摘要：目前，對基于HLA的半實(shí)物仿真的研究較少，原因是HLA的實(shí)時(shí)性較差。本文從實(shí)時(shí)性和仿真效率兩個(gè)方面出發(fā)，研究了HLA半實(shí)物仿真的關(guān)鍵條件?；诖耍疚奶岢隽恕皩?shí)體屬性插值預(yù)報(bào)法”，該方法使得基于HLA的半實(shí)物仿真成為可能。

　　關(guān)鍵詞：HLA;實(shí)時(shí)仿真;半實(shí)物仿真

　　Research of HLA Based Hardware-in-the-Loop Simulation Based on Attribute Interpolative Forecasting

　　Hengyuan Zhang Zhi Li

　　(Academy of Equipment Command&Technology，Huairou，Beijing，101416)

　　Abstract：For the reason that HLA lacks the capability of performing real-time simulation,researches of HLA based hardware-in-the-loop simulation is few.Considering aspects of real-time and simulation efficiency,this paper investigates the pivotal qualifications of hardware-in-the-loop simulation using HLA.Based on the investigation,this paper puts forward a method called“Entity Attribute Interpolative Forecasting”,which makes HLA based hardware-in-the-loop simulation possible.

　　Keywords：HLA;Real-Time Simulation;Hardware-in-the-Loop Simulation

　　1引言

　　半實(shí)物仿真的一個(gè)顯著特點(diǎn)是硬件在回路(Hardware-In-The-Loop)。在對系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，若有實(shí)物介入整個(gè)仿真系統(tǒng)，必須要求仿真時(shí)間標(biāo)尺與實(shí)際系統(tǒng)時(shí)間標(biāo)尺相同，這種仿真稱為實(shí)時(shí)仿真。

　　HLA力圖解決建模與仿真(Modeling and Simulation，M&S)領(lǐng)域存在的互操作和重用問題，并按照面向?qū)ο蟮乃枷牒头椒▉順?gòu)建仿真系統(tǒng)。為了保證仿真系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)作、維護(hù)虛擬世界中正常的因果邏輯順序，HLA需要對聯(lián)邦進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間管理。但HLA復(fù)雜的時(shí)間管理算法卻不利于實(shí)時(shí)仿真，給半實(shí)物仿真造成了一定的困難。

　　2 HLA實(shí)時(shí)性分析

　　聯(lián)邦成員進(jìn)行一次仿真時(shí)間推進(jìn)的耗時(shí)Tadvc一般主要由3部分組成。(1)、幀計(jì)算時(shí)間Treck，指成員在一個(gè)仿真步長中所有計(jì)算的耗時(shí)，包括模型計(jì)算和交互響應(yīng)等;(2)、幀信息獲取時(shí)間Tinfo，指成員在時(shí)間推進(jìn)的過程中通過tick()函數(shù)獲得時(shí)戳事件(屬性值更新和交互發(fā)送)的耗時(shí);(3)、幀同步時(shí)間Tsync，指成員在調(diào)用timeAdvanceRequest()服務(wù)提出時(shí)間推進(jìn)請求后，等待成員大使回調(diào)timeAdvanceGrant()的耗時(shí)。故Tadvc=Treck+Tinfo+Tsync。假設(shè)成員每次時(shí)間推進(jìn)的仿真步長Tstep為仿真模型的積分步長，若要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，則應(yīng)有Tadvc=Tstep。HLA實(shí)時(shí)仿真能力的不足體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

　　(1)Tadvc不易同Tstep保持一致首先，每個(gè)仿真步長內(nèi)計(jì)算量的不同造成了Treck的不定;其次，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)環(huán)境下，隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)造成了無參數(shù)tick()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間即Tinfo的不定;最后，隨著在仿真的運(yùn)行過程中聯(lián)邦成員數(shù)量的改變，成員LBTS算法的計(jì)算量將發(fā)生變化，這造成了Tsync的不定。因此，Tadvc是不定且難以預(yù)測的，使其不易同Tstep保持一致。

　　(2)一次時(shí)間推進(jìn)的耗時(shí)過長為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦中各個(gè)成員之間的嚴(yán)格同步，確保仿真世界中因果邏輯的正確性，需要將每個(gè)成員設(shè)置為既時(shí)間控制又時(shí)間約束，這將使整個(gè)聯(lián)邦的推進(jìn)速度取決于計(jì)算負(fù)荷最大的成員。另外，聯(lián)邦中還存在可觀的網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，以及繁瑣的成員間同步過程。因此，每個(gè)成員進(jìn)行一次時(shí)間推進(jìn)的耗時(shí)過長，仿真效率(單位時(shí)間內(nèi)時(shí)間推進(jìn)的次數(shù))過低。

　　3基于插值預(yù)報(bào)的半實(shí)物仿真方法

　　3.1半實(shí)物仿真的根本要求

　　將半實(shí)物仿真系統(tǒng)分為數(shù)字部分(計(jì)算機(jī))和實(shí)物部分(硬件)，與實(shí)物部分相關(guān)的數(shù)據(jù)按流向可分為輸入和輸出兩種，對數(shù)字部分的實(shí)時(shí)性和仿真效率要求較高的是實(shí)物部分的輸入數(shù)據(jù)。

　　實(shí)物部分典型的輸入數(shù)據(jù)是來自數(shù)字部分的控制信號(hào)。首先，由于實(shí)物存在于自然時(shí)空中，所以控制信號(hào)必須是實(shí)時(shí)的;另外，實(shí)物的狀態(tài)大多是連續(xù)變化的(如伺服系統(tǒng))，需要將來自數(shù)字部分的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出頻率foutput越小、跳變越大則數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換失真就越大。所以半實(shí)物仿真的根本要求有2點(diǎn)：

　　(1)、仿真系統(tǒng)數(shù)字部分是實(shí)時(shí)的;(2)、仿真系統(tǒng)數(shù)字部分的數(shù)據(jù)輸出頻率要足夠大。

　　3.2 HLA聯(lián)邦的實(shí)時(shí)化

　　對于Tadvc不定且難以預(yù)測、不易同Tstep保持一致的問題，可以通過在每個(gè)成員的仿真步長內(nèi)加入等待時(shí)間的方法來解決。如圖1所示，每個(gè)仿真步長之間Tadvc的差異通過Twait進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)補(bǔ)償后的時(shí)間推進(jìn)耗時(shí)T’advc=Tadvc+Twait將成為定值。Twait要有足夠的冗余量，以克服Tadvc正常的隨機(jī)起伏變化。

　　在固定了成員一次時(shí)間推進(jìn)的耗時(shí)之后，按照實(shí)時(shí)仿真的要求，令Tstep=T’advc(仿真時(shí)間和自然時(shí)間保持一致)，即可使HLA聯(lián)邦的運(yùn)行達(dá)到實(shí)時(shí)要求。