CN114707236A - 一种基于模型的虚实结合仿真试验方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空仿真试验领域，特别涉及一种基于模型的虚实结合仿真试验方法。包括：步骤一、在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成；步骤二、根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构；步骤三、构建自动化测试系统，基于虚实结合试验验证环境以及试验总体架构获取测试用例，开展自动化测试。本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，能够实现无人机地面试验过程中的通过数字模型与机载设备结合的方式进行试验鉴定，解决了机载设备的规模无法满足多机或集群试验验证条件的问题。

Description

一种基于模型的虚实结合仿真试验方法

技术领域

本申请属于航空仿真试验领域，特别涉及一种基于模型的虚实结合仿真试验方法。

背景技术

传统的无人机地面半物理试验主要的局限性在于试验条件以机载设备为主导，数字/半物理仿真测试设备为辅助测试条件，机载设备的规模决定了验证条件与验证范围，当测试项目所需要的机载设备规模大于已有的机载设备规模时，试验无法正常开展。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种基于模型的虚实结合仿真试验方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种基于模型的虚实结合仿真试验方法，包括：

步骤一、在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成；

步骤二、根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构；

步骤三、构建自动化测试系统，基于虚实结合试验验证环境以及试验总体架构获取测试用例，开展自动化测试。

在本申请的至少一个实施例中，步骤一中，所述在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成包括：

在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集；

采用DDS网络中间件实现以数据为中心的发布订阅机制，通过以数据为中心的发布订阅的通信机制，实现大型仿真系统技术交换的发送端和接收端解耦，各仿真平台通过集成DDS网络中间件对外进行数据发布，同时订阅其所需的数据，将数据与飞机系统模型的输入输出接口进行绑定，实现多元异构模型分布式集成。

在本申请的至少一个实施例中，针对不支持DDS通信库文件调用的仿真平台，采用以下方式实现多元异构模型分布式集成：

若仿真平台支持源代码导出，通过二次开发，实现对于飞机系统模型源代码的调用，并通过DDS网络中间件实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台将飞机系统模型封装为其他仿真平台可解析调用的模型格式，针对不同的使用需求，将飞机系统模型以带求解器或者不带求解器的方式进行封装，实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台无法进行源代码导出，也无法进行模型通用标准封装，针对仿真平台支持导入的模型格式，在外部平台进行通信模块开发，通信模块中封装DDS通信协议，再将通信模块进行模型导入并与仿真平台中运行的飞机系统模型进行连接，实现数据收发，实现多元异构模型分布式集成。

在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构包括：

将单个飞机系统模型接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构；

将多元异构模型集接入仿真总线，形成虚实结合试验验证环境，并将虚实结合试验验证环境整体接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构；

将飞机系统模型与虚实结合试验验证环境通过射频总线实现机间链通信，得到第一通信架构；

构建实现飞机系统模型与地面站之间通信的第二通信架构；

基于第一试验架构、第二试验架构、第一通信架构以及第二通信架构构建试验总体架构。

在本申请的至少一个实施例中，所述将单个飞机系统模型接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构包括：

飞机系统模型按照ICD格式打、解包接口数据，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构。

在本申请的至少一个实施例中，所述将多元异构模型集接入仿真总线，形成虚实结合试验验证环境，并将虚实结合试验验证环境整体接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构包括：

通过仿真总线读取多元异构模型集的接口数据，形成虚实结合试验验证环境，统一提取虚实结合试验验证环境接口数据，进行打、解包处理，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构。

在本申请的至少一个实施例中，所述将飞机系统模型与虚实结合试验验证环境通过射频总线实现机间链通信，得到第一通信架构包括：

将飞机系统模型与射频模拟器相结合，利用射频模拟器按照ICD格式将数字信号转换成射频信号，模拟机间链信息，建立射频交换网络，通过射频环形器实现射频信号分发，得到第一通信架构。

在本申请的至少一个实施例中，所述构建实现飞机系统模型与地面站之间通信的第二通信架构包括：

开发地空通信适配系统，按照地空协议，计算实时的时间戳信息和CRC校验信息，实时打、解包仿真飞机上下行数据，并通过以太网联通地面站的接入设备，得到第二通信架构。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，能够实现无人机地面试验过程中的通过数字模型与机载设备结合的方式进行试验鉴定，解决了机载设备的规模无法满足多机或集群试验验证条件的问题。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的基于模型的虚实结合仿真试验方法流程图；

图2是本申请一个实施方式的第一试验架构示意图；

图3是本申请一个实施方式的第二试验架构示意图；

图4是本申请一个实施方式的第一通信架构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图4对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种基于模型的虚实结合仿真试验方法，主要包括多元异构模型分布式集成、虚实结合接口适配以及自动化测试。

具体的，本申请依托型号研制的“设计—仿真—试验—评估”流程，支撑系统快速迭代设计，面向型号全设计周期，开展从基于模型飞机系统设计到基于模型的虚实结合仿真试验体系的研究。包括以下步骤：

步骤一、在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成；

步骤二、根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构；

步骤三、构建自动化测试系统，基于虚实结合试验验证环境以及试验总体架构获取测试用例，开展自动化测试。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，首先，基于Rhapsody、Scade、AMEsim、Dymola等建模工具进行飞机系统模型搭建，形成多元异构模型集，开展多元异构模型接口适配技术研究以及基于软总线的分布式模型集成方法研究，对分布式飞机系统模型进行集成。然后，基于型号研制过程中产生的飞机系统模型对试验架构进行设计，搭建虚实结合试验验证环境，通过将仿真软总线、试验总线、射频总线进行适配研究，形成具有柔性、并行特性的试验总体架构，实现将试验环境中任意设备或系统替换为仿真模型以完成全系统试验的能力。最后，面向虚实结合试验验证环境和总体架构开展测试用例设计方法研究和自动化测试系统建设，提升地面半物理试验的效率。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，步骤一中，在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成包括：

在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集；

采用DDS网络中间件实现以数据为中心的发布订阅机制，通过以数据为中心的发布订阅的通信机制，实现大型仿真系统技术交换的发送端和接收端解耦，各仿真平台通过集成DDS网络中间件对外进行数据发布，同时订阅其所需的数据，将数据与飞机系统模型的输入输出接口进行绑定，实现多元异构模型分布式集成。

另外，针对不支持DDS通信库文件调用的仿真平台，采用以下方式实现多元异构模型分布式集成：

若仿真平台支持源代码导出，通过二次开发，实现对于飞机系统模型源代码的调用，并通过DDS网络中间件实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台将飞机系统模型封装为其他仿真平台可解析调用的模型格式，针对不同的使用需求，将飞机系统模型以带求解器或者不带求解器的方式进行封装，实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台无法进行源代码导出，也无法进行模型通用标准封装，针对仿真平台支持导入的模型格式，在外部平台进行通信模块开发，通信模块中封装DDS通信协议，再将通信模块进行模型导入并与仿真平台中运行的飞机系统模型进行连接，实现数据收发，实现多元异构模型分布式集成。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，在多元异构模型分布式集成过程中，针对跨仿真平台的仿真模型，对其进行分布式仿真集成验证，需首先解决各仿真节点通信问题，采用DDS(数据订阅发布系统)网络中间件实现以数据为中心的发布订阅机制，建立在以太网上的通信协议之上，实现了以数据为中心的发布订阅的通信机制，实现大型仿真系统技术交换的发送端和接收端解耦，其提供的质量服务可充分保证通信质量。各仿真平台可集成DDS网络中间件对外进行数据发布，同时订阅其所需的数据，将数据与模型的输入输出接口进行绑定可实现仿真平台的分布式集成验证。有利的是，本实施例中，针对不支持DDS通信库文件调用的仿真平台，还给出了实现模型集成的另外三种方式：

(1)模型源代码导出

若仿真工具可支持源代码导出，可通过C/C++进行二次开发，实现对于模型源代码的调用，并通过DDS网络中间件实现模型的集成。

(2)封装模型

若仿真工具可将模型封装为其他仿真平台可解析调用的模型格式，可针对不同的使用需求，将模型以带求解器或者不带求解器的方式进行封装，常见的封装标准如FMI标准通用仿真接口，目前主流仿真软件Simulink、AMESim、Dymola、Modelica、Silver等均支持导出FMI标准的FMU模型。

(3)通信模块研制

若仿真工具无法进行代码导出，也无法进行模型通用标准封装，可针对工具支持导入的模型格式，在外部平台进行通信模块开发，模块中封装DDS通信协议，再将通信模块进行模型导入并与平台中运行的模型进行连接，实现数据收发。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，步骤二中，根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构包括：

将单个飞机系统模型接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构；

将多元异构模型集接入仿真总线，形成虚实结合试验验证环境，并将虚实结合试验验证环境整体接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构；

将飞机系统模型与虚实结合试验验证环境通过射频总线实现机间链通信，得到第一通信架构；

构建实现飞机系统模型与地面站之间通信的第二通信架构；

基于第一试验架构、第二试验架构、第一通信架构以及第二通信架构构建试验总体架构。

在本申请的一个实施方式中，单设备仿真模型接入机载总线，得到的系统架构如图2所示，仿真模型按照ICD格式打、解包接口数据，模型驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，实现以仿真最小系统为单位通过接口适配的方式接入机载总线，具有试验环境总体架构和组成保持不变和信息传递同步性强等特点。本实施例中，仿真环境整体接入机载总线，得到的系统架构如图3所示，通过仿真总线读取仿真模型的接口数据，统一提取仿真系统接口数据，进行打、解包处理，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，实现了大系统仿真环境统一接入地面半物理试验环境，具有仿真模型间通信可不通过板卡，仿真系统整体接入试验网络，移植性强和模型可分布式运行，模型接入灵活等特点。本实施例中，数字飞机模型与试验环境机间链通信，得到的系统架构如图4所示，将数字飞机与射频模拟器相结合，利用射频模拟器按照机载ICD格式将数字信号转换成射频信号，模拟机间链信息，建立射频交换网络，通过射频环形器实现射频信号分发，得到第一通信架构。本实施例中，数字飞机与地面站通信，设计开发地空通信适配系统，按照地空协议，计算实时的时间戳信息和CRC校验信息，实时打、解包仿真飞机上下行数据，并通过以太网联通地面站的接入设备，得到第二通信架构，实现地面站席位同时显示数字飞机与半物理飞机下传信息能力。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，通过设计一套具有试验总线网络构型切换功能的系统试验环境并行系统，实现在程序控制下快速切换试验网络的所有节点，进而实现机载数字模型和试验件的任意切换，提高试验环境资源的利用效率从而加快试验进度。试验环境并行系统包括总线切换设备、切换控制管理软件；切换控制管理软件运行在工作站上，通过以太网和总线切换设备进行通信；总线切换设备和试验件设备通过配套电缆进行连接；总线切换设备通过切换控制，能够选择是试验件或机载数字模型接入环网，切换设备支持主环网、支线上的真件设备的总线信号切换。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，自动化测试系统设计需要考虑综合试验的资源协同、环境配置、过程控制、组织管理等方面的自动化、智能化程度，初步实现分系统测试和全机综合测试的测试用例自动执行，使大部分的分系统测试和整机综合测试具备自动或半自动的验证能力，进而提高试验工作效率，改善试验人员的协作方式和工作条件，减少人工操作岗位和人为因素等对试验的干扰。自动化测试系统面向全机综合验证需求，需要支持分系统自动化测试和整机综合自动化测试需求，覆盖飞管系统、任务系统、机电系统、武器系统等诸多分系统，参试设备多、测试信号量大、试验复杂度高、试验需求多样性强，因此，研制的自动化测试系统需要具备以下方面的功能：(1)对环境内的实物设备、仿真设备及其激励设备提供统一规范的控制接口定义，并对试验所需的特定拓扑环境构成进行描述和管理；(2)在全局试验资源管理的基础上，支持分系统试验和整机综合试验的测试用例定义和管理，支持测试用例的复用、封装和组合等处理需求。(3)支持试验验证过程管理，能够开展测试用例自动化执行、报警、跟踪等功能，实现对参试设备资源的自动化管理；(4)结合型号设计的实际验证需求，支持多个分系统的同步分立试验和分系统与整机同时开展的混合试验等多种试验需求，具备试验环境资源分配与占用检测等管理需求；(5)自动化测试系统能够进行分布式部署，对各分系统和整机的试验验证提供实时的数据监控、远程控制和可视化显示。

本申请的基于模型的虚实结合仿真试验方法，采用虚实结合技术进行架构设计，建设由机载设备、虚拟机载系统、数字飞机组成的试验环境，构建基于模型的虚实结合试验验证能力，实现了在真实地面试验环境与飞机系统仿真模型结合的基础上，实施一站控多机、多机联合出动试验验证，为行业内相关领域大规模仿真试验验证的组织规划实施及管理奠定了基础。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，包括：

步骤一、在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成；

步骤二、根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构；

步骤三、构建自动化测试系统，基于虚实结合试验验证环境以及试验总体架构获取测试用例，开展自动化测试。

2.根据权利要求1所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，步骤一中，所述在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集，并进行多元异构模型分布式集成包括：

在仿真平台上搭建飞机系统模型，得到多元异构模型集；

采用DDS网络中间件实现以数据为中心的发布订阅机制，通过以数据为中心的发布订阅的通信机制，实现大型仿真系统技术交换的发送端和接收端解耦，各仿真平台通过集成DDS网络中间件对外进行数据发布，同时订阅其所需的数据，将数据与飞机系统模型的输入输出接口进行绑定，实现多元异构模型分布式集成。

3.根据权利要求2所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，针对不支持DDS通信库文件调用的仿真平台，采用以下方式实现多元异构模型分布式集成：

若仿真平台支持源代码导出，通过二次开发，实现对于飞机系统模型源代码的调用，并通过DDS网络中间件实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台将飞机系统模型封装为其他仿真平台可解析调用的模型格式，针对不同的使用需求，将飞机系统模型以带求解器或者不带求解器的方式进行封装，实现多元异构模型分布式集成；

若仿真平台无法进行源代码导出，也无法进行模型通用标准封装，针对仿真平台支持导入的模型格式，在外部平台进行通信模块开发，通信模块中封装DDS通信协议，再将通信模块进行模型导入并与仿真平台中运行的飞机系统模型进行连接，实现数据收发，实现多元异构模型分布式集成。

4.根据权利要求3所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，步骤二中，所述根据飞机系统模型设计试验架构，搭建虚实结合试验验证环境，并通过将仿真总线、地面半物理试验机载总线、射频总线进行适配，形成试验总体架构包括：

将单个飞机系统模型接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构；

将多元异构模型集接入仿真总线，形成虚实结合试验验证环境，并将虚实结合试验验证环境整体接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构；

将飞机系统模型与虚实结合试验验证环境通过射频总线实现机间链通信，得到第一通信架构；

构建实现飞机系统模型与地面站之间通信的第二通信架构；

基于第一试验架构、第二试验架构、第一通信架构以及第二通信架构构建试验总体架构。

5.根据权利要求4所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，所述将单个飞机系统模型接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构包括：

飞机系统模型按照ICD格式打、解包接口数据，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，得到第一试验架构。

6.根据权利要求5所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，所述将多元异构模型集接入仿真总线，形成虚实结合试验验证环境，并将虚实结合试验验证环境整体接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构包括：

通过仿真总线读取多元异构模型集的接口数据，形成虚实结合试验验证环境，统一提取虚实结合试验验证环境接口数据，进行打、解包处理，驱动总线通信板卡，接入地面半物理试验机载总线，得到第二试验架构。

7.根据权利要求6所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，所述将飞机系统模型与虚实结合试验验证环境通过射频总线实现机间链通信，得到第一通信架构包括：

将飞机系统模型与射频模拟器相结合，利用射频模拟器按照ICD格式将数字信号转换成射频信号，模拟机间链信息，建立射频交换网络，通过射频环形器实现射频信号分发，得到第一通信架构。

8.根据权利要求7所述的基于模型的虚实结合仿真试验方法，其特征在于，所述构建实现飞机系统模型与地面站之间通信的第二通信架构包括：

开发地空通信适配系统，按照地空协议，计算实时的时间戳信息和CRC校验信息，实时打、解包仿真飞机上下行数据，并通过以太网联通地面站的接入设备，得到第二通信架构。

Images