基于虚拟样机的仿真系统校核、验证与确认研究
文 | 吴大林,马吉胜,李伟
配图 | 来源互联网
1引言
计算机仿真的目的是利用仿真模型来模拟与推断实际系统的真实性能。模型的正确性和精确度直接影响到仿真的置信度,如何保证建立的计算机仿真模型的正确性是仿真建模的一个重要问题。随着建模与仿真(M＆S)的广泛应用,校核、验证和确认(VV＆A)技术得以迅速发展,实践证明,只有确保建模与仿真的正确性和置信度,其仿真结果才具有实际应用价值和意义,而采用VV＆A技术是降低建模与仿真的风险,提高仿真可信度的有效途径。
目前,在VV＆A领域针对分布交互式仿真(Distributed Interactive Simulation, DIS)的研究比较多,而对虚拟样机仿真的校核、验证与确认的研究却存在误区,认为只要把虚拟样机模型的仿真运行结果与实测数据进行对比,就是对样机模型的校核与验证。本文介绍了虚拟样机特点,阐述了仿真系统VV＆A概念、过程及方法,最后制定了适合虚拟样机仿真系统的模型验证方法及验模的原则。
2虚拟样机技术
虚拟样机(Virtual Prototype)就是工程人员利用计算机仿真平台,针对已存在的或设计中机械设备建立的系统仿真模型,使它从外观、功能和行为上模拟真实产品,而且用户可以对其仿真模型进行各种虚拟实验、分析,最后以图形来显示该系统在真实工程条件下的受力及运动特性,从中发现不足,进而预测故障、分析原因、优化完善设计方案。采用虚拟样机技术,用数字化样机代替传统的物理样机,可以简化产品的研发过程,缩短产品的开发周期,降低开发费用及成本,提高产品质量,获得最优化的设计产品。
机械系统仿真技术的核心是机械系统运动学和动力学仿真软件。目前最具代表性的仿真软件有ADAMS(Autoalys-is ofMechanical System)和DADS(Dynamics Anaysis and Design System)。下面以ADAMS为例,虚拟样机仿真研究的步骤主要包括以下几个方面:
1)机械系统建模:通过研究机械系统的组成,建立构件的CAD三维模型,分析构件之间的相对运动及受力关系,施加运动幅与载荷。
2)仿真试验分析:设置仿真结果输出,进行仿真试验,得到仿真结果。
3)模型验证:输入实验数据,进行对比分析,验证模型的正确性。
4)模型修改:通过模型验证,得到仿真结果与实际机械系统结果的差异程度,在此基础上,调整样机模型的参数,重新进行仿真试验。
5)优化分析:以模型中主要设计影响因素作为优化的对象,进行试验设计研究,对模型进行系统最优化研究。
3仿真校核、验证与确认的概念及方法
3. 1 基本概念
模型校核(verification)的目的是解决模型是否正确的问题,即证实模型转换是否具有足够的精度;
模型验证(validation)是从预期应用的角度来确定模型表达实际系统的准确程度,其目的和任务是根据建模和仿真的目的和目标,考察模型在其适用范围内是否准确地代表了实际系统,达到了仿真与建模的目的;
模型确认(accreditation)是一权威机构对是否接受模型的决定,它表明官方或决策部门已确定模型适用于某一特定的目的。
3. 2 VV＆A基本步骤
为了使仿真用户和决策者对模型、仿真系统及其结果有足够的信心,VV＆A必须贯穿于建模和仿真的全生命周期。
美国国防部把VV＆A工作划分为确定VV＆A需求、计划设计、概念模型校核、系统设计校核、系统实现校核、系统应用校核、系统验收七个主要步骤。在佛罗里达大学的仿真训练技术研究所组织的DIS研讨会上,讨论并通过了关于分布交互仿真系统DIS校核、验证与验收的九步过程模型,它定义了DIS系统开发生命周期各个阶段所应进行的校核、验证与验收工作[1]。下面结合虚拟样机仿真系统的实际情况研究制定了虚拟样机仿真系统的VV＆A七步过程:
第一步,制定VV＆A评估计划:在开发虚拟样机之前就应进行概念化仿真系统VV＆A计划,建立VV＆A方案的基本框架,包括VV＆A的主要步骤和可能需要进行的评估工作列表。
第二步,虚拟样机软件的校核、验证:目前,虚拟样机软件都已经商业化,由于软件专利方面的原因,对仿真软件的VV＆A还是一个难题。
第三步,校核机械系统的物理模型:因为各个构件的运动及动力特性都已抽象成一个个物理模型,所以在把物理模型转化为虚拟样机之前,需对实际的物理模型进行校核,检查物理模型的准确性,包括构件的质量特性、几何特性及各个力学模型,这一步应是VV＆A的重点工作。
第四步,用户子程序的校核:虽然建立虚拟样机采用的是商业化动力学分析软件,但为扩展其应用范围,还需用户开发一些外挂程序描述系统的力学特性,因此这一步应是必不可少的一个环节。
第五步,验证系统试验结果:这一阶段的主要目的是确认虚拟样机仿真系统在多大程度上反映了真实物理模型的运动学及动力学特性,是否具有足够的精度达到预期应用目的。
第六步,进行样机模型确认:负责系统验收的权威机构要审核虚拟样机系统校核、验证工作的结果,全面回顾和评价在系统仿真过程中进行的V＆V工作,并最终作出对该仿真是否可用的正式确认,对系统的可接受性问题作出验收决定。
第七步,制定VV＆A报告:VV＆A报告要详细记录虚拟样机系统VV＆A工作的各项成果,该报告将汇集到该仿真系统的资源仓库,并为以后的仿真应用提供依据。
仿真系统的不断应用可以提高系统的可信度,而对应用进行VV＆A评估,详细分析每次应用中出现的问题和解决的办法,记录系统所进行的修改,如质量刚度,阻尼以及其它力学参数的变化等。这些工作将对更大规模的仿真系统的开发和该系统的重用性提供参考依据、因此完成系统VV＆A工作后,在虚拟样机的开发仿真系统的的应用过程中,还要做好VV＆A的再评估工作。
3. 3 校核与验证方法
仿真系统的校核与验证方法是在仿真系统VV＆A过程中为完成VV＆A工作各阶段目标而采用的各种技术、工具、策略等的总称。在VV＆A领域,主要以仿真程序的校核为主,方法有:非正规方法、静态分析、动态测试、符号分析、约束分析、理论证明等[1,7]。对于虚拟样机仿真而言,模型的校核工作包括对虚拟样机软件与样机模型的校核,但是,正如上文分析,由于目前软件的商业化及专利方面的原因,对软件的校核存在一定的困难。因此,虚拟样机仿真系统的校核工作主要侧重于对样机模型各参数设置、运动约束及理论模型的校核。校核虚拟样机的方法应是定性的,可从以下三个方面来考察:利用ADAMS中的模型校核命令,来检查运动幅连接是否正确或模型建立的是否合理;从虚拟样机的仿真动画演示,观察各机构的动作顺序、方式及运动轨迹是否与物理样机一致;采用专家评估的方法,观察样机中构件的受力与运动是否符合工程实际,运动学与动力学分析结果是否可信。
对于复杂的仿真系统,要从理论上验证模型的正确性及可信度,是非常困难的,判断虚拟样机模型及其仿真结果是否准确的最终办法是通过与实际机械系统的试验数据进行比较,即考察试验数据与仿真结果的一致性。常用的模型验证方法如表1所示。
表1所列的验证方法,可分为定性和定量两大类:定性方法是通过主观确认的方法或者计算某个性能指标值(如TIC不等式系数、灰色关联系数等)来考核仿真输出与实际系统输出之间的一致性,它最终只能给出定性结果;定量方法(如谱分析法)可以对仿真结果与实际系统运行结果之间的一致性进行定量的分析,它适用于对试验结果的动态性能的验证。在决定采用何种方法时,应考虑方法的适用范围及研究对象的特点,综合选用多种方法,从不同角度对仿真模型进行验证[1,2,4]。
在进行仿真模型验证时,需要对物理样机的实测数据进行检查,应保证实际系统的试验条件及其它运行条件与虚拟样机的一致性,如果试验条件不一致,那么仿真结果与实测数据就没有可比性[3]。
通过对常用模型验证方法的分析,结合虚拟样机仿真系统的特点,判断虚拟样机模型及其仿真结果是否准确的办法有主观确认法、动态关联法及频谱分析法。
1)主观确认法
主观确认法只能给出一个定性的评价,可以通过比较仿真结果输出曲线与实测数据曲线的外形轮廓、幅值或均值,来验证样机模型与实际模型的一致性。它由于操作起来比较直观且应用简便,可以作为对虚拟样机的概略验证。
实行时,通常是由一些专家组成的分析人员,凭经验对模型进行评估,它最大的缺点是易受分析人员主观意志的影响。为降低主观意志在评估过程中对评价结果的影响,应在事先制定相关的评价准则或评分标准。
2)动态关联法[5,7]
动态关联法也是一种定性的评价方法,它的基本思想是:通过两个序列的误差计算,可以给出某一性能指标来度量两个时间序列一致性的程度。包括THEIL不等式法、灰色关联度法。
对于单输出的时间序列,THEIL不等式系数定义为:
xt是实际系统运行时主要测量参数的时间序列;
yt是仿真系统仿真运行时产生的相应时间序列。
当ξ取值比较小时,仍能得到较大的γ(γ > 0. 5),则认为仿真模型输出与参考输出之间具有较强的相关性,而且对于取定的ξ,γ越大二者的关联性越强。其中,λt是权函数,它的取值一般要根据具体的问题凭经验而定。
3)谱分析法
谱分析法的原理是:计算两个随机序列在频率域中的功率谱,通过比较功率谱的一致性来判断两个随机序列一致性的程度。它适用于对试验结果的动态性能的验证,在虚拟样机仿真系统中,对分析仿真输出特性时,可以通过比较仿真模型输出频谱与实际系统测试频谱的一致性来确认仿真模型的有效性。
从谱估计来说,人们总是要求有较小的分辨误差和方差。在有限观测时间内,减少分辨误差将导致方差的增大。
因此,一个良好的谱估计总是在两者之间寻求一种折衷,如经典的Fourier谱估计。然而它存在明显的缺陷,于是Burg提出最大熵谱估计,它是基于相关函数的变换,方法是用随机过程所对应的概率密度函数之熵的最大值把自相关函数进行外推。由于它具有较高的分辨率,因此应用得比较普遍[6,8]。
4验模的原则
为避免在验证虚拟样机仿真系统时产生一些不必要的错误,以提高VV＆A工作的效率,在虚拟样机的VV＆A过程中,应该遵循以下几条原则:
1)没有绝对有效的模型:因为仿真是对实际系统的一种模拟,所以追求绝对完善的模型是不实际的;
2)仿真模型的可信度应根据仿真对象与仿真目的来确定:不同的研究对象对模型的精度要求是不同的。这取决于仿真预期对仿真结果精度的要求,仿真可信度需由研究对象来评判;
3)只需对虚拟样机的重要方面提出可信性要求;
4)VV＆A工作要科学,要有计划性和独立性;
5)实验验证数据要可信,应保证仿真条件与实验条件的一致性。
5结束语
VV＆A过程是建立有效的仿真模型的重要保证,对于降低仿真风险,提高仿真的可信度具有重要的作用。本文在分析虚拟样机的特点及仿真步骤基础上,讨论了仿真系统的VV＆A过程、方法及验模的原则,并对虚拟样机的VV＆A过程进行了初步的研究。目前分布交互式仿真系统的VV＆A研究起步较早,相应的标准和研究成果比较多,对虚拟样机仿真的VV＆A工作还未全面展开,下一步应对虚拟样机仿真系统VV＆A进行深入的研究。
参考文献:
[ 1] 刘庆鸿,等.建模与仿真校核、验证与确认综述[ J].系统仿真学报,2003, 15(3).
[ 2] 贾荣珍,等.建模与仿真的校核、验证和确认工作模式[ J].飞行力学, 1999, 17(1).
[ 3] 汤淑春,文传源.仿真结果与试验数据的一致性研究[ J].系统仿真学报, 1998, 10(4).
[ 4] 王子才,等.仿真系统的校核、验证与验收(VV＆A)现状与未来 [ J].系统仿真学报,1999, 11(5).
[ 5] 杨惠珍,等.水下航行器制导仿真的校核、验证和确认技术 [ J].系统工程与电子技术,2002,24(9).
[ 6] 张金槐.谱分析方法在仿真结果分析中的运用[ J].国防科技大学学报,1998,20(3).
[ 7] 康凤举.现代仿真技术与应用[M].国防工业出版社,北京:2001 -9.
[ 8] 应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].中国铁道出版社,北京:1985.
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