基于信號流程的電子裝備機理建模方法

摘 要： 針對面向電子裝備戰斗操作訓練和技術維修訓練的模擬器，研究機理模型建模問題。首先總結了當前主要的建模方法，進而根據模塊化思想，提出了基于信號流程建立電子裝備的機理模型，共分為裝備分解，提取信號流程圖、建立子模型、建立完整機理模型等四個步驟。闡明了建模過程，重點介紹了如何構建子模型和完整模型。討論了模型的時間管理機制，多分辨率建模等問題，分析了該方法在故障建模中的應用，并提出了一個三級分辨率的機理模型體系。該方法的創新點包括：通過調整模型分辨率，可以兼容其他主要建模方法；同時能有效解決故障裝備機理建模的問題。分析表明，該方法可以滿足當前模擬器在各個層次上對機理模型的需求。

關鍵詞： 機理模型； 模擬訓練器； 信號流程； 操作訓練模擬器

中圖分類號： TN710?34； TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0004?05

Method of electronic equipment mechanism modeling based on signal?flow

LI Zhao?rui， FENG Shao?chong

（Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China）

Abstract： Aiming at the electronic equipment simulator， the mechanism modeling method is researched. The main modeling methods are summarized. The electronic equipment mechanism model based on signal flow is proposed according to the modular modeling theory， which includes four steps： equipment decomposition， signal flow chart extraction， sub?model establishment and complete model establishment. The modeling process is introduced. The sub?models and the structure of the complete model are introduced emphatically. The multi?resolution modeling （MRM） and time management mechanism of the model are discussed. The application of this new method in the fault modeling is analyzed. A mechanism modeling system with 3?level?resolution is put forward. The innovations include： the method is compatible with other modeling methods by adjusting the resolution， and it is an ution to the problem of fault equipment modeling can be solved effectively. Analysis result shows that proposed method can meet the demands of mechanism model for simulators at different levels.

Keywords： mechanism model； simulation training aid； signal flow； simulator for operation training

引 言

武器裝備模擬器的研究應用范圍已經從傳統的操作訓練擴展到維修訓練和裝備教學，虛擬維修受到普遍重視。從國內外的研究成果看，對虛擬維修的研究集中在維修過程中如何應用VR技術解決裝備的虛擬裝配，拆卸等機械問題[1?5]。

但是，隨著武器裝備技術含量的飛速提升，電子部件大量使用，電子裝備的故障診斷、故障排除成為虛擬維修中新的研究方向。仿真技術在滲透于武器裝備全生命周期的同時，也逐漸涵蓋裝備的各種物理屬性。VR技術解決的只是故障現象，維修動作，維修環境和機械結構等問題，遠沒有觸及電氣故障機理的實質。

電子裝備的虛擬維修研究起步較晚，目前還沒有成熟的建模方法。本文將在文獻[6]的基礎上進一步研究，討論一種應用于電子裝備模擬器的，可兼顧戰斗操作訓練和技術維修訓練的機理建模方法。

1 機理模型概述

裝備機理模型是對裝備動力、機械、電氣等方面特性的描述，是模擬器的核心。機理模型仿真裝備機理，并為外觀模型提供可靠的數據支撐。

利用模擬器進行操作訓練時，機理模型描述確定的邏輯；而故障的多樣性導致故障機理模型在邏輯上、細節等級上具有不確定性，維修訓練對機理模型在建模方法、設計模式、軟件實現等多個方面提出了更高的要求。

對電子裝備模擬器而言，裝備現象的仿真，故障的模擬等，都要求機理模型不僅提供外觀模型所需的數據，還要提供裝備內部各模塊、各板卡在正常情況和故障情況下的信號、數據。

2 兩種常用機理建模方法簡介

電子裝備機理建模常用方法大體可以歸結為兩類：基于VP（虛擬樣機，Virtual Prototype）建模[7]，基于淺層專家知識[8]建模。

2.1 基于VP建模

基于VP的建模方法即按照裝備電路圖，用虛擬的電阻，電容，芯片等直接仿真電路，計算相關信號。這類模型與裝備嚴格對應，可以最大限度地仿真真實裝備。

實際開發中，一些特殊模塊（如可編程器件，高頻電路）的建模和完整電路的實時計算等都給開發帶來巨大困難。

2.2 基于淺層專家知識建模

專家系統的知識，一般可以分為兩類：淺層知識（Shallow Knowledge）和深層知識（Deep Knowledge）。淺層知識就是領域專家的知識總結，主要是一些表示征兆、規則、故障等直接相聯系的啟發式的經驗知識。深層知識是武器系統的結構功能的描述知識，包括了系統的結構層次、模塊之間的耦合關系、信號流程以及工作原理等[9]。

可以通過專家系統，推理淺層專家知識建立裝備機理模型。這種建模方法直接描述裝備對輸入激勵在功能和現象上的響應情況，完全屏蔽裝備內部的電氣關系，用專家知識描述相應的系統狀態。

通過對知識庫查詢產生輸出數據，不具有智能判斷功能，難以推理知識之外的信息。模型功能單一，知識庫不易擴展，對模型的維護比較麻煩。

2.3 兩種機理建模方法比較

上述兩種建模方法比較見表1。

表1 兩種機理建模方法比較

[建模

方法＼分辨率＼模型信

息量＼開發難度＼模型特點＼基于VP＼高＼裝備

任意點＼難度較大＼模型精細，描述能力強，但受限制較多＼基于淺層專家知識＼低＼裝備

有限點＼工作量大＼直觀，描述能力弱，限于局部環節的描述＼]

兩種建模方法的根本區別在于建立的機理模型分辨率不同。其中基于VP建立的模型分辨率最高，建模過程中需要大量的原始資料，這種方法更適用于裝備研發階段的論證和試驗；基于淺層專家知識建立的模型分辨率低，在面對大型復雜裝備時顯得力不從心。

從器件級別對裝備進行仿真往往沒有必要或者不可行，而基于淺層專家知識建模有時不能對裝備進行完備描述。希望找到一種方法，建模過程簡單，模型維護方便，信息量大，能滿足模擬器需求。根據模塊化建模思想，本文提出了基于信號流程的機理建模方法，并在一定程度上統一以上兩種方法。

3 基于信號流程的機理建模方法

在面向電子裝備操作、維修的仿真領域里，基于信號流程的機理建模方法是以信號流程為建模出發點，按照模塊化建模的思想，分解裝備，提取裝備信號流程圖，分別對子系統建立子模型，最終將子模型拼合為完整裝備的機理模型的方法。

這類機理模型建立在以相關學科知識為背景的大規模計算上，其核心功能是分析、處理裝備電路的各種電氣信號。

3.1 模塊化建模思想[10?11]

模塊化建模思想是解決對復雜大系統仿真問題的有效工具。模塊化建模建立在系統的可分解性和良好的分解用途上，認為系統是由子系統組成的，而子系統又可以分解為更原始的子系統。對系統建模過程實際是將系統進行分解，對子系統建模（建立子模型），最后把所有子模型拼合的過程。模塊化建模屬于分解結構水平的建模方法。

3.2 基本建模步驟

基于信號流程建立機理模型的過程分為以下幾步：裝備分解，模塊劃分；提取信號流程圖；建立子模型；建立完整機理模型。為了保證模型質量，在各步驟里，對模型的VVA應當貫穿建模始終。

3.2.1 裝備分解，模塊劃分

分解裝備、劃分模塊工作應當也必須由裝備專家完成。模塊的劃分要遵循以下原則：

（1）以裝備的物理構成為出發點，劃分的模塊要具備相對完整的功能、特性。

（2）充分考慮訓練過程中的測試，拆裝等情況，劃分的模塊要滿足這些實際需求。

（3）劃分的模塊應便于描述，盡量不對CPU等編程邏輯器件單獨建模。

（4）沒有必要將裝備完全分解到器件級，在滿足前三個條件的前提下，模塊劃分越“粗”越好。

除以上4條模塊劃分的原則之外，模塊的層次結構，模塊的數學獨立性[10]等等也是考慮因素。結合裝備教學，維修、操作使用，綜合考慮上述原則，由裝備專家確定最終的模塊劃分方案。

3.2.2 提取信號流程圖

信號流程圖是由專業領域人員根據裝備分解情況總結出來的功能框圖。將復雜的裝備電路圖抽象為相對簡單的信號流程圖，裝備的各種信號在各模塊之間“流動”。信號流程圖建立在相關的一系列規范上，最終的形式不單是一張框圖，還包括相關的解釋說明和數據資料。

3.2.3 建立子模型

提取信號流程圖后，分別對各個模塊建立各自的子模型。子模型由6種基本元素組成，處理輸入信號，輸出信號和控制信號，這6種基本元素是：

信號線：帶有箭頭的直線或折線，箭頭表示信號傳遞方向，線上可以標記信號的名稱。其屬性[α]說明該信號的某種屬性的值，如電壓值、電流值等。

方框：代表某一功能模塊，對應的實體范圍可以調整，方框描述模塊功能。[F]表示方框對信號的具體處理方法。

引出點：表示信號引出的位置，用表示，其屬性[β]說明引出點派生的信號與源信號的關系，[β]是一個維數[≥2]的向量。

反饋點：表示對兩個以上的信號進行運算，用?表示，其屬性[γ]為1或-1，說明在反饋點需進行的計算。

模型時間：表示模型時間信息，記為[T。]

模型運行控制函數：控制模型的仿真運行，用虛線框表示，記為[C。]

信號在信號線的指引下從一個方框到另一個方框，表示信號在裝備功能模塊之間流動；遇到反饋點時，信號進行相應的計算；遇到引出點時，派生出相應的信號；當信號輸入到一個方框之后，根據方框的描述進行運算得到輸出信號。模型運行控制函數一般與模型時間相關，在后臺運行，控制模型的狀態，該函數主要在實時在線仿真中起作用。

圖1中， [a1]為反饋點，[a2]為引出點（假設該子模型僅有一個反饋點和一個引出點），[S00，S01，…，S0n]為輸入信號，[S20，S21，…，S2m]為輸出信號，[S10，S11，…，S1c]為控制信號。方框中[F]的表示某模塊的功能。不考慮時間影響，可以得到以下幾個公式：

[αS00′=αS00+γa1×αS20″] （1）

[αS20″=βa2[0]×αS20′] （2）

[αS20=βa2[1]×αS20′] （3）

[Sout=F（Sin，Scon）] （4）

式中：[Sin=[S00′ S01 S0n]；Scon=[S10 S11 S1c]；Sout=[S20′ ][S21 S2m]。]

圖1 子模型基本組成

子模型與裝備模塊嚴格對應，信號線對應裝備中的實際信號，模型綜合反映裝備的輸入、輸出和裝備內部的信號關系，實現了機理模型最基本的數據解算功能。其表現的重點在于各個信號，但是建模的難點卻在于對方框功能即[F]的描述。根據[F]描述方法的不同，可以分為兩類：

（1）數據解算。如果對于模塊輸入和輸出信號的關系有明確的了解，可以將[F]描述為明確的數學算式。[F]可以有很多表達形式，如頻域傳遞函數[G（s），]時域函數[f（t），]也可以是邏輯關系式if…then，還可以是某些子模型的組合。

（2）數據查詢。一些模塊的數學關系、邏輯關系很難表達，借助于專家知識對其輸入輸出進行列舉也可以達到描述信號的目的。

不論解算還是查詢，都存在建模精度的問題。系統仿真模擬的重點不同，即使同一環節的建模精度也會發生變化。

3.2.4 建立完整機理模型

建立機理模型不是將子模型簡單組裝，拼合后的模型必須有統一的訪問接口，按照統一的方式進行模型時間管理。模型由數據傳輸層和機理實現層組成，其結構如圖2所示。

圖2 裝備機理模型結構

（1）數據傳輸層

數據傳輸層完成以下功能：

數據輸入：將要解算的數據輸入機理模型。

數據輸出：將機理模型解算出的數據輸出。

時間信息輸入：將仿真系統時間信息傳遞給機理模型。

模型參數設置：設置模型的仿真參數，運行方式，控制模型類型等信息，根據訓練需求在不同分辨率上動態切換模型。

模型數據傳輸層的設計與實現往往與具體應用的軟件硬件環境相關，但不失一般性，要求這些接口有較高的傳輸效率，對模型外部空間提供方便可靠的訪問方式，模型內部接口間減少耦合。

（2）機理實現層

機理實現層是機理模型的核心，仿真處理裝備中的各種信號，并協調模型時間，由數據處理和時間管理兩個模塊組成。

①數據處理。依照信號流程圖，根據實際物理關系將各模塊的子模型組裝，即得到機理實現層數據處理模塊，用以處理數據，在數值上仿真裝備。

②時間管理。模擬器中有多個時間概念，主要包括自然時間RT（Real Time），仿真時間ST（Simulation Time），模型時間MT（Model Time），子模型時間SMT（Sub?Model Time）等，顯然MT決定于各個SMT。

模擬器作為典型的實時仿真系統，RT與ST保持一致[12]，模型時間管理模塊控制各個SMT的同步以及MT與ST的同步。

ST通過數據傳輸層的時間信息輸入通道傳遞給模型。SMT有兩種產生機制，其一，直接將ST作為SMT，如圖3所示；其二，由獨立時鐘提供SMT，如圖4所示。

圖3 時間管理機制（一）

兩種機制下，各SMT的來源均一致，即實現子模型的同步推進。

同時，ST輸入至時間管理模塊。在第一種機制下，模型受外部時間控制，可直接實現MT與ST的同步，時間管理模塊只起輔助作用，例如協調時間誤差等等；在第二種機制下，時間模塊調用子模型的運行控制函數，并控制時鐘使MT與ST同步。顯然在第二種機制下，要求機理模型在不受約束的情況下，其本身的運行速度快于仿真系統，即MT或SMT的推進要快于ST。

3.3 多分辨率建模

高分辨率的機理模型，不一定會明顯提高仿真效果，對系統性能卻提出苛刻的要求。可以采用動態聚合解聚法實現機理模型在不同分辨率上的切換，達成仿真效果與計算成本的最佳組合，其間必然產生模型狀態的維持、傳遞問題，需要維護不同分辨率下模型的狀態一致性[13]。對于無記憶實體，狀態一致性維護通過靜態的狀態映射函數實現；而實際裝備大量使用儲能元件，其機理模型的狀態與過去的狀態有關，實體功能描述[F]為時間[T]的函數[F（T），]此時動態的狀態映射函數的實現比較麻煩，需要進一步研究。當然模型狀態一致性的維護應當是在一定誤差范圍內進行。

圖4 時間管理機制（二）

4 模型應用

在實際裝備維修中，一般是經過“跑電路”，通過對關鍵信號的測量最終將故障定位到電路板或功能模塊，這為基于信號流程建立故障模型提供了可能條件。

根據故障情況下裝備功能模塊的信號流程圖和故障邏輯重寫正常機理模型的功能表達式、專家知識數據庫，或者擴展出故障相關的信號，用更高分辨率的模型描述故障，模擬故障狀態下相關電氣信號。

[Sout=F1（Sin，Scon，Sx）] （5）

其中：[F1]為故障功能描述；[Sin，Scon]的定義如式（4）；[Sx]代表新擴展出來的信號。

正常裝備因某些模塊出現故障成為故障裝備，正常模型與故障模型的區別也在于某些模塊的描述上。兩種模型不存在建模方法的根本差異，但具體的模型分辨率和模塊輸入輸出關系描述不盡相同。

此類故障模型既可以為外觀模型再現故障現象提供數據，又能滿足維修訓練中對故障相關部分的虛擬測試要求。故障建模時，需要首先考慮故障信號的選取。

此外，基于信號流程建立的機理模型在裝備教學方面也有很好的應用，可以脫離實際裝備的限制，在電腦上向學員全方位展示裝備的整體性能，各個模塊的功能和關鍵信號的轉化。

5 基于信號流程建模的總結

實際上，本文構建了一個三級分辨率的機理建模體系：基于VP、基于信號流程和基于淺層專家知識的建模方法，其建模分辨率依次降低。基于VP和基于淺層專家知識建模方法可以歸結為基于信號流程建模方法在不同分辨率下的兩個特例：完全按照電路圖建模時，裝備的功能模塊細化為具體的元器件，實際上就是基于VP建模，建立的機理模型分辨率最高；把整個裝備看作一個大的“功能模塊”，

用淺層專家知識描述模塊的輸入輸出情況，此時即相當于基于淺層專家知識建模，此類機理模型分辨率最低。

從另一個角度看，基于信號流程的建模的方法仍以專家知識為基礎，不論是裝備的模塊化分解，模塊功能的描述還是故障模型的建立等，都必需依靠深層專家知識完成，可以認為是一種基于深層專家知識的專家系統機理建模方法，將專家系統的推理機，知識庫都融合到了子模型的結構、關聯中。

基于信號流程的建模方法在一定程度上統一了裝備正常機理模型和故障模型，易于擴展，描述能力較強。模型分辨率切換靈活，綜合考慮系統性能和任務需求，可以以最適當的分辨率描述對象，比較適合于當前模擬器研發需求。

實現機理模型時，可以直接編寫代碼，也可以借助建模仿真工具完成。典型的CAD軟件如Matlab/Simulink，支持利用Simulink模型庫中豐富的功能模塊和自定義模塊，以圖形化的形式直觀地表示裝備電路的信號連接關系。可以極大地降低開發工作量，有利于模型的維護和擴展。

本文只是對基于信號流程機理建模方法的初步討論，其中信號流程圖的抽象原則，機理模型建模規范，故障模型的擴展，模型的VVA，模型的共享重用等問題還有待完善。

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作者簡介：李召瑞 男，1977年出生，講師。主要從事指揮控制系統理論研究與工程設計。

馮少沖 男，1981年出生，講師。主要從事建模與仿真技術研究。