基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台及其实现方法

摘要

一种基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台及其实现方法，属于计算机仿真领域。本发明为了解决现有船舶燃气轮机装置没有应用HLA技术进行仿真的问题。本发明所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台，它包括本地服务器和n个运行节点，本地服务器和n个运行节点之间通过RTI软总线实现通讯，本地服务器中：平台运行管理器控制仿真平台运行配置模块巡检本地服务器和n个运行节点的IP地址是否存在冲突，平台运行管理器控制仿真结果分析模块调用关系数据库中的运行数据，运行节点包括异地仿真模型库和运行节点的分布式仿真模型接口包装器。参加仿真的模型库包括本地服务器的仿真模型库和异地仿真模型库。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台及其实现方法，属于 计算机仿真领域。

背景技术

船舶燃气轮机装置是一个结构复杂、机电液混合的动态时变系统，各组成子系统之间、 系统与环境之间、指标与指标之间呈现复杂的动态和强耦合性。整个仿真过程涉及热力学、 流体传热、燃烧、结构分析、动力学计算、控制等多个技术领域，各领域所需的建模工具 和仿真分析手段差异性比较大。要想完整地对燃气轮机装置的动态行为进行仿真研究，必 须将不同仿真软件建立的子系统模型整合成为一个完整的系统模型，该系统模型能充分反 映燃气轮机装置在不同外界环境、不同运行工况及不同控制算法下各子系统之间的相互影 响规律，实现船舶燃气轮机装置的系统性能匹配分析。

船舶燃气轮机装置的集成仿真是指通过网络设备将运行在不同计算机软、硬件平台上 的涉及不同技术领域，从不同角度和精度反映燃气轮机全寿命周期内各部件及总体工作状 态的各个独立仿真模型联结在一起，通过某种手段使他们相互配合、协同工作，以解决原 本单个技术领域所难以解决的问题。集成仿真应当尽可能地重用现有的独立仿真模型，当 这些模型进化升级时，集成仿真不受影响，并能获得更高的仿真精度和性能。集成仿真还 应能机动灵活地筛选和组合不同精度的仿真模型以适应不同仿真目标的需要。

实现集成仿真的关键是分布式仿真模型的互操作和重用。为了解决这两个核心问题， 美国国防领域的相关组织通过大量研究，提出了建模与仿真的高层体系结构(High Level  Architecture，简称HLA)，HLA的核心思想是通过运行支撑环境RTI(Run-Time  Infrastructure，简称RTI)提供通用且相对独立的支撑服务程序，将具体的仿真功能实现、 仿真运行管理和底层通信传输三者分离，隐蔽了各自的实现细节，从而使各部分可以相互 独立地进行开发，并能充分利用各自领域的先进技术。国内外对基于HLA/RTI标准进行 仿真模型的联邦成员改造，建立仿真联邦，从而进行相关领域的集成仿真有很多研究，但 针对船舶燃气轮机装置，还没有一个基于HLA技术的，集仿真方案设计、FED(Federation  Execution data，联邦执行数据)文件自动生成、仿真运行配置、过程监控以及仿真结果 的显示、分析及保存于一体的集成仿真平台。

发明内容

本发明目的是为了解决现有船舶燃气轮机装置没有应用HLA技术进行仿真的问题， 提供了一种基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台及其实现方法。

本发明所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台，它包括本地服务器和n 个运行节点，本地服务器和n个运行节点之间通过RTI软总线实现通讯，

本地服务器包括平台运行管理器、仿真设计器、本地仿真模型库、本地服务器的分布 式仿真模型接口包装器、仿真平台运行配置模块、仿真结果分析模块和关系数据库，平台 运行管理器输出仿真设计命令给仿真设计器，仿真设计器提供仿真模型设计界面，所述仿 真模型设计界面中用于进行方案设计的分层次模块化模型库包括本地仿真模型库和n个 异地仿真模型库，在仿真设计器中确定参加仿真的对象及类型，本地仿真模型库与本地服 务器的分布式仿真模型接口包装器以动态链接库方式进行通讯，本地服务器的分布式仿真 模型接口包装器的输入输出端与RTI软总线相连，

平台运行管理器输出IP地址配置命令给仿真平台运行配置模块，由仿真平台运行配 置模块巡检本地服务器和n个运行节点的IP地址是否存在冲突，

平台运行管理器输出结果分析命令给仿真结果分析模块，仿真结果分析模块调用关系 数据库中的运行数据，关系数据库与RTI软总线相连，

运行节点包括异地仿真模型库和运行节点的分布式仿真模型接口包装器，异地仿真模 型库与运行节点的分布式仿真模型接口包装器以动态链接库方式进行通讯，本地服务器通 过运行节点的分布式仿真模型接口包装器实现对异地仿真模型库中的仿真模型的调用，

其中，n为大于等于1的自然数。

本地服务器还包括仿真流量实时显示模块，平台运行管理器输出仿真流量监控命令给 仿真流量实时显示模块，仿真流量实时显示模块实时显示仿真数据流量。

本地服务器还包括启停仿真平台模块，启停仿真平台模块接收用户的启停命令，并将 用户的启停命令送入平台运行管理器。

本地服务器的分布式仿真模型接口包装器和运行节点的分布式仿真模型接口包装器 的结构相同，均由上、下两层组成，上层为接口控制器，下层为RTI接口适配器。

基于所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台的实现方法，当参加仿真的 包括本地服务器和m个运行节点时，该方法包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：

平台运行管理器控制仿真平台运行配置模块对本地服务器和n个运行节点的IP地址 信号进行配置；

用户根据仿真目的加载本次仿真方案，并生成FED文件；

步骤二、平台运行管理器根据启停仿真平台模块输入的命令启动仿真，

平台运行管理器根据运行配置信息中的IP地址，通过本地服务器的分布式仿真模型 接口包装器中的接口控制器启动参与本次仿真的运行节点的分布式仿真模型接口包装器 中的RTI接口适配器；

步骤三、参与本次仿真的服务器的仿真模型向RTI申请组建联邦，随后m个运行节 点的仿真模型以及作为管理对象模型的平台运行管理器向RTI申请加入联邦，1≤m≤n，

当所有参与本次仿真的联邦成员都加入联邦时，RTI完成时间同步；

步骤四、参与本次仿真的本地服务器和运行节点的仿真模型在RTI软总线的支持下各 自运行，并不断通过其自身的分布式仿真模型接口包装器向RTI申请时间推进，RTI根据 每个仿真模型的运算步长和时间管理策略，决定是否允许其时间推进，

是否允许其时间推进的判断条件为：

当某一分布式仿真模型向RTI申请时间推进时，如果所有向该仿真模型传递数据的分 布式仿真模型已完成该时间步的推进，则此次申请被批准，否则此次申请无效；

步骤五、仿真平台运行过程中，平台运行管理器通过仿真流量实时显示模块实时监测 本地服务器和运行节点间的数据流量，

并根据启停仿真平台模块输入的用户指令随时暂停或恢复仿真平台的运行；RTI负责 将平台运行过程中的相关数据存入本地关系数据库；

步骤六、根据仿真方案运行结束后，参与本次仿真的运行节点的仿真模型及平台运行 管理器通过其自身的分布式仿真模型接口包装器的接口适配器向RTI申请退出联邦，负责 组建联邦的本地服务器的仿真模型最后退出联邦，并完成撤销联邦的任务，随后平台运行 管理器再次根据运行配置信息中的IP地址，通过运行节点的分布式仿真模型接口包装器 中的接口控制器，关闭仿真模型的RTI接口适配器，仿真平台运行结束；

步骤七、用户通过平台运行管理器调用仿真结果分析模块，后者以二维曲线的形式查 看关系数据库中的相关仿真数据，对船舶燃气轮机装置进行性能分析。

基于所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台的实现方法，当参加仿真的 只有本地服务器时，该方法包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：

用户根据仿真目的加载本次仿真方案；

步骤二、平台运行管理器根据启停仿真平台模块输入的命令启动仿真；

步骤三、仿真平台运行过程中，平台运行管理器根据启停仿真平台模块输入的用户指 令随时暂停或恢复仿真平台的运行，平台运行过程中的相关数据自动存入本地关系数据 库；

步骤四、根据仿真方案运行结束后，用户通过平台运行管理器调用仿真结果分析模块， 后者以二维曲线的形式查看关系数据库中的相关仿真数据，对船舶燃气轮机装置进行性能 分析。

本发明的优点：使用本发明方法建立的船舶燃气轮机装置集成仿真平台，无需掌握复 杂的燃气轮机模块化建模技术和分布式仿真模型通信及仿真时间同步技术，即可完成船舶 燃气轮机多部件集成和多精度缩放的系统级仿真，进行多学科耦合研究；同时，使用该方 法建立的集成仿真平台支持仿真重复运行、仿真过程监控、仿真结果分析、二维显示及数 据保存等多种功能，是一个一体化的船舶燃气轮机装置性能分析工具。

附图说明

图1为本发明所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台的结构示意图；

图2为本发明所述基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台的实现方法的流程 图；

图3为仿真设计器中的可供调的模块化模型库树状拓扑结构图；

图4是仿真设计器的实现原理图；

图5为分布式仿真模型接口包装器中的RTI接口适配器实现流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述基于HLA 技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台，它包括本地服务器1和n个运行节点2，本地服 务器1和n个运行节点2之间通过RTI软总线实现通讯，

本地服务器1包括平台运行管理器1-1、仿真设计器1-2、本地仿真模型库1-3、本地 服务器1的分布式仿真模型接口包装器、仿真平台运行配置模块1-4、仿真结果分析模块 1-6和关系数据库1-7，平台运行管理器1-1输出仿真设计命令给仿真设计器1-2，仿真设 计器1-2提供仿真模型设计界面，所述仿真模型设计界面中用于进行方案设计的分层次模 块化模型库包括本地仿真模型库1-3和n个异地仿真模型库2-1，在仿真设计器1-2中确 定参加仿真的对象及类型，本地仿真模型库1-3与本地服务器1的分布式仿真模型接口包 装器以动态链接库方式进行通讯，本地服务器1的分布式仿真模型接口包装器的输入输出 端与RTI软总线相连，

平台运行管理器1-1输出IP地址配置命令给仿真平台运行配置模块1-4，由仿真平台 运行配置模块1-4巡检本地服务器1和n个运行节点2的IP地址是否存在冲突，

平台运行管理器1-1输出结果分析命令给仿真结果分析模块1-6，仿真结果分析模块 1-6调用关系数据库1-7中的运行数据，关系数据库1-7与RTI软总线相连，

运行节点2包括异地仿真模型库2-1和运行节点2的分布式仿真模型接口包装器，异 地仿真模型库2-1与运行节点2的分布式仿真模型接口包装器以动态链接库方式进行通 讯，本地服务器1通过运行节点2的分布式仿真模型接口包装器实现对异地仿真模型库 2-1中的仿真模型的调用，

其中，n为大于等于1的自然数。

所述仿真的对象是指本地服务器的仿真模型、某个运行节点2的仿真模型，仿真的类 型是指零维仿真、一维仿真、二维仿真或三维仿真。

平台运行管理器1-1，用于仿真方案的加载，FED文件的自动生成，仿真平台的运行 配置，仿真过程的监控及仿真结果的分析、显示及数据保存。用户在平台运行管理器的引 导下，无需了解仿真模型设计及RTI软总线数据通信的技术细节，即可完成船舶燃气轮机 装置系统级仿真和性能分析。

仿真设计器1-2，向用户提供船舶燃气轮机装置分层次模块化模型库，用户根据待仿 真燃气轮机装置的具体型式及仿真目的，从模型库中选取模块，完成模块间的数据连线， 并选择适当的求解算法，即可完成燃气轮机装置的仿真方案设计。仿真设计器中的模块化 模型库由本地仿真模型库和异地仿真模型库两部分组成，其中的异地仿真模块实际上是本 地仿真模型的RTI接口适配器。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本地服务器1还包括仿真 流量实时显示模块1-5，平台运行管理器1-1输出仿真流量监控命令给仿真流量实时显示 模块1-5，仿真流量实时显示模块1-5实时显示仿真数据流量。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本地服务器1还包括启停 仿真平台模块1-8，启停仿真平台模块1-8接收用户的启停命令，并将用户的启停命令送 入平台运行管理器1-1。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，本地服务器1的分布式仿 真模型接口包装器和运行节点2的分布式仿真模型接口包装器的结构相同，均由上、下两 层组成，上层为接口控制器，下层为RTI接口适配器。

下层为利用Matlab/Simulink中的S-Function开发的RTI接口适配器，上层为VC 开发的利用MATLAB引擎库函数实现的接口控制器，用以启动、暂停或关闭RTI接口适配 器，接口控制器在仿真平台运行前必须启动。

分布式仿真模型接口包装器，由不同仿真软件构造的分布式仿真模型必须用接口包装 器统一封装。接口包装器用RTILib类库中的标准函数实现了RTI软总线的数据通信服务， 即联邦管理、声明管理、对象管理、时间管理及数据分发管理。经接口包装器封装后的分 布式仿真模型，通过RTI软总线进行数据通信。

本发明建立的基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真平台采用服务器/运算节点 结构。平台运行管理器1-1、仿真设计器1-2及本地仿真模型1-3配置在本地服务器1上， 异地仿真模型2-1配置在运行节点2上。整个仿真平台以RTI软总线作为底层支撑，分布 式仿真模型通过分布式仿真模型接口包装器接入RTI软总线，并通过RTI软总线进行数据 交互。仿真平台运行前，平台运行管理1-1器通过仿真平台运行配置模块1-4设置本地服 务器1和n个运行节点2的IP地址信息；仿真平台运行过程中，平台运行管理器1-1作 为管理对象模型加入仿真联邦，负责RTI数据流量的监测以及仿真平台的运行控制，如暂 停、恢复仿真平台的运行；仿真结束后，平台运行管理器1-1调用相关工具从关系数据库 1-7中提取数据，绘制二维曲线，以方便用户对仿真结果进行分析。

如图2所示，用户在平台运行管理器1-1的引导下，无需了解仿真模型设计及RTI 软总线数据通信的技术细节，即可完成船舶燃气轮机装置系统级仿真和性能分析。启动平 台运行管理器1-1后，首先调用仿真设计器1-2进行仿真方案设计，当用户对仿真精度的 要求不是很高时，可以全部从本地仿真模型库中调用0维或1维仿真模块，设计仿真方案， 不需要异地运算节点和RTI软总线，只在本地服务器1上即可完成仿真，这样可以在很大 程度上减少仿真用时，快速完成仿真方案的验证；当用户需要进行燃气轮机装置的多学科 耦合分析，或者对仿真精度的要求比较高时，就需要本地仿真模型通过RTI软总线与异地 的运行节点2上用其他仿真软件设计的2维或3维仿真模型进行数据交互，共同完成仿真。 在这种情况下，平台运行管理器1-1首先根据加载的仿真方案，自动分析分布式仿真模型 的数量及仿真模型相互之间的参数传递关系，并根据分析结果生成FOM模板，模板中为每 个分布式仿真模型生成了对应的联邦成员、对象类及对象类属性，用户确认后即可生成 FED文件。进行必要的运行配置后，平台运行管理器1-1启动仿真，即通过分布式仿真模 型接口包装器中的接口控制器启动RTI接口适配器，随后仿真联邦自动建立，RTI进行时 间同步。当分布式仿真模型运行结束后，联邦撤销，平台运行管理器再通过接口控制器关 闭RTI接口适配器，仿真结束。仿真过程中产生的所有数据，由RTI负责保存到本地关系 数据库1-1中，以便于用户查看、分析仿真结果。

如图3所示，船舶燃气轮机装置模块化模型库采用分层次设计。一般来讲，船舶燃气 轮机装置是船舶动力装置的一部分，因此该模型库的顶层按照船舶动力装置的组成进行模 块划分；接下来按照船舶动力装置每部分的结构或形式进行模块划分，如燃气轮机装置按 其结构分为压气机、燃烧室、涡轮及转子等；第三层是每一具体结构的内部模型实现，例 如压气机根据其内部特性线模型、热力参数模型及结构参数模型等不同模型的组合可以形 成低压压气机或高压压气机；第四层用于第三层中具体模型的参数计算，这一层实际上起 到函数库的作用。

根据前文所述，不同研究人员利用不同仿真软件从不同角度建立了不同精度的燃气轮 机装置部件或系统仿真模型，可以将这些模型加入模块化模型库的对应层次中，这些模型 共同组成了模块化模型库中的异地仿真模型库。需要指出的是，异地仿真模块的构造及仿 真运行是在异地的运行节点2上完成的，本地服务器1上的异地仿真模块实际上是相应的 本地仿真模型的RTI接口适配器。图4为仿真设计器实现的分轴燃气轮机仿真方案，该方 案可以全部用本地仿真模块来实现，也可以将其中的一部分替换为异地仿真模块，例如可 以将燃烧室模块替换为异地Fluent软件构造的CFD模型，来研究系统状态下的燃烧室流 场变化。

考虑到Matlab/Simulink与绝大多数燃气轮机装置仿真软件都有接口，因此可以用 Simulink中的S-Function开发RTI接口适配器。Simulink对S-Function的执行是分为 四个阶段的：即初始化、结果输出、状态更新及结束，各个阶段分别用函数mdlStart()、 mdlOutputs()、mdlUpdate()和mdlTerminate()来表示，可以将RTI定义的服务功能分配到 相应的函数中去实现，如图5所示。在RTI接口适配器之上还需要一个接口控制器，用 以启动、暂停或关闭RTI接口适配器。接口控制器和RTI接口适配器共同组成分布式仿真 模型接口包装器。

具体实施方式五：基于实施方式四所述的基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真 平台的实现方法，当参加仿真的包括本地服务器1和m个运行节点2时，该方法包括以 下步骤：

步骤一、系统初始化：

平台运行管理器1-1控制仿真平台运行配置模块1-4对本地服务器1和n个运行节点 2的IP地址信号进行配置；

用户根据仿真目的加载本次仿真方案，并生成FED文件；

步骤二、平台运行管理器1-1根据启停仿真平台模块1-8输入的命令启动仿真，

平台运行管理器1-1根据运行配置信息中的IP地址，通过本地服务器1的分布式仿 真模型接口包装器中的接口控制器启动参与本次仿真的运行节点2的分布式仿真模型接 口包装器中的RTI接口适配器；

步骤三、参与本次仿真的服务器1的仿真模型向RTI申请组建联邦，随后m个运行 节点2的仿真模型以及作为管理对象模型的平台运行管理器1-1向RTI申请加入联邦， 1≤m≤n，

当所有参与本次仿真的联邦成员都加入联邦时，RTI完成时间同步；

步骤四、参与本次仿真的本地服务器1和运行节点2的仿真模型在RTI软总线的支持 下各自运行，并不断通过其自身的分布式仿真模型接口包装器向RTI申请时间推进，RTI 根据每个仿真模型的运算步长和时间管理策略，决定是否允许其时间推进，

是否允许其时间推进的判断条件为：

当某一分布式仿真模型向RTI申请时间推进时，如果所有向该仿真模型传递数据的分 布式仿真模型已完成该时间步的推进，则此次申请被批准，否则此次申请无效；

步骤五、仿真平台运行过程中，平台运行管理器1-1通过仿真流量实时显示模块1-5 实时监测本地服务器1和运行节点2间的数据流量，

并根据启停仿真平台模块1-8输入的用户指令随时暂停或恢复仿真平台的运行；RTI 负责将平台运行过程中的相关数据存入本地关系数据库1-7；

步骤六、根据仿真方案运行结束后，参与本次仿真的运行节点2的仿真模型及平台运 行管理器1-1通过其自身的分布式仿真模型接口包装器的接口适配器向RTI申请退出联 邦，负责组建联邦的本地服务器1的仿真模型最后退出联邦，并完成撤销联邦的任务，随 后平台运行管理器1-1再次根据运行配置信息中的IP地址，通过运行节点2的分布式仿 真模型接口包装器中的接口控制器，关闭仿真模型的RTI接口适配器，仿真平台运行结束；

步骤七、用户通过平台运行管理器1-1调用仿真结果分析模块1-6，后者以二维曲线 的形式查看关系数据库1-7中的相关仿真数据，对船舶燃气轮机装置进行性能分析。

具体实施方式六：基于实施方式四所述的基于HLA技术的船舶燃气轮机装置集成仿真 平台的实现方法，只有本地服务器1时，该方法包括以下步骤：

步骤一、系统初始化：

用户根据仿真目的加载本次仿真方案；

步骤二、平台运行管理器1-1根据启停仿真平台模块1-8输入的命令启动仿真；

步骤三、仿真平台运行过程中，平台运行管理器1-1根据启停仿真平台模块1-8输入 的用户指令随时暂停或恢复仿真平台的运行，平台运行过程中的相关数据自动存入本地关 系数据库1-7；

步骤四、根据仿真方案运行结束后，用户通过平台运行管理器1-1调用仿真结果分析 模块1-6，后者以二维曲线的形式查看关系数据库1-7中的相关仿真数据，对船舶燃气轮 机装置进行性能分析。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式五或六作进一步说明，本地服务器1的分布 式仿真模型接口包装器和运行节点2的分布式仿真模型接口包装器用RTILib类库中的标 准函数实现了RTI软总线的数据通信服务，所述数据通信服务包括联邦管理、声明管理、 对象管理、时间管理和数据分发管理，经本地服务器1的分布式仿真模型接口包装器或经 运行节点2的分布式仿真模型接口包装器封装后的分布式仿真模型通过RTI软总线进行数 据通信。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式五或六作进一步说明，步骤一中用户根据仿 真目的加载本次仿真方案的过程为：

用户根据仿真目的，通过平台运行管理器1-1控制仿真设计器1-2选择分层次模块化 模型库，从所述分层次模块化模型库中选择参加本次仿真的仿真模型并根据仿真模型间的 数据传递关系设计模块间的连线，完成加载本次仿真方案，

所述分层次模块化模型库包括本地仿真模型库1-3和n个异地仿真模型库2-1。

具体实施方式九：本实施方式对实施方式五作进一步说明，步骤一中生成FED文件的 过程：

根据加载的仿真方案，由系统自动分析参加本次仿真的异地仿真模型库2-1的数量， 及参与本次仿真的异地仿真模型库2-1与本地仿真模型库1-3任意两个之间的参数传递关 系，并根据分析结果生成FOM模板，所述FOM模板中为本地仿真模型库1-3和每个异地仿 真模型库2-1生成了对应的联邦成员、对象类及对象类属性，用户确认后即可生成FED 文件。