軍用嵌入式仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)研究

崔磊，顏軻

（炮兵指揮學(xué)院 河北 張家口 075100）

嵌入式仿真技術(shù)由嵌入式技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)整合而成，以仿真技術(shù)為主要功能，以嵌入式技術(shù)為實(shí)現(xiàn)形式。

仿真技術(shù)模擬環(huán)境和狀態(tài)對(duì)用戶產(chǎn)生的影響；同時(shí)允許用戶對(duì)仿真產(chǎn)生動(dòng)作，將動(dòng)作效果反饋給用戶。仿真技術(shù)必須依靠有效的體系結(jié)構(gòu)，不同級(jí)別的仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)也不同。戰(zhàn)役或戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的仿真技術(shù)需要隨裝備或部（分）隊(duì)行動(dòng)，因此該級(jí)別的仿真技術(shù)正在向小型化、可編程化和模塊化發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式仿真技術(shù)是將仿真技術(shù)的核心軟件植入嵌入式系統(tǒng)，依靠嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力、探測(cè)控制能力、通信能力和存儲(chǔ)能力完成仿真過(guò)程。

1 軍用嵌入式仿真技術(shù)基本理論體系

1.1 嵌入式仿真技術(shù)基本功能

軍用仿真技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)方面：武器裝備仿真和作戰(zhàn)仿真。仿真技術(shù)將部隊(duì)實(shí)裝研究與訓(xùn)練、演習(xí)、作戰(zhàn)推演轉(zhuǎn)化成由計(jì)算機(jī)虛擬完成的逼真過(guò)程，以減少周期和資源投入，其可重復(fù)使用的特點(diǎn)又方便了裝備或作戰(zhàn)研究。嵌入式仿真是在實(shí)現(xiàn)仿真功能基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化、可編程化和模塊化。

1.2 嵌入式仿真技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)

嵌入式仿真技術(shù)3個(gè)要素是系統(tǒng)（被仿真對(duì)象）、系統(tǒng)模型和嵌入式設(shè)備。聯(lián)系這3個(gè)要素的基本活動(dòng)是模型建立、仿真方案生成和仿真試驗(yàn)，輔以驗(yàn)證、分析和反饋。

圖1 仿真三要素和基本活動(dòng)Fig.1 Three elements of simulation and their action

1.2.1 建立模型和仿真方案生成

仿真技術(shù)建模方法包括機(jī)理建模方法、系統(tǒng)辨識(shí)建模方法、多分辨率建模方法、面向?qū)ο蠼７椒?、多視圖建模方法、數(shù)據(jù)可視化建模方法、多媒體建模方法、面向組件建模方法和面向服務(wù)建模方法等。模型是嵌入式仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，模型是否準(zhǔn)確地描述了被仿真對(duì)象，是結(jié)果是否可信的前提。因此要進(jìn)行模型驗(yàn)證，包括可信性驗(yàn)證和一致性驗(yàn)證，以檢查模型是否正確地描述了實(shí)際系統(tǒng)，以及模型輸出是否充分接近實(shí)際系統(tǒng)的行為。

1.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是嵌入式設(shè)備依據(jù)系統(tǒng)模型和仿真方案，自動(dòng)計(jì)算并給出虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)供用戶動(dòng)作的過(guò)程，這是由嵌入式設(shè)備硬件和軟件共同完成的過(guò)程。仿真實(shí)驗(yàn)以自動(dòng)控制技術(shù)為理論體系，以虛擬環(huán)境和狀態(tài)的瞬態(tài)變化為激勵(lì)，以用戶動(dòng)作為響應(yīng)，再以該動(dòng)作對(duì)虛擬環(huán)境和狀態(tài)產(chǎn)生的效果的反作用為反饋，整個(gè)過(guò)程是閉環(huán)控制過(guò)程，可歸納為如下數(shù)學(xué)模型

G為虛擬環(huán)境或狀態(tài)，Gb為仿真結(jié)果，H為系統(tǒng)處理過(guò)程，s為時(shí)間。如過(guò)程中存在用戶先于環(huán)境狀態(tài)反饋的動(dòng)作，則應(yīng)增加前環(huán)反饋，模型與上式基本相同，但H（S）應(yīng)展開(kāi)為

其中 Gr（s）、Gp（s）和 Gc（s）定性地代表仿真過(guò)程中增加前環(huán)反饋后可能存在的處理過(guò)程。

1.3 嵌入式仿真技術(shù)系統(tǒng)組成

嵌入式仿真技術(shù)的理論體系包括嵌入式物理效應(yīng)設(shè)備、嵌入式仿真支撐平臺(tái)、基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)和模擬仿真系統(tǒng)。

嵌入式物理效應(yīng)設(shè)備有軟件控制，在虛擬環(huán)境和虛擬狀態(tài)中生成逼真的物理效應(yīng)。仿真支撐平臺(tái)融合多種技術(shù)，包括仿真系統(tǒng)總體技術(shù)、建模/仿真試驗(yàn)/評(píng)估工具引擎技術(shù)、VR/可視化技術(shù)、集成框架/平臺(tái)技術(shù)、中間件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)/通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)/模型庫(kù)/知識(shí)庫(kù)/內(nèi)容管理等，為仿真過(guò)程提供處理、存儲(chǔ)、控制和通信能力。基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)類(lèi)似于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，為應(yīng)用軟件提供必要保障。

模擬仿真系統(tǒng)完成仿真的核心過(guò)程，它是基于數(shù)據(jù)庫(kù)建立起來(lái)的算法，必須囊括被仿真系統(tǒng)模型的所有信息，這些信息經(jīng)過(guò)算法調(diào)用生成虛擬環(huán)境和狀態(tài)。接收用戶反饋后給出效果，并通過(guò)物理效應(yīng)設(shè)備輸出效果。模擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真的基本方法有數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)演算。數(shù)據(jù)查詢是根據(jù)反饋在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，是經(jīng)驗(yàn)式仿真，速度快，應(yīng)變能力差。實(shí)時(shí)演算是將反饋信息引入算法，直接計(jì)算，是推演式仿真，應(yīng)變能力強(qiáng)，速度相對(duì)慢。這兩種方法往往綜合運(yùn)用。

2 軍用嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 應(yīng)用系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)

嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是其理論體系中硬件體系的具體化和產(chǎn)品化，同時(shí)以實(shí)有硬件的具體功能性能為依據(jù)。完整的嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖2所示。

圖2 嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)基本硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Embedded simulation technology’s hardware architecture

2.2 硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是嵌入式仿真過(guò)程的關(guān)鍵，虛擬環(huán)境和狀態(tài)的信息必須能夠被感知，才能引起用戶反應(yīng)；用戶動(dòng)作也必須被感知才能判斷效果。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和人機(jī)交互器件組成。傳感器探測(cè)各種狀態(tài)變化，轉(zhuǎn)化為預(yù)處理信號(hào)；交互器件直接采集用戶動(dòng)作，理解為用戶對(duì)某種環(huán)境或狀態(tài)的反應(yīng)。

2.3 硬件系統(tǒng)計(jì)算和存儲(chǔ)模塊

計(jì)算和存儲(chǔ)模塊在嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)中起著控制整個(gè)系統(tǒng)、存儲(chǔ)各類(lèi)數(shù)據(jù)的作用。存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)和程序與微處理器交互，經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)分別完成對(duì)應(yīng)功能。可采用的結(jié)構(gòu)包括8086體系結(jié)構(gòu)、ARM體系結(jié)構(gòu)、DSPs器件結(jié)構(gòu)和FPGA器件結(jié)構(gòu)。

2.4 硬件系統(tǒng)接口與通信模塊

接口與通信模塊完成數(shù)據(jù)和程序的傳輸。嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)要求與實(shí)裝無(wú)損連接，通信結(jié)構(gòu)要求具備易拆裝特點(diǎn)和三通特點(diǎn)，即在不切斷原有鏈路基礎(chǔ)上接入分支鏈路，需增加信號(hào)能量補(bǔ)償。

嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)需要與上下級(jí)系統(tǒng)通信。通信可采用各種適當(dāng)?shù)膮f(xié)議，并適當(dāng)添加加密模塊。

2.5 硬件系統(tǒng)效果輸出組件

效果輸出組件是嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)區(qū)別于其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)之處。仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的效果。效果輸出組件包括硬件和軟件，其硬件即為嵌入式仿真技術(shù)基本理論體系中的物理效應(yīng)設(shè)備，軟件為基礎(chǔ)軟件和模擬仿真系統(tǒng)在本地的分支或子程序。效果輸出組件受模擬仿真系統(tǒng)控制，以模擬仿真系統(tǒng)提供的順態(tài)狀態(tài)或動(dòng)作為觸發(fā)。

3 軍用嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 應(yīng)用系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)

嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是其理論體系中軟件體系的具體化和產(chǎn)品化，是嵌入式仿真實(shí)現(xiàn)其功能的指揮和指導(dǎo)。完整的嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖3所示。

圖3 嵌入式仿真應(yīng)用系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.3 Embedded simulation technology's software architecture

3.2 軟件系統(tǒng)仿真功能

虛擬環(huán)境通常指實(shí)裝或想定的環(huán)境，仿真過(guò)程是順序結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)查詢方法。這種結(jié)構(gòu)是“給出環(huán)境——等待用戶動(dòng)作——作出反饋”，適合離散仿真。嵌入式系統(tǒng)由于受硬件資源限制，比較適合采用這種觸發(fā)式軟件。因此虛擬環(huán)境仿真的嵌入式化就是軟件的精簡(jiǎn)化。

虛擬狀態(tài)通常指過(guò)程進(jìn)行到一定程度時(shí)系統(tǒng)所處的狀態(tài)。這些信息往往沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)備，在真實(shí)情況下即根據(jù)各種影響連續(xù)變化，且后一狀態(tài)由前一狀態(tài)和當(dāng)時(shí)動(dòng)作共同決定，因此需要這些量的變化模型，針對(duì)它們的仿真屬于連續(xù)仿真。這種仿真是循環(huán)結(jié)構(gòu)，即實(shí)時(shí)查詢用戶是否有動(dòng)作，將動(dòng)作數(shù)據(jù)引入算法計(jì)算。這種仿真模式占用資源多，進(jìn)行嵌入式化時(shí)必須增加資源釋放功能。

3.3 軟件系統(tǒng)運(yùn)算處理功能

處理功能包括環(huán)境狀態(tài)處理和圖像處理。嵌入式仿真軟件對(duì)環(huán)境狀態(tài)的處理即對(duì)采集的物理量的處理。處理量大，加之嵌入式硬件資源限制，因此仿真軟件的處理功能采用優(yōu)化算法，如插值法、FFT等。圖像處理是嵌入式仿真軟件必備功能，因?yàn)橐曈X(jué)仿真是最基本的仿真。圖像處理內(nèi)容包括自然變化、用戶動(dòng)作效果、虛擬狀態(tài)反饋等，需要占用大量資源，嵌入式仿真系統(tǒng)必須考慮到資源限制。采用二維和三維交叉結(jié)構(gòu)，在不需要三維效果時(shí)進(jìn)行二維處理，節(jié)省資源。處理位置上采用本地處理和遠(yuǎn)程處理甚至云處理。

3.4 軟件系統(tǒng)控制功能

控制功能是仿真軟件通過(guò)嵌入式處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能力。實(shí)現(xiàn)控制功能的程序?qū)儆诨拒浖到y(tǒng)中一部分，采集仿真過(guò)程的中斷，決定是否響應(yīng)，與系統(tǒng)本身直接相關(guān)。其控制領(lǐng)域包括系統(tǒng)資源分配、硬件動(dòng)作、物理效應(yīng)輸出等。

3.5 軟件系統(tǒng)通信功能

軟件的通信功能與硬件的通信模塊相結(jié)合工作，完成系統(tǒng)通信工作。實(shí)現(xiàn)通信功能的程序必須具備如下過(guò)程：有接口驅(qū)動(dòng)，調(diào)用通信接口；合適的編解碼算法，信息準(zhǔn)備；加密算法，對(duì)編碼加密；完整的通信協(xié)議，預(yù)留充足的字段；加密后編碼，開(kāi)始通信。以上是發(fā)送結(jié)構(gòu)，接收結(jié)構(gòu)與之相反。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式仿真技術(shù)是將仿真技術(shù)小型化、可編程化和模塊化后以嵌入式系統(tǒng)的形式嵌入實(shí)際系統(tǒng)的一種技術(shù)。嵌入式仿真技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合了多學(xué)科技術(shù)，以仿真技術(shù)為核心，以嵌入式技術(shù)為保障，互相融合、交互組織，形成一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)。充分掌握其體系結(jié)構(gòu)可指導(dǎo)嵌入式仿真技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。相應(yīng)級(jí)別的軍事裝備研發(fā)、訓(xùn)練和行動(dòng)推演都可依靠嵌入式仿真技術(shù)提高效果，減少資源消耗，深入了解軍用嵌入式仿真技術(shù)體系結(jié)構(gòu)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]王有熙，鄭敏，馬軍慶.美軍仿真技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)介[J].科技廣場(chǎng)，2008（1）：242-244.WANG You-xi， ZHENG Min， MA Jun-qing.The development of the USA army vitual reality technology[J].Science and Technology Square， 2008（1）：242-244.

[2]怯肇乾.嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]劉藻珍.仿真科學(xué)的研究[EB/OL].（2007）[2010-4-18].http：//www.cnki.net.

[4]赫培峰，崔建江，潘峰.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]王欽釗，王偉，李小龍.坦克嵌入式靶場(chǎng)射擊訓(xùn)練仿真技術(shù)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，22（6）：25-28.WANG Qin-zhao， WANG Wei， LI Xiao-long.Research on simulation technique for tank embedded shooting range training [J].JournalofAcademy ofArmored Force Engineering， 2008， 22（6）：25-28.