常务副会长李京燕企业世冠科技“虚实融合仿真一体化解决方案”获2019中国（天津）工业APP创新应用大赛优秀解决方案
北京福建企业常务副会长李京燕企业北京世冠金洋科技发展有限公司的“虚实融合仿真一体化解决方案”荣获2019中国（天津）工业APP创新应用大赛优秀解决方案，该方案在工业技术软件化产业联盟微信公众号《工业互联网APP优秀解决方案分享·第一季·第九期》上刊登。
为贯彻落实国务院《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，按照《工业互联网APP培育工程实施方案（2018-2020年）》（以下简称《实施方案》）要求，由工业和信息化部、天津市人民政府主办，天津市工业和信息化局、中国工业技术软件化产业联盟、工业和信息化部电子第五研究所联合承办的2019中国（天津）工业APP创新应用大赛（以下简称“大赛”）已圆满结束。
本次大赛涌现出了一批具有示范效应、产业带动性强的优秀作品，为加强典型经验总结和优秀案例推广，推动工业互联网APP生态建设，中国工业技术软件化产业联盟将陆续甄选部分优秀解决方案与各位分享。 本期分享的优秀解决方案是来自北京世冠金洋科技发展有限公司的“虚实融合仿真一体化解决方案”。
北京世冠金洋科技发展有限公司
虚实融合仿真一体化解决方案
01 作品概述
虚实融合仿真一体化解决方案GCAir通过系统架构设计模块（SystemArchitect）、测试模块（TestManager）、实时仿真机三大部分，实现了建模、仿真、测试一体化。
本方案通过图形化的建模方式搭建全系统模型，实现了对仿真系统的模块组成及模块间的复杂接口关系进行建模，解决了仿真模型传递与复用率低的问题，降低了建模复杂性。
本方案可自动生成多工况、大样本的试验配置并自动生成分析报告，提高了测试覆盖率。平台中的半实物仿真系统，实现了从全虚拟仿真到半物理仿真之间资源复用，数字模型和硬件模型一键式切换，保证了仿真平台的一致性，降低了数据损失风险。
目前，该解决方案GCAir在商飞的国产大飞机C919以及商发和航空611、602等科研院所的国家重点科研课题和项目研发过程中已得到成功验证，为大型复杂装备系统的研制提供了强大支持。
02 技术架构及难点分析
（一）技术架构
虚实融合仿真一体化解决方案GCAir由系统架构设计模块（SystemArchitect）、测试模块（TestManager）、实时仿真机三大部分组成，如图1：
图1 系统架构
系统架构设计模块SystemArchitect主要用于系统建模，可对仿真系统的模块组成及模块间的复杂接口关系进行建模，通过对FMU模型、Python脚本模型、CSV数据源模型以及用户自定义变量等基础模型进行图形化整合封装，形成元模型库，并能够图形化搭建全系统模型，提供给仿真平台，降低了建模复杂度，提高了工作效率；同时便于模型统一管理，规范了工作流程。
图2 GCAir/GCSpace工作流程
测试模块TestManager用于进行仿真系统的测试，支持通过批量修改测试用例的方式，自动生成多工况、大样本的试验配置，对仿真工程进行自动化测试，并汇总参数化的仿真数据、图表，自动生成分析报告；提高了测试覆盖率，减少人工投入。
GCAir实时仿真机是半实物仿真系统，实现了从全虚拟仿真到半物理仿真能够复用所有资源；支持接入实时仿真机，模拟量/数字量/总线接口和多种类型板卡等（1553B、CAN、FlexRay……）操作；支持符合TCP接口协议的程序；支持COM组件调用；多线程分配。支持将数字模型和硬件模型进行一键式切换。既保证了仿真平台的一致性，又能减少人工投入、降低数据损失风险。
通过以上各模块的共同协作，让用户能够在GCAir平台中完成架构设计、功能设计、性能设计、虚拟试验、虚拟运行等操作。
（二）难点分析
（1）模型缺乏统一的编码，形成“模型孤岛”
目前，各专业学科的模型已经被大量应用于工程设计的各个方面，但模型缺乏统一的编码，无法共享，建模工作仍处于“烟囱式”的信息传递模式，形成了一个个的“模型孤岛”，没有与系统工程工作流程良好结合，很容易出现数据丢失、仿真不准确的后果。因此迫切需要仿真模型的传递和复用，保证各方人员围绕统一的系统模型开展需求分析、系统设计、仿真等工作，便于工程团队的协同工作。
（2）尚未形成基于统一模型管理，模型更新迭代推动难度大
目前的协同设计以图、文档协同为主，尚未形成基于统一模型产品数据及研制过程的跨专业协同能力，各系统模型间接口标准性差，基于文档的建模标准管理，使得模型更新迭代推动难度大；因此将传统的基于文档的系统工程，转化为基于模型的系统工程显得尤为必要。
（3）系统模型协同仿真难度较大
各专业领域建模工具不统一，模型结构、接口差异性大，各系统模型协同仿真难度较大，多数仿真是独立的针对某单独学科的仿真，多物理场耦合仿真建设工作还有待完善；一款可以充分利用已有的模型，同时还能够集成包括多源异构模型在内的其他资源的平台工具紧缺。
（4）测试脚本复用率低
目前研发单位在进行仿真测试的时候，需要编写测试脚本。在编写仿真测试脚本时，研发单位需要先学习仿真测试脚本的程序语法，以及学习如何使用编写脚本的编辑工具，同时仿真测试过程中存在着测试脚本复用率低的问题。为解决这一问题，应实现自动化测试。
（5）全虚拟仿真到半实物仿真便捷切换
从全虚拟仿真到半实物仿真的便捷切换，在同一平台上进行两种测试，工作者需重复建模，增加人力投入成本，实现全虚拟仿真到半实物仿真便捷切换功能非常必要。
（6）运维保障难度大
由于系统集成度高，使用环境复杂，难以对其使用状态进行评估，使用中一旦出现问题很难复现，使用期间的维护保障难度越来越大。
03 创新性经验
该解决方案的创新性主要体现在工业技术创新和管理模式创新两方面。
（一）工业技术创新
（1）在研发初期的需求分析和建模阶段，基于GCAir仿真软件的系统建模工具SystemArchitect模块，实现了图形化建模，将传统设计研发基于文档的系统工程（TSE）方法所带来固有的隐形因素转化为显性。
（2）GCAir的应用实现了研发初期需求分析阶段与详细设计阶段的需求传递；对后续的设计阶段，GCAir可以支持各子系统模型集成、ICD总线管理，保持模型和数据总线设计管理的一致性。
（3）在研发设计的测试阶段，基于GCAir仿真软件的自动化测试模块TestManager，支持大样本下的自动化测试，极大提高了测试覆盖率，同时改善了传统测试方法测试脚本复用率低的问题。
（4）基于GCAir仿真软件的半实物仿真系统，实现了半实物仿真模型与全虚拟仿真模型平台统一。
（5）在使用过程中，虚实融合一体化解决方案可提供从概念设计到产品验证的覆盖研发V流程的解决方案，从设计阶段的需求分析、方案设计、详细设计，到验证阶段的X-in-the-Loop，让用户能够在同一平台上完成架构设计、功能设计、性能设计、虚拟试验、虚拟组装、虚拟运行，获得更高的研发效率和研发品质。
（6）在后期的产品运维维护阶段，本方案有效地解决了支持产品的健康管理、操作员/飞行员的虚拟训练，以及数字伴飞等运维工作。
（二）管理模式创新
“基于模型的系统工程”（简称MBSE）是国际航空界正在努力探索的一套解决大型复杂航空系统设计研发问题的科学方法，近年来逐渐被行业内外熟知，我国航空界也在大力推动MBSE的应用。传统系统工程中，系统工程活动的产出是一系列基于自然语言的文档，MBSE的提出，实质是将基于自然语言的系统工程转到模型化的系统工程，把人们对工程系统的全部认识、设计、试验、仿真、评估、判据等全部以模型的形式进行保存和利用。
虚实融合仿真一体化解决方案GCAir主要应用于研发前期的需求分析和架构设计阶段。在需求分析阶段，GCAir可承接设计需求，可以将架构设计对子系统模型输入输出的要求导出为标准的建模模版，嵌入到详细设计（子系统建模）的建模工具中，实现需求分析阶段与详细设计阶段的需求传递；研发设计阶段，GCAir可以支持各子系统模型集成、ICD总线管理，基于统一的建模标准搭建模型，保持模型和数据总线设计管理的一致性。实现了多专业、跨领域、多部门和多单位的协同工作，在模型重用过程中大大降低了风险，减少了工作量。在健康管理阶段，通过动态参数功能进行元部件或系统的故障注入，故障触发后，与故障模块相关联的系统要素均会表现出相应的故障特征，可以观察某个组部件的信号级故障对其他系统以及整机的影响，帮助工程师快速进行故障推演和故障定位。
本方案在传统基于文档的系统工程（TSE）转变为基于模型的系统工程（MBSE）的实践中，实现了模型集成、传递、复用技术突破，打通了全过程的模型传递与共享，实现MBSE技术在工具上的连续性，促进了MBSE与工业研制流程的融合，推动MBSE的应用和发展。
04 典型经验案例
虚实融合仿真一体化解决方案GCAir成功应用在国产大飞机C919、大型空间机械臂、数字卫星、航空发动机、某飞行器GNC系统开发、直升机起落装置专用仿真与分析软件开发等国家重点科研课题和项目的研发过程中，得到了成功的使用验证。
（一）国产大飞机C919项目
在国产大飞机的研发项目中，由于国产大飞机的研发涉及航空发动机、环控、液压、飞控、电气等多个子系统，在通常的研发工作中采用多种仿真软件来应对不同子系统的建模需求，如何将不同建模工具搭建的子系统模型集成，形成整机模型进行虚拟测试是一个技术难点。
图3 GCAir虚拟集成平台
GCAir提供了面向飞机研发需求的飞机级虚拟集成与仿真试验环境建设的整体解决方案，实现了多个子系统模型与飞机模型的集成与仿真分析，定制开发的各种飞机虚拟仪表面板和视景演示系统，可进行基于任务脚本的自动化飞机级虚拟仿真试验，以及人在回路的虚拟驾驶仿真试验。同时，该平台可以支撑虚拟铁鸟仿真测试，为国产大飞机的研制提供了强大的支持。
（二）大型空间机械臂系统仿真项目
空间机械臂是集机械、视觉、动力学、电子和控制学科为一体的高端航天装备。
由于空间微重力环境，空间机械臂的设计与传统的地面机械臂存在很大不同，传统机械臂的设计经验很难直接应用到空间机械臂上，在地面模拟三维空间零重力环境并开展系统级全物理验证存在很大困难。
为满足其多学科、多系统高度集成的要求，可通过系统仿真技术解决该问题。通过本方案，可在计算机中实现一个与真实空间机械臂具有相同功能特性的虚拟机械臂，可达到让物理空间的机械臂实体和赛博空间的虚拟机械臂同步，最终实现虚实融合、以虚控实。本方案成功地支撑机械臂研制、虚拟测试任务。
图4 虚拟机械臂
（三）数字卫星仿真平台
由于卫星工作环境复杂程度高，对卫星的设计进行试验验证有很大的难度。另一方面，由于卫星长时间工作于复杂的太空环境中，在轨卫星安全可靠运行的保障难度越来越大，可能发生故障的卫星、带故障运行的卫星甚至完全失效的卫星越来越多。因此，对卫星的设计研发要求也越要越高。
应用本方案的多源异构模型虚拟集成技术并通过内嵌的建模标准，开发了一个用于支持数字卫星系统设计、在轨卫星稳定运行的，满足多源异构模型集成需求的数字卫星系统仿真软件平台，实现了在地面预演卫星轨道作战任务，并在真实任务中提供实时支持，实现了卫星故障的仿真、推演和反演，有利保障卫星安全稳定和长寿命在轨运行等。
图5 数字卫星系统仿真平台视景图
图6 数字卫星系统仿真平台示意图
图6 数字卫星系统仿真平台示意图
（四）飞发一体化综合仿真系统项目
GCAir除成功应用在国产大飞机C919、大型空间机械臂项目中，还应用于飞发一体化综合仿真系统项目。
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