基於Matlab數值計算引擎的三維可視化視景仿真技術

FMI功能模型接口

視景仿真是實時仿真動畫的一種表現形式，是一種基於可計算信息的沉浸式交互環境。它以相似原理、信息技術、計算機技術、圖形技術、信息合成技術、顯示技術及其應用領域相關專業技術為基礎，以計算機和多種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行實驗研究的綜合技術。具體來說，就是採用以計算機技術為核心的現代高科技，根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型，生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定範圍內的虛擬環境，用戶藉助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象直接進行交互式作用並相互影響，從而產生「沉浸」於等同真實環境的感受和體驗。

視景仿真技術應用於裝備研究的意義

視景仿真可以在公司裝備開發的早期（或預先研究）階段對其功能進行先期的演示驗證及規劃、推演和重演操作任務，在虛擬的環境中進行大規模協同訓練並進行裝備全系統或單系統效能評估。一方面人可以與虛擬實體、計算機生成的構造實體和實際存在的現實實體進行交互，另一方面各實體之間也具有交互能力。

仿真結果的可視化不僅能夠加快與加深技術人員對仿真變化過程的認識，而且可以發現通常數值信息很難發現的現象，獲得意外的啟發和靈感，從而縮短仿真的實驗周期，提高仿真效率，取得更好的仿真效果。視景仿真的實時性使研究人員在仿真運行過程中實時地監控系統，具備仿真交互能力。視景仿真技術應用在公司裝備研究具有以下幾方面的意義：

1、直觀性和高效性。視景仿真為數值仿真提供了一個直觀清晰的表現與再現方式，縮短技術人員對結果進行分析和響應的周期，通過良好的人機界面以更直觀的形式反映計算結果的綜合影響，為人們的正確決策和判斷提供有利的時機。同時計算機仿真具有很高的效率，根據相應的要求可以建立詳細的仿真模型，在不同條件下進行多次仿真，並能在短時間內得到仿真的結果。

2、經濟性和實用性。仿真技術的初衷就是利用計算機模型來代替實物模型，在科學研究中具有無可爭議的經濟性，同時採用計算機仿真技術，對資源要求很低，模型開發時間較短，可以用相當準確的數學模型代替真實的物理模型，可以在仿真環境中重複運行，模型的錯誤可以通過視景仿真直觀地顯示出來，及時加以糾正，而不必去花費時間從大量的枯燥數據中分析其背後隱藏的真實信息。也為我公司對外業務及各種航展提供市場宣傳素材，為部隊提供虛擬的訓練模擬器。

3、安全性。複雜裝備的運行本身帶有一定的危險性，而某些裝備的實驗還不可重複，需要用仿真的手段來提前展示其未來運行中可能發生的事件。例如，採用視景仿真可以對飛彈裝卸、發射等危險過程進行數學建模，對戰機等裝備進行運動學和動力學建模，通過碰撞檢測、動力學和運動學分析，在視景仿真中可以提前模擬出武器裝備在飛機上工作的基本過程，並計算出期間可能發生的意外事件及其概率，同時還可以進行真實環境中比較危險的工作仿真，如飛彈發射意外故障情況的處置等。

基於Matlab數值計算引擎的三維可視化視景仿真技術的基本思想

從基於模型的系統工程觀點看，複雜機電液武器裝備的系統構造是比較複雜的，在其研製過程中使用了大量的各類仿真技術和仿真模型，由於其模塊比較多，而這些模塊又是由若干下層的子模塊構成，各模塊之間既相對獨立，又相互聯繫，因此對其進行視景仿真面臨以下兩個難點：數學模型複雜；各分系統之間存在大量異構數據的交換和處理。針對上述問題的技術解決思路如下：

1、通過FMI功能模型接口解決異構模型數據的交互問題。FMI功能模型接口（通用模型接口標準），用於將不同設備供應商提供的行為模型設備與標準控制器的軟體/硬體/模型進行半實物實時仿真測試。FMI作為一種先進的仿真體系結構，在標準性、開放性、可擴充性和支持分布式仿真方面都有諸多優點。這種體系結構具有多種時間管理機制，在一定程度上可以解決時間步長不協調的問題。它既支持連續系統仿真，也支持離散系統仿真，既能用於硬體在迴路、人在迴路實時性要求較高的仿真，也能支持用於以數學模型為主的非實時仿真。如果能夠將FMI作為仿真「總線」，將各領域的仿真軟體（如多體動力學、液壓、電子）的模型進行FMU輸出併集成在用於控制仿真的Matlab/simulink之中，就可以更好地實現多領域的建模與仿真。

2、通過Matlab的強大運算引擎解決視景仿真的算法開發。Matlab計算引擎是Matlab提供的API函數庫和程序庫，這些函數庫可以在其他非Matlab程序中調用。技術人員可以在自己編寫的C語言或其他語言的應用程式中調用Matlab，完成比較複雜的數學計算，在啟動Matlab引擎時，相當於啟動了另外一個matlab進程，將其在後臺運行。Matlab引擎的這種模式，相當於C/S模式，Matlab引擎實現了其他程序與Matlab進程的交互，完成二者之間的數據交換和命令傳送任務。

因此，如果有可能的話，將各領域的仿真軟體（如多體動力學、液壓、電子）的模型進行FMU輸出併集成在用於控制仿真的Matalab/simulink系統框架之下，將系統模型進行編譯，並以動態連結庫DLL文件輸出，通過Matlabde 應用程式接口以及外部程序調用接口實現Matlab運算引擎的引用。在Windows作業系統中，Matlab支持windows系統提供的標準COM接口，同時支持C++、.net以及Java接口，因此，通過Matlab計算引擎驅動視景仿真的運動在技術上是可行的。

視景仿真技術與系統數值仿真相結合，在某種意義上說它將改變科研人員的思維和研究方式，甚至改變我們處理問題的方法，它是一項發展中的、具有深遠潛在應用方向的新技術。（航空工業慶安 戴翔）

FMI功能模型接口

視景仿真是實時仿真動畫的一種表現形式，是一種基於可計算信息的沉浸式交互環境。它以相似原理、信息技術、計算機技術、圖形技術、信息合成技術、顯示技術及其應用領域相關專業技術為基礎，以計算機和多種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行實驗研究的綜合技術。具體來說，就是採用以計算機技術為核心的現代高科技，根據仿真的目的，構造仿真對象的三維模型，生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定範圍內的虛擬環境，用戶藉助必要的設備以自然的方式與虛擬環境中的對象直接進行交互式作用並相互影響，從而產生「沉浸」於等同真實環境的感受和體驗。

視景仿真技術應用於裝備研究的意義

視景仿真可以在公司裝備開發的早期（或預先研究）階段對其功能進行先期的演示驗證及規劃、推演和重演操作任務，在虛擬的環境中進行大規模協同訓練並進行裝備全系統或單系統效能評估。一方面人可以與虛擬實體、計算機生成的構造實體和實際存在的現實實體進行交互，另一方面各實體之間也具有交互能力。

仿真結果的可視化不僅能夠加快與加深技術人員對仿真變化過程的認識，而且可以發現通常數值信息很難發現的現象，獲得意外的啟發和靈感，從而縮短仿真的實驗周期，提高仿真效率，取得更好的仿真效果。視景仿真的實時性使研究人員在仿真運行過程中實時地監控系統，具備仿真交互能力。視景仿真技術應用在公司裝備研究具有以下幾方面的意義：

1、直觀性和高效性。視景仿真為數值仿真提供了一個直觀清晰的表現與再現方式，縮短技術人員對結果進行分析和響應的周期，通過良好的人機界面以更直觀的形式反映計算結果的綜合影響，為人們的正確決策和判斷提供有利的時機。同時計算機仿真具有很高的效率，根據相應的要求可以建立詳細的仿真模型，在不同條件下進行多次仿真，並能在短時間內得到仿真的結果。

2、經濟性和實用性。仿真技術的初衷就是利用計算機模型來代替實物模型，在科學研究中具有無可爭議的經濟性，同時採用計算機仿真技術，對資源要求很低，模型開發時間較短，可以用相當準確的數學模型代替真實的物理模型，可以在仿真環境中重複運行，模型的錯誤可以通過視景仿真直觀地顯示出來，及時加以糾正，而不必去花費時間從大量的枯燥數據中分析其背後隱藏的真實信息。也為我公司對外業務及各種航展提供市場宣傳素材，為部隊提供虛擬的訓練模擬器。

3、安全性。複雜裝備的運行本身帶有一定的危險性，而某些裝備的實驗還不可重複，需要用仿真的手段來提前展示其未來運行中可能發生的事件。例如，採用視景仿真可以對飛彈裝卸、發射等危險過程進行數學建模，對戰機等裝備進行運動學和動力學建模，通過碰撞檢測、動力學和運動學分析，在視景仿真中可以提前模擬出武器裝備在飛機上工作的基本過程，並計算出期間可能發生的意外事件及其概率，同時還可以進行真實環境中比較危險的工作仿真，如飛彈發射意外故障情況的處置等。

基於Matlab數值計算引擎的三維可視化視景仿真技術的基本思想

從基於模型的系統工程觀點看，複雜機電液武器裝備的系統構造是比較複雜的，在其研製過程中使用了大量的各類仿真技術和仿真模型，由於其模塊比較多，而這些模塊又是由若干下層的子模塊構成，各模塊之間既相對獨立，又相互聯繫，因此對其進行視景仿真面臨以下兩個難點：數學模型複雜；各分系統之間存在大量異構數據的交換和處理。針對上述問題的技術解決思路如下：

1、通過FMI功能模型接口解決異構模型數據的交互問題。FMI功能模型接口（通用模型接口標準），用於將不同設備供應商提供的行為模型設備與標準控制器的軟體/硬體/模型進行半實物實時仿真測試。FMI作為一種先進的仿真體系結構，在標準性、開放性、可擴充性和支持分布式仿真方面都有諸多優點。這種體系結構具有多種時間管理機制，在一定程度上可以解決時間步長不協調的問題。它既支持連續系統仿真，也支持離散系統仿真，既能用於硬體在迴路、人在迴路實時性要求較高的仿真，也能支持用於以數學模型為主的非實時仿真。如果能夠將FMI作為仿真「總線」，將各領域的仿真軟體（如多體動力學、液壓、電子）的模型進行FMU輸出併集成在用於控制仿真的Matlab/simulink之中，就可以更好地實現多領域的建模與仿真。

2、通過Matlab的強大運算引擎解決視景仿真的算法開發。Matlab計算引擎是Matlab提供的API函數庫和程序庫，這些函數庫可以在其他非Matlab程序中調用。技術人員可以在自己編寫的C語言或其他語言的應用程式中調用Matlab，完成比較複雜的數學計算，在啟動Matlab引擎時，相當於啟動了另外一個matlab進程，將其在後臺運行。Matlab引擎的這種模式，相當於C/S模式，Matlab引擎實現了其他程序與Matlab進程的交互，完成二者之間的數據交換和命令傳送任務。

因此，如果有可能的話，將各領域的仿真軟體（如多體動力學、液壓、電子）的模型進行FMU輸出併集成在用於控制仿真的Matalab/simulink系統框架之下，將系統模型進行編譯，並以動態連結庫DLL文件輸出，通過Matlabde 應用程式接口以及外部程序調用接口實現Matlab運算引擎的引用。在Windows作業系統中，Matlab支持windows系統提供的標準COM接口，同時支持C++、.net以及Java接口，因此，通過Matlab計算引擎驅動視景仿真的運動在技術上是可行的。

視景仿真技術與系統數值仿真相結合，在某種意義上說它將改變科研人員的思維和研究方式，甚至改變我們處理問題的方法，它是一項發展中的、具有深遠潛在應用方向的新技術。（航空工業慶安 戴翔）