王會霞

北京航天自動控制研究所，北京100854

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平行仿真技術研究*

王會霞

北京航天自動控制研究所，北京100854

平行系統(tǒng)理論將復雜空間由物理空間擴展到虛擬空間，用于實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的管理和控制。仿真技術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)、并行計算和云計算等技術的發(fā)展對仿真技術具有巨大的推動作用。本文分析了各種技術推動下的航天仿真技術發(fā)展趨勢。結合平行系統(tǒng)理論對平行仿真技術的特點和組成框架進行了研究和設計。最后給出了導彈武器平行仿真系統(tǒng)的應用。

平行系統(tǒng)；平行仿真； 智能決策；深綠

平行系統(tǒng)的提出基于以下認識：在多數(shù)情況下對復雜系統(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測系統(tǒng)短期行為的模型。由于無法或難以對復雜系統(tǒng)的行為進行解析分析和預測，同時也無法或難以對復雜系統(tǒng)進行實驗研究，多數(shù)情況下只能試探性地對復雜系統(tǒng)進行決策和控制[1]。為此提出平行系統(tǒng)的思想，利用人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的平行執(zhí)行來實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)的管理與控制。

平行系統(tǒng)理論將復雜空間由物理空間擴展到虛擬空間，即由某一個現(xiàn)實系統(tǒng)和對應的一個或多個虛擬的人工平行系統(tǒng)所組成的虛實結合的共同系統(tǒng)。并采用ACP方法利用“復雜空間” 求解復雜系統(tǒng)問題。ACP是指人工社會(Artificial societies)、計算實驗(Computational experiments)和平行執(zhí)行(Parallel execution)。ACP的核心就是把復雜系統(tǒng)“虛”的和“軟”的部分建立起來,通過可定量、可實施的計算化及實時化，使之“硬化”，真正地用于解決實際的復雜問題[2]。因此，對平行系統(tǒng)可以理解為：利用復雜系統(tǒng)、智能科學及建模仿真等理論，構建與實際系統(tǒng)相似和平行的人工系統(tǒng)，采用計算實驗的方法在人工系統(tǒng)中進行各類實驗，同時通過人工系統(tǒng)與實際系統(tǒng)的平行執(zhí)行、演化逼近和反饋控制，對實際復雜系統(tǒng)進行模擬、演化、試驗、分析和控制[3]。

仿真技術在航天型號研制過程中發(fā)揮了重要作用，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計算和云計算等技術的發(fā)展對仿真技術而言具有巨大的推動作用，結合平行系統(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)性能分析與評估及系統(tǒng)級設計方案驗證等需求，為任務的完成提供更多的解決方案，降低風險，縮短研制周期。

1 航天仿真技術

在我國的航天工業(yè)領域，仿真技術已成為開發(fā)研制大型航天運輸系統(tǒng)和復雜武器裝備的重要工具，深入到研制的各個階段。隨著高精度、高可靠性、復雜飛行環(huán)境和可重復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)、并行計算和云計算等技術的發(fā)展為仿真技術的發(fā)展提供了有力支撐，因此仿真技術具有如下發(fā)展趨勢：

1) 從設計方案的驗證向基于仿真的設計發(fā)展

仿真以模型為基礎，引入物理設備、環(huán)境因素和人為因素等其它影響條件，進行大量推演計算以實現(xiàn)仿真目的，它更側重于對方案的驗證而不是系統(tǒng)的優(yōu)化。為了實現(xiàn)基于仿真的設計，需要在仿真系統(tǒng)架構構建、并行算法開發(fā)、高精度快速數(shù)值積分算法、高精度快速符號運算、仿真系統(tǒng)接口互操作、仿真數(shù)據(jù)的自動化后處理和基于仿真結果的控制參數(shù)靈敏度分析等方面開展研究，建設高性能計算平臺以實現(xiàn)多任務分析和優(yōu)化設計。

2) 由程序化向智能化發(fā)展

目前多數(shù)仿真系統(tǒng)的運行都基于事先制定的仿真腳本或者作戰(zhàn)想定，該方式對于瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境而言缺乏一定的適應性和覆蓋性。智能仿真技術根據(jù)情況的變化實時改變決策并執(zhí)行，從而更為全面的驗證作戰(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。采用仿真技術維護狀態(tài)空間圖，并根據(jù)實時作戰(zhàn)變化進行預估變化和預先決策為作戰(zhàn)提供決策支持。相比事先假設的變化，指揮官可以根據(jù)實時作戰(zhàn)變化而做出對應的決策。作戰(zhàn)過程中仿真系統(tǒng)將從指揮控制系統(tǒng)獲取相應信息，及時更新仿真系統(tǒng)中的戰(zhàn)場態(tài)勢和最新作戰(zhàn)目標。通過超實時仿真分析與評估，指揮員不斷匹配、優(yōu)選、調整和補充未來作戰(zhàn)方案，生成多種合理的行動方案。

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)絡和云仿真平臺按需組織各種仿真資源，提供用戶各種建模與仿真服務的一種仿真新模式。仿真云將地理上分散的模型、設備和各類數(shù)據(jù)等仿真資源相互連接。仿真節(jié)點動態(tài)接入仿真云，每個節(jié)點既向云端提供資源和服務，也可以從云端獲取資源和服務。根據(jù)仿真任務的需要定制仿真節(jié)點，實現(xiàn)資源的動態(tài)調配。仿真模式由以前的按照任務需求建立模型、購買設備和搭建仿真系統(tǒng)改為按照任務需求購買仿真服務組成仿真系統(tǒng)。

上述模式的實現(xiàn)涉及到云的構造和使用。仿真云由“云服務”提供商的云和用戶注冊的云構成。該系統(tǒng)將在云仿真平臺對資源的動態(tài)管理下，進行網(wǎng)絡化建模仿真系統(tǒng)的協(xié)同運行，完成“云仿真”[5]。圖2中，左側為目前仿真系統(tǒng)的構成形式，右側為基于云的仿真系統(tǒng)構成。仿真系統(tǒng)的模型、算法和數(shù)據(jù)處理等功能和服務可以從仿真云進行訂購并完成仿真任務。

圖2 仿真云框架

2 平行仿真技術

在復雜系統(tǒng)中，主體通常具有智能性與自適應性，可以按照規(guī)則做出決策，隨時準備根據(jù)接收到的新信息修改自身的行為規(guī)則。對于這樣的復雜系統(tǒng)，很難以嚴格的數(shù)學形式對其進行定義以及定量分析。通過建立仿真系統(tǒng)實現(xiàn)設計、分析、試驗、評估、訓練和維護等無法直接對實際系統(tǒng)進行的工作。仿真系統(tǒng)的重要指標實時性建立在仿真系統(tǒng)與實時系統(tǒng)運行時間的關系之上，不管是并行仿真還是串行仿真，仿真過程都是按時間推演的過程。平行仿真系統(tǒng)(Parallel Simulation System)的不同在于以下2個方面：

1) 人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)平行運行

平行仿真系統(tǒng)中人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)同時運行，人工系統(tǒng)的輸入不是預先設定的仿真想定而是實際系統(tǒng)的實時輸出結果。人工系統(tǒng)除了和實際系統(tǒng)保持同步運行之外，還根據(jù)實際系統(tǒng)的運行情況需要超實時計算得到“未來”可能的運算結果，及時更新人工系統(tǒng)。尤其對長時間運行的系統(tǒng)，對可靠性要求較高，不能終止實際系統(tǒng)的運行而言，例如作戰(zhàn)戰(zhàn)場、在軌飛行器和電力系統(tǒng)等。所以平行系統(tǒng)雖然是平行運行但是需要采用高性能計算實現(xiàn)對未來的預估。

2) 人工系統(tǒng)的運行結果可以直接作用到實際系統(tǒng)

人工系統(tǒng)根據(jù)實際系統(tǒng)可能面臨的變化，通過超實時計算得到運算結果，經(jīng)過在線分析、驗證與評估、智能決策后產(chǎn)生的結果并且作用到實際系統(tǒng)中，提前對系統(tǒng)進行干預。對系統(tǒng)的提前干預包括系統(tǒng)運行中的故障排除、協(xié)同工作中的新任務布置及飛行器運行軌道改變等情況。

平行仿真系統(tǒng)由模型(Model)、計算(Computing)、驗證(Test)和決策(Decision)構成。

模型是對實際系統(tǒng)的抽象，可以是數(shù)學模型、實物及數(shù)據(jù)模型等形式，模型的建立需要經(jīng)過校核與驗證。

計算采用高性能計算技術基于模型實現(xiàn)對仿真算例的實時或超實時快速運算。包括科學計算、工程計算、采用多核及多任務并行計算等方法。實時運算用于保證人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的同步運行，超實時計算實現(xiàn)信息變化更新后的快速計算。

驗證與評估實現(xiàn)虛擬環(huán)境預測，即根據(jù)操作指令和實際系統(tǒng)當前狀態(tài)預測實際系統(tǒng)未來的狀態(tài)，通過讓仿真系統(tǒng)以較實際過程快得多的速度運行，對虛擬環(huán)境進行預示、預演和評估，使得操作員可以對指令序列驗證，增加操作指令的合理性。

決策與學習主要實現(xiàn)在線智能決策，根據(jù)超實時計算、評估結果，生成多種合理的行動方案，經(jīng)過不斷匹配、調整和尋優(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)上用于實現(xiàn)進一步的場景預示，稱之為虛擬執(zhí)行；決策產(chǎn)生的最終方案作用到實際系統(tǒng)上用于改變實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)，稱之為實際執(zhí)行。平行仿真系統(tǒng)感知、計算、驗證、決策以及虛擬執(zhí)行通過不斷迭代達到最優(yōu)方案。

圖3 平行仿真系統(tǒng)

3 平行仿真應用

導彈武器控制系統(tǒng)仿真試驗通過飛行性能仿真對姿態(tài)控制系統(tǒng)、制導系統(tǒng)、導航系統(tǒng)設計方案和性能進行仿真。利用仿真技術，對控制系統(tǒng)施加模擬干擾，分析閉合系統(tǒng)在一定輸入下的動力學響應，分析各系統(tǒng)的性能指標，以評定控制系統(tǒng)的性能。通常用于設計方案驗證、設計方案評價和實物系統(tǒng)故障復現(xiàn)等。當導彈武器研制完成后試驗室的仿真系統(tǒng)不再發(fā)揮作用。

導彈武器平行仿真系統(tǒng)如圖4所示。實物系統(tǒng)為在研或研制完成的導彈武器實物系統(tǒng)，平行試驗系統(tǒng)為試驗室的仿真系統(tǒng)。平行試驗系統(tǒng)根據(jù)實物系統(tǒng)的實時運行結果進行狀態(tài)更新、計算、評估與決策，將結果用于實物系統(tǒng)的反饋控制。導彈武器平行仿真系統(tǒng)可用于作戰(zhàn)性能評估、故障診斷與決策、武器維護與訓練等任務。

平行試驗系統(tǒng)的構成包括：接入網(wǎng)關實現(xiàn)實物系統(tǒng)與平行試驗系統(tǒng)的物理連接。

平行試驗協(xié)同軟件實現(xiàn)2個系統(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)獲取實物系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)；工作協(xié)同指平行系統(tǒng)和實物系統(tǒng)之間的任務規(guī)劃、作業(yè)調度；資源共享指文件、數(shù)據(jù)和設備等資源的共享。

模型包括彈體模型、彈載計算機模型、慣性器件模型和伺服機構模型等，模型的形式可以是數(shù)學模型、虛擬模型和實物模型。

超實時計算引擎完成平行試驗系統(tǒng)的計算任務，當實物系統(tǒng)的運行環(huán)境、單機特性及關鍵參數(shù)等信息有變化時完成平行試驗系統(tǒng)的超實時計算，快速得到仿真結果，以便于信息的評估和智能決策方案的確立。

圖4 導彈武器平行仿真系統(tǒng)

4 結論

平行仿真系統(tǒng)將復雜空間由物理空間擴展到虛擬空間，為管理和控制復雜系統(tǒng)提供了一種新的方法。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、并行計算和云計算等技術的發(fā)展，航天仿真的發(fā)展趨勢為從驗證到設計、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。平行仿真技術則是這種趨勢下的一種體現(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)性能分析與評估、系統(tǒng)級設計方案驗證等需求，從而為任務的完成提供更多的解決方案，降低風險。

[1] 王飛躍.平行系統(tǒng)方法與復雜系統(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)驅動的計算控制方法[J].自動化學報，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)境構建技術[J].系統(tǒng)仿真學報，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.一種基于云計算理念的網(wǎng)絡化建模與仿真平臺—“云仿真平臺” [J].系統(tǒng)仿真學報，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] 畢長劍.大數(shù)據(jù)時代建模與仿真面臨的挑戰(zhàn)[J].計算機仿真，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

*國家自然科學基金(61333008)

2016-05-13

王會霞(1975-)，女，河北人，博士，研究員，主要研究方向為分布式仿真技術、控制系統(tǒng)半實物仿真技術及虛擬試驗技術；王 成(1983-)，男，湖北人，博士，高級工程師，主要研究方向為控制系統(tǒng)仿真及虛擬現(xiàn)實技術；趙 耀(1984-)，男，河北人，碩士，高級工程師，主要研究方向為控制系統(tǒng)仿真。

V448.15

A

1006-3242(2016)06-0064-04