)境下提供了一組工具欄，與數(shù)據(jù)預(yù)處理工具、模型校驗報告相關(guān)聯(lián)，管理整個模型校驗過程。

模型校驗工具欄內(nèi)由校驗條件輸入、校驗結(jié)果輸出、校驗結(jié)果分析、單個測試點撤銷、多個測試點撤銷、數(shù)據(jù)預(yù)處理工具、校驗報告生成工具等快捷工具組成，嵌入編譯環(huán)境的工具欄如圖4所示。點選測試條件后可以自動生成校驗代碼，校驗代碼如圖5所示。圖5是由自動生成的校驗代碼。校驗結(jié)束后可以通過不同數(shù)據(jù)分析手段對仿真模型可信性進行分析，校驗結(jié)果分析界面如圖6所示。圖6是模型計算結(jié)果與理論值之間的差，用來分析模型是否與預(yù)期結(jié)果一致。校驗過程中還可以使用不同數(shù)值分析方法來對仿真模型進行分析。

圖4 仿真模型校驗工具欄

圖5 模型校驗代碼自動插入

圖6 模型校驗結(jié)果分析

4.2.3 模型校驗報告

模型校驗報告自動生成工具能夠按照相關(guān)模型校驗規(guī)范中的規(guī)定，由一鍵式仿真數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果、模型校驗工具等自動關(guān)聯(lián)生成模型校驗報告，自動記錄模型校驗過程關(guān)鍵信息、模型校驗結(jié)果。

模型校驗報告自動生成工具以日志的方式記錄模型校驗過程的關(guān)鍵信息，在工程實現(xiàn)環(huán)節(jié)圍繞建模與仿真中VV&A過程的確認計劃、校核驗證計劃、校核驗證報告和確認報告這4個核心文檔，通過模型校驗計劃表、模型校驗日志、模型校驗報告等幾種形式予以體現(xiàn)。

4.2.4 模型校驗輔助工具的應(yīng)用

應(yīng)用模型校驗輔助工具可以有效的輔助仿真設(shè)計人員管理模型校驗過程。本文論述的模型校驗輔助工具是結(jié)合相關(guān)規(guī)范與標準規(guī)定，結(jié)合實際仿真任務(wù)需求所設(shè)計的，具有通用性和可擴展性，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個運載火箭、武器裝備研制過程的模型校驗過程，取得了較好的效果。

5 結(jié)論

通過對復(fù)雜多耦合仿真模型校驗難點和特點進行分析，結(jié)合運載火箭控制系統(tǒng)仿真模型校驗流程和方法，設(shè)計了模型校驗輔助工具。應(yīng)用模型校驗輔助工具后取得了以下效果：

1) 應(yīng)用模型校驗輔助工具，以運載總體數(shù)據(jù)處理為例，應(yīng)用一鍵式仿真數(shù)據(jù)預(yù)處理工具，可以使數(shù)據(jù)處理效率得到大幅提升。

2) 通過模型校驗工具在編譯環(huán)境下通過點選的方式就可以開展模型校驗，避免了大量調(diào)試代碼的編寫?？梢蕴嵘ｒ炐?，規(guī)范校驗過程。

3) 以日志形式實現(xiàn)了模型校驗關(guān)鍵信息的自動記錄，能夠較好的對模型評估過程進行管理。

4) 采用線程池和規(guī)則庫等方法，使模型校驗輔助工具在使用過程中有較好的用戶體驗感，是一種較為新穎的工具開發(fā)思路。

5) 將模型校驗輔助工具與復(fù)雜仿真模型校驗過程管理技術(shù)相融合，能夠有效的提升模型校驗的管理水平。