于 濤， 宛 旭， 孫翔宇

航空工業(yè)沈陽飛機設計研究所 空戰(zhàn)系統(tǒng)技術航空科技重點實驗室，遼寧 沈陽 110035)

無人作戰(zhàn)飛機是由機、站、鏈構成的大系統(tǒng)，具有結構分散、運行分散、時空分散、部署分散的典型特征，是典型的復雜系統(tǒng)。其研發(fā)模式已由跟蹤研發(fā)轉為正向設計，為實現(xiàn)自主創(chuàng)新，必然要采用從需求開發(fā)、功能分解、系統(tǒng)設計、物理設計到系統(tǒng)集成驗證的正向設計閉環(huán)的思路?；谀Ｐ偷奶搶嵔Y合仿真試驗支持模型驅動和快速迭代驗證，可有效降低研制成本和周期，是無人機正向設計中確保方案質量、縮短周期和成本的關鍵途徑。

系統(tǒng)復雜度的急劇增加、多學科耦合的逐步加強，使傳統(tǒng)研發(fā)模式下的裝備研發(fā)周期和成本快速增長。基于模型的虛實結合仿真試驗技術可實現(xiàn)全流程快速仿真迭代驗證，通過“模型在環(huán)”方式實現(xiàn)全系統(tǒng)綜合仿真驗證，提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)涌現(xiàn)性，給出系統(tǒng)設計優(yōu)劣的決策判據(jù)，支撐系統(tǒng)設計的快速迭代優(yōu)化，縮減研制周期和成本。

筆者研究了基于模型的虛實結合仿真試驗技術，突破了多源異構模型分布式集成關鍵技術和虛實結合接口適配關鍵技術，將其應用于地面半物理試驗，對基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE)理論的飛機設計流程進行繼承和延續(xù)，進而對虛擬試驗、數(shù)字孿生應用進行有力探索，形成一套完整的正向設計流程、方法和準則，建立支撐新一代先進作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)研發(fā)的技術體系。同時，能自上而下有效推動基于模型驅動的系統(tǒng)工程方法在航空及相關領域的應用，對推動技術進步以及有效提升我國新研航空武器裝備研發(fā)質量、效率和水平，具有重大軍事意義和社會意義。

當前比較熱門的虛擬試驗普遍在向虛實結合技術發(fā)展[1]。國內航空領域對基于模型的飛機系統(tǒng)試驗進行了一些探索與研究，許光磊等[2]開展了基于模型的航電系統(tǒng)集成驗證技術研究；董志明等[3]開展了基于實況、虛擬和構造(Live Virtual Constructive，LVC)仿真的體系試驗方法研究；董政等[4]開展了基于Modelica的起落架半物理仿真方法研究；白潔等[5]開展了基于模型的系統(tǒng)工程理論在機載系統(tǒng)研制中的應用研究；陸冠華等[6]開展了基于通用模型接口標準(Functional Mock-Up Interface，F(xiàn)MI)的飛行器分系統(tǒng)多源異構模型一體化仿真。在航天領域，王華茂[7]在航天器總裝和試驗過程中，依據(jù)“激勵-響應”基本測試原理，運用“實物+仿真”測試方法，獲取被測航天器定性、定量參數(shù)信息，進行了處理和評定研究技術。

目前，在國外航空領域應用虛擬仿真試驗技術開展的典型項目包括美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的智能虛擬飛行控制項目、歐洲空中客車公司的A380項目，以及LMS公司的機電一體化系統(tǒng)仿真平臺LMS Imagine.Lab等[8]。

1 多源異構模型分布式集成

本文以基于模型的系統(tǒng)工程理論為基礎，縱向按“裝備級-飛機級-系統(tǒng)級-部件級”多層級遞歸，橫向按照“立項論證-方案設計-工程研制”產品生命周期流程迭代，解決系統(tǒng)設計“需求-功能-邏輯-物理”模型之間的演進與傳遞，實現(xiàn)基于模型的從飛機系統(tǒng)需求到功能邏輯和架構的快速驗證與仿真。

首先，梳理了基于模型驅動的飛機系統(tǒng)從需求分析到試驗驗證的各設計階段，明確各階段轉換的條件、各階段的輸入/輸出項和迭代設計的過程管理等，完善了飛機系統(tǒng)設計手段，建立了飛機系統(tǒng)基于仿真的設計體系。

根據(jù)飛機系統(tǒng)的功能需求和模型，結合各個具體專業(yè)領域分別開展功能建模分析與建模，得到經過功能仿真初步確認的系統(tǒng)需求規(guī)范。在功能建模分析與建模基礎上，結合系統(tǒng)設計約束和系統(tǒng)特性，開展性能模型建模，形成飛機系統(tǒng)級、分系統(tǒng)/子系統(tǒng)級多元異構仿真模型，并將來自不同學科的模型集成到一個系統(tǒng)中進行系統(tǒng)設計、模擬和分析[6]。

針對跨仿真平臺的仿真模型，對其進行分布式仿真集成驗證，需首先解決各仿真節(jié)點通信問題，采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(Data Distribution Service，DDS)網絡中間件實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱機制，基于以太網的通信協(xié)議，實現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱的通信機制，進而實現(xiàn)大型仿真系統(tǒng)技術交換的發(fā)送端和接收端解耦，其提供的質量服務可充分保證通信質量。各仿真平臺可集成DDS網絡中間件對外進行數(shù)據(jù)發(fā)布，同時訂閱其所需的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與模型的輸入輸出接口進行綁定可實現(xiàn)仿真平臺的分布式集成驗證。

針對不支持DDS通信庫文件調用的仿真平臺，可采用以下方式實現(xiàn)模型集成。

① 模型源代碼導出。若仿真工具支持源代碼導出，可通過C/C++進行二次開發(fā)，從而實現(xiàn)對模型源代碼的調用，并通過DDS網絡中間件實現(xiàn)模型的集成。

② 封裝模型。若仿真工具可將模型封裝為其他仿真平臺可解析調用的模型格式，可針對不同的使用需求，將模型以帶求解器或者不帶求解器的方式進行封裝，常見的封裝標準有FMI標準通用仿真接口等，目前主流仿真軟件Simulink、AMESim、Dymola、Modelica、Silver等均支持導出FMI標準的功能模型單元(Fuctional Mockup Unit，F(xiàn)MU)。

③ 通信模塊研制。若仿真工具無法進行代碼導出，也無法進行模型通用標準封裝，可針對工具支持導入的模型格式，在外部平臺進行通信模塊開發(fā)，模塊中封裝DDS通信協(xié)議，再將通信模塊導入模型并與平臺中運行的模型進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

2 基于模型的虛實結合仿真試驗

虛實結合技術就是將虛擬的或者數(shù)字的模型與實物設備集成起來，形成能夠實現(xiàn)特定目的、具有完整功能系統(tǒng)的一種技術[9]。依托地面試驗研制條件建設和基于MBSE研發(fā)體系仿真能力建設，能夠實現(xiàn)建模仿真迭代驗證、虛實結合模型實物混合驗證，進而大幅提升型號設計質量和效率。“虛”為MBSE仿真模型，包括成品、設備、外部參與者、環(huán)境和敵方功能性能模型；“實”為實裝軟件、硬件和系統(tǒng)。虛實結合仿真試驗是運用“虛”替代部分“實”，用“虛”補全“實”，解決因成品交付周期相互制約無法集成驗證的問題，實現(xiàn)提前集成運行，達到提前確認的目的，虛實結合試驗外部制約條件少，可在設計研發(fā)過程多次驗證和確認，從而有效減少研制后期設計反復。

開展虛實結合接口適配技術研究，需將仿真模型或仿真系統(tǒng)接入地面半物理試驗，保證試驗環(huán)境的完整性和靈活性，解決了因機載設備或機載系統(tǒng)的缺失或功能不完善而影響全系統(tǒng)綜合試驗開展以及傳統(tǒng)的接口級仿真無法在時序、功能邏輯上滿足全系統(tǒng)綜合試驗的需求等問題。研究內容主要包含以下方面。

(1) 單設備仿真模型接入機載總線。

仿真模型按照接口控制文件(Interface Control Document，ICD)格式打包、解包接口數(shù)據(jù)，模型驅動總線通信板卡，接入地面半物理試驗機載總線，實現(xiàn)以仿真最小系統(tǒng)為單位通過接口適配的方式接入機載總線，具有試驗環(huán)境總體架構和組成保持不變以及信息傳遞同步性強等特點。單設備仿真模型接入機載總線架構如圖1所示。

圖1 單設備仿真模型接入機載總線架構

將單設備仿真模型接入機載總線架構進行實踐應用，選取無人機作動系統(tǒng)模型作為研究對象，對其進行全數(shù)字化建模，模型涉及到的功能包括：設備狀態(tài)實時上報、舵面控制指令接收、舵面參數(shù)反饋。無人機作動系統(tǒng)模型采用Simulink進行建模，模型打包模塊和解包模塊封裝成Simulink模型插件，插件的接口與模型接口對應，連接關系可在Simulink軟件界面進行手動綁定，模型插件中嵌入模型與機載總線結構轉換代碼和板卡調度代碼，由上位機配置，按照與真實作動系統(tǒng)機載設備相同的信息格式和傳輸周期與其他相關機載設備進行通信，實現(xiàn)單一設備的數(shù)字化替換。作動系統(tǒng)仿真模型虛擬集成如圖2所示。

圖2 作動系統(tǒng)仿真模型虛擬集成

(2) 仿真環(huán)境整體接入機載總線。

通過仿真總線讀取仿真模型的接口數(shù)據(jù)，統(tǒng)一提取仿真系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)，進行打包、解包處理，驅動總線通信板卡，接入地面半物理試驗機載總線，實現(xiàn)了大系統(tǒng)仿真環(huán)境統(tǒng)一接入地面半物理試驗環(huán)境，具有仿真模型間通信可不通過板卡、仿真系統(tǒng)可整體接入試驗網絡、移植性強、模型可分布式運行、模型接入靈活等特點。仿真環(huán)境整體接入機載總線架構如圖3所示。

圖3 仿真環(huán)境整體接入機載總線架構

將仿真環(huán)境整體接入機載總線架構進行實踐應用，選取無人機任務系統(tǒng)分布式仿真環(huán)境作為研究對象進行全數(shù)字化建模，采用IBM Rhapsody對任務系統(tǒng)建模，任務系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 任務系統(tǒng)仿真模型

前期應對系統(tǒng)需求進行梳理與分解，形成系統(tǒng)活動圖和順序圖模型，最后建立可運行的狀態(tài)機模型，在狀態(tài)機模型中嵌入仿真總線通信代碼，實現(xiàn)任務系統(tǒng)中各分系統(tǒng)模型的分布式通信。同時，機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件一端通過以太網掛載到仿真總線，另一端通過板卡掛載到機載總線，任務系統(tǒng)各仿真模型與機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件通信內容為任務系統(tǒng)對外，即飛管、推進等其他機載系統(tǒng)的信息交互接口，機載總線數(shù)據(jù)打解包軟件進行仿真信息與總線信息的格式轉換，實現(xiàn)仿真環(huán)境的整體數(shù)字化替換。

(3) 數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信。

將數(shù)字飛機與射頻模擬器相結合，利用射頻模擬器按照機載ICD格式將數(shù)字信號轉換成射頻信號，模擬機間鏈信息，建立射頻交換網絡，通過射頻環(huán)形器實現(xiàn)射頻信號分發(fā)，數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信架構如圖5所示。

圖5 數(shù)字飛機模型與試驗環(huán)境機間鏈通信架構

(4) 數(shù)字飛機與地面站通信。

設計開發(fā)地空通信適配系統(tǒng)，按照地空協(xié)議，計算實時的時間戳信息和循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)信息，實時打解包仿真飛機上下行數(shù)據(jù)，并通過以太網連接地面站的接入設備，實現(xiàn)地面站席位同時顯示數(shù)字飛機與半物理飛機下傳信息的功能。

(5) 試驗總線構型切換。

構建具有試驗總線網絡構型切換功能的試驗環(huán)境并行系統(tǒng)，在程序控制下快速切換試驗網絡的所有節(jié)點，進而實現(xiàn)機載數(shù)字模型和試驗件的任意切換，提高試驗環(huán)境資源的利用效率，從而加快試驗進度。試驗環(huán)境并行系統(tǒng)包括總線切換設備、切換控制管理軟件。切換控制管理軟件通過以太網和總線切換設備進行通信，總線切換設備和試驗件通過配套電纜進行連接，總線切換設備通過切換控制，能夠選擇試驗件或機載數(shù)字模型接入環(huán)網，切換設備支持主環(huán)網和支線上的試驗件的總線信號切換。試驗環(huán)境并行系統(tǒng)架構如圖6所示。

圖6 試驗環(huán)境并行系統(tǒng)架構

在基于模型的系統(tǒng)工程理論支持下，基于模型打通產品全生命周期驗證體系，實現(xiàn)模型連續(xù)傳遞、持續(xù)驗證和迭代優(yōu)化的飛機系統(tǒng)正向設計，對現(xiàn)有傳統(tǒng)的科研生產體系進行轉型升級。同時，基于信息化、數(shù)字化和智能化深度融合發(fā)展，建立虛實結合的綜合仿真與驗證體系，形成虛實結合的飛機系統(tǒng)試驗驗證架構，貫穿虛擬驗證、虛實結合驗證和實物驗證的全過程，從而提升地面半物理試驗能力和效率。

3 自動化測試

通過對MBSE進行深入研究，分析了應用MBSE進行飛機設計的方法和流程，明確在整個設計過程的模型仿真驗證技術應用階段，應確定驗證的具體內容，并根據(jù)總體設計需求設計試驗測試用例和試驗剖面，保證需求、功能、邏輯和性能驗證的完整性，最后通過基于模型的虛實結合仿真試驗環(huán)境實現(xiàn)仿真驗證。

基于以往型號的試驗項目和試驗流程，以及各階段模型和相關數(shù)據(jù)，利用定制的標準模板，自動生成覆蓋全部功能和性能的測試用例。測試用例設計包含以下步驟。

(1) 仿真驗證需求分析，設計仿真驗證剖面。通過基于模型的飛機系統(tǒng)工程設計方法，以設計方案為對象，對仿真驗證需求進行功能驗證條目分解，制定仿真剖面設計規(guī)則，仿真剖面具備完整的模擬某項功能的能力。依據(jù)功能設計方案，提取能夠覆蓋設計要求和實現(xiàn)明確功能的仿真剖面對仿真驗證進行支撐。

(2) 提取驗證需求。測試用例設計研究依托系統(tǒng)工程場景用例，按系統(tǒng)運行邏輯和系統(tǒng)特性劃分測試剖面，使用狀態(tài)遍歷、特征采樣和蒙特卡羅抽取等數(shù)據(jù)生成手段，每條測試剖面細分為大量的測試數(shù)據(jù)組和與之一一對應的試驗合格判據(jù)，每組試驗數(shù)據(jù)和與之對應的試驗合格判據(jù)構成了一個測試用例，其充分體現(xiàn)了測試對象、測試方法和測試標準。

(3) 測試用例要素分析。依據(jù)驗證需求，測試用例中應具備能夠準確全面反映設計的要素。通過輸入輸出內容確認、條件設計、因果分析和效果反應對測試要素進行分類，實現(xiàn)測試用例構成分析。

(4) 測試用例設計方法。面向模型驅動的仿真測試主要是利用大系統(tǒng)輸入輸出進行功能的準確性驗證，從而判斷系統(tǒng)功能完整性。測試用例設計一般采用等價類劃分法、邊界值分析法、錯誤推測法、因果圖法、判定表驅動法、正交試驗設計法和功能圖法等。測試用例包括：基本功能測試用例、邊界值測試用例、狀態(tài)轉換測試用例、錯誤猜測測試用例、異常測試用例和壓力測試用例。

(5) 形成自動化測試腳本。依據(jù)測試用例中規(guī)定的測試內容和測試方法，制定測試腳本的設計原則，主要從腳本信息完整性、測試流程清晰度、可重構性和可擴展性等方面制定設計邊界。按照既定的測試腳本關鍵字，將測試內容、測試流程、激勵數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)和設計標準值，按照給定格式進行編制。測試腳本采用可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML)編寫，格式統(tǒng)一，按照基于關鍵字表達式的形式進行設計，獨立于計算機軟硬件，且可重構、可擴展。

(6) 自動化測試系統(tǒng)建設。自動化測試系統(tǒng)設計需要考慮綜合試驗的資源協(xié)同、環(huán)境配置、過程控制、組織管理等方面的自動化和智能化程度，初步實現(xiàn)分系統(tǒng)試驗和全機綜合試驗的試驗用例自動執(zhí)行，使大部分的分系統(tǒng)試驗和整機綜合驗證具備自動或半自動的驗證能力，進而提高試驗工作效率，改善試驗人員的協(xié)作方式和工作條件，減少人工操作崗位和人為因素等對試驗的干擾。自動化試驗系統(tǒng)面向全機綜合驗證需求，需要支持分系統(tǒng)自動化試驗和整機綜合自動化試驗需求，覆蓋飛管系統(tǒng)、任務系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等諸多分系統(tǒng)，參試設備多、測試信號量大、試驗復雜度高、試驗需求多樣性強，因此，研制的自動化試驗系統(tǒng)具備以下方面的功能：

① 為環(huán)境內的實物設備、仿真設備及其激勵設備提供統(tǒng)一規(guī)范的控制接口定義，并對試驗所需的特定拓撲環(huán)境構成進行描述和管理。

② 在全局試驗資源管理的基礎上，支持分系統(tǒng)試驗和整機綜合試驗的測試用例定義和管理，支持測試用例的復用、封裝和組合等處理需求。

③ 支持試驗驗證過程管理，具備測試用例自動化執(zhí)行、報警和跟蹤等功能，可實現(xiàn)對參試設備資源的自動化管理。

④ 結合型號設計的實際驗證需求，支持多個分系統(tǒng)的同步分立試驗和分系統(tǒng)與整機同時開展的混合試驗等多種試驗需求，具備試驗環(huán)境資源分配與占用檢測等管理需求。

⑤ 自動化試驗系統(tǒng)能夠進行分布式部署，為各分系統(tǒng)和整機的試驗驗證提供實時的數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程控制和可視化顯示。

自動化測試系統(tǒng)及測試腳本如圖7所示。

圖7 自動化測試系統(tǒng)及測試腳本

4 結束語

采用虛實結合技術進行架構設計，建設由機載設備、虛擬機載系統(tǒng)、數(shù)字飛機組成的試驗環(huán)境，構建基于模型的虛實結合試驗驗證能力，實現(xiàn)了在真實地面試驗環(huán)境與飛機系統(tǒng)仿真模型結合的基礎上，實施多機集群出動試驗驗證。在研發(fā)過程中通過對虛實結合試驗的設計與實施、對仿真試驗流程的科學管理、對仿真試驗狀態(tài)的實時監(jiān)控，以及不斷地探索與鉆研，實現(xiàn)了基于模型虛實結合的仿真試驗技術研究，積累了跨專業(yè)和跨平臺虛實結合綜合試驗的經驗，為后續(xù)型號和行業(yè)內相關領域仿真試驗驗證的組織規(guī)劃實施及管理奠定了基礎。