网络分布式虚拟汽车平台

根据现有的产业协作模式，子系统仿真模型在地理上和功能上都分布于不同的供应商中，针对这种散乱局面，有些数字化工具已经开始考虑支持分布式供应链的运作［2］～［7］，用产品信息流动管理来支持主机厂与供应链之间的常规商业流程，已经在全球范围内多家公司得到应用。大多数产品生命周期管理（PLM）解决方案是建立在传统CAD平台之上的，如Pro/ENGINEER、UG。除了产品信息的管理，使用分布式模型描述一个整车同等重要。新的动态数据驱动应用系统（DDDAS）［8］，可以将实时数据合并到动态仿真过程中。为合理利用分布式资源来模拟复杂的系统，Winchill［9］建立了混合和共享分布式计算资源平台，可以对分布零件进行耦合。文献［10］～［12］尝试了分布式仿真开发。

在文献［13］中，研究人员提出了基于分布式系统的虚拟汽车中央求解器Mega-Solver。这个概念包括一个组件模型库，可使不同的软件系统在多层次仿真平台和不同的物理位置同步执行仿真。例如，碰撞模型在DYNA里运行，轮胎模型在ABAQUS中运行，柔性框架在MSC/NASTRAN中运行，发动机燃烧在MATLAB/SIMULINK中运行，多体动力学模型可以在ADAMS中运行。Mega-Solver利用包裹工具通过网络为模拟服务器和仿真工具提供连接，通过胶算法为仿真模型提供耦合。该仿真平台甚至可以实现客户驱动设计，通过授权访问客户，子系统供应商可以设计和模拟他们自己的汽车来为客户提供自己独特的设计。在快速搭建虚拟汽车的同时，Mega-Solver允许子系统工程师将自己的初步设计放入一个完整的虚拟车辆模型进行预验证。这时，虚拟汽车模型对子系统工程师来说只是一个黑匣子，在分布式仿真环境中使用虚拟汽车模型是毫不费力的，设计者可以在早期设计阶段就开始测试其设计方案。在Mega-Solver环境下，设计团队可以同时工作在一个整车系统中，从一开始就避免零部件和子系统之间潜在的不兼容。这种工作平台被称为“网络分布式虚拟汽车平台”。

网络分布式虚拟汽车平台必须应对两大挑战，首先，网络分布式子系统模型允许独立开发，允许使用不同的软件，在不同的地理位置运行在不同的计算机上；第二，允许子系统保护专有信息，允许不直接分享模型，在耦合模拟中只交换有限信息，这就要求分布式仿真平台具备以下功能：

（1）以即插即用的形式耦合不同的模型和软件求解器；

（2）通过网络分布式交流计算资源；

（3）保持零件模型的独立完整性。

这些要求需要一种新的融合算法，可以在无须获得组件模型内部细节的前提下整合子系统模型。系统应该能够整合建立在不同软件产品上的模型，如建立在MSC/NASTRAN上的有限元模型和MATLAB的控制模型，同时能够在不同的操作系统之间通信，如UNIX和Windows。分布计算平台必须解决以下关键技术：

（1）开发有效的黏合算法，整合子系统模型时满足要求误差限度要求；

（2）定义能够描述模型的通用规则；

（3）定义描述模型输入和输出的标准和协议，以便实现不同模型之间的相互交流；

（4）开发现有仿真软件的包裹方法，以便系统地得到模型的输入和输出；

（5）设计分布式系统的结构，能进行异构操作系统交流和适应未来扩展。

分布式仿真目前已经具备了一定的环境基础。几个研究网络仿真的框架，如ns−2［14］INSANE［10］和NetSim［11］，提供了丰富的API和工具，现已经被广泛使用。其中的NetSim可提供轻便的仿真环境和丰富的图形用户界面，用Java编写。HLA（高级结构）是一个通用的仿真互用和重用的结构，起初由美国国防部开发［12］，已被广泛用于战争模拟游戏，并逐渐被其他国家采纳［15］，［16］，在2000年9月［12］被电气和电子工程师协会（IEEE）批准为一个开放标准，已经引起了制造业和交通运输业的重视［17］，［18］。HLA还支持语言独立和平台独立结构模拟，所以是一个很好的候选开发工具。

目前流行的商业化软件包括CORBA、DCOM、RMI［19］和SOAP［20］，［21］。CORBA（公共对象请求代理体系结构）是由OMG提供的供应商交流标准平台，许多分布式仿真工作都是建立在此基础之上的。DCOM（分布式零件对象模型）标准是由微软提供的，虽然仅限于Windows操作系统，但是无处不在的桌面微软软件使其难以忽略。SOAP规范定义了统一的传递XML编码数据的方式，此外还定义了利用HTTP作为底层通信协议执行远程过程调用（RPC）的方式。XML提供了一种元语言来表达客户端与服务器之间或组合服务的组件之间的复杂交互。鉴于XML和HTTP平台的独立性［21］，也可以作为有前景的分布式技术的基础。

基于网络的分布仿真背后的基本思想是在浏览器中完成预处理或后处理，它无须额外措施就可实现全球虚拟访问，大部分成果利用了Java语言［22］～［26］。文献［22］中，作者展示了基于Java的网络图形交互中高性能的后处理、交互式图形环境和通信延迟影响。当然，如文献［25］所述，大型工程模型在网络浏览器中的可视化仿真仍然是一个挑战。分布式仿真平台通常采用一些标准APIs以便于用户把他们的仿真放入平台［26］～［29］，文献［27］提出了通过包裹模型来保护知识产权的想法，但没提供通用仿真算法。其他几个市场上的仿真工具也具备有限度的分布式仿真能力（如ISIGHT［30］和FIPER），自动优化，并在预处理和后处理时节省大量时间。这些工具主要还是关注仿真任务的简单并行执行，而没有讨论分布式仿真系统中耦合仿真的困难。

目前，最常见的分布式仿真是多学科联合模型仿真［31］～［33］，每个学科的模型被包裹成一个仿真对象，在一个数字通道里进行计算，然后通过一个优化算法进行多学科优化设计。多学科仿真只是综合了不同通道的单向计算结果，还无法实现多层次子结构的分布式计算，以及子系统详细模型的多目标同时优化设计。在已有单一学科模型的分布式算法研究中，往往是假设已经先有了整体模型，其目的是实现子系统最优分解，以提高求解的规模和效率。传统子结构方法（如文献［34］）是分布式有限元仿真的雏形，子系统端同时生成刚度矩阵和载荷向量，并发送到中央服务器组装。文献［35］采用了一种叫作FETI的子结构方法，引入了额外的前置变量，使耦合更加有效。如文献［35］、［36］所讨论的，这些努力只专注于现有大型系统的有效划分，而不是耦合已经分布的系统。目前，在多体动力学领域，已经开始研究如何划分子系统和进行并行计算（如文献［27］、［37］～［47］），其中，文献［42］提出了模块化多体系统概念，用“模块图表”表示的子系统可以嵌入SIMULINK仿真包进行计算。“Co-simulation”［43］采用“离散时间滑动模式控制器（DTSM）”，以满足子系统之间的几何约束并解决约束违反的问题。

密西根大学的研究［48］提出了“黏合算法”概念，并提出了包括MEPI（Maggi’s Equations with Perturbed Iteration）和MOPM（Manifold Orthogonal Projection Method）等理论和算法。文献［2］进一步扩展了“黏合算法”的概念，给出了“黏合矩阵”更一般的算法以及构成分布式仿真平台的三个基本要素，其中包括XML模型描述、黏合算法和分布系统结构。文献［3］将分布式仿真平台推广到了柔性多体动力学系统，提出了瞬时质量中心的概念，并以此为基础进行刚体运动和弹性变形的解耦，以求更有效地用分布式方法求解多柔体动力学系统的问题，而多柔体动力学系统是进行整车动力学分析的最一般的模型。文献［3］还进一步提出了处理多柔体动力学系统中非线性弹性连接件的一般方法，使分布式仿真平台可以处理像汽车悬挂系统这样具有大量非线性弹性连接件的问题。本章所介绍的Mega-Solver主要是文献［2］、［13］、［52］中完成的研究内容。需要指出的是，分布式仿真平台的基础理论，特别是在收敛性、计算效率及实用性能等方面近期已经取得了实质性的新进展，但在本书中所述的基本原理仍然保持不变。Mega-Solver遵循通用、自由、灵活的黏合策略，将每个子系统模型视为一个黑匣子，用一致的界面对模拟求解器进行包裹，其中可以包括研究用求解器和已商业化求解器，并且可把每个子系统模型及其求解器变成分布式仿真平台中的即插即用式零件。