復雜多耦合仿真模型校驗工具研究

鄒 瑩，楊 凱，劉京濤，張 昕

(北京航天自動控制研究所，北京 100854 )

1 引言

仿真技術具有無破壞、可重復、經濟、安全、高效等特點，因此在大型運載火箭、武器裝備研制、試驗、定型、鑒定等方面具有不可缺少的重要作用。建模是建立系統模型的過程， 是研究系統的重要手段和前提， 模型是一個系統(實體、現象、過程) 的物理的、數學的或其它邏輯的表現形式，依模型的形式不同可將其分為實體模型和數學模型，而仿真是在計算機上或實體上建立系統的有效模型并在模型上進行系統實驗的過程。仿真模型是建模者對建模對象為滿足仿真應用需求而建立的、以某種形式 (計算機語言、實體模型的物理實現) 給出的描述. 利用仿真模型代替被研究的對象， 在計算機或其它設備組成的環境中進行實驗， 則形成了仿真系統。近些年來仿真模型校驗與評估工作越來越被仿真系統開發者與使用者重視，其根本原因是規范的建模與模型校驗過程、仿真過程會對仿真應用的成敗起到決定性的作用。近年來各國通過軍用建模與仿真標準體系構建和應用推廣方面取得了較多的成果，對于推動裝備建設起到了積極地作用。

在大型運載火箭、武器裝備仿真領域，仿真模型一般是由多個子模塊甚至子分模塊構成的復雜模型，其多項輸出特性之間存在復雜的耦合關系。公開資料表明針對多耦合輸出仿真模型可信度評估及VV&A工具應用的相關研究極少。在目前大型運載火箭高密度發射、武器裝備密集研制的背景下，根據發射任務的需要具備快速仿真建模、模型校驗能力，將對仿真能力的提升起到積極作用。

在模型校驗輔助工具研制方面，自20世紀九十年代起，西方發達國家開展了針對仿真模型VV&A一個階段或多個階段的輔助工具研制，并成功應用于武器裝備研制方面。我國仿真領域的專家學者在近20年間在仿真模型VV&A工具領域取得了一些成果，其中哈爾濱工業大學王子才院士團隊的“復雜仿真系統VV&A與可信度評估支撐工具”，西北工業大學曹海旺團隊的“基于人工智能的VV&A平臺”等都取得了較大的技術突破。但這些VV&A工具由于未實現大規模商業化，無法快速應用到武器裝備研制過程中。在目前大型運載火箭高密度發射、武器裝備密集研制的背景下，根據發射任務的需要具備快速仿真建模、驗模能力，將對仿真能力的提升起到積極作用。

本文提出了針對復雜多耦合仿真模型時域校驗的方法，給出了一種仿真模型校驗輔助工具的設計及實現的方法，應用仿真模型校驗輔助工具開展模型校驗工作，有效提升大型運載火箭、武器裝備多耦合輸出的復雜仿真模型校驗效率、規范其校驗過程。

2 復雜仿真模型VV&A過程管理

2.1 特點和難點

在大型運載火箭、武器裝備仿真領域，仿真系統往往十分復雜。復雜系統仿真一般具有系統結構多層次、仿真對象多樣性、系統之間信息不確定性、仿真過程中的隨機性等特點。有學者指出VV&A應貫穿于建模與仿真的全生命周期中，涉及自仿真問題定義至仿真結論全過程。對于復雜系統內復雜多耦合仿真模型VV&A過程管理，可能面對VV&A技術方法研究與工程應用研究相結合、多領域多學科仿真建模技術、VV&A標準文件的建立、VV&A工具的研制和推廣應用等一系列相關領域的研究工作。

2.2 仿真模型可信度

仿真模型可信度可理解為在一定的應用目的條件下，仿真系統應用者對于整個的仿真模型以及仿真結果是否正確的信任程度；或者是基于一定目的下，應用仿真模型代替被仿真對象，其仿真結果指標的可信程度。

如何有效的識別復雜多耦合仿真模型建模過程中是否達到了依據文件的要求，仿真模型是否符合任務提出方的期望，仿真模型是否具備可信性，這通常是一個需要反復迭代、分層校驗的多環節的評估過程。在工程應用環節通常由承擔仿真模型校驗工作的設計人員根據實際仿真驗證任務需求，在標準文件指導下開展模型校驗工作。仿真模型校核、驗證的效果將影響仿真試驗結果的置信度。

2.3 模型校驗管理

模型校驗管理主要包含模型校驗的組織管理、過程管理、和文本化管理的方法。模型校驗的管理文件通常由一系列標準和作業指導文件，用來指導仿真設計人員開展仿真模型VV&A的工作，仿真模型可信性評估的效率和成果也與仿真設計人員自身的經驗相關。

仿真系統內的模型校驗管理通常由仿真模型設計規范、仿真模型校驗規范、仿真模型校驗作業指導書、仿真試驗規范、試驗報告編制規范等一系列標準文件組成。這些管理文件貫穿了建模與仿真的全生命周期。

2.4 仿真模型的校驗流程

仿真模型設計校驗是多學科、多專業的協同工作的過程，在工程實踐階段往往需要多輪迭代、確認來完成模型設計和校驗工作。

在模型設計校驗環節通常會由任務依據文件確認、模型設計、模型校驗、仿真結果確認等過程，在模型校驗過程中還需要制定模型校驗計劃來協同工作，形成模型校驗報告對仿真模型可信性進行評估。典型的運載火箭控制系統仿真模型的校驗流程如圖1所示。

圖1 仿真模型校驗流程

1) 根據依據文件開展仿真模型設計和測試工作，完成仿真軟件的編寫和調試，使仿真軟件能夠進行模型校驗。

2) 根據任務分工在模型校驗前制定模型校驗計劃。

3) 根據模型校驗計劃開展模型開環校驗。在完成單一仿真模型校驗后，進行多個相關聯的仿真模型的聯合校驗，最后進行仿真模型開環串聯校驗，每步驟均需要進行仿真模型開環校驗結果評估；

4) 將控制閉環，確保數據接口、時序交互、指令輸出等關系正確；

5) 進行閉環仿真，仿真模型校驗結果評估，合格后仿真模型校驗完成。

3 復雜多耦合仿真模型校驗方法

3.1 模型校驗的常見方法

仿真模型校核與驗證的常見方法有與其它模型比較法、數據關聯正確性檢驗等。這些方法可簡單歸類為主觀法和客觀法。

典型運載火箭控制系統復雜多耦合仿真模型校驗一般根據仿真模型計算順序，逐步分析、比較仿真模型與被仿真對象在相同輸入條件下的輸出特性是否一致，從而判定仿真模型的實現是否正確。但這個過程中也依賴領域專家或仿真設計人員的主觀判斷和經驗。

校驗過程中通常以單一模型校驗、關聯模型校驗、串聯校驗等順序開展校驗。針對多輸入多輸出耦合關系復雜的模型，通常先將模型作為獨立模塊進行校驗，通過針對模型參數置為特定輸入條件，分析模型計算中間變量、模型輸出是否與模型校驗的依據文件及任務提出方要求一致，復雜多耦合仿真模型校驗結果也需要按模型復雜度進行多次確認。

3.2 模型校驗的一般性要求

典型運載火箭控制系統仿真模型校驗時，必須考慮模型校驗的任務需求和模型校驗結果評估，一般還用考慮模型校驗過程中的下列方面：

1) 仿真模型的計算順序、模塊設計應符合相關仿真標準文件的要求；

2) 仿真模型用數據要經過確認；

3) 仿真模型校驗過程一般遵循由簡至繁，先局部再總體的校驗順序；

4) 模型校驗時需要考慮到時序影響；

5) 模型校驗時必須考慮仿真模型校驗結果的數據存儲周期和數據存儲精度影響；

6) 校驗過程中應對仿真模型做好技術狀態控制，確保模型校驗狀態可追溯。

7) 應做好校驗過程關鍵信息的記錄。

8) 應給出模型校驗的結論。

4 仿真模型校驗輔助工具及方案應用

4.1 運載火箭仿真模型校驗

在不同的仿真模型校驗領域所需關注的關鍵問題不同，在典型運載火箭仿真模型校驗環節，仿真設計人員根據相關仿真模型校驗標準規范中的要求開展模型校驗工作，模型校驗的效果和效率依賴于仿真設計人員自身的經驗和對標準規范的理解和執行。

通過模型校驗輔助工具可以對校核、驗證、質量保證環節進行管理。VV&A過程中還應該遵守對獨立原則、數據正確原則、有效計劃原則等實施原則。模型校驗輔助工具的作用主要有：

1) 減少在仿真模型校驗的過程中對模型校驗人員經驗的依賴；

2) 固化模型校驗方法、流程；

3) 提升模型校驗效率；

4) 規范模型校驗過程。

4.2 仿真模型校驗輔助工具組成

針對運載火箭控制系統仿真各類模型校驗需求，重點解決仿真模型校驗過程中，復雜箭體模型的數據預處理、模型校驗流程指導及輔助工具、模型校驗報告自動生成等關鍵技術，設計了適合仿真模型校驗的輔助工具。

模型校驗輔助工具由三個既獨立又相互關聯的工具組成，一鍵式箭體數據預處理、嵌入VC++編程環境的模型校驗工具、模型校驗報告自動生成工具，模型校驗輔助工具總體方案圖如圖2。

圖2 模型校驗工具總體方案圖

4.2.1 數據預處理工具

一鍵式仿真數據預處理工具能夠自動記錄仿真設計人員處理仿真模型數據的過程和方法，與仿真軟件相結合自動生成變量賦值關系語句供仿真軟件使用，并對原始數據有效性、合理性進行預判別。當再次處理新的數據時，可按照仿真應用場景自動完成數據處理。

數據預處理工具采用基于規則庫的數據批量處理方法，通過創建線程池，每個線程遍歷數據處理規則庫中的數據處理規則，根據數據處理規則中的數據處理參數，生成數據處理結果文件。數據處理過程中同步完成了數據的合理性檢驗。

一鍵式數據預處理工具可以處理一維、多維等多種數據形式，仿真模型數據處理結束后會自動生成數據處理報告，詳細記錄數據處理過程的關鍵信息，新增數據處理報告會以日志形式添加至模型校驗報告中。仿真模型數據處理報告形式如圖3所示。

圖3 仿真模型數據處理報告

4.2.2 模型校驗輔助工具

嵌入VC++編程環境的輔助校驗工具能夠在仿真軟件設計、編譯環境中，提供一組快速模型校驗工具欄組件，仿真設計人員可在不輸入代碼的情況下，快速設置、點選校驗輸入條件、點選設置校驗輸出，并將校驗結果一鍵式插入模型校驗報告中，提升模型校驗效率。模型校驗方法嚴格相關標準文件中的要求。

模型校驗工具采用VC編譯器的二次開發接口，主要使用了VC Plugin技術。將模型校驗環節的測試輸入條件、校驗結果、圖形化校驗結果顯示等功能以DLL動態庫的形式生成COM組件，在VC編譯環境下提供了一組工具欄，與數據預處理工具、模型校驗報告相關聯，管理整個模型校驗過程。

模型校驗工具欄內由校驗條件輸入、校驗結果輸出、校驗結果分析、單個測試點撤銷、多個測試點撤銷、數據預處理工具、校驗報告生成工具等快捷工具組成，嵌入編譯環境的工具欄如圖4所示。點選測試條件后可以自動生成校驗代碼，校驗代碼如圖5所示。圖5是由自動生成的校驗代碼。校驗結束后可以通過不同數據分析手段對仿真模型可信性進行分析，校驗結果分析界面如圖6所示。圖6是模型計算結果與理論值之間的差，用來分析模型是否與預期結果一致。校驗過程中還可以使用不同數值分析方法來對仿真模型進行分析。

圖4 仿真模型校驗工具欄

圖5 模型校驗代碼自動插入

圖6 模型校驗結果分析

4.2.3 模型校驗報告

模型校驗報告自動生成工具能夠按照相關模型校驗規范中的規定，由一鍵式仿真數據預處理結果、模型校驗工具等自動關聯生成模型校驗報告，自動記錄模型校驗過程關鍵信息、模型校驗結果。

模型校驗報告自動生成工具以日志的方式記錄模型校驗過程的關鍵信息，在工程實現環節圍繞建模與仿真中VV&A過程的確認計劃、校核驗證計劃、校核驗證報告和確認報告這4個核心文檔，通過模型校驗計劃表、模型校驗日志、模型校驗報告等幾種形式予以體現。

4.2.4 模型校驗輔助工具的應用

應用模型校驗輔助工具可以有效的輔助仿真設計人員管理模型校驗過程。本文論述的模型校驗輔助工具是結合相關規范與標準規定，結合實際仿真任務需求所設計的，具有通用性和可擴展性，目前已經應用于多個運載火箭、武器裝備研制過程的模型校驗過程，取得了較好的效果。

5 結論

通過對復雜多耦合仿真模型校驗難點和特點進行分析，結合運載火箭控制系統仿真模型校驗流程和方法，設計了模型校驗輔助工具。應用模型校驗輔助工具后取得了以下效果：

1) 應用模型校驗輔助工具，以運載總體數據處理為例，應用一鍵式仿真數據預處理工具，可以使數據處理效率得到大幅提升。

2) 通過模型校驗工具在編譯環境下通過點選的方式就可以開展模型校驗，避免了大量調試代碼的編寫。可以提升校驗效率，規范校驗過程。

3) 以日志形式實現了模型校驗關鍵信息的自動記錄，能夠較好的對模型評估過程進行管理。

4) 采用線程池和規則庫等方法，使模型校驗輔助工具在使用過程中有較好的用戶體驗感，是一種較為新穎的工具開發思路。

5) 將模型校驗輔助工具與復雜仿真模型校驗過程管理技術相融合，能夠有效的提升模型校驗的管理水平。