基于FMI的多物理系統仿真研究與應用

呂文軍

目前系統仿真工具眾多，但由于商業利益等因素，工具之間的接口并不完善，不同平臺軟件建立的模型無法有效轉換到其他平臺軟件進行重用，造成同類型不同工具的重復采購和模型的重復開發，耗費大量的人力和科研經費支出。為了解決此類問題，歐洲仿真界提出了標準接口模型數據傳輸協議，即FMI（Functional Mock-up Interface）功能模型接口標準。

FMI標準是一個不依賴于工具的標準，其通過XML文件和已編譯的C代碼的組合形成的FMU（Functional Mock-up Unit）文件來同時支持動態模型的模型交換和聯合仿真。2014年，由Modelica協會制定的FMl2.0標準發布后，越來越多的公司、研究所和高等院校使用或宣布支持FMI標準。至2016年6月，FMI標準已經成為全球公認的功能和性能模型重用的接口標準。

一、基于FMI的多物理系統仿真的工程價值

隨著科學技術的發展，面對復雜系統設計和分析的手段也逐漸豐富和完善，其中仿真技術越來越受到重視，在航空、航天、汽車、船舶和核工業等領域得到了廣泛應用。仿真技術的成熟應用為復雜系統設計提供了貫穿V流程全生命周期的分析手段，由于其分析方便、快捷，并可作為實物試驗有效的補充手段，在仿真可信度較高的情況下，可有效降低實物試驗次數，進而節約成本、提高效率。仿真技術應用過程中為打破平臺軟件對模型的壟斷和重復開發，實現集成商有效的系統集成驗證，FMI標準提供了較為理想的解決方案，如圖1所示。

FMI標準的應用解決了仿真工作開展過程中的以下問題：

解決了不同仿真工具之間的接口不能普遍兼容而導致的仿真工具碎片化的問題，避免了模型在不同仿真軟件中的重復建設難題。

仿真分析工作從V流程的前端到后端無需切換不同的軟件平臺和投入過多的精力開發聯合仿真軟件接口，在整個研制V流程中模型的通用性、一致性得到保證。

解決了復雜系統研發單位為提高系統的設計效率和質量，期望能在設計初期對需求進行驗證和確認，以及集成商和供應商模型傳遞方法與知識產權保護的難題。

二、基于FMI的聯合仿真研究和開發

Co-Simulation意為聯合仿真方法，即在同一仿真環境下，實現多源異構模型集成和聯合仿真。此方法導出的FMU模型自帶求解器，通過聯合仿真方法實現主控（Master）軟件下不同模型的集成。主控軟件實現仿真進度的總體推進和從屬FMU的綜合調度，被集成的模型來自于不同的從屬（Slave）軟件導出的帶求解器的FMU模型，如圖2所示。

根據FMI標準的Co-Simulation方法，信息技術中心（金航數碼研發了聯合仿真機制的數字化模型集成仿真工具軟件，如圖3所示。

開發工具軟件突破了FMI標準Co-Simulation方法的軟件實現機制問題，尤其解決了FMU文件解析、多FMU調度求解算法、數據統一存儲和顯示問題。

FMI聯合仿真研究和開發形成的仿真集成工具軟件包括的功能如下：

FMU文件解析和模型管理功能。

FMU提取和設置功能。

可視化拖拽建模功能。

結果曲線多樣化顯示功能。

仿真日志記錄和界面操作提示功能。

三、基于FMI的多物理系統仿真研究進展

自2014年FMI標準發布2.0版本后，獲得了仿真界的大力支持，工具供應商和工程用戶皆投入較多的資源開發和完善FMI標準。國內也有部分高校和企業初步嘗試FMI標準的研究，但是未形成可用于商業使用的成熟工具軟件。信息技術中心（金航數碼）研究和開發工作初步完成了基于FMI的系統聯合仿真底層機制研究與仿真集成工具軟件開發方法，已經邁出了第一步。未來將通過持續而深入的研究，進一步完善軟件功能和成熟度，并與航空產品研發相結合，通過實踐檢驗軟件、通過軟件提升設計方法，進而實現自主可控的大規模多來源模型集成仿真核心軟件。

四、研究與應用推進建議

FMI作為功能和性能模型的重用、互換和集成的接口標準，解決了工具碎片化導致的各種問題。用戶只需遵循FMI標準即可比較便捷地完成模型集成和重用。但是，FMI標準僅提供了完成模型重用和互換的技術方案，對于希望重用的模型是什么、符合什么標準的模型可以重用、集成協作流程、組織和制度保證等問題并沒有解決，所以建議在推廣應用FMI標準的同時，能根據實際工程需要，探索并完善符合各廠所或行業的相關標準、規范和流程等內容。