柴娟芳,高 文,郝恩義,李艷紅,趙呂懿,唐成師

(上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化、時變化及干擾的多樣化,武器裝備復(fù)雜程度不斷提高,呈現(xiàn)出體系化、智能化、實(shí)戰(zhàn)化的發(fā)展趨勢。單枚導(dǎo)彈已無法適應(yīng)新的作戰(zhàn)模式,多體協(xié)同作戰(zhàn)[1]通過戰(zhàn)場數(shù)據(jù)鏈將參戰(zhàn)裝備構(gòu)成一個作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)指控中心調(diào)控下,各武器裝備間相互通信、信息共享,以取得更高效的整體作戰(zhàn)效能;單模制導(dǎo)武器難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境,采用2種或2種以上制導(dǎo)傳感器的多模復(fù)合制導(dǎo)武器充分發(fā)揮單模各自優(yōu)勢,取長補(bǔ)短,獲取優(yōu)越的綜合性能,從而提升制導(dǎo)精度。因此,多體協(xié)同武器、多模復(fù)合制導(dǎo)武器等復(fù)雜系統(tǒng)是未來戰(zhàn)場的主角。

國內(nèi)復(fù)雜系統(tǒng)仿真大多處于數(shù)字仿真階段,難以完全滿足多體協(xié)同探測制導(dǎo)、多模復(fù)合制導(dǎo)控制等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)驗(yàn)證的需求。因此,為解決復(fù)雜系統(tǒng)全任務(wù)剖面驗(yàn)證評估難的問題,迫切需要對復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺技術(shù)進(jìn)行研究,在室內(nèi)為其提供實(shí)時、靈活、通用、易擴(kuò)展的實(shí)時仿真支撐平臺,為復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制、定型、批產(chǎn)等全生命周期的仿真驗(yàn)證提供重要支撐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀及分析

國外研究機(jī)構(gòu)早在20世紀(jì)就展開了實(shí)時仿真平臺的研究與探索,典型有以下幾類產(chǎn)品。

1)ADI實(shí)時仿真平臺

ADI公司是美國較早開展實(shí)時仿真平臺研究的公司,從專用仿真機(jī)時代就推出了AD10,AD100專用實(shí)時仿真計(jì)算機(jī),獲得成功應(yīng)用[2-3]。進(jìn)入通用計(jì)算機(jī)仿真時代后,AD100仿真軟件系統(tǒng)ADSIM得到了繼承和繼續(xù)應(yīng)用,ADSIM 遵循CSSL 標(biāo)準(zhǔn),是一種面向連續(xù)動力系統(tǒng)的仿真建模語言,通過狀態(tài)空間微分方程建模,使動力學(xué)分析和設(shè)計(jì)過程大大簡化。繼AD100 之后,ADI 公司推出了基于VME/Power PC架構(gòu)的AD-RTS 仿真機(jī)和基于通用計(jì)算機(jī)的AD-rt X 仿真機(jī),并配套推出了ADvantage Framework仿真支撐軟件系統(tǒng)。由于ADSIM建模語言專用性,其應(yīng)用逐步萎縮,后采用目前主流的Matlab/Simulink建模工具。

2)dSPACE實(shí)時仿真平臺

dSPACE實(shí)時仿真平臺[4]由德國dSPACE 公司開發(fā),是在Matlab/Simulink的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用于控制系統(tǒng)研究與開發(fā)的軟硬件工作平臺。該平臺通過實(shí)時接口(RTI)實(shí)現(xiàn)了與Matlab/Simulink的無縫連接,采用了具有高速數(shù)據(jù)處理與計(jì)算能力的dSPACE硬件處理器,配備了豐富的I/O 接口,可組成不同規(guī)模及種類的應(yīng)用系統(tǒng)。軟件環(huán)境具有強(qiáng)大功能及方便使用的整套體系,包括算法代碼生成、實(shí)驗(yàn)與調(diào)試、產(chǎn)品代碼生成和標(biāo)定等軟件。

3)RT-LAB實(shí)時仿真平臺

RT-LAB實(shí)時仿真平臺[5-8]是加拿大Opal-RT Technologies公司推出的一種基于模型的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺,實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)時仿真、原型與硬件快速在回路測試。它采用并行及分布式計(jì)算技術(shù),相比傳統(tǒng)仿真機(jī)提升了運(yùn)行計(jì)算能力,減少了仿真時間,且運(yùn)算性能強(qiáng)大,可完成大規(guī)模電力系統(tǒng)和大量電力電子器件的實(shí)時仿真。它集成Matlab/Simulink和MATRIXx/SystemBuild,并采用一系列算法對模型運(yùn)行優(yōu)化以利于實(shí)時運(yùn)行。該平臺上位機(jī)安裝Windows操作系統(tǒng),利用Matlab/Simulink和RT-LAB軟件完成仿真建模、在線調(diào)參及信號監(jiān)控等;下位機(jī)上安裝REDHAT Linux實(shí)時操作系統(tǒng),完成模型的分布式實(shí)時運(yùn)算;上位機(jī)和下位機(jī)之間利用UDP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

4)iHawk實(shí)時仿真平臺

美國并行計(jì)算機(jī)公司研制開發(fā)的i Hawk實(shí)時仿真工作平臺[9-10]是基于ConCurrent Red Hawk實(shí)時Linux操作系統(tǒng),提供了強(qiáng)大的模型解算能力和IO 處理能力。平臺上運(yùn)行的實(shí)時操作系統(tǒng)提供獨(dú)特的處理器屏蔽和進(jìn)程綁定功能,使得系統(tǒng)可通過Simulation Workbench 仿真框架平臺任意將不同任務(wù)分配到不同的處理器/核上運(yùn)行,而通過處理器屏蔽可實(shí)現(xiàn)指定任務(wù)的強(qiáng)實(shí)時功能,Matlab/Simulink模型可無縫集成進(jìn)仿真環(huán)境中。同時,仿真平臺支持多種總線信號和IO 通道信號,擴(kuò)展性較強(qiáng)。

5)Labview-RT 實(shí)時仿真平臺

美國NI公司于20世紀(jì)80年代中期提出了虛擬儀器的概念,并推出了一個圖形化建模開發(fā)平臺Labview。為了滿足測控領(lǐng)域中日益增多的實(shí)時性需求,NI公司在Labview 平臺的基礎(chǔ)上增加了Real Time(RT)組件形成了Labview-RT 實(shí)時組件[11-12]。Labview-RT 以其開發(fā)界面良好在半實(shí)物仿真系統(tǒng)上得到了廣泛運(yùn)用。但是,其在仿真建模和模型驅(qū)動方面略顯不足。此外,Labview-RT 平臺的各種數(shù)據(jù)采集卡都是采用美國NI公司提供的專用板卡,軟硬件平臺的通用性及可擴(kuò)展性不夠好。

表1從硬件架構(gòu)、軟件系統(tǒng)、建模工具等方面對比了國外幾種典型的實(shí)時仿真平臺。綜合分析可知,國外實(shí)時仿真平臺在計(jì)算能力、實(shí)時性能、通信能力、功耗、可靠性、產(chǎn)品集成度、成熟度等方面具有明顯優(yōu)勢,通常具有較高性能的硬件設(shè)備和開放式架構(gòu),較高效的仿真建模和仿真運(yùn)行控制環(huán)境,主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的開放性和可擴(kuò)展性良好、運(yùn)算功能較強(qiáng)、接口功能豐富、模型開發(fā)工具豐富、運(yùn)行監(jiān)控特性突出等。但國外這些平臺產(chǎn)品大多以Matlab/Simulink建模為主體結(jié)構(gòu),用于國內(nèi)航空航天裝備研制的復(fù)雜系統(tǒng)分布式實(shí)時仿真領(lǐng)域,其靈活性和適用性稍顯不足,維護(hù)成本高,二次開發(fā)困難,價格昂貴。

表1 國外實(shí)時仿真平臺對比Tab.1 Comparison of foreign real-time simulation platform

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析

國內(nèi)基于高速發(fā)展的通用計(jì)算機(jī)技術(shù),開展實(shí)時仿真平臺技術(shù)研究和工程應(yīng)用實(shí)踐多年,取得了許多重要成果。

1)HY-RTSIII實(shí)時仿真平臺[13]

HY-RTSIII實(shí)時仿真平臺由北京機(jī)電工程研究所在“十一五”期間研制。該平臺針對飛行器研制全生命周期為用戶提供通用、開放的仿真平臺和安全、可靠的仿真環(huán)境,適用于衛(wèi)星姿態(tài)控制加載仿真、制導(dǎo)武器仿真、無人機(jī)仿真、水下航行器仿真及其他領(lǐng)域的控制仿真。其具有開放性的體系結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的實(shí)時仿真運(yùn)算功能、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速實(shí)時光纖網(wǎng)絡(luò)、高性能的實(shí)時I/O 接口、提供圖形化、模塊化、參數(shù)化的通用仿真建模工具等特點(diǎn)。

2)實(shí)時一體化仿真平臺[13]

實(shí)時一體化仿真平臺是由北京機(jī)電工程研究所在“十二五”期間研制。該平臺由實(shí)時仿真模型開發(fā)及控制系統(tǒng)、仿真模型實(shí)時解算系統(tǒng)、仿真實(shí)時可視化系統(tǒng)、仿真數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、仿真狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、高精度時鐘同步裝置、以太網(wǎng)交換機(jī)、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和通用信號接口裝置組成。平臺提供高性能強(qiáng)實(shí)時仿真運(yùn)行環(huán)境,提供4個以上的高精度同步時鐘源,具備通用建模功能,提供圖形化建模開發(fā)環(huán)境;支持基于數(shù)據(jù)庫的面向?qū)ο蟮哪Ｐ皖惖墓芾砗椭赜?具備光纖網(wǎng)、并口、串口、1553B 等常見接口實(shí)時通訊能力。

3)YH-Astar高性能實(shí)時仿真平臺[14-17]

YH-Astar是國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院所研制的高性能實(shí)時仿真平臺。該平臺以一體化建模仿真軟件YH-SIMLIB為核心,以通用計(jì)算機(jī)、Windows操作系統(tǒng)和專用I/O 系統(tǒng)為基礎(chǔ)。其硬件結(jié)構(gòu)采用通用計(jì)算機(jī)和COTS接口,通用性、擴(kuò)展性較好。仿真計(jì)算機(jī)采用Intel系列處理器以及并行數(shù)據(jù)接口,提供多種外部接口方式,在模型構(gòu)建上兼容YFSIM 與ADSIM 語言。基于通用計(jì)算機(jī)實(shí)時仿真平臺的研制,促進(jìn)了實(shí)時仿真技術(shù)的發(fā)展,為并行分布實(shí)時仿真技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

4)KD-DRT 分布實(shí)時仿真平臺[18-20]

KD-DRT 是國防科技大學(xué)仿真工程研究所研制的多機(jī)并行分布實(shí)時仿真平臺,提供支持多個計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時并行仿真運(yùn)行的能力,既能仿效集群計(jì)算機(jī)支持計(jì)算密集型的復(fù)雜模型的快速計(jì)算,也能支持I/O 密集型的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真應(yīng)用集成,同時基于數(shù)據(jù)庫、分布實(shí)時仿真引擎、實(shí)時時間同步等模塊能實(shí)現(xiàn)分布實(shí)時仿真試驗(yàn)的配置和運(yùn)行管理,極大提高仿真效率和便捷性。KD-DRT舍棄了傳統(tǒng)實(shí)時仿真的主副雙機(jī)結(jié)構(gòu),直接采用分布實(shí)時體系結(jié)構(gòu),支持仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和仿真模型在節(jié)點(diǎn)間的靈活遷移。

5)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)平臺[21-24]

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)平臺是上海機(jī)電工程研究所在“十二五”期間研制。該平臺采用異地異構(gòu)聯(lián)合仿真體系結(jié)構(gòu),基于DDS的通信機(jī)制和GPS授時的時間同步技術(shù),通過層次化的管理結(jié)構(gòu)將數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真等有機(jī)集成,組成了一體化綜合仿真試驗(yàn)平臺,具備武器系統(tǒng)多層次、分布、異構(gòu)和不同實(shí)時性約束的聯(lián)合仿真能力。該平臺具備穩(wěn)定的幀時間控制和獨(dú)立時鐘驅(qū)動管理,提供豐富的I/O接口數(shù)據(jù)記錄顯示和事后分析工具、仿真試驗(yàn)管理配置、仿真運(yùn)行在線監(jiān)控等。

綜上所述,國內(nèi)實(shí)時仿真平臺相比國外起步較晚,現(xiàn)有平臺在通用性、適配性、可靠性等方面與國外相比差距較大;復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真面臨著仿真實(shí)體規(guī)模大、仿真模型復(fù)雜且種類多、仿真模式多樣化、實(shí)時性控制要求高、數(shù)據(jù)交互量大且錯綜復(fù)雜、仿真計(jì)算存儲能力要求高、接口異構(gòu)且種類多等問題,因此急切需要設(shè)計(jì)一種適用于復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時仿真新平臺,進(jìn)一步提升平臺架構(gòu)通用性、適配性、可擴(kuò)展性,提升平臺實(shí)時性控制性能及數(shù)據(jù)通信能力,提升I/O 集成交互的異構(gòu)能力和通用化程度等,以滿足復(fù)雜系統(tǒng)研制全任務(wù)剖面實(shí)時仿真驗(yàn)證評估的需求。

2 復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺解決方案

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺一般由操作系統(tǒng)、硬件及接口、開發(fā)平臺、應(yīng)用軟件等組成,系統(tǒng)解決方案如圖1所示。它是一種面向復(fù)雜裝備實(shí)時仿真應(yīng)用的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、友好化的支撐平臺,通過建立集“操作系統(tǒng)、開發(fā)平臺、系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用軟件、硬件接口”為一體的實(shí)時仿真平臺通用框架,具有集仿真模型開發(fā)、實(shí)時運(yùn)行與在線監(jiān)控的通用集成環(huán)境,根據(jù)全局統(tǒng)一物理時鐘,利用高速網(wǎng)絡(luò)通信裝置和智能I/O 設(shè)備實(shí)現(xiàn)海量信息的高速通信與各類接口的智能交互,并提供仿真分析與結(jié)果評估工具。

圖1 復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺解決方案Fig.1 System solutions of complex system real-time simulation platform

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺以高速以太網(wǎng)和高速光纖網(wǎng)的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為通信主干線,采用實(shí)時仿真中“前端機(jī)+目標(biāo)機(jī)”的通用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。以各類計(jì)算機(jī)、高速以太網(wǎng)為硬件基礎(chǔ),基于Windows/Linux操作系統(tǒng)和VC/QT/MySql/Matlab 等開發(fā)平臺,開發(fā)可視化建模、資源管理、在線監(jiān)控、仿真配置和仿真評估等應(yīng)用軟件,進(jìn)行前端機(jī)的開發(fā);同時以各類總線工控機(jī)、高速實(shí)時通信裝置、智能接口交互設(shè)備、高精度時鐘同步裝置、同步I/O 卡等為硬件基礎(chǔ),基于RTX/Vx Works/實(shí)時Linux等實(shí)時操作系統(tǒng)和Workbench/GCC/GNU 開發(fā)平臺,開發(fā)接口適配、數(shù)據(jù)采集記錄、模型實(shí)時仿真等應(yīng)用軟件,進(jìn)行目標(biāo)機(jī)的開發(fā)。構(gòu)建出不同實(shí)時性約束的系統(tǒng)框架,具備集資源管理、可視化建模、組態(tài)化運(yùn)行、實(shí)時仿真控制、仿真過程在線監(jiān)控、接口適配、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信和智能I/O 交互等功能,支持多體協(xié)同多模復(fù)合制導(dǎo)等復(fù)雜系統(tǒng)的仿真應(yīng)用。

3 復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 實(shí)時仿真平臺通用架構(gòu)

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真包括苛刻實(shí)時性要求的信號生成,也包括強(qiáng)實(shí)時性要求的模型計(jì)算,還包括弱實(shí)時性要求的指令下達(dá)及對實(shí)時性要求不高的人機(jī)交互、仿真可視化等功能。這種對實(shí)時性要求的多樣性和苛刻性不僅是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺的本質(zhì)特性,而且也是系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。鑒于仿真實(shí)時性的不同約束條件,提出了“四層雙網(wǎng)”的實(shí)時仿真平臺體系架構(gòu),如圖2所示。其中,“四層”是指非實(shí)時層、弱實(shí)時層、強(qiáng)實(shí)時層、苛刻實(shí)時層。非實(shí)時層用于和時間約束無關(guān)的離線處理,包括資源配置、模型開發(fā)、數(shù)據(jù)分析評估、模型庫/數(shù)據(jù)庫管理等;弱實(shí)時層用于實(shí)時性能要求不高的部分,包括仿真管理與控制、數(shù)據(jù)記錄、仿真顯示、弱實(shí)時模型、弱實(shí)時接口等;強(qiáng)實(shí)時層用于實(shí)時仿真實(shí)時性嚴(yán)格約束的部分,包括模型實(shí)時計(jì)算、仿真時序控制、飛行姿態(tài)模擬控制、目標(biāo)/干擾/環(huán)境模擬控制、仿真設(shè)備接口控制等,該層也是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真的主體;苛刻實(shí)時層用于實(shí)時仿真中和目標(biāo)、干擾信號生成相關(guān)的部分,如雷達(dá)射頻信號生成、紅外成像信號生成、引信回波信號生成等?！半p網(wǎng)”是指以太網(wǎng)和高速實(shí)時通信網(wǎng)。以太網(wǎng)主要傳輸實(shí)時性要求不太高的數(shù)據(jù)和命令,高速實(shí)時通信網(wǎng)主要傳輸實(shí)時性要求高的數(shù)據(jù)和命令。

圖2 復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Complex system real-time simulation platform structure

3.2 實(shí)時仿真時鐘同步

時鐘同步為各實(shí)時仿真節(jié)點(diǎn)提供一個統(tǒng)一的高精度、高穩(wěn)定的物理時鐘源,確保各仿真節(jié)點(diǎn)時間同步,確保數(shù)據(jù)通信和交互滿足實(shí)時性約束要求。它是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺的心臟,難點(diǎn)在于不同實(shí)時性要求的層內(nèi)節(jié)點(diǎn)間及層間時鐘存在同步問題。為解決這些問題,采用了高精度網(wǎng)絡(luò)對時協(xié)議和高速反射內(nèi)存網(wǎng),設(shè)計(jì)了基于GPS/北斗授時的高精度時鐘同步裝置,為各節(jié)點(diǎn)提供高精度的統(tǒng)一的時鐘信息,如圖3所示。由圖可見：時鐘服務(wù)器通過二合一天線將北斗和GPS 報(bào)文信息進(jìn)行融合,輸出1脈沖/秒的信號,并將處理后的時鐘信息以IEEE 1588v2的時鐘對時協(xié)議通過網(wǎng)口經(jīng)專用PTP 交換機(jī)傳輸至PCIe時頻卡;PCIe時鐘卡將時鐘信息解析,計(jì)算網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲輸出1 pulse/s和UTC時間;同時PCIe時鐘板卡輸出高精度中斷信號,最終實(shí)現(xiàn)每1 ms向多個實(shí)時仿真節(jié)點(diǎn)發(fā)送反射內(nèi)存中斷和UTC時間信息,從而完成對各仿真節(jié)點(diǎn)的時間同步。

圖3 高精度時鐘同步裝置Fig.3 High-precision clock synchronization device

3.3 實(shí)時仿真智能適配

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真需要實(shí)現(xiàn)分布在不同地域仿真資源的互聯(lián)、互通、互操作,以及各類資源的可重用和快速接入。為保證實(shí)時性和通信速率,不同實(shí)時仿真節(jié)點(diǎn)一般通過光纖交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)通信。然而,現(xiàn)有各仿真系統(tǒng)執(zhí)行相同功能的節(jié)點(diǎn)被賦予了相同的節(jié)點(diǎn)號及相同的數(shù)據(jù)存儲地址和空間,若將多套仿真系統(tǒng)只通過光纖交換機(jī)簡單聯(lián)通,會出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲地址和節(jié)點(diǎn)號沖突、多終端同時響應(yīng)中斷、重新分配地址節(jié)點(diǎn)工作量大且通用性不強(qiáng)等問題。為此,采用實(shí)時仿真智能適配技術(shù)用于各異構(gòu)實(shí)時仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和協(xié)議轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)各異構(gòu)實(shí)時仿真子系統(tǒng)互聯(lián)的同時實(shí)現(xiàn)不同仿真子系統(tǒng)間控制命令與數(shù)據(jù)的隔離。

圖4給出了“工控機(jī)+多反射內(nèi)存卡”的實(shí)時仿真智能適配方案,各反射內(nèi)存卡分別連接一套實(shí)時仿真系統(tǒng),同時制定其軟件工作基本流程,在反射內(nèi)存網(wǎng)協(xié)議中增加適配器地址段,制定以命令字、指令字等控制信息為依據(jù)的基本命令及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

圖4 實(shí)時仿真智能適配裝置示意圖Fig.4 Real-time simulation intelligent adaptation device

3.4 超高速網(wǎng)絡(luò)通信與智能I/O 交互

超高速網(wǎng)絡(luò)通信可實(shí)現(xiàn)多個實(shí)時仿真系統(tǒng)間、節(jié)點(diǎn)間海量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、低延遲、高速率的傳輸,它是復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)谋ＷC。其技術(shù)難點(diǎn)在于：1)現(xiàn)有反射內(nèi)存網(wǎng)傳輸速率為2.1 Gbit/s,在當(dāng)前星型物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上無法滿足更高速的數(shù)據(jù)傳輸需求;2)大量低重用率數(shù)據(jù)在通信主干網(wǎng)交互會影響數(shù)據(jù)通信速率,造成板載內(nèi)存溢出,導(dǎo)致主干網(wǎng)數(shù)據(jù)擁塞?；赗apid IO 技術(shù)研制的超高速網(wǎng)絡(luò)通信裝置,可以有效解決上述問題。該裝置已實(shí)現(xiàn)以下功能：基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SRIO 傳輸協(xié)議,傳輸速率最高可達(dá)20 Gbit/s;支持40 G QSFP或10 G SFP接口模塊,支持單/多模光纖;提供8/12端口SRIO 交換機(jī),端口支持QSFP/SFP,可遠(yuǎn)程控制;支持PCI-e,XMC,PXI-e接口,可應(yīng)用于VME、VPX 工控機(jī)、工作站/服務(wù)器等。

智能I/O 交互能適配仿真設(shè)備(或產(chǎn)品)I/O 中的模擬量、開關(guān)量、CAN、RS422 等接口,實(shí)現(xiàn)將各種類型I/O 數(shù)據(jù)通過實(shí)時通信網(wǎng)與仿真模型交互。其技術(shù)難點(diǎn)為：1)如何適應(yīng)多種設(shè)備接口卡的總線類型;2)如何根據(jù)設(shè)備布置和設(shè)備I/O 總線類型靈活配置設(shè)備接口機(jī)類型和數(shù)量。本文提出的智能I/O 交互裝置采用異構(gòu)、分布、多機(jī)的接口控制結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)分布實(shí)時仿真引擎及適配器,該裝置已實(shí)現(xiàn)以下功能：兼容支持Vx Works,Linux等操作系統(tǒng);兼容支持PCI,PCIE 等多種常用總線工控機(jī);支持不同總線多目標(biāo)機(jī)同時運(yùn)行;自適應(yīng)完成各種模擬量、開關(guān)量、1553B、CAN、RS422、LVDS等常用板卡的驅(qū)動與配置。

4 復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺的典型應(yīng)用

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。由圖可見：該系統(tǒng)主要由指控中心、分仿真系統(tǒng)等組成。在高精度時鐘同步裝置全局統(tǒng)一授時下,由指控中心統(tǒng)一調(diào)度,制定仿真流程,通過實(shí)時仿真智能適配裝置將仿真控制指令及數(shù)據(jù)解耦合后發(fā)送到各分仿真系統(tǒng),各分仿真系統(tǒng)接收到指令和數(shù)據(jù)后控制仿真設(shè)備開始實(shí)時仿真;同時通過智能IO 交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與被試產(chǎn)品間的信息和數(shù)據(jù)實(shí)時異構(gòu)交互,并實(shí)時傳回指控中心;通過超高速網(wǎng)絡(luò)通信裝置實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的低重用率、海量數(shù)據(jù)的傳輸。試驗(yàn)過程中,指控中心全程實(shí)時監(jiān)控仿真運(yùn)行情況、評估各系統(tǒng)仿真結(jié)果。

圖5 多體協(xié)同制導(dǎo)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Multi-body collaborative guidance simulation test system

1)基于復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺將多套半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)建成多體協(xié)同制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用于多體協(xié)同制導(dǎo)仿真,仿真系統(tǒng)之間傳遞指令和數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)飛行器與飛行器、飛行器與預(yù)警系統(tǒng)等信息的實(shí)時傳遞及指控大回路閉環(huán),采用高精度時鐘同步裝置和實(shí)時仿真智能適配裝置解決多體協(xié)同時空一致、數(shù)據(jù)鏈實(shí)時交互等問題。

2)基于復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺將多套半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)建成多模復(fù)合制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)應(yīng)用于多模復(fù)合制導(dǎo)仿真,仿真系統(tǒng)之間解決實(shí)時傳遞制導(dǎo)信息的問題,以實(shí)現(xiàn)復(fù)合導(dǎo)引頭之間的信息實(shí)時傳遞及小回路閉環(huán),采用實(shí)時仿真智能適配裝置、高精度時鐘同步裝置、智能IO 交互裝置,解決復(fù)合導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)融合、時空一致、異構(gòu)接口實(shí)時交互等問題。

3)基于復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺將多套半實(shí)物仿真系統(tǒng)構(gòu)建成多部件組合(如導(dǎo)引頭、慣性測量裝置、引信等)聯(lián)合仿真系統(tǒng),用于不同組件一體化聯(lián)合設(shè)計(jì)的仿真驗(yàn)證,采用智能IO 交互裝置、高精度時鐘同步裝置等解決多部件異構(gòu)接口的數(shù)據(jù)交互與長線實(shí)時傳輸、時空一致等問題。

另外,紅外成像或射頻合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像仿真時,其圖像產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和實(shí)時驅(qū)動節(jié)點(diǎn)間需要海量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸,采用超高速網(wǎng)絡(luò)通信裝置解決低重用率、海量數(shù)據(jù)的傳輸而不影響主干網(wǎng)通信。

復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺除了可應(yīng)用到武器領(lǐng)域多體協(xié)同制導(dǎo)仿真、多模復(fù)合制導(dǎo)仿真、多部件組合全鏈路實(shí)時仿真等方面之外,還可應(yīng)用于無人機(jī)群作戰(zhàn)仿真、艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)仿真、空襲編隊(duì)作戰(zhàn)仿真等航空航天領(lǐng)域,具有較好的通用性、適配性和可擴(kuò)展性。

5 結(jié)論

本文在分析國內(nèi)外實(shí)時仿真平臺研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時仿真需求和特點(diǎn),提出了一種新的適用于復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時仿真平臺解決方案,詳細(xì)論述了平臺關(guān)鍵技術(shù)的具體實(shí)施途徑,結(jié)合典型案例證明了所提出的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真平臺具有較好的通用性、適配性和可擴(kuò)展性,可以給復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有益借鑒。該平臺除了進(jìn)一步追求控制實(shí)時性、數(shù)據(jù)傳輸高速可靠、交互智能適配之外,還需在仿真建模、高效評估、實(shí)時在線監(jiān)控等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究,提升仿真建模的高效性,豐富仿真建模的多樣性,加強(qiáng)實(shí)時仿真評估的有效性和實(shí)用性,提升平臺實(shí)時在線監(jiān)控的有效性和可視化水平。