复杂系统实时仿真平台关键技术探讨

柴娟芳,高 文,郝恩义,李艳红,赵吕懿,唐成师

(上海机电工程研究所,上海 201109)

0 引言

随着现代战场环境的复杂化、时变化及干扰的多样化,武器装备复杂程度不断提高,呈现出体系化、智能化、实战化的发展趋势。单枚导弹已无法适应新的作战模式,多体协同作战[1]通过战场数据链将参战装备构成一个作战网络,在网络指控中心调控下,各武器装备间相互通信、信息共享,以取得更高效的整体作战效能;单模制导武器难以适应复杂多变的战场环境,采用2种或2种以上制导传感器的多模复合制导武器充分发挥单模各自优势,取长补短,获取优越的综合性能,从而提升制导精度。因此,多体协同武器、多模复合制导武器等复杂系统是未来战场的主角。

国内复杂系统仿真大多处于数字仿真阶段,难以完全满足多体协同探测制导、多模复合制导控制等关键技术攻关验证的需求。因此,为解决复杂系统全任务剖面验证评估难的问题,迫切需要对复杂系统实时仿真平台技术进行研究,在室内为其提供实时、灵活、通用、易扩展的实时仿真支撑平台,为复杂系统的设计、研制、定型、批产等全生命周期的仿真验证提供重要支撑。

1 国内外研究现状及分析

1.1 国外研究现状及分析

国外研究机构早在20世纪就展开了实时仿真平台的研究与探索,典型有以下几类产品。

1)ADI实时仿真平台

ADI公司是美国较早开展实时仿真平台研究的公司,从专用仿真机时代就推出了AD10,AD100专用实时仿真计算机,获得成功应用[2-3]。进入通用计算机仿真时代后,AD100仿真软件系统ADSIM得到了继承和继续应用,ADSIM 遵循CSSL 标准,是一种面向连续动力系统的仿真建模语言,通过状态空间微分方程建模,使动力学分析和设计过程大大简化。继AD100 之后,ADI 公司推出了基于VME/Power PC架构的AD-RTS 仿真机和基于通用计算机的AD-rt X 仿真机,并配套推出了ADvantage Framework仿真支撑软件系统。由于ADSIM建模语言专用性,其应用逐步萎缩,后采用目前主流的Matlab/Simulink建模工具。

2)dSPACE实时仿真平台

dSPACE实时仿真平台[4]由德国dSPACE 公司开发,是在Matlab/Simulink的基础上进行设计并应用于控制系统研究与开发的软硬件工作平台。该平台通过实时接口(RTI)实现了与Matlab/Simulink的无缝连接,采用了具有高速数据处理与计算能力的dSPACE硬件处理器,配备了丰富的I/O 接口,可组成不同规模及种类的应用系统。软件环境具有强大功能及方便使用的整套体系,包括算法代码生成、实验与调试、产品代码生成和标定等软件。

3)RT-LAB实时仿真平台

RT-LAB实时仿真平台[5-8]是加拿大Opal-RT Technologies公司推出的一种基于模型的工程设计应用平台,实现工程项目设计、实时仿真、原型与硬件快速在回路测试。它采用并行及分布式计算技术,相比传统仿真机提升了运行计算能力,减少了仿真时间,且运算性能强大,可完成大规模电力系统和大量电力电子器件的实时仿真。它集成Matlab/Simulink和MATRIXx/SystemBuild,并采用一系列算法对模型运行优化以利于实时运行。该平台上位机安装Windows操作系统,利用Matlab/Simulink和RT-LAB软件完成仿真建模、在线调参及信号监控等;下位机上安装REDHAT Linux实时操作系统,完成模型的分布式实时运算;上位机和下位机之间利用UDP/IP协议进行通信。

4)iHawk实时仿真平台

美国并行计算机公司研制开发的i Hawk实时仿真工作平台[9-10]是基于ConCurrent Red Hawk实时Linux操作系统,提供了强大的模型解算能力和IO 处理能力。平台上运行的实时操作系统提供独特的处理器屏蔽和进程绑定功能,使得系统可通过Simulation Workbench 仿真框架平台任意将不同任务分配到不同的处理器/核上运行,而通过处理器屏蔽可实现指定任务的强实时功能,Matlab/Simulink模型可无缝集成进仿真环境中。同时,仿真平台支持多种总线信号和IO 通道信号,扩展性较强。

5)Labview-RT 实时仿真平台

美国NI公司于20世纪80年代中期提出了虚拟仪器的概念,并推出了一个图形化建模开发平台Labview。为了满足测控领域中日益增多的实时性需求,NI公司在Labview 平台的基础上增加了Real Time(RT)组件形成了Labview-RT 实时组件[11-12]。Labview-RT 以其开发界面良好在半实物仿真系统上得到了广泛运用。但是,其在仿真建模和模型驱动方面略显不足。此外,Labview-RT 平台的各种数据采集卡都是采用美国NI公司提供的专用板卡,软硬件平台的通用性及可扩展性不够好。

表1从硬件架构、软件系统、建模工具等方面对比了国外几种典型的实时仿真平台。综合分析可知,国外实时仿真平台在计算能力、实时性能、通信能力、功耗、可靠性、产品集成度、成熟度等方面具有明显优势,通常具有较高性能的硬件设备和开放式架构,较高效的仿真建模和仿真运行控制环境,主要表现在系统的开放性和可扩展性良好、运算功能较强、接口功能丰富、模型开发工具丰富、运行监控特性突出等。但国外这些平台产品大多以Matlab/Simulink建模为主体结构,用于国内航空航天装备研制的复杂系统分布式实时仿真领域,其灵活性和适用性稍显不足,维护成本高,二次开发困难,价格昂贵。

表1 国外实时仿真平台对比Tab.1 Comparison of foreign real-time simulation platform

1.2 国内研究现状及分析

国内基于高速发展的通用计算机技术,开展实时仿真平台技术研究和工程应用实践多年,取得了许多重要成果。

1)HY-RTSIII实时仿真平台[13]

HY-RTSIII实时仿真平台由北京机电工程研究所在“十一五”期间研制。该平台针对飞行器研制全生命周期为用户提供通用、开放的仿真平台和安全、可靠的仿真环境,适用于卫星姿态控制加载仿真、制导武器仿真、无人机仿真、水下航行器仿真及其他领域的控制仿真。其具有开放性的体系结构、强大的实时仿真运算功能、具有自主知识产权的高速实时光纤网络、高性能的实时I/O 接口、提供图形化、模块化、参数化的通用仿真建模工具等特点。

2)实时一体化仿真平台[13]

实时一体化仿真平台是由北京机电工程研究所在“十二五”期间研制。该平台由实时仿真模型开发及控制系统、仿真模型实时解算系统、仿真实时可视化系统、仿真数据库系统、仿真状态监控系统、高精度时钟同步装置、以太网交换机、实时网络交换机和通用信号接口装置组成。平台提供高性能强实时仿真运行环境,提供4个以上的高精度同步时钟源,具备通用建模功能,提供图形化建模开发环境;支持基于数据库的面向对象的模型类的管理和重用;具备光纤网、并口、串口、1553B 等常见接口实时通讯能力。

3)YH-Astar高性能实时仿真平台[14-17]

YH-Astar是国防科技大学计算机学院所研制的高性能实时仿真平台。该平台以一体化建模仿真软件YH-SIMLIB为核心,以通用计算机、Windows操作系统和专用I/O 系统为基础。其硬件结构采用通用计算机和COTS接口,通用性、扩展性较好。仿真计算机采用Intel系列处理器以及并行数据接口,提供多种外部接口方式,在模型构建上兼容YFSIM 与ADSIM 语言。基于通用计算机实时仿真平台的研制,促进了实时仿真技术的发展,为并行分布实时仿真技术的发展提供了技术支撑。

4)KD-DRT 分布实时仿真平台[18-20]

KD-DRT 是国防科技大学仿真工程研究所研制的多机并行分布实时仿真平台,提供支持多个计算机节点的实时并行仿真运行的能力,既能仿效集群计算机支持计算密集型的复杂模型的快速计算,也能支持I/O 密集型的多计算机系统的半实物仿真应用集成,同时基于数据库、分布实时仿真引擎、实时时间同步等模块能实现分布实时仿真试验的配置和运行管理,极大提高仿真效率和便捷性。KD-DRT舍弃了传统实时仿真的主副双机结构,直接采用分布实时体系结构,支持仿真节点数的扩展和仿真模型在节点间的灵活迁移。

5)导弹武器系统综合仿真试验平台[21-24]

导弹武器系统综合仿真试验平台是上海机电工程研究所在“十二五”期间研制。该平台采用异地异构联合仿真体系结构,基于DDS的通信机制和GPS授时的时间同步技术,通过层次化的管理结构将数字仿真、半实物仿真等有机集成,组成了一体化综合仿真试验平台,具备武器系统多层次、分布、异构和不同实时性约束的联合仿真能力。该平台具备稳定的帧时间控制和独立时钟驱动管理,提供丰富的I/O接口数据记录显示和事后分析工具、仿真试验管理配置、仿真运行在线监控等。

综上所述,国内实时仿真平台相比国外起步较晚,现有平台在通用性、适配性、可靠性等方面与国外相比差距较大;复杂系统实时仿真面临着仿真实体规模大、仿真模型复杂且种类多、仿真模式多样化、实时性控制要求高、数据交互量大且错综复杂、仿真计算存储能力要求高、接口异构且种类多等问题,因此急切需要设计一种适用于复杂系统的实时仿真新平台,进一步提升平台架构通用性、适配性、可扩展性,提升平台实时性控制性能及数据通信能力,提升I/O 集成交互的异构能力和通用化程度等,以满足复杂系统研制全任务剖面实时仿真验证评估的需求。

2 复杂系统实时仿真平台解决方案

复杂系统实时仿真平台一般由操作系统、硬件及接口、开发平台、应用软件等组成,系统解决方案如图1所示。它是一种面向复杂装备实时仿真应用的通用化、标准化、友好化的支撑平台,通过建立集“操作系统、开发平台、系统架构、应用软件、硬件接口”为一体的实时仿真平台通用框架,具有集仿真模型开发、实时运行与在线监控的通用集成环境,根据全局统一物理时钟,利用高速网络通信装置和智能I/O 设备实现海量信息的高速通信与各类接口的智能交互,并提供仿真分析与结果评估工具。

图1 复杂系统实时仿真平台解决方案Fig.1 System solutions of complex system real-time simulation platform

复杂系统实时仿真平台以高速以太网和高速光纤网的双网结构作为通信主干线,采用实时仿真中“前端机+目标机”的通用结构实现。以各类计算机、高速以太网为硬件基础,基于Windows/Linux操作系统和VC/QT/MySql/Matlab 等开发平台,开发可视化建模、资源管理、在线监控、仿真配置和仿真评估等应用软件,进行前端机的开发;同时以各类总线工控机、高速实时通信装置、智能接口交互设备、高精度时钟同步装置、同步I/O 卡等为硬件基础,基于RTX/Vx Works/实时Linux等实时操作系统和Workbench/GCC/GNU 开发平台,开发接口适配、数据采集记录、模型实时仿真等应用软件,进行目标机的开发。构建出不同实时性约束的系统框架,具备集资源管理、可视化建模、组态化运行、实时仿真控制、仿真过程在线监控、接口适配、实时网络通信和智能I/O 交互等功能,支持多体协同多模复合制导等复杂系统的仿真应用。

3 复杂系统实时仿真平台的关键技术

3.1 实时仿真平台通用架构

复杂系统实时仿真包括苛刻实时性要求的信号生成,也包括强实时性要求的模型计算,还包括弱实时性要求的指令下达及对实时性要求不高的人机交互、仿真可视化等功能。这种对实时性要求的多样性和苛刻性不仅是复杂系统实时仿真平台的本质特性,而且也是系统技术设计和实现的难点和关键。鉴于仿真实时性的不同约束条件,提出了“四层双网”的实时仿真平台体系架构,如图2所示。其中,“四层”是指非实时层、弱实时层、强实时层、苛刻实时层。非实时层用于和时间约束无关的离线处理,包括资源配置、模型开发、数据分析评估、模型库/数据库管理等;弱实时层用于实时性能要求不高的部分,包括仿真管理与控制、数据记录、仿真显示、弱实时模型、弱实时接口等;强实时层用于实时仿真实时性严格约束的部分,包括模型实时计算、仿真时序控制、飞行姿态模拟控制、目标/干扰/环境模拟控制、仿真设备接口控制等,该层也是复杂系统实时仿真的主体;苛刻实时层用于实时仿真中和目标、干扰信号生成相关的部分,如雷达射频信号生成、红外成像信号生成、引信回波信号生成等。“双网”是指以太网和高速实时通信网。以太网主要传输实时性要求不太高的数据和命令,高速实时通信网主要传输实时性要求高的数据和命令。

图2 复杂系统实时仿真平台结构Fig.2 Complex system real-time simulation platform structure

3.2 实时仿真时钟同步

时钟同步为各实时仿真节点提供一个统一的高精度、高稳定的物理时钟源,确保各仿真节点时间同步,确保数据通信和交互满足实时性约束要求。它是复杂系统实时仿真平台的心脏,难点在于不同实时性要求的层内节点间及层间时钟存在同步问题。为解决这些问题,采用了高精度网络对时协议和高速反射内存网,设计了基于GPS/北斗授时的高精度时钟同步装置,为各节点提供高精度的统一的时钟信息,如图3所示。由图可见：时钟服务器通过二合一天线将北斗和GPS 报文信息进行融合,输出1脉冲/秒的信号,并将处理后的时钟信息以IEEE 1588v2的时钟对时协议通过网口经专用PTP 交换机传输至PCIe时频卡;PCIe时钟卡将时钟信息解析,计算网络传输延迟输出1 pulse/s和UTC时间;同时PCIe时钟板卡输出高精度中断信号,最终实现每1 ms向多个实时仿真节点发送反射内存中断和UTC时间信息,从而完成对各仿真节点的时间同步。

图3 高精度时钟同步装置Fig.3 High-precision clock synchronization device

3.3 实时仿真智能适配

复杂系统实时仿真需要实现分布在不同地域仿真资源的互联、互通、互操作,以及各类资源的可重用和快速接入。为保证实时性和通信速率,不同实时仿真节点一般通过光纤交换机进行组网通信。然而,现有各仿真系统执行相同功能的节点被赋予了相同的节点号及相同的数据存储地址和空间,若将多套仿真系统只通过光纤交换机简单联通,会出现数据存储地址和节点号冲突、多终端同时响应中断、重新分配地址节点工作量大且通用性不强等问题。为此,采用实时仿真智能适配技术用于各异构实时仿真系统的数据交互和协议转换,实现各异构实时仿真子系统互联的同时实现不同仿真子系统间控制命令与数据的隔离。

图4给出了“工控机+多反射内存卡”的实时仿真智能适配方案,各反射内存卡分别连接一套实时仿真系统,同时制定其软件工作基本流程,在反射内存网协议中增加适配器地址段,制定以命令字、指令字等控制信息为依据的基本命令及数据传输协议。

图4 实时仿真智能适配装置示意图Fig.4 Real-time simulation intelligent adaptation device

3.4 超高速网络通信与智能I/O 交互

超高速网络通信可实现多个实时仿真系统间、节点间海量数据远距离、低延迟、高速率的传输,它是复杂系统实时仿真平台数据实时传输的保证。其技术难点在于：1)现有反射内存网传输速率为2.1 Gbit/s,在当前星型物理拓扑结构上无法满足更高速的数据传输需求;2)大量低重用率数据在通信主干网交互会影响数据通信速率,造成板载内存溢出,导致主干网数据拥塞。基于Rapid IO 技术研制的超高速网络通信装置,可以有效解决上述问题。该装置已实现以下功能：基于工业标准SRIO 传输协议,传输速率最高可达20 Gbit/s;支持40 G QSFP或10 G SFP接口模块,支持单/多模光纤;提供8/12端口SRIO 交换机,端口支持QSFP/SFP,可远程控制;支持PCI-e,XMC,PXI-e接口,可应用于VME、VPX 工控机、工作站/服务器等。

智能I/O 交互能适配仿真设备(或产品)I/O 中的模拟量、开关量、CAN、RS422 等接口,实现将各种类型I/O 数据通过实时通信网与仿真模型交互。其技术难点为：1)如何适应多种设备接口卡的总线类型;2)如何根据设备布置和设备I/O 总线类型灵活配置设备接口机类型和数量。本文提出的智能I/O 交互装置采用异构、分布、多机的接口控制结构,设计分布实时仿真引擎及适配器,该装置已实现以下功能：兼容支持Vx Works,Linux等操作系统;兼容支持PCI,PCIE 等多种常用总线工控机;支持不同总线多目标机同时运行;自适应完成各种模拟量、开关量、1553B、CAN、RS422、LVDS等常用板卡的驱动与配置。

4 复杂系统实时仿真平台的典型应用

复杂系统实时仿真试验系统如图5所示。由图可见：该系统主要由指控中心、分仿真系统等组成。在高精度时钟同步装置全局统一授时下,由指控中心统一调度,制定仿真流程,通过实时仿真智能适配装置将仿真控制指令及数据解耦合后发送到各分仿真系统,各分仿真系统接收到指令和数据后控制仿真设备开始实时仿真;同时通过智能IO 交互设备实现仿真系统与被试产品间的信息和数据实时异构交互,并实时传回指控中心;通过超高速网络通信装置实现点对点的低重用率、海量数据的传输。试验过程中,指控中心全程实时监控仿真运行情况、评估各系统仿真结果。

图5 多体协同制导仿真试验系统示意图Fig.5 Multi-body collaborative guidance simulation test system

1)基于复杂系统实时仿真平台将多套半实物仿真系统构建成多体协同制导半实物仿真系统应用于多体协同制导仿真,仿真系统之间传递指令和数据信息,实现飞行器与飞行器、飞行器与预警系统等信息的实时传递及指控大回路闭环,采用高精度时钟同步装置和实时仿真智能适配装置解决多体协同时空一致、数据链实时交互等问题。

2)基于复杂系统实时仿真平台将多套半实物仿真系统构建成多模复合制导半实物仿真系统应用于多模复合制导仿真,仿真系统之间解决实时传递制导信息的问题,以实现复合导引头之间的信息实时传递及小回路闭环,采用实时仿真智能适配装置、高精度时钟同步装置、智能IO 交互装置,解决复合导引头数据融合、时空一致、异构接口实时交互等问题。

3)基于复杂系统实时仿真平台将多套半实物仿真系统构建成多部件组合(如导引头、惯性测量装置、引信等)联合仿真系统,用于不同组件一体化联合设计的仿真验证,采用智能IO 交互装置、高精度时钟同步装置等解决多部件异构接口的数据交互与长线实时传输、时空一致等问题。

另外,红外成像或射频合成孔径雷达(SAR)成像仿真时,其图像产生节点和实时驱动节点间需要海量数据实时传输,采用超高速网络通信装置解决低重用率、海量数据的传输而不影响主干网通信。

复杂系统实时仿真平台除了可应用到武器领域多体协同制导仿真、多模复合制导仿真、多部件组合全链路实时仿真等方面之外,还可应用于无人机群作战仿真、舰艇编队作战仿真、空袭编队作战仿真等航空航天领域,具有较好的通用性、适配性和可扩展性。

5 结论

本文在分析国内外实时仿真平台研究现状的基础上,结合复杂系统的实时仿真需求和特点,提出了一种新的适用于复杂系统的实时仿真平台解决方案,详细论述了平台关键技术的具体实施途径,结合典型案例证明了所提出的复杂系统实时仿真平台具有较好的通用性、适配性和可扩展性,可以给复杂系统实时仿真技术的发展和应用提供有益借鉴。该平台除了进一步追求控制实时性、数据传输高速可靠、交互智能适配之外,还需在仿真建模、高效评估、实时在线监控等方面进行进一步研究,提升仿真建模的高效性,丰富仿真建模的多样性,加强实时仿真评估的有效性和实用性,提升平台实时在线监控的有效性和可视化水平。