试验床技术概念体系与框架研究

谢连宝， 林 琪

（1.装备学院 研究生管理大队，北京101406； 2.装备学院 航天指挥系，北京101406）

很多关键技术的攻关都是耗资巨大、非常复杂的系统工程，比如空间操控技术等，采用什么方法对这些复杂的关键技术攻关成果进行集成演示、效能评估、总体设计指标验证等，是必须考虑的重要问题。基于试验床，完成和优化仿真系统的设计和研制，进行各种作战环境下的流程仿真，通过仿真的形式对设计结果快速验证，通过抽象关键技术、模拟真实条件、弱化次要约束等一系列措施，可以降低技术难度与投资成本，缩短研制周期，打破传统的技术研发模式所面临的困境，体现了未来技术发展的必然趋势。因此深入研究试验床对促进新技术的发展具有重要意义。试验床技术［1－4］，其本质是针对具有共同特性的一系列飞行器构筑的通用技术研究平台，以快速实现重点、难点技术突破的技术。在很多领域，试验床是指能模拟实际环境进行大量测试的开发环境，通过将技术试验与技术应用结合起来，打破传统的技术研发模式所面临的困境，表现出了巨大潜力，也体现了未来技术发展的必然趋势，试验床技术越来越受到各国的重视。

1 试验床技术的提出

试验床技术兴起源于技术发展的需要。20世纪以来，新技术革命促进了技术的迅速发展，然而技术发展所付出的技术代价也在不断增加，包括资金、人力、物力和研制周期等，如何既能保证技术的快速发展不受制约，又能降低技术代价已成为世界各国关注的热点问题。此外，某些武器试验已很难做到全系统、全过程、全物理环境下的真实验证试验，如核爆试验，未来的全球打击和空间攻防对抗武器、网络电磁空间武器及其防护手段有效性的评估等。正是在这种技术发展的客观需求下，催生了试验床技术，它的出现为解决这一系列问题创造了可能。在20世纪80年代美国实施“星球大战”计划时，就专门为动能武器和激光武器建立了试验床（如动能拦截器（kinetic kill vehicle，KKV）悬浮试验床）。随着技术的发展，试验床已广泛应用于新技术开发和武器装备研制中，贯穿于武器研制概念论证、技术攻关、系统集成和演示验证等各个阶段，取得了显著效果。国外试验床种类繁多、用途各异，表1总结了国外几种典型试验床［5－8］。

以快速机动空间试验床为例，FAST项目的目标是研发一种重量轻、发电功率高、具有高机动性的航天器试验床。FAST项目的开展，就是希望通过关键技术突破，加强航天器平台在轨维持能力、机动能力以及空间态势感知能力。为实现FAST项目的预期目标，设想了2个阶段的发展计划。一是地面试验床的设计与组装，高功率发电系 统（high－power generation system，HPGS）的性能仿真，实现对太阳能能源集中器、高效电源转换设备、太阳的定位与跟踪等关键技术的突破。二是制造并组装2个HPGS地面试验床，在模拟空间环境的条件下，进行性能测试与演示验证。由于FAST具有较强的能源供应能力，因此，可以搭载大型雷达设备与通讯设备，强化航天器空间态势感知能力与预警能力，具有很强的战略意义。

综上，试验床广泛应用于空间研发领域、新技术开发和武器系统研制，贯穿了概念论证、关键技术攻关、系统集成演示验证等各个阶段，是一个为了设计、分析和大规模多技术系统的虚拟样机制造的软件环境，使复杂系统能快速建模、仿真和虚拟原型。试验床技术包含了仿真平台、模型集成与协同仿真等相关内容［9－13］。仿真平台是本质属性，模型集成是基本任务要求、应具备的基本功能，协同仿真是最初的原则依据。试验床技术与它们之间的区别在于实现了试验平台与应用平台的一体化。

我国试验床技术的研究从“十五”开始，已开展了试验床的先期研究，所构建的试验床在技术上已有一些储备，但由于缺乏顶层规划，应用领域有限，发展力度还远远不够，试验床技术在我国有着很大的发展空间和应用前景。

2 试验床概念体系研究

试验床的概念包含仿真平台、模型集成与协同仿真等技术的相关内容。

2.1 试验床概念间关系

概念依存于概念结构的网络，彼此之间存在着各种不同形式的联系。正是基于这些关系，才有可能把试验床的全部概念组成一个概念体系。概念间的关系分为层级关系和非层级关系。层级关系体现的是范畴层次关系，包括种属关系和整体－部分关系2种类型。种属关系是指下位概念（种）是上位概念（属）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，至少还有一个区别于同一抽象层面的其他下位概念的独特特征。种属概念顺序形成纵向序列，而一组并列排在同一层次上的概念，则组成横向序列。

在上位概念表示整体，而下位概念表示该整体组成部分的情况下，就存在整体－部分关系。这些部分合起来就构成整体。在整体－部分关系中的上位概念称作整体概念，而下位概念称作部分概念。整体－部分关系也可以用垂直和水平的系列来表示。图1所示为“仿真平台”的种属关系和整体－部分关系。

图1 仿真平台等级结构

非层级关系也反映了客体之间的某些关系，例如可凭借经验在概念之间建立主题联系时，就存在联想关系，联想关系又称主题关系或实用关系。

模型集成、虚拟原型、仿真平台3种技术与试验床之间存在主题关系。仿真平台通过综合集成技术实现多仿真平台的集成，信息的交互，体现试验床多平台、多形式、互操作性等特点；虚拟原型技术通过提高用户对需求的理解，加快了多平台仿真模型的设计进程及简化调试，降低与系统设计相关的风险，体现试验床的低成本、研制周期短的原则。其关系如图2所示。

图2 概念主题关系

概念的层级关系有助于概念的抽象和划分，这种抽象过程可由下向上不断进行，从而建立一个多层次的垂直概念体系，其中的每一个层次称为抽象层面。而概念的非层级关系的形成是基于人们经验中的多种意象图式。

2.2 试验床概念体系建立

试验床概念体系的建立是以弄清复杂系统仿真领域各专业知识结构和基本知识点的基本概念及其彼此间的关系为基础的。试验床概念体系是由一组相关的仿真系统概念构成，如图3所示。仿真系统概念组成了以概念间的关系为基础的协调一致的试验床概念体系。每个概念在体系中都占据一个确切的位置，这个唯一位置应由内涵（即组成概念的唯一的特征集合）和概念外延所确定。每个概念不能随意变动，否则就会破坏整个概念体系，造成概念混乱。理想的概念体系应该层次分明，结构合理，正确反映客观事物，便于下定义和规范指称，也便于协调和容纳不同语言的相应术语体系。概念体系一般以种属关系为主架，在个别地方辅以整体－部分关系和主题关系等。

图3 试验床概念体系

3 试验床结构框架研究

试验床框架主要提供一个协同计算环境，建成促进不同仿真程序和其他非仿真支持软件一起综合执行的体系结构，解决关于不同硬件平台，不同构件和不同软件组件之间的协同问题。主要解决4个方面问题：

1）构建何种支持现有模型和模型技术重用的开放结构；

2）如何做到系统与主流设计、分析软件及已有研究成果的无缝集成；

3）如何对已有系统或待建系统作进一步地扩展；

4）如何实现促进不同仿真程序和其他非仿真支持软件一起综合执行。

由此试验床的结构框架主要包含试验系统的开发环境，分布式资源库和运行支撑环境3个方面。

开发环境支持系统构造阶段的各类活动，开发阶段生成的各类数据／信息／模型将提交给分布式资源库来管理；分布式资源库管理分布虚拟试验环境中涉及的大量数据信息，是运行支撑环境的强大支持系统；运行支撑环境主要解决各应用子系统在运行阶段的试验推进、时间管理和数据交互等问题。由此一般的试验床架构由集成用户接口，决策者用户接口，集成系统，仿真系统，模型功能管理，模型库管理，数据库系统和文件存储系统组成，如图4所示。

图4 试验床结构框架

集成用户接口提供模型转化到试验床的能力，决策者用户接口是仿真接口，支持试验床中被控集成模型的执行和脚本发展，仿真系统通过脚本运行集成模型。模型功能管理为不同的事务提供事件逻辑，模型库管理提供库的发展和管理（恢复、保存、构造），数据库系统用于存储模型及其细节，文件存储系统用合适的方案存储模型和它的细节。

3.1 开发环境

试验床的开发环境主要支持以下3个阶段的活动：

1）分析待建系统。开发环境的首要任务就是使用一定的方法（如面向对象、面向过程或基于组件的思想），按照一定的原则，将复杂系统进行一定程度的分解，定义成功能、接口明确的子模块；并定义各子模块的功能、输入／输出，以及模块之间的相互依赖关系等属性，为系统的建模工作做好准备。

2）系统构建。根据前一阶段的分析，用一定的方法和结构来完成系统的构建。为使试验床能适用于不同规模的仿真试验和便于进一步地集成与扩展，对系统体系结构的灵活性提出了严格要求。体系结构的灵活性是通过可重用的软件组件体现的，组件之间的耦合关系是一个重要的方面，组件之间的耦合性越小，系统就越灵活。另外，系统体系结构还须支持可扩展性、鲁棒性、集成性和互操作性。

3）模型开发与集成。这里所说的模型是指数字化模型。它是仿真试验的一个重要组成部分，包括2大类：一是仿真实体模型，比如飞机、导弹等，不但包括仿真对象的几何特征数据，还包括相应的物理特征数据、算法以及控制方法等。这一类模型通常也称为虚拟样机，相应的建模工具有Catia、UG、Nastran、LMS的Virtual.lab等［14］。二是环境和目标模型，比如大规模地形模型、典型环境三维模型、典型武器系统几何实体模型、典型目标三维实体模型等，系统不关注它们的物理特征，只关心它们的几何特征。对于这一类模型的创建，一是基于商用软件的人工创建，二是利用一些数字化手段，从原始模型直接得到物体的几何表示。

3.2 分布式资源库

分布式资源库有2种组织结构：层次结构与对等结构。层次结构是由不同级别的资源节点组织而成的，物理资源存放在下级资源中心，下级资源中心到上级资源中心注册并同步资源描述信息，用户可在上级资源中心检索到该节点范围内所有下级资源中心的资源信息。对等结构是指各个资源节点不分级别，都是对等的、独立的系统。用户向某一节点提交查询请求时，该节点中如果没有相关资源，就把请求发送给所有与之相连的其他节点，其他节点收到请求后在自己资源库中进行查询，并把查询结果返回给发出请求的节点。鉴于集中式存储管理难度大，以及对等结构的资源库容易造成网络流量负载过重等局限，可采用资源的分布式存储和层次结构管理，通过建立资源目录中心，对分布存储的资源节点进行集中统一管理，实现分布式资源的快速检索，并采用数据分发服务（data distribution service，DDS）技术［15］解决资源目录中心和分布式资源库节点之间信息的交互问题。

3.3 运行支撑环境

运行支撑环境是核心，提供试验床运行时的共用方法和共享资源，具有通信管理、数据管理、时间管理及相关的公共服务能力，并且可提供试验过程的推进方法和管理、试验过程描述，使得实验过程可借助这个运行支撑环境来进行。如图5所示，本文提出以DDS为中间件，并结合人机交互技术、语言翻译技术、组件技术和时间管理等技术开发构建试验床运行支撑环境。

基于DDS中间件技术。通过DDS技术可将各试验应用产生的数据在网络上进行实时的传输，根据试验应用对数据的需求不同，将数据按照各自的来源和目的地进行传递，有效解决服务器瓶颈和单点失效的问题，实现试验应用和底层支撑服务以及试验应用之间的数据双向传递以及消息消费者的异步通信，可靠性得到保证。

图5 试验床运行支撑环境

人机交互技术。友好的人机交互能力使人能够进入仿真回路中，体现人在仿真系统的决策作用，进一步增强试验床的实时控制、实时处理和实时响应能力。

语言翻译技术。由于不同的仿真模型要由不同开发团队，不同仿真软件开发完成，各个模型的语言自然不同，为了保证所有模型的可用，以及试验床的可扩展性要求，必须要有统一的标准进行模型翻译，在模型库中引用的每个模型都要执行此操作。

组件技术。基于组件的技术，可以将大量已有的模型抽象并设计实现成一个个可重用的组件，避免开发过程中重复劳动，提高系统开发的效率，缩短系统集成周期，提高系统的质量。

时间管理。在消息传递方面可以应用DDS提供的QoS（quality of service）服务策略在数据包中加上时戳，订购方根据时戳完成数据排序，保证数据时序的正确性；在时间推进方面可以根据具体实际情况采用全局信号同步推进、统一时钟同步推进、统一时钟异步推进和非受控异步推进等方式。

另外试验床的运行支撑环境负责完成仿真试验初始配置，设置初始想定剧情，启动和结束仿真。保证实施仿真过程的顺利进行，通过对仿真系统中的仿真成员进行控制，使各个仿真成员在统一的管理下，协调一致地完成仿真模型计算和仿真数据交互。

4 结 束 语

试验床技术作为技术突破的重要手段，展现出了无限生机，技术试验与应用的平台一体化也必将成为未来试验床技术发展的趋势。另外试验床开发周期长、投资规模大，动辄数年、十几年，甚至几十年（如X－33／X－37飞行试验床），投资一般为数千万至数亿美元不等。为减少开发风险，可以在加强总体规划与设计的基础上，采用边开发边应用边完善的发展思路。但是由于国内外试验床领域资料尚不充足，试验床概念体系和结构框架研究还很匮乏，有待进一步研究和深入。

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