大型武器装备动力系统预研仿真系统

1. 引言

目前，国内科研机构对仿真的重要性已经有了越来越深刻的认识，将仿真技术应用到科研项目的各个阶段，包括方案论证、算法设计、算法验证、成果检验、教学培训等。随着多学科的交叉渗透，一个重大仿真研究课题往往涉及到多个专业，需要多人、多课题组、甚至多研究机构来协同完成。如果没有一个通用性强的解决方案，在项目集成阶段，各种不兼容、不开放的问题就会集中暴露出来，导致项目延期甚至失败。

跨平台分布式仿真支撑系统能够解决不同仿真系统的集成问题，可以在大型项目规划阶段，为后期项目的集成提供一套完整的解决方案，并且为项目未来的扩展预留了接口，能够大大方便不同小组和机构的协同仿真。由于大型武器装备系统复杂程度高、参与单位多、不确定性因素多，因而其研制具有实施周期长、费用支出多、技术风险高等特征。为了降低系统研制过程中的风险，必须在论证设计过程中对其研制风险进行详细的分析和评估。研制风险一般包括技术风险、费用风险和进度风险[5,6,7]。使用仿真系统介入研究的各个阶段，是降低风险的有效方法。军事仿真对高性能、分布式的仿真支撑平台的需求日益迫切是业界共识，作为涉及国家重大国防安全的航空航天以及军事等领域，迫切需要一款这样的具有自主知识产权的仿真支撑平台，进行仿真研究。

2. SimuWorks®军事版

2.1 系统构成

SimuWorks®将开发、调试、验证、运行、分析等各种仿真功能进行了整合，创立了“仿真系统制造工厂”的新理念，大大提高了仿真系统的开发效率。

2.2 主要功能及特点

SimuWorks®运行于Windows平台，具有优秀的系统可维护性、可拓展性、可移植性与开放性；系统数据库规模庞大，可实现多流程分布式计算，为大型仿真系统的运行与开发提供稳定、高效的平台；可实现一机多模，大大降低了用户的使用和维护成本。

模型开发过程采用先进的图形化自动建模技术，开发、维护人员只需根据设计图纸进行简单的绘图式建模即可自动完成模型的生成。同传统的手工编程式、填表式、模块式建模方法相比，图形化自动建模具有建模周期短，工作效率高、通用性强、易于维护和管理的优点。 SimuWorks®具有丰富的算法和模块库，仿真范围广，精度高。主要包括：热力系统通用模块库、控制系统模块库、电气系统模块库、锅炉系统模块库、蒸汽/燃气轮机系统模块库、舰船动力系统模块库、化工系统模块库、流体网络实时算法库、电气网络实时算法库等。 SimuWorks®目前支持最新的32位和64位Windows操作系统，以及最常用的Fortran和C++编译器。

2.3 分布式仿真插件SimuHLA

SimuHLA插件在仿真引擎SimuEngine和基于HLA标准的分布式仿真环境之间提供一个接口，用户可将经过图形化建模工具创建的仿真模型分别部署于分布式仿真环境的各个节点，并且定义仿真模型之间的交互关系。SimuEngine启动后作为联邦成员加入联邦，订购各种对象和交互类，联邦管理器可对各个成员节点进行管理，实时监控各个节点运行状态，提供时间同步服务。

2.4 嵌入式仿真插件SimuERT

SimuEngine利用SimuERT插件，可以构成一个嵌入式实时操作系统仿真平台，目前支持VxWorks、WinCE等实时操作系统。用户通过SimuEngine＋SimuERT，可以将仿真系统与不同物理设备相连，组成一个半实物仿真系统。与一般的嵌入式仿真系统相比，该系统具有高效建模、调试方便、通用性强等特点。

3. 案例介绍

SimuWorks®在潜艇武器作战系统、水声对抗系统、大型舰艇动力系统等多个军事领域得到了成功应用[2,3,4]。下面以某大型舰船动力系统为例，介绍SimuWorks®的建模、调试与运行等过程。

3.1 仿真对象简介

某大型舰船动力系统由主机、传动设备、螺旋桨（定距桨或调距桨）以及舰船本体所组成。由于它本身是一个复杂的非线性系统，无法用常规的分析方法计算它在各种机动工况下的动态特性，而借助于陆上试验和海上试验费时长、投资多、风险大、且受到各种条件的限制。为此，决定采用计算机仿真的手段进行实验，对其总体性能进行预测和评估。

3.2 仿真系统简介

以PC机和局域网为硬件基础，基于SimuWorks®开发和运行，仪表显示及操作界面用组态软件SimuMMI实现。系统结构如图2所示。

该系统与海军某研究院合作开发，经鉴定为国内首套大型舰船动力仿真系统。

3.3 系统建模过程

下面以增压锅炉系统为例介绍建模过程：

空气经压气机压缩后，温度与压力被提高，沿空气通路送入锅炉炉膛内与燃料混和，在接近等压的状况下燃烧。从炉膛出来的高温烟气在与对流蒸发受热面、蒸汽过热器受热面和内部经济器受热面换热后，经烟气净化器净化进入涡轮机内膨胀做功。涡轮机与压气机同轴连接，涡轮机输出功率并带动压气机工作，最后从涡轮机出来的烟气直接排入大气中。

锅炉内部有几种不同性质和不同状态的介质，同时发生多种化学反应和多种物理过程。在锅炉内部进行的各种过程之间往往存在着交叉影响。更为复杂的是汽包内汽水分离过程。正由于锅炉设备庞大、系统复杂、参量繁多、交叉影响多，因而描述它们的数学模型也必然十分复杂。增压锅炉是一个结构复杂，关联机构众多的设备[10]。在建模时，通常将锅炉分为锅炉本体、汽水系统等几个典型的子系统，分别建立各子系统的数学模型，再将各子系统模型连接为锅炉整体模型。

SimuWorks®集成了大量模块库，其中用于舰船动力系统的专用模块库如图3所示：

使用图形化自动建模工具SimuBuilder，通过选择和绘制模块，并按实际运行过程将模块连接起来，就建立了该系统的仿真模型，如图4所示。

3.4 仿真系统调试

由于采用图形化的建模方式，可以方便地对系统的组态进行修改，并可以不经编译直接运行，大大方便了模型的修改和调试。

平台还提供了强大的数据动态显示和在线修改功能，可使用多种可视化的方法显示动态数

据，能随时对数据库中的任意数据进行在线修改，并可在模块级别实现冻结、解冻、断点设置、单步执行、源代码调试等，与传统的建模方式相比，显著加快了系统的开发速度。

3.5 仿真结果验证

配合海军某研究院顺利完成下述试验，并验收通过。

1）根据设计资料搭建系统整体模型。部分重要设备已处于试验状态，能获取部分重要参数，这部分参数按实际数据输入。

2）试验控制系统方案的可行性。

3）考察改变舰船运行外界环境的影响。

4）改变舰船使用燃油参数，考察其对主要控制参数及运行性能的影响。

5）对某些现象或事故的原因相关单位给出了解决方案或理论分析，需要在仿真装置上进行检验，论证。

6）变换运行档位目标，正车倒车运行试验。

本系统经过扩展，如增加人机界面，全景漫游等功能，可用于运行人员的对舰船动力的正常工况、事故工况的操作运行培训及考试，从而提高运行人员的运行操作能力与事故应变能力。