一种基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法

摘要

本发明公开一种基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法，该方法包括如下步骤：S1、通过进行模块化设计、静态接口参数设计和动态逻辑时序设计进行多学科虚拟试验仿真系统的描述；S2、进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建和多学科仿真模型构建；S3、利用COSIM平台集成调试工具对虚拟试验系统中各学科专业模块进行无缝集成，并对接口参数和逻辑时序进行调试和验证；S4、在COSIM平台上进行多学科虚拟试验系统的仿真运行，获得仿真结果数据。本发明能够有效支撑虚拟样机产品研制过程中分布、异构、跨学科协同设计与仿真试验，且支持复杂系统的协同设计和虚拟试验，提高系统总体设计与验证能力。

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟试验仿真方法。更具体地，涉及一种基于协同仿真平台COSIM的多学科虚拟试验仿真方法。

背景技术

现有的虚拟试验仿真采用过程串行、孤立设计及频繁返工的研制模式，造成学科模型单一、简化，无法实现高精度模型的集成与仿真验证，从而导致产品研制周期长、成本高、效率低，成为阻碍产品研制过程中的薄弱环节。

COSIM软件平台是一个人机界面良好的、面向多学科虚拟样机领域、符合MDA规范，支持高层体系结构HLA，基于组件技术，具有通用性、开放性和可扩展性的建模、调试、运行、评估一体化的建模仿真虚拟试验环境，适用于各类复杂系统的多学科协同建模与仿真。

因此，需要提供一种基于协同仿真平台COSIM的多学科虚拟试验仿真方法，基于COSIM平台构建多学科协同仿真虚拟试验系统，利用多学科虚拟样机建模与仿真技术实现复杂武器系统多学科模型的协同仿真运行，打通了各学科模型之间的链路，解决现有的仿真方法在仿真过程中各学科模型之间无法耦合、仿真结果置信度低的问题，突破了现有多学科设计验证依赖物理试验手段解决的局限，有效提升了产品的数字化协同设计、分析/仿真、多学科综合优化的研制能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法，解决了现有的仿真方法在仿真过程中各学科模型之间无法耦合、仿真结果置信度低等问题，实现高精度的多学科协同仿真试验。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法，该包括如下步骤：

S1、通过进行模块化设计、静态接口参数设计和动态逻辑时序设计进行多学科虚拟试验仿真系统的描述；

S2、进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建和多学科仿真模型构建；

S3、利用COSIM平台集成调试工具对虚拟试验系统中各学科专业模块进行无缝集成，并对接口参数和逻辑时序进行调试和验证；

S4、在COSIM平台上进行多学科虚拟试验系统的仿真运行，获得仿真结果数据。

优选地，步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、进行多学科虚拟试验仿真系统的模块化设计，实现对各学科专业模块的描述；

S1.2、进行虚拟试验仿真系统的静态接口参数设计，实现对各学科专业模块之间的静态参数传递关系的描述；

S1.3、进行虚拟试验仿真系统的动态逻辑时序设计，实现对仿真过程中每个步长和控制周期内各学科专业模块之间数据的交互准则的描述。

优选地，步骤S2中各学科专业模块的模型构建进一步包括如下子步骤：

确定各学科专业模块的模型开发方式；

确定各学科专业模块的模型初始化调用方法；

确定各学科专业模块的模型构建方法；

根据各学科专业模块的模型开发形式、初始化调用方法、实现方法进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建。

优选地，步骤S2中多学科仿真模型构建进一步包括如下子步骤：

利用COSIM平台建模工具进行虚拟试验系统静态结构建模；

利用COSIM平台建模工具进行虚拟试验系统动态行为建模。

优选地，步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、采用商品化专业建模软件构建的模型，通过COSIM平台接口适配器实现虚拟试验系统中各学科专业模块的集成调用，或

采用高级编程语言编码构建的模型，通过COSIM平台代码框架工具实现虚拟试验系统中各学科专业模块的集成调用；

S3.2、利用COSIM平台调试工具验证虚拟试验系统中各学科专业模块的功能关系和时序逻辑。

优选地，步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、创建虚拟试验系统联邦并启动时钟，输入仿真次数、仿真步长、仿真时长；

S4.2、将各模型成员节点装配加入虚拟试验系统联邦；

S4.3、对各模型成员节点进行仿真初始化；

S4.4、开始虚拟试验系统的仿真运行，进行虚拟试验系统的运行与解算；

S4.5、虚拟试验系统仿真结束后获取仿真结果的输出文件。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案实现了基于COSIM平台软件的虚拟试验系统设计描述、模型构建及仿真运行，能够有效解决现有的仿真方法在仿真过程中学科模型之间无法耦合、仿真结果置信度低的问题；通过采用多学科顶层一体化建模与分布式协同仿真技术手段，能够有效地改变以往各专业独立开展设计和验证的接口不统一、模型耦合度差、仿真置信度不高等的不足，从而有效支撑虚拟样机产品研制过程中分布、异构、跨学科协同设计与仿真试验。适用于系统规模庞大、模型形式种类繁多，且具有分布、协同、重用等复杂特点的多学科虚拟试验系统的构建，适用于国防科技领域各军工行业，并可以很容易转化为民用技术，预计此项技术成果有良好的产业化前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法的流程图。

图2示出多学科虚拟试验系统中各模块的功能关系图。

图3示出描述每一时刻每一模块的输入输出参数的时序逻辑图。

图4示出多学科虚拟试验系统的静态结构建模示意图。

图5示出多学科虚拟试验系统的动态行为建模示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法包括如下步骤：

S1、通过进行模块化设计、静态接口参数设计和动态逻辑时序设计进行多学科虚拟试验仿真系统的描述，实现对物理系统的描述。

其中模块化设计是对虚拟试验系统进行层次化划分，按照系统、子系统、模块以及功能单元四个层次开展，通常每个学科专业应作为独立的模块。静态接口参数设计是描述各模块之间静态参数传递关系。对于每一个接口参数，要求明确各参数的变量名称、数据类型、物理单位、数据范围、输出源、输出对象、数据更新周期以及适用的试验阶段。动态逻辑时序设计是描述每一个步长和控制周期内各模块之间数据的交互准则。一般应按一个仿真步长，描述每一时刻每一模块的输入输出参数；

S2、进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建和多学科仿真模型构建：

学科专业模块的模型构建应确定模型开发形式、初始化调用方法、实现方法。多学科仿真模型构建是利用COSIM平台建模工具进行虚拟试验系统静态结构建模和动态行为建模；

S3、利用COSIM平台集成调试工具对虚拟试验系统中每个学科专业模块进行无缝集成，并对接口参数和逻辑时序进行调试和验证；

S4、在COSIM平台上进行多学科虚拟试验系统的仿真运行，利用运行管理工具控制整个仿真过程，包括仿真的初始化、开始、暂停、继续、停止等，执行仿真结束命令后即完成虚拟试验系统一次仿真运行全过程，获得仿真结果数据。

进一步，

步骤S1进一步包括如下子步骤：

S1.1、进行多学科虚拟试验仿真系统的模块化设计，实现对各学科专业模块的描述：

模块化设计应基于功能独立的原则，对产品对象系统进行层次化划分。对虚拟试验系统的层次化划分按照系统、子系统、模块以及功能单元四个层次开展，通常每个学科专业应作为独立的模块。系统模块化设计时，要考虑与现有复杂系统管理结构对应，通常采用功能关系图来表征。

如图2所示，功能关系图表征了各模块之间的输入和输出关系。虚拟试验任务的每一阶段应绘制功能关系图，图中各模块应标注关键的物理参数。

S1.2、进行虚拟试验仿真系统的静态接口参数设计，实现对各学科专业模块之间的静态参数传递关系的描述：

静态接口参数设计通过参数表来描述，实现对各学科专业模块之间的静态参数传递关系的描述。对于每一个静态接口，静态接口参数包括该静态接口的参数物理名称、参数变量名称、数据类型、物理单位、数据范围、输出源、输出对象、数据更新周期以及适用的阶段。各学科专业模型内部的参数可不按接口参数表中的变量名称进行定义，但各学科专业模块的输入和输出接口参数必须遵循接口参数表定义。典型的接口参数表如表1所示。

表1接口参数表

S1.3、进行虚拟试验仿真系统的动态逻辑时序设计，实现对仿真过程中每个步长和控制周期内各学科专业模块之间数据的交互准则的描述：

动态逻辑时序设计也可通过时序逻辑图来描述，实现对仿真过程中每个步长和控制周期内各学科专业模块之间数据的交互准则。一般应按一个仿真步长，描述每一时刻每一学科专业模块的输入输出参数，如图3所示。

步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建，进一步包括如下子步骤：

S2.1.1、确定各学科专业模块的模型开发方式，多学科虚拟试验系统模型的开发可采用二种方式：

a)采用专业工具模型开发形式，需说明所使用的商品化设计建模工具的名称、版本和对运行环境的要求；或

b)采用高级语言编码生成动态库形式，应明确开发的语言环境、操作系统环境。

S2.1.2、确定各学科专业模块的模型初始化调用方法，多学科虚拟试验系统模型初始化调用方法可采用三种方法：

a)模型的初始化在模型内部自行完成；

b)通过可视化界面输入初始化参数，实现模型的初始化；或

c)通过初始化数据文件实现，事先按照规定的数据格式，编写初始化数据文件，再在模型中编写对初始化数据文件的解析和读取数据的功能函数。

S2.1.3、确定各学科专业模块的模型构建方法

模型实现包括基于成熟的商品化专业建模软件实现和基于高级编程语言编码实现两种方式。

a)基于商品化专业建模软件实现的虚拟试验系统建模可依据各专业建模软件本身的建模要求进行实现；或

b)基于高级编程语言编码实现的方法如下：

定义模型接口关系变量；

基于软件组件技术生成代码框架；

根据模型功能及逻辑描述编写代码函数；

编译代码，形成可调用的文件库。

S2.1.4、根据各学科专业模块的模型开发形式、初始化调用方法、实现方法进行多学科虚拟试验仿真系统中各学科专业模块的模型构建。

S2.2、进行多学科虚拟试验仿真系统中多学科仿真模型构建，进一步包括如下子步骤：

S2.2.1、利用COSIM平台建模工具进行虚拟试验系统静态结构建模：

如图4所示，依据系统模块化设计的功能关系图和接口参数表对虚拟试验系统成员组成以及成员之间的信息交互关系进行描述。

S2.2.2、利用COSIM平台建模工具进行虚拟试验系统动态行为建模：

基于状态机的层次化建模技术将物理系统的时序逻辑设计和仿真流程通过COSIM平台建模工具进行描述。虚拟试验系统各仿真成员间的动态行为描述如图5所示。

步骤S3进一步包括如下子步骤：

S3.1、采用商品化专业建模软件构建的模型，通过COSIM平台接口适配器实现虚拟试验系统中各学科专业模块的集成调用，或

采用高级编程语言编码构建的模型，通过COSIM平台代码框架工具实现虚拟试验系统中各学科专业模块的集成调用；

S3.2、利用COSIM平台调试工具验证虚拟试验系统中各学科专业模块的功能关系和时序逻辑，直至所有模块集成调试完成，虚拟试验系统的功能关系和时序逻辑满足要求。

步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、创建虚拟试验系统联邦并启动时钟，输入仿真次数、仿真步长、仿真时长；

S4.2、将学科专业模块的模型作为模型成员节点，将各模型成员节点装配加入虚拟试验系统联邦；

S4.3、对各模型成员节点进行仿真初始化；

S4.4、开始虚拟试验系统的仿真运行，进行虚拟试验系统的运行与解算；

S4.5、系统仿真结束后获取仿真结果的输出文件，完成本次虚拟试验仿真任务。

本实施例提供的基于COSIM的多学科虚拟试验仿真方法，利用COSIM平台将系统相对独立的专业设计模型软件按一定的系统架构进行集成，改变了以往各专业独立开展设计和验证的局面，实现了专业设计信息的互联互通，该方法按专业分工，具备通用性、规范性、系统性和可复制性的特点，能突破不同类别的复杂系统数字化设计和虚拟试验中的共性、关键技术，支持复杂系统的协同设计和虚拟试验，提高系统总体设计与验证能力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。