本發(fā)明涉及一種面向多學科異構(gòu)模型的仿真試驗系統(tǒng)，屬于航天產(chǎn)品系統(tǒng)仿真技術領域。

背景技術：

運載火箭飛行過程通常要經(jīng)歷一些較為復雜的物理過程，如尾罩分離、助推分離、級間分離、星箭分離等分離過程以及液體火箭的縱向耦合振動等等。這些過程常常伴隨持續(xù)時間較短、多學科耦合較強等特點，是當前型號研制的重點關注環(huán)節(jié)，是影響運載火箭可靠性的重要因素，因此需要利用多專業(yè)綜合分析的手段開展相關過程的仿真復現(xiàn)與機理研究工作，充分提升型號研制的可靠性。

國內(nèi)在航天產(chǎn)品研制中開展了大量仿真工作，形成了許多研究成果，并且構(gòu)建了一些仿真應用系統(tǒng)。這些仿真成果或系統(tǒng)未充分考慮流體、結(jié)構(gòu)、動力學、控制等不同領域模型的異構(gòu)特點，導致在模型集成能力、流程配置能力、聯(lián)合仿真能力等方面明顯存在不足，無法直接應用于相關領域的耦合仿真應用。目前，通過利用fluent、abaqus、adams、matlab、ls‐dyna等商業(yè)軟件二次開發(fā)和自研等途徑，已經(jīng)研制了一些異構(gòu)模型(由不同商業(yè)軟件不同建模語言構(gòu)建)，如流體、控制、動力學和載荷等學科專業(yè)軟件模型，用于運載火箭地面或飛行試驗的機理分析。但是，這些異構(gòu)模型均是針對特定專業(yè)從某一角度開展的仿真分析工作，建模工具與方式均存在較大差異，格式不統(tǒng)一，運行配置接口多樣，不利于多專業(yè)多因素綜合分析。同時在仿真試驗的運行過程，涉及到高性能集群計算機、圖形工作站等各類硬件資源的訪問與調(diào)度。目前，針對不同的仿真試驗，通常會選用特定的硬件應用環(huán)境，開發(fā)不同的接口與工具，這樣會導致人力、經(jīng)費等資源的浪費。

另外，每個模型均是針對特定問題研制的，模型運行流程也隨之固化。當面臨新的仿真需求時，固化的運行流程會致使仿真試驗模型利用率低，這樣會帶來重復建設，存在復用性差等問題，不利于各類異構(gòu)模型的仿真試驗集成與配置，不能實現(xiàn)多專業(yè)交互耦合仿真。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種面向多學科異構(gòu)模型的仿真試驗系統(tǒng)，統(tǒng)一了各個異構(gòu)模型的接口，能夠根據(jù)仿真目的設置仿真流程，并能統(tǒng)一管理和配置仿真試驗資源，實現(xiàn)了多專業(yè)交互耦合仿真，并提升了仿真試驗運行效率。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種面向多學科異構(gòu)模型的仿真試驗系統(tǒng)，包括異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)、異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)、仿真試驗流程設計子系統(tǒng)、仿真試驗資源配置子系統(tǒng)以及仿真試驗控制子系統(tǒng)；

異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)：接收各個領域的模型，根據(jù)多專業(yè)耦合仿真目的，定義各個模型的運行流程、各個模型仿真計算前后與仿真試驗控制子系統(tǒng)的接口以及交互參數(shù)；所述接口包括控制接口和參數(shù)接口；

異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)：配置每個模型的基本信息以及運行所需的資源信息；根據(jù)異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)生成每個模型的模型參數(shù)文件；將每個模型的基本信息和模型參數(shù)文件輸出給仿真試驗流程設計子系統(tǒng)；將每個模型運行所需的資源信息輸出給仿真試驗資源配置子系統(tǒng)；

仿真試驗流程設計子系統(tǒng)：根據(jù)多專業(yè)聯(lián)合仿真目的，配置仿真試驗流程，將配置好的仿真試驗流程輸出給仿真試驗資源配置子系統(tǒng)和仿真試驗控制子系統(tǒng)；根據(jù)每個模型的基本信息和模型參數(shù)文件，設置仿真試驗流程中各個交互模型的參數(shù)匹配關系，并輸出給仿真試驗控制子系統(tǒng)；

仿真試驗資源配置子系統(tǒng)：根據(jù)各個模型運行所需要的資源信息以及仿真試驗系統(tǒng)當前可用的資源信息，在仿真試驗流程中為每個模型配置計算節(jié)點和運行目錄；所述資源信息指計算節(jié)點信息；

仿真試驗控制子系統(tǒng)：根據(jù)異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)，為每種仿真試驗流程定義不同試驗工況，在每種工況下，利用異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的接口，按照仿真試驗流程、每個模型的模型參數(shù)文件以及各個交互模型的參數(shù)匹配關系，向相應的模型發(fā)送控制指令、輸入?yún)?shù)，并接收響應信號和輸出參數(shù)，根據(jù)各個模型的輸出參數(shù)獲取每次聯(lián)合仿真試驗獲得的樣本數(shù)據(jù)。

還包括異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)，所述異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)用于配置各個模型的運行方式為單步運行，并定義各個模型每一計算步驟下與仿真試驗控制子系統(tǒng)的接口和交互參數(shù)；

異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)根據(jù)異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)生成每個模型的過程參數(shù)文件；

當多專業(yè)聯(lián)合仿真為耦合仿真時，仿真試驗控制子系統(tǒng)按照仿真試驗流程、每個模型的過程參數(shù)文件，通過與每個模型每一計算步驟下的接口控制每個模型單步運行，實現(xiàn)各個異構(gòu)模型運行過程的協(xié)同控制，并根據(jù)每個模型的模型參數(shù)文件以及各個交互模型的參數(shù)匹配關系，完成聯(lián)合仿真，獲取樣本數(shù)據(jù)。

所述模型參數(shù)文件和過程參數(shù)文件均包括參數(shù)變量名、數(shù)據(jù)類型、屬性、缺省值、參數(shù)單位、參數(shù)含義、參數(shù)類型、維度類型，所述屬性是指輸入或輸出，參數(shù)類型是指仿真計算前、仿真計算過程中、仿真計算后。

所述仿真試驗資源配置子系統(tǒng)為每個模型配置計算節(jié)點的方法為：

(4.1)獲取仿真試驗系統(tǒng)當前可用的計算節(jié)點信息，將當前可用的計算節(jié)點及節(jié)點組合按照核數(shù)總數(shù)從小到大排序，得到計算節(jié)點序列；

(4.2)根據(jù)當前待運行模型所需要的計算核數(shù)x，從計算節(jié)點序列中提取核數(shù)總數(shù)不小于x的部分序列作為備選序列；

(4.3)從備選序列中提取核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點及節(jié)點組合，如果存在核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點，則直接將該模型分配給核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點；否則，選擇計算節(jié)點數(shù)最少的節(jié)點組合，將該模型分配給所述計算節(jié)點數(shù)最少的節(jié)點組合。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)和異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)建立各個異構(gòu)模型與仿真試驗控制子系統(tǒng)的接口，實現(xiàn)了各個異構(gòu)模型接口的統(tǒng)一，能夠根據(jù)仿真目的設置仿真流程，實現(xiàn)了多專業(yè)交互耦合仿真。同時根據(jù)仿真目的設置仿真流程，能夠?qū)崿F(xiàn)各個異構(gòu)模型的仿真試驗集成與配置，避免重復建設，提高模型復用性。

(2)本發(fā)明通過異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)配置每個模型為單步運行，保證了耦合仿真時模型間嚴格同步，實現(xiàn)各類異構(gòu)模型的協(xié)同運行。

(3)仿真試驗控制子系統(tǒng)根據(jù)模型參數(shù)文件和過程參數(shù)文件中參數(shù)含義、屬性和參數(shù)類型等信息，實現(xiàn)交互模型間不同變量名的參數(shù)匹配，為實現(xiàn)聯(lián)合仿真提供基本條件。

(4)本發(fā)明仿真試驗資源配置子系統(tǒng)根據(jù)各個模型運行所需要的資源信息、仿真試驗系統(tǒng)當前可用的資源信息，根據(jù)仿真試驗流程為每個模型配置計算節(jié)點，實現(xiàn)了計算資源的統(tǒng)一管理和靈活配置，提升仿真試驗運行效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明組成框圖；

圖2為本發(fā)明異構(gòu)模型單步運行流程圖；

圖3為考慮了事件驅(qū)動的仿真試驗運行流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種面向多學科異構(gòu)模型的仿真試驗系統(tǒng)，如圖1所示，包括異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)、異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)、異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)、仿真試驗流程設計子系統(tǒng)、仿真試驗資源配置子系統(tǒng)以及仿真試驗控制子系統(tǒng)。多學科模型包括流體計算模型、結(jié)構(gòu)計算模型、控制計算模型、載荷計算模型等等。

(一)、異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)

接收各個學科的模型，根據(jù)多專業(yè)耦合仿真目的，定義各個模型的運行流程、各個模型仿真計算前后與仿真試驗控制子系統(tǒng)的接口(包括控制接口和參數(shù)接口)以及交互參數(shù)。

(二)、異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)

異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)用于配置各個模型的運行方式為單步運行，并定義各個模型每一計算步驟下與仿真試驗控制子系統(tǒng)的接口和交互參數(shù)。異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)根據(jù)異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)生成每個模型的過程參數(shù)文件。

當多專業(yè)聯(lián)合仿真為耦合仿真時，仿真試驗控制子系統(tǒng)按照仿真試驗流程、每個模型的過程參數(shù)文件，通過與每個模型每一計算步驟下的接口控制每個模型單步運行，實現(xiàn)各個異構(gòu)模型運行過程的協(xié)同控制，并根據(jù)每個模型的模型參數(shù)文件以及各個交互模型的參數(shù)匹配關系，完成聯(lián)合仿真，獲取樣本數(shù)據(jù)。

異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)主要分為模型初始化、接受模型輸入?yún)?shù)、模型單步計算、發(fā)送模型輸出參數(shù)、模型暫停等步驟。

其中，模型初始化的具體操作過程如下：接受初始化參數(shù)，進行模型的初始化計算與配置，生成初始的計算模型，發(fā)送模型初始化完成命令。

模型單步計算的具體操作過程如下：接受仿真試驗控制子系統(tǒng)中的模型運行命令，接受模型輸入?yún)?shù)，模型啟動進行下一步計算求解與配置，發(fā)送模型輸出參數(shù)，之后發(fā)送模型單步計算結(jié)束命令。

(三)、異構(gòu)模型封裝子系統(tǒng)

配置每個模型的基本信息以及運行所需的資源信息；根據(jù)異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)生成每個模型的模型參數(shù)文件，根據(jù)異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)生成每個模型的過程參數(shù)文件；將每個模型的基本信息和模型參數(shù)文件、過程參數(shù)文件輸出給仿真試驗流程設計子系統(tǒng)；將每個模型運行所需的資源信息輸出給仿真試驗資源配置子系統(tǒng)。

模型參數(shù)文件和過程參數(shù)文件均包括參數(shù)變量名、數(shù)據(jù)類型、屬性、缺省值、參數(shù)單位、參數(shù)含義、參數(shù)類型、維度類型，所述屬性是指輸入或輸出，參數(shù)類型是指仿真計算前、仿真計算過程中、仿真計算后。

如：參數(shù)變量名：flow_time；數(shù)據(jù)類型：double；屬性：output；缺省值：0；參數(shù)單位：m/s；參數(shù)含義：速度；參數(shù)類型：仿真計算前；維度類型：三維。

(四)、仿真試驗流程設計子系統(tǒng)

根據(jù)多專業(yè)聯(lián)合仿真目的，為仿真試驗控制子系統(tǒng)配置仿真試驗流程，將配置好的仿真試驗流程輸出給仿真試驗資源配置子系統(tǒng)和仿真試驗控制子系統(tǒng)；根據(jù)每個模型的基本信息和模型參數(shù)文件，設置仿真試驗流程中各個交互模型的參數(shù)匹配關系，并輸出給仿真試驗控制子系統(tǒng)。

仿真試驗流程設計子系統(tǒng)配置仿真試驗流程具體包括進行仿真流程編輯和異構(gòu)模型關聯(lián)、仿真運行設置，其中：

仿真流程編輯和異構(gòu)模型關聯(lián)的具體操作過程如下：按照設定的仿真內(nèi)容明確各異構(gòu)模型，并確定每個異構(gòu)模型的運行次序與參數(shù)傳遞關系，并根據(jù)異構(gòu)模型的運行次序關系進行關聯(lián)。

仿真運行設置的具體操作過程如下：依據(jù)仿真試驗運行的時序關系，細化設置每個異構(gòu)模型，明確起止時間、仿真步長、數(shù)據(jù)同步點等。按照多專業(yè)聯(lián)合仿真目的，仿真試驗流程包括串行流程、并行流程和同步運行配置。

(五)、仿真試驗資源配置子系統(tǒng)

仿真試驗資源配置子系統(tǒng)根據(jù)各個模型運行所需要的資源信息以及仿真試驗系統(tǒng)當前可用的資源信息，在仿真試驗流程中為每個模型配置計算節(jié)點和運行目錄。

仿真試驗資源配置子系統(tǒng)為每個模型配置計算節(jié)點的方法為：

(4.1)獲取仿真試驗系統(tǒng)當前可用的計算節(jié)點信息，將當前可用的計算節(jié)點及節(jié)點組合按照核數(shù)總數(shù)從小到大排序，得到計算節(jié)點序列；

(4.2)根據(jù)當前待運行模型所需要的計算核數(shù)x，從計算節(jié)點序列中提取核數(shù)總數(shù)不小于x的部分序列作為備選序列；

(4.3)從備選序列中提取核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點及節(jié)點組合，如果存在核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點，則直接將該模型分配給核數(shù)總數(shù)最小的計算節(jié)點；否則，選擇計算節(jié)點數(shù)最少的節(jié)點組合，將該模型分配給所述計算節(jié)點數(shù)最少的節(jié)點組合。

對上述方法舉例說明如下：

本次耦合仿真試驗共有兩個模型，分別為模型a與模型b；模型a和模型b所需要的資源信息均為32核。

當仿真試驗控制子系統(tǒng)啟動模型a時，仿真試驗資源配置子系統(tǒng)檢查確認系統(tǒng)當前可用的計算節(jié)點資源，假設仿真試驗系統(tǒng)當前共有三類計算節(jié)點資源可用，分別為一個64核的節(jié)點、一個32核節(jié)點和兩個16核的節(jié)點，則計算節(jié)點序列為：一個64核的節(jié)點、一個32核節(jié)點、兩個16核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點以及兩個16核節(jié)點。按照上述方法提取的備選序列為：一個64核的節(jié)點、一個32核節(jié)點、兩個16核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點。將模型a分配給一個32核節(jié)點。

當仿真試驗控制子系統(tǒng)啟動模型b時，如果模型a已運行結(jié)束，仿真試驗資源配置子系統(tǒng)重新檢查確認系統(tǒng)當前可用的計算節(jié)點資源，假設仿真試驗系統(tǒng)當前共有三類計算節(jié)點資源可用，分別為一個64核的節(jié)點、兩個16核節(jié)點和四個8核的節(jié)點，則計算節(jié)點序列為：一個64核的節(jié)點、兩個16核的節(jié)點夠構(gòu)成的32核節(jié)點、一個16核的節(jié)點和兩個8核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點、四個8核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點、兩個16核節(jié)點、四個8核節(jié)點。按照上述方法提取的備選序列為：一個64核的節(jié)點、兩個16核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點、四個8核的節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點。將模型b分配給兩個16核節(jié)點構(gòu)成的32核節(jié)點組合上。

(六)、仿真試驗控制子系統(tǒng)

仿真試驗控制子系統(tǒng)根據(jù)仿真試驗目的，將每個異構(gòu)模型的模型參數(shù)文件統(tǒng)一起來，生成仿真試驗參數(shù)，進行仿真試驗變量設置，具體操作過程如下：根據(jù)仿真試驗目的，從仿真試驗參數(shù)中，選定試驗工況參數(shù)變量，設置參數(shù)變量的取值空間，選取生成變量值數(shù)列的方法，生成仿真試驗參數(shù)的輸入樣本，完成仿真試驗變量配置。

根據(jù)異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的交互參數(shù)，為每種仿真試驗流程定義不同的試驗工況，多工況設置的具體操作過程如下：按照仿真試驗工況條件，利用所配置的仿真試驗變量，選擇全因子法、正交法或均勻設計等方法其中之一的方法，生成仿真試驗的各種工況組合，完成試驗的多工況設置。

在每種工況下，利用異構(gòu)模型建模子系統(tǒng)定義的接口和異構(gòu)模型交互子系統(tǒng)定義的接口，按照仿真試驗流程、每個模型的過程參數(shù)文件、每個模型的模型參數(shù)文件以及各個交互模型的參數(shù)匹配關系，向相應的模型發(fā)送控制指令、輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)各個異構(gòu)模型運行過程的協(xié)同控制，并接收響應信號和輸出參數(shù)，根據(jù)各個模型的輸出參數(shù)獲取每次聯(lián)合仿真試驗獲得的樣本數(shù)據(jù)。

如圖2所示，為本發(fā)明異構(gòu)模型單步運行流程圖，以模型m為例，首先要進行仿真初始化，完成接口和交互參數(shù)設置，然后該模型在仿真試驗控制子系統(tǒng)控制下進行單步迭代計算，如果計算步結(jié)束，則進行仿真后處理，否則判斷是否調(diào)用其他模型，如果是，則將該模型輸出參數(shù)發(fā)送給要調(diào)用模型n，進行調(diào)用模型n計算，將調(diào)用模型n的輸出參數(shù)輸出給模型m，繼續(xù)重復上述步驟。直到模型m運行結(jié)束。

實際上，仿真試驗控制子系統(tǒng)也能實現(xiàn)基于事件驅(qū)動的仿真，在預先定義的觸發(fā)事件到來時，即中斷當前運行，啟動相應模型。圖3為以計算模型為出發(fā)點，考慮了事件驅(qū)動的仿真試驗運行流程圖。首先是計算模型a進行計算，獲得計算結(jié)果，然后執(zhí)行下面步驟：

如果本時間步?jīng)]有下游計算模型，則判斷當前事件仿真是否結(jié)束，如果沒有，則進入下一個時間步的仿真計算，如果結(jié)束，則判斷是否有下一個仿真事件，沒有，則仿真結(jié)束，如果有下一個仿真事件，則激發(fā)下一個仿真事件，執(zhí)行新的仿真時間步；

如果本時間步有下游計算模型，則下游計算模型開始計算，獲得計算結(jié)果。不斷重復執(zhí)行上面步驟，直到完成整個聯(lián)合仿真。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員的公知技術。