基于模型的虛實結(jié)合的仿真試驗技術(shù)

于 濤， 宛 旭， 孫翔宇

航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所 空戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)航空科技重點實驗室，遼寧 沈陽 110035)

無人作戰(zhàn)飛機是由機、站、鏈構(gòu)成的大系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)分散、運行分散、時空分散、部署分散的典型特征，是典型的復(fù)雜系統(tǒng)。其研發(fā)模式已由跟蹤研發(fā)轉(zhuǎn)為正向設(shè)計，為實現(xiàn)自主創(chuàng)新，必然要采用從需求開發(fā)、功能分解、系統(tǒng)設(shè)計、物理設(shè)計到系統(tǒng)集成驗證的正向設(shè)計閉環(huán)的思路?；谀Ｐ偷奶搶嵔Y(jié)合仿真試驗支持模型驅(qū)動和快速迭代驗證，可有效降低研制成本和周期，是無人機正向設(shè)計中確保方案質(zhì)量、縮短周期和成本的關(guān)鍵途徑。

系統(tǒng)復(fù)雜度的急劇增加、多學(xué)科耦合的逐步加強，使傳統(tǒng)研發(fā)模式下的裝備研發(fā)周期和成本快速增長?；谀Ｐ偷奶搶嵔Y(jié)合仿真試驗技術(shù)可實現(xiàn)全流程快速仿真迭代驗證，通過“模型在環(huán)”方式實現(xiàn)全系統(tǒng)綜合仿真驗證，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)涌現(xiàn)性，給出系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)劣的決策判據(jù)，支撐系統(tǒng)設(shè)計的快速迭代優(yōu)化，縮減研制周期和成本。

筆者研究了基于模型的虛實結(jié)合仿真試驗技術(shù)，突破了多源異構(gòu)模型分布式集成關(guān)鍵技術(shù)和虛實結(jié)合接口適配關(guān)鍵技術(shù)，將其應(yīng)用于地面半物理試驗，對基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE)理論的飛機設(shè)計流程進行繼承和延續(xù)，進而對虛擬試驗、數(shù)字孿生應(yīng)用進行有力探索，形成一套完整的正向設(shè)計流程、方法和準則，建立支撐新一代先進作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)體系。同時，能自上而下有效推動基于模型驅(qū)動的系統(tǒng)工程方法在航空及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，對推動技術(shù)進步以及有效提升我國新研航空武器裝備研發(fā)質(zhì)量、效率和水平，具有重大軍事意義和社會意義。

當(dāng)前比較熱門的虛擬試驗普遍在向虛實結(jié)合技術(shù)發(fā)展[1]。國內(nèi)航空領(lǐng)域?qū)谀Ｐ偷娘w機系統(tǒng)試驗進行了一些探索與研究，許光磊等[2]開展了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術(shù)研究；董志明等[3]開展了基于實況、虛擬和構(gòu)造(Live Virtual Constructive，LVC)仿真的體系試驗方法研究；董政等[4]開展了基于Modelica的起落架半物理仿真方法研究；白潔等[5]開展了基于模型的系統(tǒng)工程理論在機載系統(tǒng)研制中的應(yīng)用研究；陸冠華等[6]開展了基于通用模型接口標準(Functional Mock-Up Interface，F(xiàn)MI)的飛行器分系統(tǒng)多源異構(gòu)模型一體化仿真。在航天領(lǐng)域，王華茂[7]在航天器總裝和試驗過程中，依據(jù)“激勵-響應(yīng)”基本測試原理，運用“實物+仿真”測試方法，獲取被測航天器定性、定量參數(shù)信息，進行了處理和評定研究技術(shù)。

目前，在國外航空領(lǐng)域應(yīng)用虛擬仿真試驗技術(shù)開展的典型項目包括美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的智能虛擬飛行控制項目、歐洲空中客車公司的A380項目，以及LMS公司的機電一體化系統(tǒng)仿真平臺LMS Imagine.Lab等[8]。

1 多源異構(gòu)模型分布式集成

本文以基于模型的系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)，縱向按“裝備級-飛機級-系統(tǒng)級-部件級”多層級遞歸，橫向按照“立項論證-方案設(shè)計-工程研制”產(chǎn)品生命周期流程迭代，解決系統(tǒng)設(shè)計“需求-功能-邏輯-物理”模型之間的演進與傳遞，實現(xiàn)基于模型的從飛機系統(tǒng)需求到功能邏輯和架構(gòu)的快速驗證與仿真。

首先，梳理了基于模型驅(qū)動的飛機系統(tǒng)從需求分析到試驗驗證的各設(shè)計階段，明確各階段轉(zhuǎn)換的條件、各階段的輸入/輸出項和迭代設(shè)計的過程管理等，完善了飛機系統(tǒng)設(shè)計手段，建立了飛機系統(tǒng)基于仿真的設(shè)計體系。

根據(jù)飛機系統(tǒng)的功能需求和模型，結(jié)合各個具體專業(yè)領(lǐng)域分別開展功能建模分析與建模，得到經(jīng)過功能仿真初步確認的系統(tǒng)需求規(guī)范。在功能建模分析與建?；A(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計約束和系統(tǒng)特性，開展性能模型建模，形成飛機系統(tǒng)級、分系統(tǒng)/子系統(tǒng)級多元異構(gòu)仿真模型，并將來自不同學(xué)科的模型集成到一個系統(tǒng)中進行系統(tǒng)設(shè)計、模擬和分析[6]。

針對跨仿真平臺的仿真模型，對其進行分布式仿真集成驗證，需首先解決各仿真節(jié)點通信問題，采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(Data Distribution Service，DDS)網(wǎng)絡(luò)中間件實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機制，基于以太網(wǎng)的通信協(xié)議，實現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱的通信機制，進而實現(xiàn)大型仿真系統(tǒng)技術(shù)交換的發(fā)送端和接收端解耦，其提供的質(zhì)量服務(wù)可充分保證通信質(zhì)量。各仿真平臺可集成DDS網(wǎng)絡(luò)中間件對外進行數(shù)據(jù)發(fā)布，同時訂閱其所需的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與模型的輸入輸出接口進行綁定可實現(xiàn)仿真平臺的分布式集成驗證。

針對不支持DDS通信庫文件調(diào)用的仿真平臺，可采用以下方式實現(xiàn)模型集成。

① 模型源代碼導(dǎo)出。若仿真工具支持源代碼導(dǎo)出，可通過C/C++進行二次開發(fā)，從而實現(xiàn)對模型源代碼的調(diào)用，并通過DDS網(wǎng)絡(luò)中間件實現(xiàn)模型的集成。

② 封裝模型。若仿真工具可將模型封裝為其他仿真平臺可解析調(diào)用的模型格式，可針對不同的使用需求，將模型以帶求解器或者不帶求解器的方式進行封裝，常見的封裝標準有FMI標準通用仿真接口等，目前主流仿真軟件Simulink、AMESim、Dymola、Modelica、Silver等均支持導(dǎo)出FMI標準的功能模型單元(Fuctional Mockup Unit，F(xiàn)MU)。

③ 通信模塊研制。若仿真工具無法進行代碼導(dǎo)出，也無法進行模型通用標準封裝，可針對工具支持導(dǎo)入的模型格式，在外部平臺進行通信模塊開發(fā)，模塊中封裝DDS通信協(xié)議，再將通信模塊導(dǎo)入模型并與平臺中運行的模型進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

2 基于模型的虛實結(jié)合仿真試驗

虛實結(jié)合技術(shù)就是將虛擬的或者數(shù)字的模型與實物設(shè)備集成起來，形成能夠?qū)崿F(xiàn)特定目的、具有完整功能系統(tǒng)的一種技術(shù)[9]。依托地面試驗研制條件建設(shè)和基于MBSE研發(fā)體系仿真能力建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)建模仿真迭代驗證、虛實結(jié)合模型實物混合驗證，進而大幅提升型號設(shè)計質(zhì)量和效率。“虛”為MBSE仿真模型，包括成品、設(shè)備、外部參與者、環(huán)境和敵方功能性能模型；“實”為實裝軟件、硬件和系統(tǒng)。虛實結(jié)合仿真試驗是運用“虛”替代部分“實”，用“虛”補全“實”，解決因成品交付周期相互制約無法集成驗證的問題，實現(xiàn)提前集成運行，達到提前確認的目的，虛實結(jié)合試驗外部制約條件少，可在設(shè)計研發(fā)過程多次驗證和確認，從而有效減少研制后期設(shè)計反復(fù)。

開展虛實結(jié)合接口適配技術(shù)研究，需將仿真模型或仿真系統(tǒng)接入地面半物理試驗，保證試驗環(huán)境的完整性和靈活性，解決了因機載設(shè)備或機載系統(tǒng)的缺失或功能不完善而影響全系統(tǒng)綜合試驗開展以及傳統(tǒng)的接口級仿真無法在時序、功能邏輯上滿足全系統(tǒng)綜合試驗的需求等問題。研究內(nèi)容主要包含以下方面。

(1) 單設(shè)備仿真模型接入機載總線。

仿真模型按照接口控制文件(Interface Control Document，ICD)格式打包、解包接口數(shù)據(jù)，模型驅(qū)動總線通信板卡，接入地面半物理試驗機載總線，實現(xiàn)以仿真最小系統(tǒng)為單位通過接口適配的方式接入機載總線，具有試驗環(huán)境總體架構(gòu)和組成保持不變以及信息傳遞同步性強等特點。單設(shè)備仿真模型接入機載總線架構(gòu)如圖1所示。

圖1 單設(shè)備仿真模型接入機載總線架構(gòu)

將單設(shè)備仿真模型接入機載總線架構(gòu)進行實踐應(yīng)用，選取無人機作動系統(tǒng)模型作為研究對象，對其進行全數(shù)字化建模，模型涉及到的功能包括：設(shè)備狀態(tài)實時上報、舵面控制指令接收、舵面參數(shù)反饋。無人機作動系統(tǒng)模型采用Simulink進行建模，模型打包模塊和解包模塊封裝成Simulink模型插件，插件的接口與模型接口對應(yīng)，連接關(guān)系可在Simulink軟件界面進行手動綁定，模型插件中嵌入模型與機載總線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換代碼和板卡調(diào)度代碼，由上位機配置，按照與真實作動系統(tǒng)機載設(shè)備相同的信息格式和傳輸周期與其他相關(guān)機載設(shè)備進行通信，實現(xiàn)單一設(shè)備的數(shù)字化替換。作動系統(tǒng)仿真模型虛擬集成如圖2所示。

圖2 作動系統(tǒng)仿真模型虛擬集成

(2) 仿真環(huán)境整體接入機載總線。

通過仿真總線讀取仿真模型的接口數(shù)據(jù)，統(tǒng)一提取仿真系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)，進行打包、解包處理，驅(qū)動總線通信板卡，接入地面半物理試驗機載總線，實現(xiàn)了大系統(tǒng)仿真環(huán)境統(tǒng)一接入地面半物理試驗環(huán)境，具有仿真模型間通信可不通過板卡、仿真系統(tǒng)可整體接入試驗網(wǎng)絡(luò)、移植性強、模型可分布式運行、模型接入靈活等特點。仿真環(huán)境整體接入機載總線架構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真環(huán)境整體接入機載總線架構(gòu)

將仿真環(huán)境整體接入機載總線架構(gòu)進行實踐應(yīng)用，選取無人機任務(wù)系統(tǒng)分布式仿真環(huán)境作為研究對象進行全數(shù)字化建模，采用IBM Rhapsody對任務(wù)系統(tǒng)建模，任務(wù)系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 任務(wù)系統(tǒng)仿真模型

前期應(yīng)對系統(tǒng)需求進行梳理與分解，形成系統(tǒng)活動圖和順序圖模型，最后建立可運行的狀態(tài)機模型，在狀態(tài)機模型中嵌入仿真總線通信代碼，實現(xiàn)任務(wù)系統(tǒng)中各分系統(tǒng)模型的分布式通信。同時，機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件一端通過以太網(wǎng)掛載到仿真總線，另一端通過板卡掛載到機載總線，任務(wù)系統(tǒng)各仿真模型與機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件通信內(nèi)容為任務(wù)系統(tǒng)對外，即飛管、推進等其他機載系統(tǒng)的信息交互接口，機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件進行仿真信息與總線信息的格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)仿真環(huán)境的整體數(shù)字化替換。

(3) 數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信。

將數(shù)字飛機與射頻模擬器相結(jié)合，利用射頻模擬器按照機載ICD格式將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，模擬機間鏈信息，建立射頻交換網(wǎng)絡(luò)，通過射頻環(huán)形器實現(xiàn)射頻信號分發(fā)，數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信架構(gòu)

(4) 數(shù)字飛機與地面站通信。

設(shè)計開發(fā)地空通信適配系統(tǒng)，按照地空協(xié)議，計算實時的時間戳信息和循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)信息，實時打解包仿真飛機上下行數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)連接地面站的接入設(shè)備，實現(xiàn)地面站席位同時顯示數(shù)字飛機與半物理飛機下傳信息的功能。

(5) 試驗總線構(gòu)型切換。

構(gòu)建具有試驗總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型切換功能的試驗環(huán)境并行系統(tǒng)，在程序控制下快速切換試驗網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點，進而實現(xiàn)機載數(shù)字模型和試驗件的任意切換，提高試驗環(huán)境資源的利用效率，從而加快試驗進度。試驗環(huán)境并行系統(tǒng)包括總線切換設(shè)備、切換控制管理軟件。切換控制管理軟件通過以太網(wǎng)和總線切換設(shè)備進行通信，總線切換設(shè)備和試驗件通過配套電纜進行連接，總線切換設(shè)備通過切換控制，能夠選擇試驗件或機載數(shù)字模型接入環(huán)網(wǎng)，切換設(shè)備支持主環(huán)網(wǎng)和支線上的試驗件的總線信號切換。試驗環(huán)境并行系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 試驗環(huán)境并行系統(tǒng)架構(gòu)

在基于模型的系統(tǒng)工程理論支持下，基于模型打通產(chǎn)品全生命周期驗證體系，實現(xiàn)模型連續(xù)傳遞、持續(xù)驗證和迭代優(yōu)化的飛機系統(tǒng)正向設(shè)計，對現(xiàn)有傳統(tǒng)的科研生產(chǎn)體系進行轉(zhuǎn)型升級。同時，基于信息化、數(shù)字化和智能化深度融合發(fā)展，建立虛實結(jié)合的綜合仿真與驗證體系，形成虛實結(jié)合的飛機系統(tǒng)試驗驗證架構(gòu)，貫穿虛擬驗證、虛實結(jié)合驗證和實物驗證的全過程，從而提升地面半物理試驗?zāi)芰托省?/p>

3 自動化測試

通過對MBSE進行深入研究，分析了應(yīng)用MBSE進行飛機設(shè)計的方法和流程，明確在整個設(shè)計過程的模型仿真驗證技術(shù)應(yīng)用階段，應(yīng)確定驗證的具體內(nèi)容，并根據(jù)總體設(shè)計需求設(shè)計試驗測試用例和試驗剖面，保證需求、功能、邏輯和性能驗證的完整性，最后通過基于模型的虛實結(jié)合仿真試驗環(huán)境實現(xiàn)仿真驗證。

基于以往型號的試驗項目和試驗流程，以及各階段模型和相關(guān)數(shù)據(jù)，利用定制的標準模板，自動生成覆蓋全部功能和性能的測試用例。測試用例設(shè)計包含以下步驟。

(1) 仿真驗證需求分析，設(shè)計仿真驗證剖面。通過基于模型的飛機系統(tǒng)工程設(shè)計方法，以設(shè)計方案為對象，對仿真驗證需求進行功能驗證條目分解，制定仿真剖面設(shè)計規(guī)則，仿真剖面具備完整的模擬某項功能的能力。依據(jù)功能設(shè)計方案，提取能夠覆蓋設(shè)計要求和實現(xiàn)明確功能的仿真剖面對仿真驗證進行支撐。

(2) 提取驗證需求。測試用例設(shè)計研究依托系統(tǒng)工程場景用例，按系統(tǒng)運行邏輯和系統(tǒng)特性劃分測試剖面，使用狀態(tài)遍歷、特征采樣和蒙特卡羅抽取等數(shù)據(jù)生成手段，每條測試剖面細分為大量的測試數(shù)據(jù)組和與之一一對應(yīng)的試驗合格判據(jù)，每組試驗數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的試驗合格判據(jù)構(gòu)成了一個測試用例，其充分體現(xiàn)了測試對象、測試方法和測試標準。

(3) 測試用例要素分析。依據(jù)驗證需求，測試用例中應(yīng)具備能夠準確全面反映設(shè)計的要素。通過輸入輸出內(nèi)容確認、條件設(shè)計、因果分析和效果反應(yīng)對測試要素進行分類，實現(xiàn)測試用例構(gòu)成分析。

(4) 測試用例設(shè)計方法。面向模型驅(qū)動的仿真測試主要是利用大系統(tǒng)輸入輸出進行功能的準確性驗證，從而判斷系統(tǒng)功能完整性。測試用例設(shè)計一般采用等價類劃分法、邊界值分析法、錯誤推測法、因果圖法、判定表驅(qū)動法、正交試驗設(shè)計法和功能圖法等。測試用例包括：基本功能測試用例、邊界值測試用例、狀態(tài)轉(zhuǎn)換測試用例、錯誤猜測測試用例、異常測試用例和壓力測試用例。

(5) 形成自動化測試腳本。依據(jù)測試用例中規(guī)定的測試內(nèi)容和測試方法，制定測試腳本的設(shè)計原則，主要從腳本信息完整性、測試流程清晰度、可重構(gòu)性和可擴展性等方面制定設(shè)計邊界。按照既定的測試腳本關(guān)鍵字，將測試內(nèi)容、測試流程、激勵數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和設(shè)計標準值，按照給定格式進行編制。測試腳本采用可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)編寫，格式統(tǒng)一，按照基于關(guān)鍵字表達式的形式進行設(shè)計，獨立于計算機軟硬件，且可重構(gòu)、可擴展。

(6) 自動化測試系統(tǒng)建設(shè)。自動化測試系統(tǒng)設(shè)計需要考慮綜合試驗的資源協(xié)同、環(huán)境配置、過程控制、組織管理等方面的自動化和智能化程度，初步實現(xiàn)分系統(tǒng)試驗和全機綜合試驗的試驗用例自動執(zhí)行，使大部分的分系統(tǒng)試驗和整機綜合驗證具備自動或半自動的驗證能力，進而提高試驗工作效率，改善試驗人員的協(xié)作方式和工作條件，減少人工操作崗位和人為因素等對試驗的干擾。自動化試驗系統(tǒng)面向全機綜合驗證需求，需要支持分系統(tǒng)自動化試驗和整機綜合自動化試驗需求，覆蓋飛管系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等諸多分系統(tǒng)，參試設(shè)備多、測試信號量大、試驗復(fù)雜度高、試驗需求多樣性強，因此，研制的自動化試驗系統(tǒng)具備以下方面的功能：

① 為環(huán)境內(nèi)的實物設(shè)備、仿真設(shè)備及其激勵設(shè)備提供統(tǒng)一規(guī)范的控制接口定義，并對試驗所需的特定拓撲環(huán)境構(gòu)成進行描述和管理。

② 在全局試驗資源管理的基礎(chǔ)上，支持分系統(tǒng)試驗和整機綜合試驗的測試用例定義和管理，支持測試用例的復(fù)用、封裝和組合等處理需求。

③ 支持試驗驗證過程管理，具備測試用例自動化執(zhí)行、報警和跟蹤等功能，可實現(xiàn)對參試設(shè)備資源的自動化管理。

④ 結(jié)合型號設(shè)計的實際驗證需求，支持多個分系統(tǒng)的同步分立試驗和分系統(tǒng)與整機同時開展的混合試驗等多種試驗需求，具備試驗環(huán)境資源分配與占用檢測等管理需求。

⑤ 自動化試驗系統(tǒng)能夠進行分布式部署，為各分系統(tǒng)和整機的試驗驗證提供實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程控制和可視化顯示。

自動化測試系統(tǒng)及測試腳本如圖7所示。

圖7 自動化測試系統(tǒng)及測試腳本

4 結(jié)束語

采用虛實結(jié)合技術(shù)進行架構(gòu)設(shè)計，建設(shè)由機載設(shè)備、虛擬機載系統(tǒng)、數(shù)字飛機組成的試驗環(huán)境，構(gòu)建基于模型的虛實結(jié)合試驗驗證能力，實現(xiàn)了在真實地面試驗環(huán)境與飛機系統(tǒng)仿真模型結(jié)合的基礎(chǔ)上，實施多機集群出動試驗驗證。在研發(fā)過程中通過對虛實結(jié)合試驗的設(shè)計與實施、對仿真試驗流程的科學(xué)管理、對仿真試驗狀態(tài)的實時監(jiān)控，以及不斷地探索與鉆研，實現(xiàn)了基于模型虛實結(jié)合的仿真試驗技術(shù)研究，積累了跨專業(yè)和跨平臺虛實結(jié)合綜合試驗的經(jīng)驗，為后續(xù)型號和行業(yè)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域仿真試驗驗證的組織規(guī)劃實施及管理奠定了基礎(chǔ)。