GCAir系統(tǒng)仿真測試驗(yàn)證一體化平臺，基于MBSE(Model-Based Systems Engineering)思想，完全自主研發(fā)的一款工業(yè)軟件，為復(fù)雜裝備系統(tǒng)研制的正向設(shè)計(jì)提供了工具支撐，為數(shù)字孿生技術(shù)落地提供了解決方案，可以實(shí)現(xiàn)全虛擬仿真到半實(shí)物仿真。GCAir支持多源異構(gòu)模型集成，從全虛擬仿真到半實(shí)物仿真的一鍵切換，能夠在同一平臺上完成模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)仿真及測試，具備連續(xù)綜合集成測試驗(yàn)證的能力，可應(yīng)用于復(fù)雜裝備從設(shè)計(jì)研發(fā)到運(yùn)行維護(hù)的全生命周期。

產(chǎn)品功能

(相關(guān)資料圖)

●系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

用GCAir可以創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)：在ICD定義接口和總線；在畫布創(chuàng)建子系統(tǒng)；對子系統(tǒng)進(jìn)行接口和總線的實(shí)例化；在子系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入行為模型FMU、Python、C/C++、插值表等，并實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)；把行為模型的輸入輸出與子系統(tǒng)的接口和總線相連；對多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行接口和總線的連接。經(jīng)過上述步驟即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。其核心功能如下所示：

?定義端口、數(shù)據(jù)總線?子系統(tǒng)內(nèi)部功能設(shè)計(jì)?創(chuàng)建子系統(tǒng)并添加端口/數(shù)據(jù)總線?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)-ICD總線管理

在航空航電領(lǐng)域，經(jīng)常會用ICD接口控制文件來描述系統(tǒng)/分系統(tǒng)、設(shè)備與系統(tǒng)之間的接口關(guān)系。但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)復(fù)雜-報(bào)文多信號多，數(shù)據(jù)總線配置繁瑣，需要定義多種報(bào)文數(shù)據(jù)格式、收發(fā)矩陣、節(jié)點(diǎn)等等，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)間的通訊，這樣的操作速度慢、效率也低。GCAir提供的ICD總線管理工具，可使用戶快速高效的配置數(shù)據(jù)總線，在虛擬仿真階段、半實(shí)物仿真階段均可使用。GCAir的ICD管理工具可支持的總線類型及配置圖例如下所示：

?Virtual虛擬總線?CAN總線?DDS網(wǎng)絡(luò)?1553B總線?RS-422/485/232串口?反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)?A429總線?EtherCAT主站?TCP/UDP

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) – 模型庫管理

GCAir模型庫管理可以把用戶建好的子系統(tǒng)保存到庫，實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)的封裝；庫里的子系統(tǒng)可被不同的工程復(fù)用或被同一個(gè)工程共享使用。其核心功能如下所示：

?模型分類管理?自定義庫管理?模型版本管理

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)-系統(tǒng)模型構(gòu)建

GCAir提供了豐富的系統(tǒng)模型構(gòu)建操作，可對子系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、故障設(shè)置、端口/總線添加等等，使用戶可根據(jù)具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求靈活配置子系統(tǒng)。其核心功能如下：

?子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、故障注入設(shè)置?子系統(tǒng)導(dǎo)出聯(lián)合仿真FMU?子系統(tǒng)屬性編輯(添加總線/端口)?子系統(tǒng)保存/封裝到庫?子系統(tǒng)與FMU之間自動連線?子系統(tǒng)層級嵌套

系統(tǒng)集成仿真 – 多源異構(gòu)系統(tǒng)集成

GCAir平臺基于FMI標(biāo)準(zhǔn)，立足于復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和模型規(guī)范化問題，完成了對多源異構(gòu)模型集成的全面支持。GCAir支持ME(Model Exchange) 2.0 標(biāo)準(zhǔn)和CS(Co-Simulation) 1.0/2.0標(biāo)準(zhǔn)的 FMU，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與建模、模型間接口關(guān)系的設(shè)計(jì)與建模。

GCAir提供了豐富的硬件板卡集成接口，如1553B、A429、CAN、UART、反射內(nèi)存、EtherCAT等，用于完成復(fù)雜系統(tǒng)的半實(shí)物仿真，解決了復(fù)雜系統(tǒng)研制的核心問題。其核心功能和架構(gòu)如下：

?支持FMU、Python腳本、CSV文件、用戶自定義表達(dá)式、TCP模塊、1D/2D/3D插值表、GCKontrol工程和IO類板卡模塊等集成仿真?支持硬件和實(shí)物接口：CAN總線、1553B總線、A429總線、UART串口總線、EtherCAT總線、反射內(nèi)存、AI/AO、DI/DO、TCP、UDP等

系統(tǒng)集成仿真 – 第三方軟件聯(lián)合仿真

在系統(tǒng)仿真時(shí)，某些復(fù)雜系統(tǒng)的部分模型需要在指定的仿真軟件中運(yùn)行，才可完成系統(tǒng)總體仿真。GCAir支持與第三方聯(lián)合仿真，具有Python模塊、TCP模塊、DDS總線等，用戶可靈活配置系統(tǒng)仿真。其核心功能如下：

?Python仿真模塊，用戶可靈活定義功能或算法?基于TCP協(xié)議通訊，調(diào)度第三方程序/設(shè)備實(shí)時(shí)通信?基于DDS總線，調(diào)度第三方程序/設(shè)備實(shí)時(shí)通信

●半實(shí)物仿真

在半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，被控制對象是虛擬的，控制系統(tǒng)是實(shí)物。GCAir可完成半實(shí)物仿真，用于驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)備及控制算法的安全性、可靠性。實(shí)時(shí)性是半實(shí)物仿真的必要前提，GCAir實(shí)時(shí)仿真機(jī)的軟件部分由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真引擎組成，實(shí)時(shí)性誤差精度<0.1ms。

GCAir的仿真引擎服務(wù)程序（SimulationEngine）是運(yùn)行仿真模型的實(shí)體，可實(shí)現(xiàn)多線程執(zhí)行，順序分組執(zhí)行、仿真控制、故障注入、分布式仿真等功能，使半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有可控性。可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體的反復(fù)優(yōu)化、重點(diǎn)評估、多方案比較、快速更新。其核心功能和架構(gòu)圖如下：

?豐富的總線接口板卡：CAN、1553B、A429、RS-232/422/485串口、反射內(nèi)存、EtherCAT、AIO/DIO、TCP、UDP等。?實(shí)時(shí)仿真引擎：Linux操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)內(nèi)核，多核/多線程實(shí)時(shí)仿真?實(shí)時(shí)仿真引擎：實(shí)時(shí)仿真步長達(dá)1ms，實(shí)時(shí)精度誤差小于0.1ms?支持FMU順序分組、多核多線程分配

虛擬仿真

復(fù)雜系統(tǒng)仿真時(shí)，在半實(shí)物仿真之前需要做全虛擬仿真，以完成模型在環(huán)(MiL)驗(yàn)證。GCAir支持全虛擬仿真，該過程中被控制對象和控制系統(tǒng)都是虛擬的。其核心功能如下：

?集成多個(gè)模型到GCAir，離線調(diào)試?通過設(shè)定仿真倍速來加快仿真速度?支持FMU順序分組、多核多線程分配

●虛實(shí)融合

GCAir支持從全虛擬仿真到半實(shí)物仿真的一鍵切換，實(shí)現(xiàn)了模型在環(huán)(MiL)與硬件在環(huán)(HiL)的快捷切換。如下圖所示，對已配置好的子系統(tǒng)右鍵選擇“設(shè)置為被測硬件”，即可切換至半實(shí)物仿真模式。在進(jìn)行半實(shí)物仿真時(shí)，被測硬件子系統(tǒng)內(nèi)部跳過FMU模型運(yùn)行，按該子系統(tǒng)配置好的板卡總線信號報(bào)文與硬件實(shí)物進(jìn)行通信。其核心功能和應(yīng)用實(shí)例如下所示：

?支持“虛擬+半實(shí)物”仿真?虛擬模型與硬件設(shè)備一鍵切換

分布式實(shí)時(shí)仿真

GCAir支持分布式仿真，支持對大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)的分布式半實(shí)物仿真。大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)硬件設(shè)備種類多、數(shù)量多，例如多個(gè)控制器設(shè)備、多個(gè)激勵(lì)設(shè)備、人機(jī)交互設(shè)備等，每個(gè)設(shè)備又有多種通信方式，例如數(shù)據(jù)總線、以太網(wǎng)、AIO/DIO等，并且該系統(tǒng)需要使用多種硬件板卡資源，且設(shè)備到設(shè)備之間物理距離遠(yuǎn)。GCAir分布式仿真系統(tǒng)具有多個(gè)實(shí)時(shí)仿真機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了分布式仿真技術(shù)，可完成不同物理位置、不同硬件設(shè)備的系統(tǒng)組網(wǎng)與半實(shí)物仿真。

?分配不同的模型到不同的仿真機(jī)，滿足復(fù)雜大系統(tǒng)的半實(shí)物仿真?基于Windows/Linux的全虛擬分布式仿真?基于Linux 的半實(shí)物分布式實(shí)時(shí)仿真?支持Linux/Windows 混合仿真，虛實(shí)一鍵切換

自動化測試-TestManager

TestManager是GCAir自動化測試的配套工具?？蓪?shí)現(xiàn)基于需求的自動化批量仿真測試。將GCAir工程導(dǎo)入TestManager，根據(jù)測試需求在TestManager配置測試場景、測試用例、測試工況，運(yùn)行仿真即可完成自動化批量測試，并生成測試報(bào)告。TestManager支持全虛擬系統(tǒng)的批量仿真測試，也支持半實(shí)物系統(tǒng)的批量仿真測試，可涵蓋MiL、SiL,、HiL全業(yè)務(wù)流程，減少了半實(shí)物系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試、測試驗(yàn)證時(shí)間。其核心功能和示意圖如下所示：

?基于圖形化界面開發(fā)測試用例?滿足實(shí)時(shí)性和測試精度，誤差小于0.1ms?離線開發(fā)測試用例，減少半實(shí)物仿真調(diào)試時(shí)間?測試用例可配置故障注入?復(fù)用全虛擬和半實(shí)物仿真的測試用例?測試報(bào)告自動生成

GCAir Python API

為了提高流程自動化， GCAir提供了一套Python API接口函數(shù)，用戶可基于常的Python IDE(如PyCharm等)編寫Python腳本，對API進(jìn)行靈活的組合和運(yùn)用，以完成多種任務(wù)。GCAir Python API使用戶擺脫了需要頻繁手動點(diǎn)擊工程界面以進(jìn)行批量操作的繁重勞動。

1、用Python API函數(shù)對工程進(jìn)行仿真控制，比如打開工程、配置參數(shù)、設(shè)定步長、運(yùn)行仿真等等，也可以進(jìn)行斷點(diǎn)控制，比如創(chuàng)建斷點(diǎn)、修改斷點(diǎn)、刪除斷點(diǎn)等，可實(shí)現(xiàn)對工程的故障注入、自動化調(diào)試等等；

2、用Python API函數(shù)編寫自動化測試腳本，可創(chuàng)建工程、配置模型參數(shù)、仿真參數(shù)，完成模型的大批量自動化測試，實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化、性能評估等；

3、可編寫Python 腳本對仿真工程進(jìn)行后處理，比如數(shù)據(jù)分析，結(jié)果對比等；

4、用戶可在Matlab編寫M腳本來調(diào)用GCAir API，完成GCAir模型與Matlab工程的交互調(diào)用；

5、用戶可通過靈活運(yùn)用Python API來開發(fā)自動化測試軟件，用于對GCAir工程進(jìn)行自動化測試。

其核心功能點(diǎn)和腳本實(shí)例如下所示：

?仿真 Python API：工程打開、參數(shù)配置、步長設(shè)定、仿真運(yùn)行?調(diào)試 Python API：斷點(diǎn)創(chuàng)建/修改/刪除、故障注入、調(diào)試自動化?支持從Matlab M腳本調(diào)度GCAir Python API?基于GCAir Python API可自動運(yùn)行批量測試并返回結(jié)果

可視化與人機(jī)交互

GCAir具有豐富的可視化元素，包括2D曲線、控件元素庫、三維視景面板。GCAir支持連接VR/AR、人機(jī)交互模擬器等設(shè)備。2D曲線面板可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)仿真的變量曲線、數(shù)值等；顯示型控件(虛擬儀表盤等) 用于虛擬終端實(shí)時(shí)顯示；控制型控件可在系統(tǒng)仿真時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸入量或參數(shù)，用于虛擬人機(jī)交互；三維視景面板用于三維視景的實(shí)時(shí)展示；人機(jī)交互模擬器可做為仿真系統(tǒng)的外部輸入；AR/VR 設(shè)備可用于終端三維顯示，3D視景效果等。這些可視化元素配置靈活、功能豐富，可用于數(shù)字孿生和綜合虛擬驗(yàn)證。其核心功能和三維視景實(shí)例如下所示：

?2D曲線?3D視景?模擬器設(shè)備?2D虛擬儀表/控件?VR/AR設(shè)備?觸摸屏設(shè)備

基于插件的二次開發(fā)

為了滿足用戶的某些特定需求，GCAir支持定制開發(fā)和定制界面。GCAir提供了基于插件的二次開發(fā)功能，插件與GCAir實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)通信，完成定制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真與人機(jī)交互，確保了定制軟件的獨(dú)立性與開放性。其核心功能和示意圖如下所示：

?插件代碼具備獨(dú)立性，定制化功能與GCAir框架解耦?無需修改GCAir代碼，滿足對GCAir的定制化開發(fā)需求?基于C++/Qt插件開發(fā)

個(gè)性化定制

?機(jī)柜整體定制：分析工程需求，評估硬件設(shè)備及設(shè)計(jì)方案，定制專業(yè)機(jī)柜?模型定制：定制專業(yè)模型庫，航空、航天、車輛…?硬件總線定制：總線、板卡、AI/AO、DI/DO……?顯示定制：三維視景、面板…

GCAir產(chǎn)品優(yōu)勢

●虛實(shí)結(jié)合仿真測試驗(yàn)證?GCKontrol與GCAir形成了控制系統(tǒng)一體化工具鏈，支持從純虛擬模型設(shè)計(jì)、代碼生成、實(shí)時(shí)仿真，到半實(shí)物仿真全生命流程開發(fā)

●豐富的多源異構(gòu)模型集成接口?GCAir接口豐富，可對不同軟件開發(fā)的模型及不同的硬件設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，提高了模型的置信度及模型運(yùn)算效率

●與需求分析軟件無縫銜接?按照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用場景和需求，來定義軟件功能，能夠解決實(shí)際工程問題，并且需求與設(shè)計(jì)之間的迭代以工程文件的形式保存

●V流程全生命周期測試支持?針對需求建立測試場景，以文件形式保存測試用例，從純虛擬測試到半實(shí)物測試，實(shí)現(xiàn)全生命周期測試自動化，有效縮短產(chǎn)品對需求的驗(yàn)證

關(guān)鍵詞：