现代航空工程智能虚拟试验技术研究

支超有

(航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089)

以信息技术为代表的现代高新技术的飞速发展及其在航空试验与测试领域的广泛应用，正带动着航空试验与测试技术向分布式、综合化、通用化、网络化、虚拟化和智能化的方向发展。在这个过程中，以仿真技术为基础的虚拟试验已经融入到装备设计、研制、开发、集成等各个阶段，并成为与实物试验并重的一种新的航空产品研制试验途径，虚拟试验验证技术也成为航空产品研制过程中的核心技术之一，并深入渗透到航空装备研发整个流程中，贯穿从概念提出与方案设计、子系统和部件设计，直到系统集成与验证和产品认证等各个阶段，并具有覆盖装备全生命周期、适用范围广的特点。

虚拟试验验证是一种基于数字样机模型的复杂产品关键系统试验数据产生、获取和分析的系统工程过程，它以建模仿真、信息集成与管理技术、虚拟现实和知识工程方法为基础，在一个由性能模型、耦合环境、流程引擎和可视化交互机制构成的数字化试验平台中模拟真实产品的物理试验过程。虚拟试验验证技术发展的经验表明，虚拟试验的基础和支撑框架是引领虚拟试验验证系统快速有效发展的核心。

基于云计算技术的智能虚拟试验构架了一种网络化的、智能化的试验服务新模式，该模式和相关技术的研究与应用将有利于航空装备向“产品+服务”方式转变。智能虚拟试验将各类试验资源虚拟化后封装成服务云池，通过统一、集中高效的管理和经营，实现试验资源的快速部署和虚拟化协同试验环境的智能、灵活构建，进而支持多用户实时按需获取试验服务。笔者结合云计算，以及云计算虚拟化、物联网和服务化等新兴技术，在总结虚拟试验技术在航空工程典型应用和技术现状的基础上，提出了以柔性敏捷化、开放服务化、并行协同化、集成虚拟化、知识智能化为技术特点的智能虚拟试验概念，研究了基于层次模型的智能虚拟试验组成体系，详细说明了智能虚拟试验实现技术。

1 虚拟试验现状

虚拟试验以仿真技术、虚拟现实技术、计算技术、数据处理技术、数据管理技术、网络技术等多项技术为基础，具有“多学科、跨专业”和“多层次、跨平台”的特点，虚拟试验以设计数据、性能数据的定义为核心，以对所定义的功能数据和性能数据进行验证、确认为目的，在实现中以试验系统为基础，以模型设计与仿真、可视化和知识工具为手段，完成对设计定义数据和性能数据的验证、确认。图1为虚拟试验系统组成结构图。

目前，在航空领域应用虚拟试验技术的典型项目有NASA(美国航空航天局)的智能虚拟飞行控制项目、欧洲空中客车公司的A380项目，以及LMS公司的机电一体化系统仿真平台LMS Imagine.Lab。

NASA(美国航空航天局)在其智能飞行控制中提出“在先进的计算系统和用户环境、革命性的软件技术和开拓性应用方面进行前沿研究，以实现NASA在航空航天技术方面的任务”的总目标。指出智能飞行控制面临的挑战是：开发一种飞行控制方法，在空中运输工具的硬件和操作环境下，可以有效地处理常规的和意料之外的变化；其技术目标是：建立一种飞行控制概念，使用神经网络技术来识别飞机的稳定性和控制衍生技术，使飞机在更为广泛的飞行条件下实现最佳性能；开发一种学习神经网络，在飞行中无法正常响应时，提升飞机的稳定性和控制衍生技术。

总之，智能飞行控制项目开发和飞行演示了一种飞行控制技术，可以有效地识别飞机的稳定性和控制特性，使用神经网络，并利用这些信息优化飞机性能。其主要关注焦点是增强飞机的安全性、并降低成本。

图2为NASA智能虚拟飞行控制试验组成原理图。

图1 虚拟试验系统组成

图2 NASA智能虚拟飞行控制试验组成原理

欧洲空中客车公司在A380飞机研制中，为加快研制进度，缩短研制周期，建立了大量数学模型，并开展以模型为基础的仿真和虚拟试验。为此，空客建立数学建模及仿真标准——AP2633，并以该标准为基础，用于所有验证、确认和培训模拟器的仿真模型(实时或非实时)，支持仿真模型开发的需求和指南，以及用于模型集成和模型的交换等应用和环境中。

AP2633标准包括：过程、文档，以及封装(接口和控制)、模型的可移植性等在内的软件；AP2633仿真标准开始于1999/2000年，由空客前合作伙伴为满足系统仿真模型交换而建立，其标准化过程确定了开发(包括操作使用)和仿真模型交换(Doc和接口)的规范化过程，采用通用和强制性的测试用例(验证和确认)，建立了适用飞机模块化的仿真体系结构。

AP2633仿真模型与环境的接口变量可以分为三类：

① 控制环境与模型之间接口的——以仿真变量形式的模式控制流；

② 用于仿真模型的功能运行所需要的——飞机功能变量数据流；

③ 用于定义模型设置(或概要文件)软件变量的——模型概要文件变量。

AP2633标准定义细化了模型开发，包括两个主要步骤：模型验证(软件规格)和模型确认(系统需求&模型需求)；同时开发中包括两个主要文件：开发人员的模型验证计划(Model Verification Plan，MVP)和各平台的集成&确认报告(Integration&Validation Report，IVR)。

图3为空中客车A380项目中仿真体系及工作流程示意图。

图3 A380仿真体系及工作流程

LMS公司机电一体化系统仿真平台LMS Imagine.Lab的最新开发使LMS™解决方案更适合基于模型的系统工程。面向机电一体化系统仿真，使得 LMS Imagine.Lab平台提供了从功能需求直到物理建模和仿真的开放式开发流程。该平台包含三个模块：LMS Imagine.LabAMESim™软件、LMSImagine.Lab™Sysdm软件和LMSImagine.Lab™System Synthesis软件。

LMS Imagine.Lab AMESim是多领域、多级复杂度的机电一体化系统建模、仿真和分析的软件环境，通过对不同库中预定义且已经验证的元件的简单装配，创建多领域仿真模型，无需耗时的编程；通过调整各元件来分析对比众多设计方案，从而综合平衡产品性能；在开发早期，可切实开展系统仿真。

LMS Imagine.Lab Sysdm可对从机械到控制工程的机电一体化系统数据进行组织和管理，共享和运用知识，提高效率，存储和组织机械系统和控制系统模型和数据。

LMS Imagine.Lab System Synthesis支持配置管理、系统集成和架构验证的软件工具，可合成复杂的系统配置，并依据性能需求创建产品架构。

图4为LMS Imagine.Lab虚拟试验应用原理图。

2 智能虚拟试验技术特点

基于“产品+服务”方式的智能虚拟试验具有柔性敏捷化、开放服务化、并行协同化、集成虚拟化、知识智能化的技术特点，开展相关研究与实践，将有利于加速航空工程试验水平的提高，进而推进航空装备的发展。

(1)柔性敏捷化。大大缩短了智能虚拟环境下装备的研发周期，能够快速部署和智能构建规模庞大的智能虚拟试验运行环境和智能虚拟试验验证系统。同时支持多学科、多模态、多层次和多体的模型组件及其设计过程，具有图形化交互环境，能进行可视化建模和分析，允许各学科、各部门和设计研制、生产单位交换设计形成模型组件，实时地参与设计和试验。

(2)开放服务化。基于云计算按需租用服务模式和服务为核心的原则，以降本增效化解风险为前提，分布在装备各研制单位共享智能虚拟试验资源，智能获取智能虚拟试验服务用以支持装备研制全生命周期各阶段验证活动的需求将大大增加。智能虚拟试验的分布式虚拟试验环境具有良好的开放性，能提供功能丰富完整的工具集，支持航空装备全生命周期的设计和性能评估，以及功能系统与全机的功能与性能验证。

(3)并行协同化。随着智能虚拟试验环境中被验证系统(如复杂产品、子系统、分系统等)规模的不断扩大和结构的日趋复杂，以及工程管理技术、多学科虚拟协同仿真技术、前期概念规划和后期性能评估技术、设计优化技术、虚拟环境技术、模型的校验、验证和确认技术的不断融合，需要多用户不断获取稳定的虚拟试验服务来协同虚拟试验任务。

图4 LMS Imagine.Lab虚拟试验应用原理图

(4)集成虚拟化。数量庞大的试验用户要求同时在线使用智能虚拟试验服务，智能虚拟试验支撑平台/系统必须有效支持对分散和集中的各类智能虚拟试验资源进行全方位的优化管理、共享和服务，以达到降低能耗，进一步提高资源利用率，实现共享资源增效。同时需要实现异构智能虚拟试验资源的虚拟化封装和抽象，加强对共享资源的统一管理和控制，屏蔽各类智能虚拟试验资源的地域分散、形态不同等异构性。智能虚拟试验系统采用组件模块化框架结构，模型组件大多数由市场上COTS产品组成，具有易于扩展和良好的可重用性；模型组件及试验环境具有通用性、可扩展性和可重用性，能够完成多种不同类型装备、以及组成装备系统的虚拟试验。

(5)知识智能化。智能虚拟试验中的应用复杂度日益增加，智能虚拟试验支撑平台/系统能够智能地获取用户的需求和组织虚拟试验服务变得越来越迫切，促使用户可以专注于解决试验任务空间的问题。提供功能完备的模型组件的维护功能，允许增加经过校核与验证后的模型，更新和升级原有的模型组件，提供标准实时的界面接口，在不影响系统性能情况下允许真实部件或子系统与模型组件的替换。进行航空装备的可制造性、可维护性、可适用性、可测试性、安全性和保障性评估。

3 智能虚拟试验系统层次结构

智能虚拟试验不但支持航空装备协同研制开发过程的部件、子系统验证，而且支持子系统、分系统的综合验证和系统集成验证，还支持航空装备全周期整机试验。为了更好地说明智能虚拟试验系统的层次结构，采用分层的体系结构，从底向上，依次为：智能虚拟试验物理对象、智能虚拟试验资源层、智能虚拟试验核心服务层、智能虚拟试验界面层、智能虚拟试验应用层，其中对智能虚拟试验核心服务层和智能虚拟试验界面层进一步具体化，从逻辑视图上细化提出智能虚拟试验核心服务。智能虚拟试验系统的层次结构如图5所示。

下面对智能虚拟试验物理对象、智能虚拟试验资源层、智能虚拟试验核心服务层、智能虚拟试验界面层、智能虚拟试验应用层进行详细说明。

3.1 智能虚拟试验物理对象层

智能虚拟试验物理对象是需要进行试验验证的对象，以飞机结构系统的功能划分，主要包括飞行控制系统、航空电子系统、机电管理系统、供配电系统、液压能源系统、燃油系统、环境控制系统、起落架控制系统、发动机系统等。进一步细分，飞机的各功能系统又可以进一步细分为分系统，如对于现代大型飞机，飞机的飞行控制系统又可以进一步细分为驾驶舱操纵装置分系统、电传飞行控制分系统、自动飞行控制分系统、高升力控制分系统、机械操纵控制分系统等。各分系统还可以进一步细分为子系统或部件，如电传飞行控制分系统进一步细分为控制―显示子系统、计算机子系统、伺服作动子系统、传感器子系统、BIT和余度管理子系统等。

图5 智能虚拟试验系统层次结构

所以，智能虚拟试验物理对象涵盖了待试验验证的功能系统、分系统，以及子系统或部件等。

3.2 智能虚拟试验资源层

智能虚拟试验资源层包括：试验资源池，资源感知与接入→信息互联网络→资源虚拟化封装，以及模型资源、计算资源、数据资源、软件资源、知识资源、试验工具及License。

智能虚拟试验资源层主要存储虚拟化/服务化的虚拟试验资源，含有语义本体库、服务资源库、虚拟资源库等。语义本体库主要存储概念定义、专业领域的分类和概念关系信息，服务资源库主要存储静态服务资源以及动态服务资源的目录信息，虚拟资源库拥有经过虚拟化封装的各类虚拟试验资源。

3.3 智能虚拟试验核心服务层

智能虚拟试验核心服务层可实现试验资源组织与管理、试验环境控制、部件和系统建模与验证、规范化描述解析、虚拟化/服务化封装、试验资源引擎、试验任务调度、三维远程可视化、试验安全体系、成员/组件生成等功能。

智能虚拟试验资源组织服务用于组织智能虚拟试验资源，构建智能虚拟试验系统。智能虚拟试验资源具有虚拟化、服务化、物理资源等不同的形态，还存在可用和待部署的显著区别，该服务用于组织属性异构的虚拟试验资源；智能虚拟试验任务管理服务提供对试验任务的创建、查看和管理，响应智能虚拟试验任务发起者并智能化地定制虚拟试验的工作流程，按照流程信息链自动调度各服务工作节点的文档、模型、数据等仿真资源至用户工作节点，智能化协调地域分布的试验人员共同完成虚拟试验任务。

智能虚拟试验资源管理服务包括试验资源智能管理、监控、容错迁移、任务调度等服务。其中，智能虚拟试验资源管理服务包括虚拟试验资源的智能搜索/匹配、浏览/查看、上传/下载、更改/删除、注册、发布等；智能虚拟试验资源监控服务实时智能化采集试验资源和试验任务的状态；试验资源容错迁移服务支持资源在非运行状态下的智能化容错恢复；试验任务调度服务根据物理计算节点的监控信息智能化进行任务的静态分配和动态调整。

智能虚拟试验环境控制服务根据需要，智能构建虚拟试验运行环境、控制和存储虚拟试验运行环境的状态，以便在虚拟试验任务完成后撤消虚拟运行环境的服务。

部件和系统建模与验证服务可以为用户提供系统顶层建模服务和专业领域部件、子系统、分系统和系统建模服务。将多学科耦合的复杂系统划分为分系统、子系统及元件，建立由元素模型、成员模型及模型之间交互信息模型组成的顶层系统模型，利用各专业领域的商用软件建立应用领域元件、子系统、系统模型。成员/组件自动生成服务完成对应用领域元件、子系统、系统模型的个性化定制，在元件、子系统、系统模型的基础上按照业务逻辑集成为实体模型，生成可执行或可被试验引擎调用的组件模型。

智能虚拟试验规范化描述解析服务从配置文件中自动解析并获取智能虚拟试验任务中各个成员模型运行环境的语义描述信息，为虚拟试验资源的组织服务提供所需资源的属性及配置信息。语义本体服务包括定义虚拟试验领域的概念、建立概念分类与关系等服务，实现面向语义的资源检索和不同领域之间仿真数据、模型与知识的交换、共享和复用。

远程虚拟桌面服务能够远程联接动态构建的虚拟机，进而获取运行智能虚拟试验任务的虚拟机桌面环境。基于该服务，用户在浏览器中能够远程访问智能虚拟环境，进而开展智能虚拟试验任务，并通过三维模型远程可视化服务支持用户通过浏览器来远程查看智能虚拟试验动态过程。

虚拟化/服务化封装服务包含创建、注册、发布虚拟化/服务化智能虚拟试验资源。对实验用户而言，智能虚拟试验资源通常为虚拟机镜像，它是可共享、可重用的智能虚拟试验运行环境载体，能够将常用的虚拟试验软件资源和系统支撑环境进行组合封装，进而制作智能虚拟机模板。智能服务化虚拟试验资源指符合浏览器服务规范的各种试验服务，可以是模型服务、设备服务等形式。

智能虚拟试验引擎服务支持对虚拟试验组件模型、服务化试验资源进行有效的重新构架，能够实现复杂虚拟试验任务的要求，提高智能虚拟试验组件模型或服务化虚拟试验资源的共享与重用。

3.4 智能虚拟试验用户界面层

智能虚拟试验用户界面层实现试验样机生成与管理、多学科综合与虚拟协同试验、智能试验交互控制与可视化、试验结果发布查询与评估、大数据管理与挖掘利用等功能。

智能虚拟试验用户界面层采取浏览器形式的智能虚拟试验方式，为各种智能虚拟试验提供服务，由用户人机界面提交智能虚拟试验任务并获取智能虚拟试验结果，以及提供可视化的运行界面，以便直观进行试验初始参数、状态的设置，或者是运行过程参数和状态的设置。试验结果发布查询与评估服务通过智能虚拟试验能够系统地采集到运行周期过程中产生的动态数据，方便用户通过浏览器全面了解所采集的有效数据，监示智能虚拟试验过程参数和状态，以及按照特定方法评估虚拟试验结果，甚至开展人在回路的智能虚拟试验。

3.5 智能虚拟试验应用层

智能虚拟试验应用层面向航空装备全周期整机试验验证、功能系统集成试验验证、分系统和子系统综合试验验证、供应商子系统和部件试验验证、协同开发过程试验验证等各类试验验证，覆盖了装备全周期的验证试验。

4 结束语

在总结NASA(美国国家航空航天局)的智能虚拟飞行控制项目、欧洲空中客车公司的A380项目和LMS公司的机电一体化系统仿真平台LMS Imagine.Lab等目前在航空工程方面应用虚拟试验技术的典型项目现状的基础上，研究虚拟试验相关特点，借鉴云计算等新兴技术，分析了智能虚拟试验在柔性敏捷化、开放服务化、并行协同化、集成虚拟化、知识智能化方面的技术特点，提出了智能虚拟试验体系框架，从逻辑功能视图角度给出了智能虚拟试验的层次结构，描述进行智能虚拟试验活动所需的核心服务，详细说明了智能虚拟试验物理对象层、智能虚拟试验资源层、智能虚拟试验核心服务层、智能虚拟试验界面层、智能虚拟试验应用层功能实现等关键技术。

智能虚拟试验具有成本低、周期短、效率高、范围广、应用面宽、复用性强的特点，已贯穿到航空装备设计研制集成生产的各个阶段，具有广阔的应用前景，对促进航空装备研制水平的提升必将起到重要作用。