一种面向多学科异构模型的仿真试验系统的制作方法

本发明涉及一种面向多学科异构模型的仿真试验系统，属于航天产品系统仿真技术领域。

背景技术：

运载火箭飞行过程通常要经历一些较为复杂的物理过程，如尾罩分离、助推分离、级间分离、星箭分离等分离过程以及液体火箭的纵向耦合振动等等。这些过程常常伴随持续时间较短、多学科耦合较强等特点，是当前型号研制的重点关注环节，是影响运载火箭可靠性的重要因素，因此需要利用多专业综合分析的手段开展相关过程的仿真复现与机理研究工作，充分提升型号研制的可靠性。

国内在航天产品研制中开展了大量仿真工作，形成了许多研究成果，并且构建了一些仿真应用系统。这些仿真成果或系统未充分考虑流体、结构、动力学、控制等不同领域模型的异构特点，导致在模型集成能力、流程配置能力、联合仿真能力等方面明显存在不足，无法直接应用于相关领域的耦合仿真应用。目前，通过利用fluent、abaqus、adams、matlab、ls‐dyna等商业软件二次开发和自研等途径，已经研制了一些异构模型(由不同商业软件不同建模语言构建)，如流体、控制、动力学和载荷等学科专业软件模型，用于运载火箭地面或飞行试验的机理分析。但是，这些异构模型均是针对特定专业从某一角度开展的仿真分析工作，建模工具与方式均存在较大差异，格式不统一，运行配置接口多样，不利于多专业多因素综合分析。同时在仿真试验的运行过程，涉及到高性能集群计算机、图形工作站等各类硬件资源的访问与调度。目前，针对不同的仿真试验，通常会选用特定的硬件应用环境，开发不同的接口与工具，这样会导致人力、经费等资源的浪费。

另外，每个模型均是针对特定问题研制的，模型运行流程也随之固化。当面临新的仿真需求时，固化的运行流程会致使仿真试验模型利用率低，这样会带来重复建设，存在复用性差等问题，不利于各类异构模型的仿真试验集成与配置，不能实现多专业交互耦合仿真。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种面向多学科异构模型的仿真试验系统，统一了各个异构模型的接口，能够根据仿真目的设置仿真流程，并能统一管理和配置仿真试验资源，实现了多专业交互耦合仿真，并提升了仿真试验运行效率。

本发明的技术解决方案是：一种面向多学科异构模型的仿真试验系统，包括异构模型建模子系统、异构模型封装子系统、仿真试验流程设计子系统、仿真试验资源配置子系统以及仿真试验控制子系统；

异构模型建模子系统：接收各个领域的模型，根据多专业耦合仿真目的，定义各个模型的运行流程、各个模型仿真计算前后与仿真试验控制子系统的接口以及交互参数；所述接口包括控制接口和参数接口；

异构模型封装子系统：配置每个模型的基本信息以及运行所需的资源信息；根据异构模型建模子系统定义的交互参数生成每个模型的模型参数文件；将每个模型的基本信息和模型参数文件输出给仿真试验流程设计子系统；将每个模型运行所需的资源信息输出给仿真试验资源配置子系统；

仿真试验流程设计子系统：根据多专业联合仿真目的，配置仿真试验流程，将配置好的仿真试验流程输出给仿真试验资源配置子系统和仿真试验控制子系统；根据每个模型的基本信息和模型参数文件，设置仿真试验流程中各个交互模型的参数匹配关系，并输出给仿真试验控制子系统；

仿真试验资源配置子系统：根据各个模型运行所需要的资源信息以及仿真试验系统当前可用的资源信息，在仿真试验流程中为每个模型配置计算节点和运行目录；所述资源信息指计算节点信息；

仿真试验控制子系统：根据异构模型建模子系统定义的交互参数，为每种仿真试验流程定义不同试验工况，在每种工况下，利用异构模型建模子系统定义的接口，按照仿真试验流程、每个模型的模型参数文件以及各个交互模型的参数匹配关系，向相应的模型发送控制指令、输入参数，并接收响应信号和输出参数，根据各个模型的输出参数获取每次联合仿真试验获得的样本数据。

还包括异构模型交互子系统，所述异构模型交互子系统用于配置各个模型的运行方式为单步运行，并定义各个模型每一计算步骤下与仿真试验控制子系统的接口和交互参数；

异构模型封装子系统根据异构模型交互子系统定义的交互参数生成每个模型的过程参数文件；

当多专业联合仿真为耦合仿真时，仿真试验控制子系统按照仿真试验流程、每个模型的过程参数文件，通过与每个模型每一计算步骤下的接口控制每个模型单步运行，实现各个异构模型运行过程的协同控制，并根据每个模型的模型参数文件以及各个交互模型的参数匹配关系，完成联合仿真，获取样本数据。

所述模型参数文件和过程参数文件均包括参数变量名、数据类型、属性、缺省值、参数单位、参数含义、参数类型、维度类型，所述属性是指输入或输出，参数类型是指仿真计算前、仿真计算过程中、仿真计算后。

所述仿真试验资源配置子系统为每个模型配置计算节点的方法为：

(4.1)获取仿真试验系统当前可用的计算节点信息，将当前可用的计算节点及节点组合按照核数总数从小到大排序，得到计算节点序列；

(4.2)根据当前待运行模型所需要的计算核数x，从计算节点序列中提取核数总数不小于x的部分序列作为备选序列；

(4.3)从备选序列中提取核数总数最小的计算节点及节点组合，如果存在核数总数最小的计算节点，则直接将该模型分配给核数总数最小的计算节点；否则，选择计算节点数最少的节点组合，将该模型分配给所述计算节点数最少的节点组合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过异构模型建模子系统和异构模型交互子系统建立各个异构模型与仿真试验控制子系统的接口，实现了各个异构模型接口的统一，能够根据仿真目的设置仿真流程，实现了多专业交互耦合仿真。同时根据仿真目的设置仿真流程，能够实现各个异构模型的仿真试验集成与配置，避免重复建设，提高模型复用性。

(2)本发明通过异构模型交互子系统配置每个模型为单步运行，保证了耦合仿真时模型间严格同步，实现各类异构模型的协同运行。

(3)仿真试验控制子系统根据模型参数文件和过程参数文件中参数含义、属性和参数类型等信息，实现交互模型间不同变量名的参数匹配，为实现联合仿真提供基本条件。

(4)本发明仿真试验资源配置子系统根据各个模型运行所需要的资源信息、仿真试验系统当前可用的资源信息，根据仿真试验流程为每个模型配置计算节点，实现了计算资源的统一管理和灵活配置，提升仿真试验运行效率。

附图说明

图1为本发明组成框图；

图2为本发明异构模型单步运行流程图；

图3为考虑了事件驱动的仿真试验运行流程图。

具体实施方式

本发明提供一种面向多学科异构模型的仿真试验系统，如图1所示，包括异构模型建模子系统、异构模型交互子系统、异构模型封装子系统、仿真试验流程设计子系统、仿真试验资源配置子系统以及仿真试验控制子系统。多学科模型包括流体计算模型、结构计算模型、控制计算模型、载荷计算模型等等。

(一)、异构模型建模子系统

接收各个学科的模型，根据多专业耦合仿真目的，定义各个模型的运行流程、各个模型仿真计算前后与仿真试验控制子系统的接口(包括控制接口和参数接口)以及交互参数。

(二)、异构模型交互子系统

异构模型交互子系统用于配置各个模型的运行方式为单步运行，并定义各个模型每一计算步骤下与仿真试验控制子系统的接口和交互参数。异构模型封装子系统根据异构模型交互子系统定义的交互参数生成每个模型的过程参数文件。

当多专业联合仿真为耦合仿真时，仿真试验控制子系统按照仿真试验流程、每个模型的过程参数文件，通过与每个模型每一计算步骤下的接口控制每个模型单步运行，实现各个异构模型运行过程的协同控制，并根据每个模型的模型参数文件以及各个交互模型的参数匹配关系，完成联合仿真，获取样本数据。

异构模型交互子系统主要分为模型初始化、接受模型输入参数、模型单步计算、发送模型输出参数、模型暂停等步骤。

其中，模型初始化的具体操作过程如下：接受初始化参数，进行模型的初始化计算与配置，生成初始的计算模型，发送模型初始化完成命令。

模型单步计算的具体操作过程如下：接受仿真试验控制子系统中的模型运行命令，接受模型输入参数，模型启动进行下一步计算求解与配置，发送模型输出参数，之后发送模型单步计算结束命令。

(三)、异构模型封装子系统

配置每个模型的基本信息以及运行所需的资源信息；根据异构模型建模子系统定义的交互参数生成每个模型的模型参数文件，根据异构模型交互子系统定义的交互参数生成每个模型的过程参数文件；将每个模型的基本信息和模型参数文件、过程参数文件输出给仿真试验流程设计子系统；将每个模型运行所需的资源信息输出给仿真试验资源配置子系统。

模型参数文件和过程参数文件均包括参数变量名、数据类型、属性、缺省值、参数单位、参数含义、参数类型、维度类型，所述属性是指输入或输出，参数类型是指仿真计算前、仿真计算过程中、仿真计算后。

如：参数变量名：flow_time；数据类型：double；属性：output；缺省值：0；参数单位：m/s；参数含义：速度；参数类型：仿真计算前；维度类型：三维。

(四)、仿真试验流程设计子系统

根据多专业联合仿真目的，为仿真试验控制子系统配置仿真试验流程，将配置好的仿真试验流程输出给仿真试验资源配置子系统和仿真试验控制子系统；根据每个模型的基本信息和模型参数文件，设置仿真试验流程中各个交互模型的参数匹配关系，并输出给仿真试验控制子系统。

仿真试验流程设计子系统配置仿真试验流程具体包括进行仿真流程编辑和异构模型关联、仿真运行设置，其中：

仿真流程编辑和异构模型关联的具体操作过程如下：按照设定的仿真内容明确各异构模型，并确定每个异构模型的运行次序与参数传递关系，并根据异构模型的运行次序关系进行关联。

仿真运行设置的具体操作过程如下：依据仿真试验运行的时序关系，细化设置每个异构模型，明确起止时间、仿真步长、数据同步点等。按照多专业联合仿真目的，仿真试验流程包括串行流程、并行流程和同步运行配置。

(五)、仿真试验资源配置子系统

仿真试验资源配置子系统根据各个模型运行所需要的资源信息以及仿真试验系统当前可用的资源信息，在仿真试验流程中为每个模型配置计算节点和运行目录。

仿真试验资源配置子系统为每个模型配置计算节点的方法为：

(4.1)获取仿真试验系统当前可用的计算节点信息，将当前可用的计算节点及节点组合按照核数总数从小到大排序，得到计算节点序列；

(4.2)根据当前待运行模型所需要的计算核数x，从计算节点序列中提取核数总数不小于x的部分序列作为备选序列；

(4.3)从备选序列中提取核数总数最小的计算节点及节点组合，如果存在核数总数最小的计算节点，则直接将该模型分配给核数总数最小的计算节点；否则，选择计算节点数最少的节点组合，将该模型分配给所述计算节点数最少的节点组合。

对上述方法举例说明如下：

本次耦合仿真试验共有两个模型，分别为模型a与模型b；模型a和模型b所需要的资源信息均为32核。

当仿真试验控制子系统启动模型a时，仿真试验资源配置子系统检查确认系统当前可用的计算节点资源，假设仿真试验系统当前共有三类计算节点资源可用，分别为一个64核的节点、一个32核节点和两个16核的节点，则计算节点序列为：一个64核的节点、一个32核节点、两个16核的节点构成的32核节点以及两个16核节点。按照上述方法提取的备选序列为：一个64核的节点、一个32核节点、两个16核的节点构成的32核节点。将模型a分配给一个32核节点。

当仿真试验控制子系统启动模型b时，如果模型a已运行结束，仿真试验资源配置子系统重新检查确认系统当前可用的计算节点资源，假设仿真试验系统当前共有三类计算节点资源可用，分别为一个64核的节点、两个16核节点和四个8核的节点，则计算节点序列为：一个64核的节点、两个16核的节点够构成的32核节点、一个16核的节点和两个8核的节点构成的32核节点、四个8核的节点构成的32核节点、两个16核节点、四个8核节点。按照上述方法提取的备选序列为：一个64核的节点、两个16核的节点构成的32核节点、四个8核的节点构成的32核节点。将模型b分配给两个16核节点构成的32核节点组合上。

(六)、仿真试验控制子系统

仿真试验控制子系统根据仿真试验目的，将每个异构模型的模型参数文件统一起来，生成仿真试验参数，进行仿真试验变量设置，具体操作过程如下：根据仿真试验目的，从仿真试验参数中，选定试验工况参数变量，设置参数变量的取值空间，选取生成变量值数列的方法，生成仿真试验参数的输入样本，完成仿真试验变量配置。

根据异构模型建模子系统定义的交互参数，为每种仿真试验流程定义不同的试验工况，多工况设置的具体操作过程如下：按照仿真试验工况条件，利用所配置的仿真试验变量，选择全因子法、正交法或均匀设计等方法其中之一的方法，生成仿真试验的各种工况组合，完成试验的多工况设置。

在每种工况下，利用异构模型建模子系统定义的接口和异构模型交互子系统定义的接口，按照仿真试验流程、每个模型的过程参数文件、每个模型的模型参数文件以及各个交互模型的参数匹配关系，向相应的模型发送控制指令、输入参数，实现各个异构模型运行过程的协同控制，并接收响应信号和输出参数，根据各个模型的输出参数获取每次联合仿真试验获得的样本数据。

如图2所示，为本发明异构模型单步运行流程图，以模型m为例，首先要进行仿真初始化，完成接口和交互参数设置，然后该模型在仿真试验控制子系统控制下进行单步迭代计算，如果计算步结束，则进行仿真后处理，否则判断是否调用其他模型，如果是，则将该模型输出参数发送给要调用模型n，进行调用模型n计算，将调用模型n的输出参数输出给模型m，继续重复上述步骤。直到模型m运行结束。

实际上，仿真试验控制子系统也能实现基于事件驱动的仿真，在预先定义的触发事件到来时，即中断当前运行，启动相应模型。图3为以计算模型为出发点，考虑了事件驱动的仿真试验运行流程图。首先是计算模型a进行计算，获得计算结果，然后执行下面步骤：

如果本时间步没有下游计算模型，则判断当前事件仿真是否结束，如果没有，则进入下一个时间步的仿真计算，如果结束，则判断是否有下一个仿真事件，没有，则仿真结束，如果有下一个仿真事件，则激发下一个仿真事件，执行新的仿真时间步；

如果本时间步有下游计算模型，则下游计算模型开始计算，获得计算结果。不断重复执行上面步骤，直到完成整个联合仿真。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。