謝連寶， 林 琪

（1.裝備學院 研究生管理大隊，北京101406； 2.裝備學院 航天指揮系，北京101406）

很多關鍵技術的攻關都是耗資巨大、非常復雜的系統(tǒng)工程，比如空間操控技術等，采用什么方法對這些復雜的關鍵技術攻關成果進行集成演示、效能評估、總體設計指標驗證等，是必須考慮的重要問題?；谠囼灤?，完成和優(yōu)化仿真系統(tǒng)的設計和研制，進行各種作戰(zhàn)環(huán)境下的流程仿真，通過仿真的形式對設計結果快速驗證，通過抽象關鍵技術、模擬真實條件、弱化次要約束等一系列措施，可以降低技術難度與投資成本，縮短研制周期，打破傳統(tǒng)的技術研發(fā)模式所面臨的困境，體現了未來技術發(fā)展的必然趨勢。因此深入研究試驗床對促進新技術的發(fā)展具有重要意義。試驗床技術［1－4］，其本質是針對具有共同特性的一系列飛行器構筑的通用技術研究平臺，以快速實現重點、難點技術突破的技術。在很多領域，試驗床是指能模擬實際環(huán)境進行大量測試的開發(fā)環(huán)境，通過將技術試驗與技術應用結合起來，打破傳統(tǒng)的技術研發(fā)模式所面臨的困境，表現出了巨大潛力，也體現了未來技術發(fā)展的必然趨勢，試驗床技術越來越受到各國的重視。

1 試驗床技術的提出

試驗床技術興起源于技術發(fā)展的需要。20世紀以來，新技術革命促進了技術的迅速發(fā)展，然而技術發(fā)展所付出的技術代價也在不斷增加，包括資金、人力、物力和研制周期等，如何既能保證技術的快速發(fā)展不受制約，又能降低技術代價已成為世界各國關注的熱點問題。此外，某些武器試驗已很難做到全系統(tǒng)、全過程、全物理環(huán)境下的真實驗證試驗，如核爆試驗，未來的全球打擊和空間攻防對抗武器、網絡電磁空間武器及其防護手段有效性的評估等。正是在這種技術發(fā)展的客觀需求下，催生了試驗床技術，它的出現為解決這一系列問題創(chuàng)造了可能。在20世紀80年代美國實施“星球大戰(zhàn)”計劃時，就專門為動能武器和激光武器建立了試驗床（如動能攔截器（kinetic kill vehicle，KKV）懸浮試驗床）。隨著技術的發(fā)展，試驗床已廣泛應用于新技術開發(fā)和武器裝備研制中，貫穿于武器研制概念論證、技術攻關、系統(tǒng)集成和演示驗證等各個階段，取得了顯著效果。國外試驗床種類繁多、用途各異，表1總結了國外幾種典型試驗床［5－8］。

以快速機動空間試驗床為例，FAST項目的目標是研發(fā)一種重量輕、發(fā)電功率高、具有高機動性的航天器試驗床。FAST項目的開展，就是希望通過關鍵技術突破，加強航天器平臺在軌維持能力、機動能力以及空間態(tài)勢感知能力。為實現FAST項目的預期目標，設想了2個階段的發(fā)展計劃。一是地面試驗床的設計與組裝，高功率發(fā)電系 統(tǒng)（high－power generation system，HPGS）的性能仿真，實現對太陽能能源集中器、高效電源轉換設備、太陽的定位與跟蹤等關鍵技術的突破。二是制造并組裝2個HPGS地面試驗床，在模擬空間環(huán)境的條件下，進行性能測試與演示驗證。由于FAST具有較強的能源供應能力，因此，可以搭載大型雷達設備與通訊設備，強化航天器空間態(tài)勢感知能力與預警能力，具有很強的戰(zhàn)略意義。

綜上，試驗床廣泛應用于空間研發(fā)領域、新技術開發(fā)和武器系統(tǒng)研制，貫穿了概念論證、關鍵技術攻關、系統(tǒng)集成演示驗證等各個階段，是一個為了設計、分析和大規(guī)模多技術系統(tǒng)的虛擬樣機制造的軟件環(huán)境，使復雜系統(tǒng)能快速建模、仿真和虛擬原型。試驗床技術包含了仿真平臺、模型集成與協同仿真等相關內容［9－13］。仿真平臺是本質屬性，模型集成是基本任務要求、應具備的基本功能，協同仿真是最初的原則依據。試驗床技術與它們之間的區(qū)別在于實現了試驗平臺與應用平臺的一體化。

我國試驗床技術的研究從“十五”開始，已開展了試驗床的先期研究，所構建的試驗床在技術上已有一些儲備，但由于缺乏頂層規(guī)劃，應用領域有限，發(fā)展力度還遠遠不夠，試驗床技術在我國有著很大的發(fā)展空間和應用前景。

2 試驗床概念體系研究

試驗床的概念包含仿真平臺、模型集成與協同仿真等技術的相關內容。

2.1 試驗床概念間關系

概念依存于概念結構的網絡，彼此之間存在著各種不同形式的聯系。正是基于這些關系，才有可能把試驗床的全部概念組成一個概念體系。概念間的關系分為層級關系和非層級關系。層級關系體現的是范疇層次關系，包括種屬關系和整體－部分關系2種類型。種屬關系是指下位概念（種）是上位概念（屬）外延的一部分。下位概念除了具有上位概念的一切特征之外，至少還有一個區(qū)別于同一抽象層面的其他下位概念的獨特特征。種屬概念順序形成縱向序列，而一組并列排在同一層次上的概念，則組成橫向序列。

在上位概念表示整體，而下位概念表示該整體組成部分的情況下，就存在整體－部分關系。這些部分合起來就構成整體。在整體－部分關系中的上位概念稱作整體概念，而下位概念稱作部分概念。整體－部分關系也可以用垂直和水平的系列來表示。圖1所示為“仿真平臺”的種屬關系和整體－部分關系。

圖1 仿真平臺等級結構

非層級關系也反映了客體之間的某些關系，例如可憑借經驗在概念之間建立主題聯系時，就存在聯想關系，聯想關系又稱主題關系或實用關系。

模型集成、虛擬原型、仿真平臺3種技術與試驗床之間存在主題關系。仿真平臺通過綜合集成技術實現多仿真平臺的集成，信息的交互，體現試驗床多平臺、多形式、互操作性等特點；虛擬原型技術通過提高用戶對需求的理解，加快了多平臺仿真模型的設計進程及簡化調試，降低與系統(tǒng)設計相關的風險，體現試驗床的低成本、研制周期短的原則。其關系如圖2所示。

圖2 概念主題關系

概念的層級關系有助于概念的抽象和劃分，這種抽象過程可由下向上不斷進行，從而建立一個多層次的垂直概念體系，其中的每一個層次稱為抽象層面。而概念的非層級關系的形成是基于人們經驗中的多種意象圖式。

2.2 試驗床概念體系建立

試驗床概念體系的建立是以弄清復雜系統(tǒng)仿真領域各專業(yè)知識結構和基本知識點的基本概念及其彼此間的關系為基礎的。試驗床概念體系是由一組相關的仿真系統(tǒng)概念構成，如圖3所示。仿真系統(tǒng)概念組成了以概念間的關系為基礎的協調一致的試驗床概念體系。每個概念在體系中都占據一個確切的位置，這個唯一位置應由內涵（即組成概念的唯一的特征集合）和概念外延所確定。每個概念不能隨意變動，否則就會破壞整個概念體系，造成概念混亂。理想的概念體系應該層次分明，結構合理，正確反映客觀事物，便于下定義和規(guī)范指稱，也便于協調和容納不同語言的相應術語體系。概念體系一般以種屬關系為主架，在個別地方輔以整體－部分關系和主題關系等。

圖3 試驗床概念體系

3 試驗床結構框架研究

試驗床框架主要提供一個協同計算環(huán)境，建成促進不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行的體系結構，解決關于不同硬件平臺，不同構件和不同軟件組件之間的協同問題。主要解決4個方面問題：

1）構建何種支持現有模型和模型技術重用的開放結構；

2）如何做到系統(tǒng)與主流設計、分析軟件及已有研究成果的無縫集成；

3）如何對已有系統(tǒng)或待建系統(tǒng)作進一步地擴展；

4）如何實現促進不同仿真程序和其他非仿真支持軟件一起綜合執(zhí)行。

由此試驗床的結構框架主要包含試驗系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，分布式資源庫和運行支撐環(huán)境3個方面。

開發(fā)環(huán)境支持系統(tǒng)構造階段的各類活動，開發(fā)階段生成的各類數據／信息／模型將提交給分布式資源庫來管理；分布式資源庫管理分布虛擬試驗環(huán)境中涉及的大量數據信息，是運行支撐環(huán)境的強大支持系統(tǒng)；運行支撐環(huán)境主要解決各應用子系統(tǒng)在運行階段的試驗推進、時間管理和數據交互等問題。由此一般的試驗床架構由集成用戶接口，決策者用戶接口，集成系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)，模型功能管理，模型庫管理，數據庫系統(tǒng)和文件存儲系統(tǒng)組成，如圖4所示。

圖4 試驗床結構框架

集成用戶接口提供模型轉化到試驗床的能力，決策者用戶接口是仿真接口，支持試驗床中被控集成模型的執(zhí)行和腳本發(fā)展，仿真系統(tǒng)通過腳本運行集成模型。模型功能管理為不同的事務提供事件邏輯，模型庫管理提供庫的發(fā)展和管理（恢復、保存、構造），數據庫系統(tǒng)用于存儲模型及其細節(jié)，文件存儲系統(tǒng)用合適的方案存儲模型和它的細節(jié)。

3.1 開發(fā)環(huán)境

試驗床的開發(fā)環(huán)境主要支持以下3個階段的活動：

1）分析待建系統(tǒng)。開發(fā)環(huán)境的首要任務就是使用一定的方法（如面向對象、面向過程或基于組件的思想），按照一定的原則，將復雜系統(tǒng)進行一定程度的分解，定義成功能、接口明確的子模塊；并定義各子模塊的功能、輸入／輸出，以及模塊之間的相互依賴關系等屬性，為系統(tǒng)的建模工作做好準備。

2）系統(tǒng)構建。根據前一階段的分析，用一定的方法和結構來完成系統(tǒng)的構建。為使試驗床能適用于不同規(guī)模的仿真試驗和便于進一步地集成與擴展，對系統(tǒng)體系結構的靈活性提出了嚴格要求。體系結構的靈活性是通過可重用的軟件組件體現的，組件之間的耦合關系是一個重要的方面，組件之間的耦合性越小，系統(tǒng)就越靈活。另外，系統(tǒng)體系結構還須支持可擴展性、魯棒性、集成性和互操作性。

3）模型開發(fā)與集成。這里所說的模型是指數字化模型。它是仿真試驗的一個重要組成部分，包括2大類：一是仿真實體模型，比如飛機、導彈等，不但包括仿真對象的幾何特征數據，還包括相應的物理特征數據、算法以及控制方法等。這一類模型通常也稱為虛擬樣機，相應的建模工具有Catia、UG、Nastran、LMS的Virtual.lab等［14］。二是環(huán)境和目標模型，比如大規(guī)模地形模型、典型環(huán)境三維模型、典型武器系統(tǒng)幾何實體模型、典型目標三維實體模型等，系統(tǒng)不關注它們的物理特征，只關心它們的幾何特征。對于這一類模型的創(chuàng)建，一是基于商用軟件的人工創(chuàng)建，二是利用一些數字化手段，從原始模型直接得到物體的幾何表示。

3.2 分布式資源庫

分布式資源庫有2種組織結構：層次結構與對等結構。層次結構是由不同級別的資源節(jié)點組織而成的，物理資源存放在下級資源中心，下級資源中心到上級資源中心注冊并同步資源描述信息，用戶可在上級資源中心檢索到該節(jié)點范圍內所有下級資源中心的資源信息。對等結構是指各個資源節(jié)點不分級別，都是對等的、獨立的系統(tǒng)。用戶向某一節(jié)點提交查詢請求時，該節(jié)點中如果沒有相關資源，就把請求發(fā)送給所有與之相連的其他節(jié)點，其他節(jié)點收到請求后在自己資源庫中進行查詢，并把查詢結果返回給發(fā)出請求的節(jié)點。鑒于集中式存儲管理難度大，以及對等結構的資源庫容易造成網絡流量負載過重等局限，可采用資源的分布式存儲和層次結構管理，通過建立資源目錄中心，對分布存儲的資源節(jié)點進行集中統(tǒng)一管理，實現分布式資源的快速檢索，并采用數據分發(fā)服務（data distribution service，DDS）技術［15］解決資源目錄中心和分布式資源庫節(jié)點之間信息的交互問題。

3.3 運行支撐環(huán)境

運行支撐環(huán)境是核心，提供試驗床運行時的共用方法和共享資源，具有通信管理、數據管理、時間管理及相關的公共服務能力，并且可提供試驗過程的推進方法和管理、試驗過程描述，使得實驗過程可借助這個運行支撐環(huán)境來進行。如圖5所示，本文提出以DDS為中間件，并結合人機交互技術、語言翻譯技術、組件技術和時間管理等技術開發(fā)構建試驗床運行支撐環(huán)境。

基于DDS中間件技術。通過DDS技術可將各試驗應用產生的數據在網絡上進行實時的傳輸，根據試驗應用對數據的需求不同，將數據按照各自的來源和目的地進行傳遞，有效解決服務器瓶頸和單點失效的問題，實現試驗應用和底層支撐服務以及試驗應用之間的數據雙向傳遞以及消息消費者的異步通信，可靠性得到保證。

圖5 試驗床運行支撐環(huán)境

人機交互技術。友好的人機交互能力使人能夠進入仿真回路中，體現人在仿真系統(tǒng)的決策作用，進一步增強試驗床的實時控制、實時處理和實時響應能力。

語言翻譯技術。由于不同的仿真模型要由不同開發(fā)團隊，不同仿真軟件開發(fā)完成，各個模型的語言自然不同，為了保證所有模型的可用，以及試驗床的可擴展性要求，必須要有統(tǒng)一的標準進行模型翻譯，在模型庫中引用的每個模型都要執(zhí)行此操作。

組件技術?；诮M件的技術，可以將大量已有的模型抽象并設計實現成一個個可重用的組件，避免開發(fā)過程中重復勞動，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，縮短系統(tǒng)集成周期，提高系統(tǒng)的質量。

時間管理。在消息傳遞方面可以應用DDS提供的QoS（quality of service）服務策略在數據包中加上時戳，訂購方根據時戳完成數據排序，保證數據時序的正確性；在時間推進方面可以根據具體實際情況采用全局信號同步推進、統(tǒng)一時鐘同步推進、統(tǒng)一時鐘異步推進和非受控異步推進等方式。

另外試驗床的運行支撐環(huán)境負責完成仿真試驗初始配置，設置初始想定劇情，啟動和結束仿真。保證實施仿真過程的順利進行，通過對仿真系統(tǒng)中的仿真成員進行控制，使各個仿真成員在統(tǒng)一的管理下，協調一致地完成仿真模型計算和仿真數據交互。

4 結 束 語

試驗床技術作為技術突破的重要手段，展現出了無限生機，技術試驗與應用的平臺一體化也必將成為未來試驗床技術發(fā)展的趨勢。另外試驗床開發(fā)周期長、投資規(guī)模大，動輒數年、十幾年，甚至幾十年（如X－33／X－37飛行試驗床），投資一般為數千萬至數億美元不等。為減少開發(fā)風險，可以在加強總體規(guī)劃與設計的基礎上，采用邊開發(fā)邊應用邊完善的發(fā)展思路。但是由于國內外試驗床領域資料尚不充足，試驗床概念體系和結構框架研究還很匱乏，有待進一步研究和深入。

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