FMI在仿真軟件SkyEye中的應(yīng)用

    仿真技術(shù)的困境

    隨著科技的發(fā)展，我國(guó)在安全攸關(guān)領(lǐng)域?qū)τ谇度胧杰浖�的�?yīng)用日益廣泛，并且對(duì)于軟硬件的性能及可靠性等方面要求變得更高。面對(duì)各種復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)所提供的設(shè)計(jì)和分析手段也逐漸完善，其中仿真技術(shù)在近幾年越來(lái)越受到重視，其在西方發(fā)達(dá)國(guó)家的多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，都得到了廣泛的應(yīng)用。

    仿真技術(shù)的成熟應(yīng)用為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了貫穿V流程的全生命周期的分析手段，它可以作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充手段，能夠在仿真可信度較高的情況下有效降低實(shí)物實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，大大節(jié)省成本并提高實(shí)驗(yàn)效率。但是仿真技術(shù)發(fā)展至今，在取得工程應(yīng)用認(rèn)可的同時(shí)，也出現(xiàn)了一些不足和亟待改善的地方，例如下圖所示。

▲圖1. 仿真工具碎片化

    亟待解決的問(wèn)題：

    1）目前全國(guó)各單位部門(mén)都有自己的仿真工具，這些仿真工具可能是自己開(kāi)發(fā)的可能是采購(gòu)的，樣式五花八門(mén)，協(xié)議各有不同，如果不是事先設(shè)計(jì)好，很難相互聯(lián)合仿真，造成了工具碎片化的問(wèn)題，這就很可能要投入很多的精力去解決這些模型的重用和維護(hù)等問(wèn)題，引起嚴(yán)重的成本浪費(fèi)。

    2）在聯(lián)合仿真的過(guò)程中，供應(yīng)商也要解決代碼的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)問(wèn)題，如何讓別人在不接觸模型代碼的情況下完成聯(lián)合仿真也成為了亟待解決的問(wèn)題。

    什么是FMI

    為解決上述問(wèn)題，歐洲仿真屆提出了FMI標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)的全稱是Functional Mock-up Interface，它是一個(gè)不依賴于工具的標(biāo)準(zhǔn)，其通過(guò)XML文件和已編譯的C代碼的組合來(lái)同時(shí)支持動(dòng)態(tài)模型的模型交換（Model Exchange）和聯(lián)合仿真（Co-Simulation）。

    系統(tǒng)集成商和供應(yīng)商都遵循FMI標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商各自的仿真模型通過(guò)FMI標(biāo)準(zhǔn)生成FMU模型交給集成商，集成商可以使用FMU聯(lián)合仿真軟件快速構(gòu)建系統(tǒng)模型，不用再提前開(kāi)發(fā)定制接口。同時(shí)，F(xiàn)MI標(biāo)準(zhǔn)也提供了FMU模型導(dǎo)出加密的方法，供應(yīng)商也不用擔(dān)心產(chǎn)品泄密等安全問(wèn)題。

▲圖2.基于FMI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成環(huán)境

    FMI標(biāo)準(zhǔn)包含兩種模型重用的方式：Model Exchange（模型交換）和Co-Simulation（聯(lián)合仿真）。模型交換不包含求解器，只包含輸入/輸出接口以及模型的相關(guān)信息。聯(lián)合仿真則包含求解器，這是兩者之間的主要區(qū)別。

▲圖3.模型交換方式

    其中聯(lián)合仿真又包含三種模式，分別是代碼導(dǎo)出方式、工具耦合方式、分布式方式。

    (1) 代碼導(dǎo)出方式：

    導(dǎo)出的FMU文件脫離原導(dǎo)出工具，使用時(shí)無(wú)需原導(dǎo)出工具的License限制，主控軟件可以同時(shí)控制多個(gè)FMU模型求解。

▲圖4.代碼導(dǎo)出方式

    (2) 工具耦合方式：

    導(dǎo)出的FMU文件綁定原導(dǎo)出工具的License，F(xiàn)MU文件只作為聯(lián)合仿真的接口封裝和數(shù)據(jù)對(duì)接，模型的實(shí)際求解還在原導(dǎo)出工具中，中控軟件與從屬軟件只負(fù)責(zé)各自的求解。

▲圖5.工具耦合方式

    (3) 分布式方式：

    除包含工具耦合方式的所有特點(diǎn)外，還可以在多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

▲圖6.分布式方式

    FMI在SkyEye中的應(yīng)用

    迪捷軟件的軟件測(cè)試和仿真工具SkyEye，中文全稱天目全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件，是基于可視化建模的硬件行為級(jí)仿真平臺(tái)，支持用戶通過(guò)拖拽的方式對(duì)硬件進(jìn)行行為級(jí)別的仿真和建模。

    目前SkyEye采用分布式方式創(chuàng)建的FMU模型，將FMI封裝的模型庫(kù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的方式與遠(yuǎn)端的SkyEye進(jìn)行通訊。SkyEye仿真嵌入式硬件環(huán)境運(yùn)行嵌入式軟件進(jìn)行求解等操作。

    創(chuàng)建FMU模型主要需要實(shí)現(xiàn)包含了描述模型接口信息和數(shù)據(jù)的XML文件、實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)行為功能的C代碼或二進(jìn)制文件和其他用戶希望包含在FMU中的文件和數(shù)據(jù)。

    XML文件描述了FMU 模型的版本、ID、輸入、輸出等信息，需要實(shí)現(xiàn)如下圖中節(jié)點(diǎn)信息。

▲圖7.XML文件描述

    C代碼或二進(jìn)制文件實(shí)現(xiàn)了模型的控制行為等接口，需要按照要求實(shí)現(xiàn)如下圖中所有函數(shù)。

▲圖8.FMI函數(shù)信息

    在上述函數(shù)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)SkyEye的操作如時(shí)間控制、值的獲取、設(shè)置值、重啟等操作。

    總結(jié)

    FMI為集成商和供應(yīng)商提供了一套統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，解決了工具碎片化導(dǎo)致的各種問(wèn)題。迪捷軟件的SkyEye對(duì)于FMI標(biāo)準(zhǔn)的支持也極大的方便了客戶的集成仿真。SkyEye能根據(jù)實(shí)際的工程需求實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足客戶的更多集成需求。