复杂多耦合仿真模型校验工具研究

2022-07-20刘京涛

计算机仿真 2022年6期

邹莹，杨凯，刘京涛，张昕

(北京航天自动控制研究所，北京 100854 )

1 引言

仿真技术具有无破坏、可重复、经济、安全、高效等特点，因此在大型运载火箭、武器装备研制、试验、定型、鉴定等方面具有不可缺少的重要作用。建模是建立系统模型的过程，是研究系统的重要手段和前提，模型是一个系统(实体、现象、过程) 的物理的、数学的或其它逻辑的表现形式，依模型的形式不同可将其分为实体模型和数学模型，而仿真是在计算机上或实体上建立系统的有效模型并在模型上进行系统实验的过程。仿真模型是建模者对建模对象为满足仿真应用需求而建立的、以某种形式 (计算机语言、实体模型的物理实现) 给出的描述. 利用仿真模型代替被研究的对象，在计算机或其它设备组成的环境中进行实验，则形成了仿真系统。近些年来仿真模型校验与评估工作越来越被仿真系统开发者与使用者重视，其根本原因是规范的建模与模型校验过程、仿真过程会对仿真应用的成败起到决定性的作用。近年来各国通过军用建模与仿真标准体系构建和应用推广方面取得了较多的成果，对于推动装备建设起到了积极地作用。

在大型运载火箭、武器装备仿真领域，仿真模型一般是由多个子模块甚至子分模块构成的复杂模型，其多项输出特性之间存在复杂的耦合关系。公开资料表明针对多耦合输出仿真模型可信度评估及VV&A工具应用的相关研究极少。在目前大型运载火箭高密度发射、武器装备密集研制的背景下，根据发射任务的需要具备快速仿真建模、模型校验能力，将对仿真能力的提升起到积极作用。

在模型校验辅助工具研制方面，自20世纪九十年代起，西方发达国家开展了针对仿真模型VV&A一个阶段或多个阶段的辅助工具研制，并成功应用于武器装备研制方面。我国仿真领域的专家学者在近20年间在仿真模型VV&A工具领域取得了一些成果，其中哈尔滨工业大学王子才院士团队的“复杂仿真系统VV&A与可信度评估支撑工具”，西北工业大学曹海旺团队的“基于人工智能的VV&A平台”等都取得了较大的技术突破。但这些VV&A工具由于未实现大规模商业化，无法快速应用到武器装备研制过程中。在目前大型运载火箭高密度发射、武器装备密集研制的背景下，根据发射任务的需要具备快速仿真建模、验模能力，将对仿真能力的提升起到积极作用。

本文提出了针对复杂多耦合仿真模型时域校验的方法，给出了一种仿真模型校验辅助工具的设计及实现的方法，应用仿真模型校验辅助工具开展模型校验工作，有效提升大型运载火箭、武器装备多耦合输出的复杂仿真模型校验效率、规范其校验过程。

2 复杂仿真模型VV&A过程管理

2.1 特点和难点

在大型运载火箭、武器装备仿真领域，仿真系统往往十分复杂。复杂系统仿真一般具有系统结构多层次、仿真对象多样性、系统之间信息不确定性、仿真过程中的随机性等特点。有学者指出VV&A应贯穿于建模与仿真的全生命周期中，涉及自仿真问题定义至仿真结论全过程。对于复杂系统内复杂多耦合仿真模型VV&A过程管理，可能面对VV&A技术方法研究与工程应用研究相结合、多领域多学科仿真建模技术、VV&A标准文件的建立、VV&A工具的研制和推广应用等一系列相关领域的研究工作。

2.2 仿真模型可信度

仿真模型可信度可理解为在一定的应用目的条件下，仿真系统应用者对于整个的仿真模型以及仿真结果是否正确的信任程度；或者是基于一定目的下，应用仿真模型代替被仿真对象，其仿真结果指标的可信程度。

如何有效的识别复杂多耦合仿真模型建模过程中是否达到了依据文件的要求，仿真模型是否符合任务提出方的期望，仿真模型是否具备可信性，这通常是一个需要反复迭代、分层校验的多环节的评估过程。在工程应用环节通常由承担仿真模型校验工作的设计人员根据实际仿真验证任务需求，在标准文件指导下开展模型校验工作。仿真模型校核、验证的效果将影响仿真试验结果的置信度。

2.3 模型校验管理

模型校验管理主要包含模型校验的组织管理、过程管理、和文本化管理的方法。模型校验的管理文件通常由一系列标准和作业指导文件，用来指导仿真设计人员开展仿真模型VV&A的工作，仿真模型可信性评估的效率和成果也与仿真设计人员自身的经验相关。

仿真系统内的模型校验管理通常由仿真模型设计规范、仿真模型校验规范、仿真模型校验作业指导书、仿真试验规范、试验报告编制规范等一系列标准文件组成。这些管理文件贯穿了建模与仿真的全生命周期。

2.4 仿真模型的校验流程

仿真模型设计校验是多学科、多专业的协同工作的过程，在工程实践阶段往往需要多轮迭代、确认来完成模型设计和校验工作。

在模型设计校验环节通常会由任务依据文件确认、模型设计、模型校验、仿真结果确认等过程，在模型校验过程中还需要制定模型校验计划来协同工作，形成模型校验报告对仿真模型可信性进行评估。典型的运载火箭控制系统仿真模型的校验流程如图1所示。

图1 仿真模型校验流程

1) 根据依据文件开展仿真模型设计和测试工作，完成仿真软件的编写和调试，使仿真软件能够进行模型校验。

2) 根据任务分工在模型校验前制定模型校验计划。

3) 根据模型校验计划开展模型开环校验。在完成单一仿真模型校验后，进行多个相关联的仿真模型的联合校验，最后进行仿真模型开环串联校验，每步骤均需要进行仿真模型开环校验结果评估；

4) 将控制闭环，确保数据接口、时序交互、指令输出等关系正确；

5) 进行闭环仿真，仿真模型校验结果评估，合格后仿真模型校验完成。

3 复杂多耦合仿真模型校验方法

3.1 模型校验的常见方法

仿真模型校核与验证的常见方法有与其它模型比较法、数据关联正确性检验等。这些方法可简单归类为主观法和客观法。

典型运载火箭控制系统复杂多耦合仿真模型校验一般根据仿真模型计算顺序，逐步分析、比较仿真模型与被仿真对象在相同输入条件下的输出特性是否一致，从而判定仿真模型的实现是否正确。但这个过程中也依赖领域专家或仿真设计人员的主观判断和经验。

校验过程中通常以单一模型校验、关联模型校验、串联校验等顺序开展校验。针对多输入多输出耦合关系复杂的模型，通常先将模型作为独立模块进行校验，通过针对模型参数置为特定输入条件，分析模型计算中间变量、模型输出是否与模型校验的依据文件及任务提出方要求一致，复杂多耦合仿真模型校验结果也需要按模型复杂度进行多次确认。

3.2 模型校验的一般性要求

典型运载火箭控制系统仿真模型校验时，必须考虑模型校验的任务需求和模型校验结果评估，一般还用考虑模型校验过程中的下列方面：

1) 仿真模型的计算顺序、模块设计应符合相关仿真标准文件的要求；

2) 仿真模型用数据要经过确认；

3) 仿真模型校验过程一般遵循由简至繁，先局部再总体的校验顺序；

4) 模型校验时需要考虑到时序影响；

5) 模型校验时必须考虑仿真模型校验结果的数据存储周期和数据存储精度影响；

6) 校验过程中应对仿真模型做好技术状态控制，确保模型校验状态可追溯。

7) 应做好校验过程关键信息的记录。

8) 应给出模型校验的结论。

4 仿真模型校验辅助工具及方案应用

4.1 运载火箭仿真模型校验

在不同的仿真模型校验领域所需关注的关键问题不同，在典型运载火箭仿真模型校验环节，仿真设计人员根据相关仿真模型校验标准规范中的要求开展模型校验工作，模型校验的效果和效率依赖于仿真设计人员自身的经验和对标准规范的理解和执行。

通过模型校验辅助工具可以对校核、验证、质量保证环节进行管理。VV&A过程中还应该遵守对独立原则、数据正确原则、有效计划原则等实施原则。模型校验辅助工具的作用主要有：

1) 减少在仿真模型校验的过程中对模型校验人员经验的依赖；

2) 固化模型校验方法、流程；

3) 提升模型校验效率；

4) 规范模型校验过程。

4.2 仿真模型校验辅助工具组成

针对运载火箭控制系统仿真各类模型校验需求，重点解决仿真模型校验过程中，复杂箭体模型的数据预处理、模型校验流程指导及辅助工具、模型校验报告自动生成等关键技术，设计了适合仿真模型校验的辅助工具。

模型校验辅助工具由三个既独立又相互关联的工具组成，一键式箭体数据预处理、嵌入VC++编程环境的模型校验工具、模型校验报告自动生成工具，模型校验辅助工具总体方案图如图2。

图2 模型校验工具总体方案图

4.2.1 数据预处理工具

一键式仿真数据预处理工具能够自动记录仿真设计人员处理仿真模型数据的过程和方法，与仿真软件相结合自动生成变量赋值关系语句供仿真软件使用，并对原始数据有效性、合理性进行预判别。当再次处理新的数据时，可按照仿真应用场景自动完成数据处理。

数据预处理工具采用基于规则库的数据批量处理方法，通过创建线程池，每个线程遍历数据处理规则库中的数据处理规则，根据数据处理规则中的数据处理参数，生成数据处理结果文件。数据处理过程中同步完成了数据的合理性检验。

一键式数据预处理工具可以处理一维、多维等多种数据形式，仿真模型数据处理结束后会自动生成数据处理报告，详细记录数据处理过程的关键信息，新增数据处理报告会以日志形式添加至模型校验报告中。仿真模型数据处理报告形式如图3所示。

图3 仿真模型数据处理报告

4.2.2 模型校验辅助工具

嵌入VC++编程环境的辅助校验工具能够在仿真软件设计、编译环境中，提供一组快速模型校验工具栏组件，仿真设计人员可在不输入代码的情况下，快速设置、点选校验输入条件、点选设置校验输出，并将校验结果一键式插入模型校验报告中，提升模型校验效率。模型校验方法严格相关标准文件中的要求。

模型校验工具采用VC编译器的二次开发接口，主要使用了VC Plugin技术。将模型校验环节的测试输入条件、校验结果、图形化校验结果显示等功能以DLL动态库的形式生成COM组件，在VC编译环境下提供了一组工具栏，与数据预处理工具、模型校验报告相关联，管理整个模型校验过程。

模型校验工具栏内由校验条件输入、校验结果输出、校验结果分析、单个测试点撤销、多个测试点撤销、数据预处理工具、校验报告生成工具等快捷工具组成，嵌入编译环境的工具栏如图4所示。点选测试条件后可以自动生成校验代码，校验代码如图5所示。图5是由自动生成的校验代码。校验结束后可以通过不同数据分析手段对仿真模型可信性进行分析，校验结果分析界面如图6所示。图6是模型计算结果与理论值之间的差，用来分析模型是否与预期结果一致。校验过程中还可以使用不同数值分析方法来对仿真模型进行分析。