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航空工业虚拟现实机仿真技术发展过程探讨
2010年10月12日    评论:    分享:

     来源:  十年砍柴 博客   http://www.51gcs.com/home/202/blog/3367/

    1 仿真技术的发展过程

    仿真技术应用在航空工业是从1970年开始的,当时的北京计算机五厂开始生产模拟计算机,用于飞行模拟,使用运算放大器编程来计算飞机的小扰动飞行方程,用于飞机控制系统的半实物仿真。1980年以后逐步发展到数字模拟混合计算机。计算机硬件的速度直接影响仿真计算的精度和实时性。随着计算机硬件和接口技术技术的发展。1986年进入数字计算机仿真阶段。在各类飞行模拟器上大量的使用8位、16位的计算机。计算机仿真技术快速发展是在数字计算机技术成熟以后。开始是在大型计算机上进行各类飞行方程的仿真,后来由小型计算机在实验室内进行仿真,1996年计算机仿真逐步发展到在个人PC飞机所有系统的设计和仿真,一些高性能的小型计算机和工作站在此阶段有所发展。2000年以来个人计算机的性能已经能满足大多数的仿真要求,包括图象生成技术的要求。在航空业发挥着重大的作用,特别是在各类工程的以及训练的飞行模拟器上应用。高性能的小型计算机和工作站的空间逐步被巨型计算机和PC计算机占据。

    与计算机硬件技术并行发展的是仿真建模理论、建模技术和软件工程。在采用模拟计算机的时代,仿真计算只能完成少数简单的模型。到数字计算机进行仿真的时代,开始是采用面向过程的仿真。只求用计算机模仿运动的过程。只研究事物表面的现象和过程。并不深入的研究事物的本质的内因。模型的建立与运行是在同一个编写的程序中进行的。就事论事。由于没有软件工程的支持。仿真效率低。1990年以后,面向对象的编程概念逐步推广,面向对象的模型的建立,将模型的建立与仿真程序的运行分开。软件工程的国家标准的颁布有效的提高了计算机仿真的效率。以后经过10年的努力到2000年各类面向对象的仿真支持软件已经落户到每个需要的人。

    为了了解各类系统的运动规律,建立微分方程是数学理论研究的方向。随着计算机计算能力的提高,计算方法发生了巨大的变化。计算机软件将数学理论应用到工程实践上去,有效的提高了工程实践的效益。原来各类微分方程的解算是一依靠解析解,现在可以直接通过程序计算完成。原来系统分析主要依靠的根轨迹和伯德图已经不常使用。2004年以来仿真技术已经从数学、自动控制和计算机三个专业中逐步分离,成为新的学科和专门的技术。在与航空有关的大学都有与仿真相关的教研室、研究所以及实验室。仿真和建立数学模型的技术被大量应用在研究生的研究工作中,替代了大量的实验,并大量的发表的论文。仿真技术大量的应用在航空产品的设计开发过程中。

    2 未来发展趋势

    随着计算机技术的发展,未来国内航空业对仿真技术的要求更高。仿真技术应用应当是主要的需求。建立飞机各系统各分系统的模型用于飞机的设计开发和改进有很大的吸引力。而为建立模型使用的工具技术的进步,将是未来发展的主题。其中模型建立的方法也是研究的热点,因为现在模型的建立已经不是过去微分方程所能解决的了的。模型的建立已经涉及到所有的数学方法。复杂系统的仿真。例如面向飞机外型飞机空气动力模型的建立;飞机尾旋模型;计算机上的数字风洞试验;各类场的模型。

    面向对象的飞机整体的模型将仿真的内容扩大到飞机的全寿命周期。虚拟产品的生产将成为产品设计的第一步,从产品的设计开始仿真就将对未来为航空工业提供有力的支持。模型的规范与标准化将使仿真模型作为航空产品设计开发和使用的重要的工具。使用分布式的仿真系统将是未来的主流,计算机的速度已经不是主要的问题。仿真支撑软件将由管理型向服务型转化,模型就向鱼入水一样在支撑软件的服务下运行。

    3 主要进展

    3.1 产品的使用与训练仿真

    为了节省训练费用、提高训练效益,国内装备的训练模拟设备发展也十分迅速。几乎所有复杂的新装备都有使用训练模拟设备。在军队和地方各航空学校都建立了飞行模拟训练机构,配有各类教练飞机的训练模拟器。除民用航空飞行训练的模拟器是进口设备,这些模拟器中,所有新研制的飞机的模拟器全部由国内各集团的飞机设计所设计生产。另外空军有3个研究所也承担并完成了其他国产和进口机型的模拟器的设计生产工作。在设计开发和生产中的关键技术已经全部解决。各设计生产单位之间的技术合作频繁,已经形成通过技术优势互补来开发模拟器的态势。模拟器的设计生产能力已经超过国内需求,并部分出口到友好国家,包括埃及、巴基斯坦、坦桑尼亚等。

    仿真技术主要可以用于:使用培训过程;如各类操作模拟器、飞行模拟器、软件使用培训教材。使用管理过程;如使用操作设备中的软件、计算机管理系统、航行调度系统软件等。使用维修过程;如远程维修,离线故障仿真,使用寿命延长与管理。服务过程;为下级用户提供各类虚拟服务。

    各空军已经目前有关维修模拟设备的研究也有10年的历史。正逐步融入各院校的教学科研工作。这一系列技术的应用,适当的提高了航空产品各阶段的效益。从而部分的提高了航空产品的质量。

    3.2 工程仿真

    在航空新产品的研制开发、生产、过程中,仿真技术的比重逐步增加,技术逐步成熟,日益普及。航空界为了降低研制成本、加快研制进度、降低研制风险。在产品的设计开发阶段已经大量采用了计算机技术与系统仿真技术。

    目前在所有的飞机设计中,都有工程仿真试验设备支持。包括飞机操控系统、武器装备、综合导航与座舱显示系统、雷达、无线电、飞机动力系统。与仿真理论研究不同的地方是;这些仿真系统有些是采用纯计算机仿真,更多的是采用半实物仿真。而且仿真采用的实物或计算机模型是可以根据要求进行互换的。

    在产品的需求分析过程一般又称为论证过程中仿真技术已经是论证工作验证的主要手段,目前在各设计单位,许多技术都需要建立仿真系统进行验证。其验证的可信性取决于仿真技术的准确性。而与用户的沟通主要是输入用户的各类信息,向用户返回仿真产生的各类信息,比如飞机的三维设计外型,飞机的控制品质、平显画面等。

    设计开发阶段,采用计算机系统辅助设计与开发各系统与分系统,比较无计算机辅助设计,工作效率可以提高数倍以上。对于设计过程的系统特性分析过程,在系统没有制造出来之前,就希望对控制系统的稳定性、操纵性进行分析。以便得到更优良的设计,否则需要大量的叠代设计与返工。计算机仿真技术正在用于各类设计过程;电子线路CAD、机械CAD,可靠性、维修性、保障性建模与分析。系统特性分析过程;控制系统的稳定性、操纵性建模与分析。大系统组成接口分析过程;在系统分析过程中产生各种模拟驱动信息。加工过程设计;工艺仿真与设计、装配仿真与设计。设计制造验证;虚拟制造过程控制与验证、技术指标验证、设计效果验证。计算机辅助设计在产品的技术状态管理方面有效的提高了效率。

    生产制造阶段,在生产人员的技术培训过程;生产过程的管理;装配、部件检验过程;虚拟标准样件;软件部件生产过程能够利用计算机仿真技术提供高的生产效率,改进生产工艺。生产进度的管理、生产过程的显示、操作的界面。装配、部件检验过程;如产生检验需要的信号、检验环境、显示装配进度。虚拟标准样件;对某些不易打开、解剖的样件进行虚拟。

    为了使用户了解装备,采用虚拟技术介绍和展示装备是极其重要的,特别是广告。用户还可以利用仿真技术体验装备使用过程及其使用效果,特别是一些不宜实际操作演示的过程。

    3.3 仿真与建模理论

    相似理论是目前仿真与建模的基础理论。该理论包括以下基本内容:相似关系的描述与运算法则;相似方式;相似方法;相似程度。建立模型目的是对系统的运动过程进行仿真,仿真的目的是通过了解系统的运动规律,加深对系统内部矛盾的特殊性以及各类系统矛盾普遍性的认识。对建模和仿真的过程从哲学、矛盾推动过程发展的的高度指导建模理论研究是必要的。

    在10年前,计算机技术还不成熟。虽然在工作中都要建立各系统的工作过程模型,但是这些面向系统的框图的时域或频于域计算模型、可靠性、维修性、测试性和保障性模型。这些模型过去都是面向过程以及结果的模型,或者说是面向事件的模型。模型的建立和计算是同时进行的。可以采用手工计算和处理。这些模型从计算机仿真方面表达了人们对装备的属性、事件以及方法的认识深度。这些认识是肤浅的有限的。

    随着航空产品的日益复杂,目前大都采用面向对象的模型,即包括属性、事件和方法为基本内容的计算机仿真模型。模型的建立与仿真计算已经作为两个过程明确的分开。这些模型必须采用计算机进行仿真和计算。复杂模型的成本提高了,可重复使用的部分增加了。面向对象的仿真模型一般是经过软件工程生产出来的容易理解和使用的标准化、模块化产品。例如概念模型。而不是现用现设计。模型应当在产品的全寿命周期进行使用而不是象现在那样由各过程的参与者自行设计使用。

    由于航空产品是人造的设备,所以在进行建模与仿真时,一般设备的模型虽然不属于复杂系统。但是航空产品是由大量的系统构成的,所以系统清华大学、哈尔滨工业大学等一批院校针对复杂产品开发过程仿真的研究正在开展,目的是增强企业的竞争力。

    航空器的空气动力模型的建立是复杂的技术,已经有许多年的历史。现在也有一些面向气动外型的气动参数计算软件,为模型生成提供支持。可以为航空提供有力支撑的仿真模型还是遥远。航空发动机的建模与仿真也是如此。

    在国内几个重点院校的带动下。国内所有的与航空有关的学校的所有专业都进行了仿真模型的建立过程和方法的教学工作,每年有大量学生接受有关研究和培训。包括学士、硕士、博士学生每年有大量的研究报告和模型产生。为了保证装备的使用中对仿真训练人才的需求,军队的院校已经有多所已经开设仿真专业。所有这些都对仿真建模的理论体系的建设起到了推动作用。

    3.4 仿真支撑环境

    从系统仿真学会的论文看,由于计算机软件技术和硬件技术的飞速发展。一般计PC算机硬件都可以支撑工程仿真工作。通过网络互联的分布式仿真技术已经是常用的技术,采用高层体系结构(HLA)也很流行。在民间,在无比强大的网民的巨额资本支撑下的互联仿真游戏技术,用下里巴人式的技术已经向传统的阳春白雪提出有力的挑战。分布式仿真已逐步经渗透到航空产品寿命周期中的每个环节。

    几乎所有语言都可以支撑仿真。从VB、C++、等常用的语言,到采用SIMLINK仿真集成环境和MATLAB语言软件建立一般简单系统模型的方法。这些都是比较通用的方法,其使用的概率高。北航CAXA系列设计软件也逐步开始支撑工程仿真。

    由于建模工作过程是一个将系统分解和功能模块划分的过程,所以软件工程中建议的以系统结构图方式成为大家最常用的方法。被许多建模支撑软件采用。目前的仿真支撑环境属于指导管理功能的就象现代化的(模型)厂。而象大海的水一样能够承受各种鱼(模型)的服务型的支撑环境将是未来的方向。

    4 国内外差距分析

    国内外的仿真技术发展比较,主要有以下几点:

    a国外以强大的实验数据为支撑的模型;模型的建立是需要对客观事物深入的了解作为基础的。多年积累的各类实验数据为模型的建立提供了决定意义的支撑。因而模型作为知识产权的一部分,比重越来越大。国内由于缺乏实验数据,有时采用计算数据顶替,模型的建立和验证工作效率比较低。造成模型使用的效果差效率低。

    B国外开发各类以系统工程为支撑的软件工具。模型的建立需要提高效率,最近几年面向方块图的模型建立软件以及面向传递函数的模型建立软件。可以快速的建立一般系统的模型并进行仿真。国内基本没有能力开发此类软件。大多数人只会使用部分软件。

    c 国外通过技术创新建立大量的模型作为产品,逐步成为虚拟产业,获得巨大的经济利益。国内目前总是处于跟踪状态,没有将“制造”模型作为新兴的高技术产业来支持。

    5 未来发展建议

    5.1 仿真的标准化和管理工作

    仿真模型的相似特性使得模型就象航空产品上的一个功能部件一样,从仿真模型使我们可以从计算的角度深入认识和了解产品的一切一切,这是前所未有的。所以在航空产品全寿命周期中计算机仿真模型的建立、使用、评价、改进等工作,进行系统科学的管理,达到提高产品效益(质量)的工作,就是产品仿真工作的核心。我们对产品的了解程度,从以下几个方面直接关系到产品的使用和效益:

    从原有的产品技术重新组合,创造新的高效能装备,增加信心;

    缩短研制周期,减少试验,降低设计开发成本;

    加速生产,降低生产成本,减少废品损失;

    提前进行产品使用保障培训;

    增加模拟训练,提高安全性,提高训练效益,减少失误,减少实装消耗;

    便于维修技术与理论研究,提高维修保障水平。

    没有计算机的过去,所有装备的模型都在文件中。所以没有该特性。目前任何复杂装备都是由

    根据以上分析,仿真技术已经融合到产品的全寿命周期的每个过程,是不可缺少的技术。是产品质量中不可缺少的属性之一。目前我们在仿真技术中存在的主要问题是:

    a 产品的全寿命阶段是由不同的组织完成的,而仿真模型是阶段性存在的。

    b 各组织拥有的产品的计算机仿真模型是相对封闭在组织内部的。

    c 各组织对仿真模型的建立和管理是独立的不规范的。

    d 各组织对仿真模型的建立和管理能力是有限的。

    f 仿真模型在产品全寿命周期作为知识产权所有全是模糊的没有经过确认的。

    g 仿真工作中存在大量的重复劳动和资源的浪费。

    h 作为人类对客观事物认识的仿真模型无法通过认识的环节进行持续的改进提高。

    基于以上问题,可以认为我们国家航空工业仿真模型的应用效益是十分低的,不可能达到大幅度提高产品效益的目的。无论各组织对计算机仿真模型的能力如何提高,都是没有效益的。所以需要采用系统工程的方法结合产品质量管理工作,对产品特别是大型飞机有关仿真模型相关的工作过程进行综合管理,通过模型能够重复使用来提高效益。

    仿真使用的模型应当是经过软件工程生产的容易理解和使用的标准化、模块化产品。例如概念模型。而不是自发的现用现设计的模型。该模型应当在产品的全寿命周期进行使用而不是象现在那样由各过程的参与者自行设计使用。产品在研制的初期就应当制定仿真模型的工作管理规划。

    仿真管理的内容是;在产品的质量保证体系支持下,进行仿真管理工作。工作包括合同及协作单位的仿真管理,制定全寿命周期虚拟资源的生成与使用规划,制定产品仿真设计计划,确定产品仿真关键系统,进行各过程的仿真计评审,建立仿真性效果分析与持续改进体系。

    收集运用仿真情报,进行仿真工程培训,制定仿真管理手册以行业标准。国家应当建立仿真保证体系,虚拟软件模块的国家认证机构及其制度。建立国家的虚拟软件模块数据交换中心。组织制定比较完整的仿真性标准体系。组织、鼓励学术研究和交流。出版有关书刊和杂志。

    5.2 学科建设

    虽然仿真技术已经深入到航空工业的所有环节,而且目前产品设计开发过程都是依靠计算机系统辅助完成的。系统仿真作为一级学科的申请却没有完成。因为该技术是最近10年发展最快的技术。技术的发展需要人才的支撑,而大量人才的来源不可能依靠改行的途径。通过学校培养是最基本的途径。由于学科的限制,地方院校只能在电子、通信与自动控制技术学科下属的自动控制技术中进行培养。而军队院校只能在军事装备学中进行培养。系统仿真是研究利用所有的学科的理论、计算机的技术和“相似”方法来研究客观事物运动发展过程的方法的学问。是我们认识客观世界的重要工具。所以应当拥有适合的学科地位。

    由于仿真技术在人类认识客观规律中的高效益,所以具有强劲的源动力。只是需要国家正确的引导。

 

标签:航空工业
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