分布式強耦合仿真

1、分布式強耦合仿真1.挑戰(zhàn) 現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品復(fù)雜，包含多個學(xué)科，各學(xué)科的專業(yè)性需要不同的團隊、甚至不同的設(shè)計理念、工具。虛擬原型設(shè)計、虛擬實驗的發(fā)展趨勢需要各學(xué)科的模型能夠構(gòu)成一個整體的系統(tǒng)模型，主機廠需要將供應(yīng)商提供的部件模型組裝成系統(tǒng)模型來做選型設(shè)計或虛擬實驗。但是各團隊因為團隊利益、工具不同等因素難以將專業(yè)模型組裝成一個系統(tǒng)模型，所以需要強耦合仿真的解決方案。 2.解決方案 傳統(tǒng)的聯(lián)合仿真實現(xiàn)機制往往是通過建模仿真工具間提供的接口，將其中一個建模工具搭建的模型導(dǎo)入到另外一個工具中進行聯(lián)合仿真。 這種實現(xiàn)方式限制較大，要求各專業(yè)間的建模工具都能提供相互間的集成接口，在產(chǎn)品研發(fā)涉及到多個專業(yè)時，往

2、往很難實現(xiàn)。并且如上圖所示:Adams的模型在導(dǎo)入Simulink后，會調(diào)用Simulink的求解器進行計算，這會影響Adams模型的計算精度。 因此為了實現(xiàn)產(chǎn)品的功能樣機的建設(shè)，目前較為主流的方式有以下幾種：2.1.基于統(tǒng)一建模平臺的功能樣機建設(shè) 通過不斷的開發(fā)和完善模型庫，一些建模工具具備了多學(xué)科建模仿真的能力。基于此類工具，即可搭建不同學(xué)科的仿真模型進行仿真驗證，并因為基于同一款工具，即不存在需要進行開發(fā)即可實現(xiàn)多學(xué)科的聯(lián)合仿真。 Dymola軟件是法國達索公司專業(yè)的多學(xué)科系統(tǒng)仿真工具，基于開源的Modelica語言，任何企業(yè)或個人都可以開發(fā)各自應(yīng)用領(lǐng)域的Modelica模型，因此擁有由

3、Modelica協(xié)會成員如DLR（德國宇航局）、Modelon等成員公司開發(fā)并經(jīng)過工業(yè)驗證的眾多不同行業(yè)的專業(yè)庫，如電機、多體動力學(xué)、電氣、熱力學(xué)、液壓、氣動、熱學(xué)和控制等專業(yè)元件庫，為機械、電氣、液壓等多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大的便利性。 Dymola由Modelica基礎(chǔ)庫（包括機械、電氣、控制、傳熱、流體等多個學(xué)科的專業(yè)元件庫）、液壓庫、氣動庫、智能電機庫、傳動庫、柔性體庫以及Simulink接口、源代碼生成模塊、實時仿真接口、模型標定模塊、模型管理模塊、設(shè)計優(yōu)化模塊等功能組成。 各元件庫可以單獨使用，構(gòu)建本學(xué)科的子系統(tǒng)模型；也可以基于各元件庫，創(chuàng)建用于多學(xué)科仿真的系統(tǒng)元件庫模型或系統(tǒng)仿真模

4、型。 利用各學(xué)科的模型庫，也可以快速創(chuàng)建整個系統(tǒng)的多學(xué)科仿真模型。2.2.基于通用接口的多學(xué)科聯(lián)合仿真 因為目前在各專業(yè)領(lǐng)域中，都有各自主流的仿真建模工具，如：液壓專業(yè)的AMESim、動力學(xué)的ADAMS、控制領(lǐng)域的Simulink、空調(diào)環(huán)控領(lǐng)域的Dymola等，想要統(tǒng)一到同一個建模平臺非常的困難。并且企業(yè)在以往的產(chǎn)品研發(fā)過程中會積累大量的模型，復(fù)用已有的模型，實現(xiàn)智力資產(chǎn)的復(fù)用是企業(yè)的強烈需求。 并且隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的提升和社會分工的細化，已經(jīng)很少有企業(yè)能夠獨自完成一個產(chǎn)品的所有研發(fā)，往往是通過多個企業(yè)間的協(xié)同來實現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)過程，如何促使各企業(yè)間進行模型的共享而又能保護各企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)，是產(chǎn)品

5、功能樣機搭建過程中面臨的關(guān)鍵問題。 為了實現(xiàn)全數(shù)字虛擬汽車的概念，歐洲由戴姆勒公司牽頭組成了Modelisar協(xié)會，該協(xié)會提出了通過第三方的標準接口FMI，各仿真工具針對FMI的接口協(xié)議進行定制開發(fā)后，可導(dǎo)出通用的FMU模型，供聯(lián)合仿真應(yīng)用。 FMI標準包括基于C語言的標準函數(shù)接口和模型變量屬性描述文件兩個部分，建模工具根據(jù)FMI標準生成FMU（The Functional Mockup Unit）模型。FMU包含：內(nèi)部包含F(xiàn)MI標準接口函數(shù)的模型文件，描述模型變量屬性的模型描述文件（.xml）。 FMI的結(jié)構(gòu)框架圖如下所示： 通過FMI的接口，各供應(yīng)商可以將各部件的功能模型提交給整車廠，整車

6、廠通過對FMU的模型進行聯(lián)合仿真，即可驗證產(chǎn)品的設(shè)計方案是否嫩滿足當初所定義的需求。2.3.基于分布式強耦合仿真平臺 基于FMI接口實現(xiàn)多學(xué)科聯(lián)合仿真，要求各建模仿真工具都開發(fā)各自的FMI接口，并且所有模型集成在同一臺機器上進行仿真運算，對機器的運算性能要求會非常高，因此采用一款分布式強耦合仿真平臺，該平臺既能與FMU的模型進行集成，也能自己開發(fā)針對各個仿真工具的應(yīng)用接口，實現(xiàn)各工具的聯(lián)合仿真是目前技術(shù)上最為可行的聯(lián)合仿真方案。 TISC是一個用于控制不同仿真應(yīng)用的聯(lián)合仿真環(huán)境。它劃分為兩層：控制層和仿真層。仿真層可以耦合不同工具，并執(zhí)行聯(lián)合仿真計算?？刂茖涌刂坡?lián)合仿真的過程，用于配置不同工具

7、和模型進行聯(lián)合仿真計算。 基于TISC平臺，可以方便的實現(xiàn)不同仿真工具間的聯(lián)合仿真，各種不同的仿真工具只需要開發(fā)與TISC的集成接口即可，并且TISC目前已經(jīng)支持的工具可以覆蓋絕大部分的常用仿真工具，而目前尚未支持的工具，也可通過定制化開發(fā)實現(xiàn)與TISC的集成。 TISC平臺也支持分布式的聯(lián)合仿真，各個模型可以分別在不同的計算機中運行，只需要與TISC的服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交互即可實現(xiàn)聯(lián)合仿真，可以有效地降低仿真對計算機硬件的要求，也可大大縮短聯(lián)合仿真的時間周期. 基于TISC平臺可以在不改變現(xiàn)有研發(fā)模式的前提下，只需對已有模型進行簡單的輸入輸出接口定義，同時模型也可在各單位自己的仿真計算機上進行運行，只要保證網(wǎng)絡(luò)互通即可實現(xiàn)聯(lián)合仿真，這有效的解決了目前企業(yè)所面臨的的難題。 3.總結(jié) 采用分布式強耦合仿真平臺，進行多工具的聯(lián)合仿真，具有如下優(yōu)點： 以模塊化的方式，實現(xiàn)客戶端的集成，可以在原有模型的基礎(chǔ)上，進行細微的修改，即可實現(xiàn)多工具的聯(lián)合仿真，降低集成難度，充分利用現(xiàn)有的模型。 通過客戶端-服務(wù)器的模式實現(xiàn)聯(lián)合仿真，可在服務(wù)器端對整個聯(lián)合仿真過程進行配置和監(jiān)控，實現(xiàn)對整個聯(lián)合仿真過程的控制。 采用這種機制，可實現(xiàn)局域網(wǎng)段內(nèi)的分布式聯(lián)合仿真，各仿真