樊智勇，張 同，劉 濤

(1.中國民航大學 工程技術(shù)訓練中心，天津 300300 2.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

0 引言

多電飛機采用電力作動方式為飛機操縱、環(huán)控、液壓、燃油、起落架等系統(tǒng)供能，大大改善飛機的可靠性與靈活性[1]。為了進一步對多電飛機機電系統(tǒng)進行綜合化研究，需要使用不同專業(yè)仿真軟件建立相應(yīng)模型進行聯(lián)合仿真，為了融合多領(lǐng)域仿真數(shù)據(jù)，采用DDS(data distribution service)[2-4]總線作為通信中間件進行模型間的數(shù)據(jù)交互，從而保證分布式仿真系統(tǒng)的實時性與交互性。由于機電系統(tǒng)參數(shù)復雜且分布在不同仿真節(jié)點上，在對模型進行參數(shù)查看與修改時，需要分別在各仿真節(jié)點的子模型中進行操作控制，過程繁瑣，降低機電系統(tǒng)集成測試效率；而且傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)需要通過代碼定制開發(fā)實現(xiàn)，當任務(wù)需求或者被控對象一旦發(fā)生更改時，需要專門的開發(fā)人員重新進行開發(fā)，工作量大、開發(fā)周期長、成本高[5]。組態(tài)監(jiān)控軟件界面直觀、可操作性強[6]，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時過程監(jiān)控，并在很多工業(yè)生產(chǎn)線以及各類監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛使用，如導彈測控工程[7]、新型支線客機監(jiān)控系統(tǒng)[8]等。

將組態(tài)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于基于DDS的飛機分布式仿真系統(tǒng)中，不僅可以靈活配置監(jiān)控界面以及用戶關(guān)注參數(shù)，將仿真結(jié)果以圖表、曲線、動畫等多種方式顯示出來，使操作人員更加直觀地監(jiān)控機電系統(tǒng)的運動過程以及精確掌握機電系統(tǒng)的運行狀態(tài)，而且當飛機仿真模型功能結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者擴展新的功能時，只需做部分修改，不會嚴重影響組態(tài)監(jiān)控的整體架構(gòu)，這將大大有利于整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的運行維護，提高不同構(gòu)型下飛機分布式仿真系統(tǒng)的仿真驗證效率，具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。

1 分布式仿真組態(tài)監(jiān)控框架設(shè)計

1.1 基于DDS的分布式仿真平臺

分布式仿真平臺采用Matlab/Simulink、AMESim、FlightSIM等專業(yè)仿真軟件分別建立了飛機液壓、燃油、起落架、防除冰等機電子系統(tǒng)模型，在系統(tǒng)集成仿真過程中每個分布節(jié)點采用DDS作為通信中間件，進行大量、實時和高效的數(shù)據(jù)傳輸[9-10]。該仿真平臺主要由仿真設(shè)計運行管理環(huán)境、并行分布式解算環(huán)境兩部分組成，其中仿真設(shè)計運行管理環(huán)境主要包括仿真系統(tǒng)設(shè)計模塊和仿真運行管理模塊，負責完成對仿真模型的封裝、配置和管理；并行分布式解算環(huán)境主要包括DDS總線、仿真主、子引擎和模型接口。各仿真模型接口通過調(diào)用嵌入接口內(nèi)部的仿真子引擎，將仿真模型與DDS總線進行連接，實現(xiàn)多個仿真任務(wù)的并行運算。

1.2 組態(tài)監(jiān)控平臺

組態(tài)監(jiān)控平臺分為組態(tài)設(shè)計環(huán)境與組態(tài)運行環(huán)境，支持與數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換以及將設(shè)備底層數(shù)據(jù)與組態(tài)界面上的圖元進行動畫連接，通過定義I/O變量實現(xiàn)與外部進行數(shù)據(jù)交互，其中I/O變量需定義數(shù)據(jù)交換屬性、采樣頻率、規(guī)定數(shù)據(jù)在組態(tài)界面的最大值、最小值、ID和變量名稱等信息，然后將I/O端口變量與組態(tài)界面中的組件通過表達式、動畫、腳本等方式建立動態(tài)鏈接，當用戶對組件進行數(shù)據(jù)輸入時，則輸入的值自動賦給同其關(guān)聯(lián)的變量，并自動刷新與此變量關(guān)聯(lián)的組件顯示[11]。組態(tài)設(shè)計環(huán)境將配置好的圖形界面統(tǒng)一生成圖形資源文件xdg與屬性配置文件xml供組態(tài)運行環(huán)境加載顯示，其中xml配置文件包含變量與組件之間的各種動態(tài)關(guān)聯(lián)信息。

1.3 分布式仿真組態(tài)監(jiān)控總體框架

通過在組態(tài)監(jiān)控平臺上設(shè)計各機電系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面，以及設(shè)計數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)仿真運行管理模塊驅(qū)動組態(tài)監(jiān)控平臺從DDS總線上獲取不同仿真子模型的仿真數(shù)據(jù)并實時驅(qū)動畫面動態(tài)顯示，實現(xiàn)在組態(tài)監(jiān)控界面中對分布在不同節(jié)點仿真模型的運行控制與實時調(diào)參，分布式仿真組態(tài)監(jiān)控整體框架如圖1所示。

圖1 基于DDS的分布式仿真平臺監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 組態(tài)監(jiān)控接口設(shè)計

2.1 接口設(shè)計功能

數(shù)據(jù)接口模塊負責與組態(tài)監(jiān)控平臺搭建的組態(tài)監(jiān)控界面I/O端口進行鏈接，同時初始化、控制界面組件與DDS中的模型數(shù)據(jù)進行交互等。平臺根據(jù)模型端口輸入、輸出關(guān)系定義了Output、Input、Signal、Parameter 4種變量類型，其中Output為向外界輸出的數(shù)據(jù)，Input為從外界獲取的數(shù)據(jù)，Signal為支持在線監(jiān)視的數(shù)據(jù)，Parameter為支持在線修改的數(shù)據(jù)。組態(tài)監(jiān)控平臺通過該數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對這4類端口變量進行訂閱，并通過靜態(tài)框、圖表等方式監(jiān)測模型Output、Signal端口變量，同時對Input、Parameter端口變量進行發(fā)布，通過編輯框、按鈕等操作寫入Input、Parameter端口變量，實現(xiàn)對模型的實時調(diào)參與運行控制。為了便于組態(tài)監(jiān)控平臺在DDS的自動發(fā)現(xiàn)過程中進行端口信息匹配，需對模型端口變量定義唯一標識符，包括端口類型、名稱、ID、數(shù)據(jù)類型等，其中端口命名規(guī)則一般為模型名稱_組件含義_端口類型，如ATA28_CTR_TEMP_OUT為燃油系統(tǒng)中央油箱油溫輸出端口，ATA27_FLAP_POS_SIG為飛行高升力系統(tǒng)襟翼位置信號端口，F(xiàn)LISIM_IAS_IN為飛行環(huán)境模型的空速激勵數(shù)據(jù)輸入端口等。

2.2 數(shù)據(jù)交互過程

將可視化組件與端口變量通過表達式、腳本等方式進行綁定，使其與DDS數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收顯示。分布式協(xié)同仿真平臺與組態(tài)監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)交互過程分為發(fā)布過程和訂閱過程，它是由發(fā)布端、訂閱端、全局數(shù)據(jù)空間三者共同交互完成的。

當機電系統(tǒng)模型作為發(fā)布端發(fā)布主題信息時：

1) 通過域參與者工廠participatent factory的CreateDomain participatent創(chuàng)建域參與者participatent，一般為分布在各仿真節(jié)點的機電子系統(tǒng)，如ATA32_MLG主起落架系統(tǒng)；

2)通過CreateDomain Publisher和CreateDDSTopic創(chuàng)建發(fā)布者P和主題T，并通過SetDataType()注冊要發(fā)布參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，如ATA32_MLG系統(tǒng)發(fā)布功率輸出端口信息ATA32_MLG_POWER _OUT，其中端口名稱為主題名稱；

3) 發(fā)布者P通過CreateDatawriter創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)寫入者DW，數(shù)據(jù)寫入者DW將要發(fā)布消息的主題以及可以提供的QoS寫入到全局數(shù)據(jù)空間中；

發(fā)布成功后DW進入阻塞狀態(tài)，當檢測到本節(jié)點有滿足訂閱者訂閱的主題數(shù)據(jù)時，激活數(shù)據(jù)寫入者將數(shù)據(jù)發(fā)送給組態(tài)監(jiān)控平臺的節(jié)點上。

當組態(tài)監(jiān)控平臺節(jié)點作為訂閱端訂閱主題信息時：

1) 通過域參與者工廠participatent factory的CreateDomain participatent創(chuàng)建域參與者participatent，如起落架監(jiān)控界面LandingGear；

2)通過CreateDomain Subscriber和CreateDDSTopic創(chuàng)建訂閱者S和主題T，并通過SetDataType()注冊要訂閱參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，如與ATA32_MLG_POWER _OUT端口變量綁定的文本框要接收主起落架功率輸出數(shù)據(jù)；

3) 訂閱者S 通過CreateDatareader創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)讀取者DR和數(shù)據(jù)監(jiān)聽者Listener，數(shù)據(jù)讀取者DR將要訂閱的主題信息與QoS發(fā)送到全局數(shù)據(jù)空間中，接著DR進入“等待接收數(shù)據(jù)”的狀態(tài)，當數(shù)據(jù)監(jiān)聽者監(jiān)聽到有數(shù)據(jù)到達時則通過回調(diào)函數(shù)激活數(shù)據(jù)讀取者進行讀取數(shù)據(jù)。

基于DDS的發(fā)布訂閱過程如圖2所示。

圖2 DDS發(fā)布/訂閱過程

2.3 接口模塊設(shè)計

基于RTI_DDS的分布式仿真平臺與組態(tài)監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)上，通過對相關(guān)函數(shù)進行封裝，形成組態(tài)監(jiān)控平臺的通用接口HMIDataDll動態(tài)鏈接庫，組態(tài)監(jiān)控平臺通過該接口與DDS分布式仿真平臺中的模型端口變量進行發(fā)布訂閱操作。

組態(tài)監(jiān)控平臺的I/O變量是針對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)以類的形式來對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行管理，每個類具有自己的屬性與方法，每種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對應(yīng)一種變量類型并與操作管理程序完好的封裝在一起。在接口設(shè)計時，定義 SignalElement類對應(yīng)模型全部Output、Input、Signal、Parameter端口變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便實現(xiàn)組態(tài)監(jiān)控平臺對DDS總線中所有屬于SignalElement類的數(shù)據(jù)執(zhí)行讀取操作；定義ParameterElement類對應(yīng)模型全部Input、Parameter端口變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便組態(tài)監(jiān)控平臺對DDS總線中所有屬于ParameterElement類的數(shù)據(jù)執(zhí)行寫入操作。

接口設(shè)計實現(xiàn)過程分為3個階段：

1) 組態(tài)顯示初始化階段：通過調(diào)用HMIDataInit(const char *strPrjName)函數(shù)進行仿真工程初始化，調(diào)用int Analysis xml()/nwf()/xdg()/tagxml()等函數(shù)加載仿真工程配置文件xml、網(wǎng)絡(luò)表文件nwf、圖形資源文件xdg、組件與變量連接文件tagxml等，以獲取模型仿真信息，包括仿真工程名稱及路徑、仿真起始時間、模型解算步長、模型名稱、端口變量名稱、數(shù)據(jù)類型等信息，并生成與模型端口一致的變量列表；獲取組態(tài)界面中所有組件屬性信息；獲取組件與端口變量綁定參數(shù)信息；當DDS總線返回HMIDataDLL Initialize Success函數(shù)，表明動態(tài)鏈接庫初始化成功。

2) 組態(tài)顯示階段：仿真開始時，組態(tài)監(jiān)控平臺調(diào)用int HMISqlData()函數(shù)獲取當前DDS總線的仿真時間，調(diào)用int HMIGenData(const char *strVarName, int nValueType, void *sVar, void *dValue)函數(shù)獲取DDS總線中仿真子引擎寫入的模型端口參數(shù)并存儲到變量列表中，其中const char *strVarName為仿真變量名稱，int nValueType為變量數(shù)據(jù)類型，void *sVar為變量信息結(jié)構(gòu)體，包含變量的模型ID、變量類型、變量ID、變量維度、監(jiān)視選項和初值等信息，void *dValue為返回當前變量的仿真數(shù)據(jù)。組態(tài)監(jiān)控平臺將讀取的數(shù)據(jù)存放到變量列表中，根據(jù)工程定時執(zhí)行腳本設(shè)置的數(shù)據(jù)采集時間間隔進行數(shù)據(jù)采樣以及畫面刷新。當在組態(tài)界面輸入控制指令或者模型參數(shù)發(fā)生改變時，調(diào)用int HMITraData(const char *strVarName, int nValueType, void *sVar, void *dValue)函數(shù)將數(shù)據(jù)信息寫入DDS總線中，參數(shù)含義同上，此時仿真子引擎將仿真數(shù)據(jù)傳遞給相應(yīng)仿真模型端口，然后發(fā)送設(shè)置成功指令給仿真主引擎，仿真主引擎告知仿真運行管理環(huán)境設(shè)置成功，實現(xiàn)對模型的實時調(diào)參與運行控制。

3) 組態(tài)顯示結(jié)束階段：調(diào)用HMI結(jié)束函數(shù)int HMIDataClose()，關(guān)閉總線接口，釋放所占用的資源。

多電飛機機電系統(tǒng)分布式仿真的組態(tài)監(jiān)控過程如圖3所示，首先在分布式仿真平臺中設(shè)計系統(tǒng)仿真模型，配置模型參數(shù)信息，包括模型端口名稱、端口數(shù)據(jù)類型、端口數(shù)據(jù)初值、行數(shù)與列數(shù)等；其次在對仿真模型完成設(shè)計后，初始化所有輸入輸出端口，明確輸入輸出端口個數(shù)；然后判斷是否有模型描述文件生成，若有，則進入仿真，等待仿真子引擎與主引擎進行控制流、指令流的交互，并觸發(fā)模型進行解算，若無，則模型轉(zhuǎn)至空，結(jié)束仿真，其中模型描述文件是在模型編譯完成時生成的文件，包含了所有仿真模型端口信息；最后等待模型一次解算完成，仿真子引擎通過模型接口獲取模型輸出端口數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到DDS總線中，此時通過DDS的自動發(fā)現(xiàn)匹配，組態(tài)運行環(huán)境通過數(shù)據(jù)接口中的功能函數(shù)獲取總線中的指定端口數(shù)據(jù)，并傳送到變量管理模塊的變量列表中，驅(qū)動組態(tài)界面的動態(tài)顯示與數(shù)據(jù)更新，同理當組態(tài)監(jiān)控界面進行參數(shù)調(diào)整或者發(fā)布控制指令時，組態(tài)運行環(huán)境調(diào)用功能函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)布到DDS總線中，通過DDS的自動發(fā)現(xiàn)匹配，仿真子引擎獲取模型參數(shù)或控制指令，將其寫入仿真模型端口變量或控制模型運行狀態(tài)。

圖3 仿真模型監(jiān)控框架圖

其中仿真模型解算線程如圖4所示。

圖4 仿真模型解算線程圖

組態(tài)設(shè)計環(huán)境在仿真模型運行時，通過加載組態(tài)設(shè)計環(huán)境搭建好的圖形資源xdg文件與界面配置xml文件還原組態(tài)監(jiān)控界面元素，以及明確需要從DDS總線中發(fā)布訂閱的具體端口變量，通過DDS中間件匹配model ID、name，port ID、name，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等信息的端口變量，若發(fā)現(xiàn)匹配成功的信息，則獲取DDS總線中的數(shù)據(jù)至變量列表并驅(qū)動界面組件動畫顯示。

3 機電系統(tǒng)組態(tài)建模

通過上述設(shè)計的數(shù)據(jù)接口，基于DDS的分布式仿真平臺實現(xiàn)以文本、曲線、動畫等方式監(jiān)控分布在不同節(jié)點的仿真模型端口變量的變化情況，由于篇幅原因，下面以飛機主起落架收放系統(tǒng)為例說明組態(tài)監(jiān)控實現(xiàn)過程。

3.1 飛機主起落架收放系統(tǒng)仿真模型

參考某型飛機結(jié)構(gòu)參數(shù)手冊，分布式仿真平臺建立的主起落架收放系統(tǒng)模型主要由旁通閥、收放控制閥、上位門鎖作動器、起落架鎖作動器、支撐桿下位鎖作動器、邊側(cè)桿鎖作動器、門收放作動器、起落架收放作動器等功能設(shè)備組成，并由中央液壓系統(tǒng)提供能源，通過AMESim模型通用接口將其集成到分布式仿真平臺中與其他模型進行聯(lián)合仿真。該模型一共有33個輸入、輸出端口，其中該模型提供的可以在DDS中傳輸?shù)亩丝谧兞咳绫?所示。

表1 主起落架收放系統(tǒng)模型端口變量

3.2 飛機主起落架收放系統(tǒng)組態(tài)建模

利用組態(tài)監(jiān)控平臺的可視化圖形編輯界面、腳本編輯、趨勢處理等功能設(shè)計所需組件，參照飛行手冊以及仿真模型進行界面合理布局，直觀顯示起落架收放系統(tǒng)運行狀態(tài)。首先利用模型庫中的單向閥、節(jié)流孔、作動筒、兩位三通電磁換向閥、三位四通電磁換向閥等組件進行不同組合搭配，定義系統(tǒng)中的上位鎖作動器、阻力桿下位鎖作動器、側(cè)拉下位鎖作動器、主起落架收放作動器、艙門上位鎖作動器、主起控制閥、主起艙門控制閥、艙門應(yīng)急操作閥等功能設(shè)備，然后設(shè)置管路連接中央液壓能源系統(tǒng)以及主起落架系統(tǒng)的各組件設(shè)備，用于表示其能量流動關(guān)系，其中管路填充色為藍色、線寬為4 mm，動畫定時為100 ms。將界面組件定義唯一ID號并與變量列表中的對應(yīng)端口變量建立動畫鏈接，如建立如下條件表達式ATA32_MLG_SBDLKA_POS_SIG*200表示將邊側(cè)桿下位鎖作動器控件與仿真模型的ATA32_MLG_SBDLKA_POS_SIG端口變量建立鏈接，設(shè)置最小值0、最大值100等參數(shù)，將端口變量計算后得出的數(shù)值作為控件動態(tài)反應(yīng)的條件值，同理設(shè)置其他作動器、控制閥與對應(yīng)端口變量的動態(tài)鏈接。設(shè)置窗口界面刷新頻率為2 ms/次，在界面右上角的起落架系統(tǒng)功率曲線按鈕設(shè)置左鍵抬起動畫，將其與曲線監(jiān)控界面進行鏈接，以便監(jiān)測系統(tǒng)功率輸出趨勢。建立的組態(tài)模型如圖5所示，圖中以3種不同類型的矩形框與橢圓表示仿真模型的3個端口變量在組態(tài)界面中與相應(yīng)組件的對應(yīng)顯示關(guān)系。

圖5 主起落架收放系統(tǒng)監(jiān)控模型

4 實驗結(jié)果與分析

分布式仿真平臺共有28個飛機機電系統(tǒng)子模型，有1 647個模型端口變量，如圖6所示，在組態(tài)監(jiān)控平臺上搭建了飛機液壓、燃油、發(fā)動機、環(huán)控、供配電系統(tǒng)為單位的組態(tài)監(jiān)控界面，將界面組件與對應(yīng)端口變量建立鏈接，將仿真參數(shù)以變色、閃爍、動畫等方式顯當機電系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真時，通過數(shù)據(jù)接口可以在組態(tài)監(jiān)控畫面中以仿真和飛行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)，可以在系統(tǒng)原理圖中直觀觀測系統(tǒng)設(shè)備的工況；以文本、曲線、儀表等方式實時顯示機電系統(tǒng)端口變量的參數(shù)變化，包括飛行高度、空速、油門、油量、溫度、功率等參數(shù)；支持頁面切換操作，通過點擊各個按鈕，可以鏈接到對應(yīng)監(jiān)控界面；支持參數(shù)設(shè)定與運行控制操作，通過在編輯框內(nèi)輸入?yún)?shù)實現(xiàn)對仿真模型的參數(shù)調(diào)整以及當在控制面板進行操作時，可以對仿真模型進行運行控制等，實現(xiàn)在同一界面中以多種方式監(jiān)測不同節(jié)點、不同模型的參數(shù)信息，監(jiān)控效果如圖7所示。

圖6 模型端口變量

圖7 集成驗證總圖

圖8為起落架系統(tǒng)模型的功率輸出曲線，其中左側(cè)為分布式仿真平臺中的AMESim仿真模型功率輸出，右側(cè)為組態(tài)監(jiān)控平臺監(jiān)測的功率輸出。由圖8可知輸出曲線趨勢一致，表明組態(tài)監(jiān)控平臺能夠通過數(shù)據(jù)接口實時接收仿真模型的數(shù)據(jù)并進行準確顯示。

圖8 起落架系統(tǒng)模型的功率輸出

5 結(jié)束語

本文通過研究DDS通信機制以及組態(tài)監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計

了分布式仿真平臺與組態(tài)監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)接口，建立了主起落架收放系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控原理圖，充分利用DDS數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的實時性、高效性以及組態(tài)監(jiān)控平臺良好的圖形界面，大幅縮短監(jiān)控界面設(shè)計周期，實現(xiàn)對仿真平臺上由不同專業(yè)仿真軟件建立的28個飛機機電系統(tǒng)子模型中1 647個模型端口變量的組態(tài)化顯示與運行控制，直觀顯示各個系統(tǒng)模型的狀態(tài)變化，改變了以往只能在指定仿真節(jié)點的仿真軟件中以單一方式進行參數(shù)查看與調(diào)整，有利于用戶更好的理解飛機機電系統(tǒng)、調(diào)配系統(tǒng)性能參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)集成與擴展等，提高了飛機機電系統(tǒng)的集成測試效率與操作便捷性。