军用嵌入式仿真技术的体系结构研究

摘要：基于目前军事装备研发与训练中对临时性模拟过程的需求，采用了技术融合的方法，将嵌入式技术和仿真技术整合，将仿真作为最终目的，将嵌入式技术作为其实现形式，研究了军用嵌入式仿真技术的体系结构。结合理论推演和相关技术的探讨，论证嵌入式仿真技术应用的可行性。并最终提出实现嵌入式仿真技术的解决方案，满足了军事装备研发与训练中对临时性模拟过程的需求，填补了其基础理论的空白。
关键词：电路与系统；体系结构；综述；仿真

嵌入式仿真技术由嵌入式技术和虚拟仿真技术整合而成，以仿真技术为主要功能，以嵌入式技术为实现形式。
仿真技术模拟环境和状态对用户产生的影响；同时允许用户对仿真产生动作，将动作效果反馈给用户。仿真技术必须依靠有效的体系结构，不同级别的仿真系统体系结构也不同。战役或战术级别的仿真技术需要随装备或部(分)队行动，因此该级别的仿真技术正在向小型化、可编程化和模块化发展。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统的对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
嵌入式仿真技术是将仿真技术的核心软件植入嵌入式系统，依靠嵌入式系统的运算处理能力、探测控制能力、通信能力和存储能力完成仿真过程。

1 军用嵌入式仿真技术基本理论体系
1．1 嵌入式仿真技术基本功能
军用仿真技术研究两个方面：武器装备仿真和作战仿真。仿真技术将部队实装研究与训练、演习、作战推演转化成由计算机虚拟完成的逼真过程，以减少周期和资源投入，其可重复使用的特点又方便了装备或作战研究。嵌入式仿真是在实现仿真功能基础上，进一步实现小型化、可编程化和模块化。
1．2 嵌入式仿真技术功能实现
嵌入式仿真技术3个要素是系统(被仿真对象)、系统模型和嵌入式设备。联系这3个要素的基本活动是模型建立、仿真方案生成和仿真试验，辅以验证、分析和反馈。

1．2．1 建立模型和仿真方案生成
仿真技术建模方法包括机理建模方法、系统辨识建模方法、多分辨率建模方法、面向对象建模方法、多视图建模方法、数据可视化建模方法、多媒体建模方法、面向组件建模方法和面向服务建模方法等。模型是嵌入式仿真技术的基础，模型是否准确地描述了被仿真对象，是结果是否可信的前提。因此要进行模型验证，包括可信性验证和一致性验证，以检查模型是否正确地描述了实际系统，以及模型输出是否充
分接近实际系统的行为。
1．2．2 仿真实验
仿真实验是嵌入式设备依据系统模型和仿真方案，自动计算并给出虚拟环境和虚拟状态供用户动作的过程，这是由嵌入式设备硬件和软件共同完成的过程。仿真实验以自动控制技术为理论体系，以虚拟环境和状态的瞬态变化为激励，以用户动作为响应，再以该动作对虚拟环境和状态产生的效果的反作用为反馈，整个过程是闭环控制过程，可归纳为如下数学模型

G为虚拟环境或状态，Gb为仿真结果，H为系统处理过程，s为时间。如过程中存在用户先于环境状态反馈的动作，则应增加前环反馈，模型与上式基本相同，但H(S)应展开为

其中Gr(s)、Gp(s)和Gc(s)定性地代表仿真过程中增加前环反馈后可能存在的处理过程。
1．3 嵌入式仿真技术系统组成
嵌入式仿真技术的理论体系包括嵌入式物理效应设备、嵌入式仿真支撑平台、基础软件系统和模拟仿真系统。
嵌入式物理效应设备有软件控制，在虚拟环境和虚拟状态中生成逼真的物理效应。仿真支撑平台融合多种技术，包括仿真系统总体技术、建模／仿真试验／评估工具引擎技术、VR／可视化技术、集成框架／平台技术、中间件技术、网络／通信技术、数据库／模型库／知识库／内容管理等，为仿真过程提供处理、存储、控制和通信能力。基础软件系统类似于计算机操作系统，为应用软件提供必要保障。
模拟仿真系统完成仿真的核心过程，它是基于数据库建立起来的算法，必须囊括被仿真系统模型的所有信息，这些信息经过算法调用生成虚拟环境和状态。接收用户反馈后给出效果，并通过物理效应设备输出效果。模拟仿真系统进行仿真的基本方法有数据查询和实时演算。数据查询是根据反馈在数据库中查找对应数据，是经验式仿真，速度快，应变能力差。实时演算是将反馈信息引入算法，直接计算，是推演式仿真，应变能力强，速度相对慢。这两种方法往往综合运用。

2 军用嵌入式仿真应用系统硬件结构
2．1 应用系统硬件基本结构
嵌入式仿真应用系统的硬件系统是其理论体系中硬件体系的具体化和产品化，同时以实有硬件的具体功能性能为依据。完整的嵌入式仿真应用系统硬件结构应如图2所示。