基于模型的虚实结合的仿真试验技术

于 涛， 宛 旭， 孙翔宇

航空工业沈阳飞机设计研究所 空战系统技术航空科技重点实验室，辽宁 沈阳 110035)

无人作战飞机是由机、站、链构成的大系统，具有结构分散、运行分散、时空分散、部署分散的典型特征，是典型的复杂系统。其研发模式已由跟踪研发转为正向设计，为实现自主创新，必然要采用从需求开发、功能分解、系统设计、物理设计到系统集成验证的正向设计闭环的思路。基于模型的虚实结合仿真试验支持模型驱动和快速迭代验证，可有效降低研制成本和周期，是无人机正向设计中确保方案质量、缩短周期和成本的关键途径。

系统复杂度的急剧增加、多学科耦合的逐步加强，使传统研发模式下的装备研发周期和成本快速增长。基于模型的虚实结合仿真试验技术可实现全流程快速仿真迭代验证，通过“模型在环”方式实现全系统综合仿真验证，提前发现系统涌现性，给出系统设计优劣的决策判据，支撑系统设计的快速迭代优化，缩减研制周期和成本。

笔者研究了基于模型的虚实结合仿真试验技术，突破了多源异构模型分布式集成关键技术和虚实结合接口适配关键技术，将其应用于地面半物理试验，对基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE)理论的飞机设计流程进行继承和延续，进而对虚拟试验、数字孪生应用进行有力探索，形成一套完整的正向设计流程、方法和准则，建立支撑新一代先进作战飞机系统研发的技术体系。同时，能自上而下有效推动基于模型驱动的系统工程方法在航空及相关领域的应用，对推动技术进步以及有效提升我国新研航空武器装备研发质量、效率和水平，具有重大军事意义和社会意义。

当前比较热门的虚拟试验普遍在向虚实结合技术发展[1]。国内航空领域对基于模型的飞机系统试验进行了一些探索与研究，许光磊等[2]开展了基于模型的航电系统集成验证技术研究；
董志明等[3]开展了基于实况、虚拟和构造(Live Virtual Constructive，LVC)仿真的体系试验方法研究；
董政等[4]开展了基于Modelica的起落架半物理仿真方法研究；
白洁等[5]开展了基于模型的系统工程理论在机载系统研制中的应用研究；
陆冠华等[6]开展了基于通用模型接口标准(Functional Mock-Up Interface，FMI)的飞行器分系统多源异构模型一体化仿真。在航天领域，王华茂[7]在航天器总装和试验过程中，依据“激励-响应”基本测试原理，运用“实物+仿真”测试方法，获取被测航天器定性、定量参数信息，进行了处理和评定研究技术。

目前，在国外航空领域应用虚拟仿真试验技术开展的典型项目包括美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的智能虚拟飞行控制项目、欧洲空中客车公司的A380项目，以及LMS公司的机电一体化系统仿真平台LMS Imagine.Lab等[8]。

本文以基于模型的系统工程理论为基础，纵向按“装备级-飞机级-系统级-部件级”多层级递归，横向按照“立项论证-方案设计-工程研制”产品生命周期流程迭代，解决系统设计“需求-功能-逻辑-物理”模型之间的演进与传递，实现基于模型的从飞机系统需求到功能逻辑和架构的快速验证与仿真。

首先，梳理了基于模型驱动的飞机系统从需求分析到试验验证的各设计阶段，明确各阶段转换的条件、各阶段的输入/输出项和迭代设计的过程管理等，完善了飞机系统设计手段，建立了飞机系统基于仿真的设计体系。

根据飞机系统的功能需求和模型，结合各个具体专业领域分别开展功能建模分析与建模，得到经过功能仿真初步确认的系统需求规范。在功能建模分析与建模基础上，结合系统设计约束和系统特性，开展性能模型建模，形成飞机系统级、分系统/子系统级多元异构仿真模型，并将来自不同学科的模型集成到一个系统中进行系统设计、模拟和分析[6]。

针对跨仿真平台的仿真模型，对其进行分布式仿真集成验证，需首先解决各仿真节点通信问题，采用数据分发服务(Data Distribution Service，DDS)网络中间件实现以数据为中心的发布/订阅机制，基于以太网的通信协议，实现了以数据为中心的发布/订阅的通信机制，进而实现大型仿真系统技术交换的发送端和接收端解耦，其提供的质量服务可充分保证通信质量。各仿真平台可集成DDS网络中间件对外进行数据发布，同时订阅其所需的数据，将数据与模型的输入输出接口进行绑定可实现仿真平台的分布式集成验证。

针对不支持DDS通信库文件调用的仿真平台，可采用以下方式实现模型集成。

① 模型源代码导出。若仿真工具支持源代码导出，可通过C/C++进行二次开发，从而实现对模型源代码的调用，并通过DDS网络中间件实现模型的集成。

② 封装模型。若仿真工具可将模型封装为其他仿真平台可解析调用的模型格式，可针对不同的使用需求，将模型以带求解器或者不带求解器的方式进行封装，常见的封装标准有FMI标准通用仿真接口等，目前主流仿真软件Simulink、AMESim、Dymola、Modelica、Silver等均支持导出FMI标准的功能模型单元(Fuctional Mockup Unit，FMU)。

③ 通信模块研制。若仿真工具无法进行代码导出，也无法进行模型通用标准封装，可针对工具支持导入的模型格式，在外部平台进行通信模块开发，模块中封装DDS通信协议，再将通信模块导入模型并与平台中运行的模型进行连接，实现数据收发。

虚实结合技术就是将虚拟的或者数字的模型与实物设备集成起来，形成能够实现特定目的、具有完整功能系统的一种技术[9]。依托地面试验研制条件建设和基于MBSE研发体系仿真能力建设，能够实现建模仿真迭代验证、虚实结合模型实物混合验证，进而大幅提升型号设计质量和效率。“虚”为MBSE仿真模型，包括成品、设备、外部参与者、环境和敌方功能性能模型；
“实”为实装软件、硬件和系统。虚实结合仿真试验是运用“虚”替代部分“实”，用“虚”补全“实”，解决因成品交付周期相互制约无法集成验证的问题，实现提前集成运行，达到提前确认的目的，虚实结合试验外部制约条件少，可在设计研发过程多次验证和确认，从而有效减少研制后期设计反复。

开展虚实结合接口适配技术研究，需将仿真模型或仿真系统接入地面半物理试验，保证试验环境的完整性和灵活性，解决了因机载设备或机载系统的缺失或功能不完善而影响全系统综合试验开展以及传统的接口级仿真无法在时序、功能逻辑上满足全系统综合试验的需求等问题。研究内容主要包含以下方面。

(1) 单设备仿真模型接入机载总线。

仿真模型按照接口控制文件(Interface Control Document，ICD)格式打包、解包接口数据，模型驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，实现以仿真最小系统为单位通过接口适配的方式接入机载总线，具有试验环境总体架构和组成保持不变以及信息传递同步性强等特点。单设备仿真模型接入机载总线架构如图1所示。

图1 单设备仿真模型接入机载总线架构

将单设备仿真模型接入机载总线架构进行实践应用，选取无人机作动系统模型作为研究对象，对其进行全数字化建模，模型涉及到的功能包括：设备状态实时上报、舵面控制指令接收、舵面参数反馈。无人机作动系统模型采用Simulink进行建模，模型打包模块和解包模块封装成Simulink模型插件，插件的接口与模型接口对应，连接关系可在Simulink软件界面进行手动绑定，模型插件中嵌入模型与机载总线结构转换代码和板卡调度代码，由上位机配置，按照与真实作动系统机载设备相同的信息格式和传输周期与其他相关机载设备进行通信，实现单一设备的数字化替换。作动系统仿真模型虚拟集成如图2所示。

图2 作动系统仿真模型虚拟集成

(2) 仿真环境整体接入机载总线。

通过仿真总线读取仿真模型的接口数据，统一提取仿真系统接口数据，进行打包、解包处理，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，实现了大系统仿真环境统一接入地面半物理试验环境，具有仿真模型间通信可不通过板卡、仿真系统可整体接入试验网络、移植性强、模型可分布式运行、模型接入灵活等特点。仿真环境整体接入机载总线架构如图3所示。

图3 仿真环境整体接入机载总线架构

将仿真环境整体接入机载总线架构进行实践应用，选取无人机任务系统分布式仿真环境作为研究对象进行全数字化建模，采用IBM Rhapsody对任务系统建模，任务系统仿真模型如图4所示。

图4 任务系统仿真模型

前期应对系统需求进行梳理与分解，形成系统活动图和顺序图模型，最后建立可运行的状态机模型，在状态机模型中嵌入仿真总线通信代码，实现任务系统中各分系统模型的分布式通信。同时，机载总线数据打解包软件一端通过以太网挂载到仿真总线，另一端通过板卡挂载到机载总线，任务系统各仿真模型与机载总线数据打解包软件通信内容为任务系统对外，即飞管、推进等其他机载系统的信息交互接口，机载总线数据打解包软件进行仿真信息与总线信息的格式转换，实现仿真环境的整体数字化替换。

(3) 数字飞机模型与试验环境机间链通信。

将数字飞机与射频模拟器相结合，利用射频模拟器按照机载ICD格式将数字信号转换成射频信号，模拟机间链信息，建立射频交换网络，通过射频环形器实现射频信号分发，数字飞机模型与试验环境机间链通信架构如图5所示。

图5 数字飞机模型与试验环境机间链通信架构

(4) 数字飞机与地面站通信。

设计开发地空通信适配系统，按照地空协议，计算实时的时间戳信息和循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)信息，实时打解包仿真飞机上下行数据，并通过以太网连接地面站的接入设备，实现地面站席位同时显示数字飞机与半物理飞机下传信息的功能。

(5) 试验总线构型切换。

构建具有试验总线网络构型切换功能的试验环境并行系统，在程序控制下快速切换试验网络的所有节点，进而实现机载数字模型和试验件的任意切换，提高试验环境资源的利用效率，从而加快试验进度。试验环境并行系统包括总线切换设备、切换控制管理软件。切换控制管理软件通过以太网和总线切换设备进行通信，总线切换设备和试验件通过配套电缆进行连接，总线切换设备通过切换控制，能够选择试验件或机载数字模型接入环网，切换设备支持主环网和支线上的试验件的总线信号切换。试验环境并行系统架构如图6所示。

图6 试验环境并行系统架构

在基于模型的系统工程理论支持下，基于模型打通产品全生命周期验证体系，实现模型连续传递、持续验证和迭代优化的飞机系统正向设计，对现有传统的科研生产体系进行转型升级。同时，基于信息化、数字化和智能化深度融合发展，建立虚实结合的综合仿真与验证体系，形成虚实结合的飞机系统试验验证架构，贯穿虚拟验证、虚实结合验证和实物验证的全过程，从而提升地面半物理试验能力和效率。

通过对MBSE进行深入研究，分析了应用MBSE进行飞机设计的方法和流程，明确在整个设计过程的模型仿真验证技术应用阶段，应确定验证的具体内容，并根据总体设计需求设计试验测试用例和试验剖面，保证需求、功能、逻辑和性能验证的完整性，最后通过基于模型的虚实结合仿真试验环境实现仿真验证。

基于以往型号的试验项目和试验流程，以及各阶段模型和相关数据，利用定制的标准模板，自动生成覆盖全部功能和性能的测试用例。测试用例设计包含以下步骤。

(1) 仿真验证需求分析，设计仿真验证剖面。通过基于模型的飞机系统工程设计方法，以设计方案为对象，对仿真验证需求进行功能验证条目分解，制定仿真剖面设计规则，仿真剖面具备完整的模拟某项功能的能力。依据功能设计方案，提取能够覆盖设计要求和实现明确功能的仿真剖面对仿真验证进行支撑。

(2) 提取验证需求。测试用例设计研究依托系统工程场景用例，按系统运行逻辑和系统特性划分测试剖面，使用状态遍历、特征采样和蒙特卡罗抽取等数据生成手段，每条测试剖面细分为大量的测试数据组和与之一一对应的试验合格判据，每组试验数据和与之对应的试验合格判据构成了一个测试用例，其充分体现了测试对象、测试方法和测试标准。

(3) 测试用例要素分析。依据验证需求，测试用例中应具备能够准确全面反映设计的要素。通过输入输出内容确认、条件设计、因果分析和效果反应对测试要素进行分类，实现测试用例构成分析。

(4) 测试用例设计方法。面向模型驱动的仿真测试主要是利用大系统输入输出进行功能的准确性验证，从而判断系统功能完整性。测试用例设计一般采用等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图法、判定表驱动法、正交试验设计法和功能图法等。测试用例包括：基本功能测试用例、边界值测试用例、状态转换测试用例、错误猜测测试用例、异常测试用例和压力测试用例。

(5) 形成自动化测试脚本。依据测试用例中规定的测试内容和测试方法，制定测试脚本的设计原则，主要从脚本信息完整性、测试流程清晰度、可重构性和可扩展性等方面制定设计边界。按照既定的测试脚本关键字，将测试内容、测试流程、激励数据、测试数据和设计标准值，按照给定格式进行编制。测试脚本采用可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML)编写，格式统一，按照基于关键字表达式的形式进行设计，独立于计算机软硬件，且可重构、可扩展。

(6) 自动化测试系统建设。自动化测试系统设计需要考虑综合试验的资源协同、环境配置、过程控制、组织管理等方面的自动化和智能化程度，初步实现分系统试验和全机综合试验的试验用例自动执行，使大部分的分系统试验和整机综合验证具备自动或半自动的验证能力，进而提高试验工作效率，改善试验人员的协作方式和工作条件，减少人工操作岗位和人为因素等对试验的干扰。自动化试验系统面向全机综合验证需求，需要支持分系统自动化试验和整机综合自动化试验需求，覆盖飞管系统、任务系统、机电系统、武器系统等诸多分系统，参试设备多、测试信号量大、试验复杂度高、试验需求多样性强，因此，研制的自动化试验系统具备以下方面的功能：

① 为环境内的实物设备、仿真设备及其激励设备提供统一规范的控制接口定义，并对试验所需的特定拓扑环境构成进行描述和管理。

② 在全局试验资源管理的基础上，支持分系统试验和整机综合试验的测试用例定义和管理，支持测试用例的复用、封装和组合等处理需求。

③ 支持试验验证过程管理，具备测试用例自动化执行、报警和跟踪等功能，可实现对参试设备资源的自动化管理。

④ 结合型号设计的实际验证需求，支持多个分系统的同步分立试验和分系统与整机同时开展的混合试验等多种试验需求，具备试验环境资源分配与占用检测等管理需求。

⑤ 自动化试验系统能够进行分布式部署，为各分系统和整机的试验验证提供实时的数据监控、远程控制和可视化显示。

自动化测试系统及测试脚本如图7所示。

图7 自动化测试系统及测试脚本

采用虚实结合技术进行架构设计，建设由机载设备、虚拟机载系统、数字飞机组成的试验环境，构建基于模型的虚实结合试验验证能力，实现了在真实地面试验环境与飞机系统仿真模型结合的基础上，实施多机集群出动试验验证。在研发过程中通过对虚实结合试验的设计与实施、对仿真试验流程的科学管理、对仿真试验状态的实时监控，以及不断地探索与钻研，实现了基于模型虚实结合的仿真试验技术研究，积累了跨专业和跨平台虚实结合综合试验的经验，为后续型号和行业内相关领域仿真试验验证的组织规划实施及管理奠定了基础。