基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法.pdf

系统仿真学报系统仿真学报Journal of System Simulation第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法刘紫寒，侯凌霄，李杨，王智广，张武龙(北京仿真中心 复杂系统建模与仿真全国重点实验室，北京 100854)摘要摘要：面向自动化、通用化半实物仿真能力提升需求，提出了一种基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法。基于半实物仿真技术构建了模块化、通用化的代码模板框架文件和专业技术成果资源库；基于HTML+CSS+JavaScript语言完成了响应式前端界面和引擎脚本文件设计；开发了面向半实物仿真的通用自动代码生成软件AutoSimRTX，有效支撑了半实物仿真验证系统的构建和实现。关键词关键词：自动代码生成；半实物仿真；自定义向导；模板；AutoSimRTX中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：1004-731X(2023)10-2279-09DOI:10.16182/j.issn1004731x.joss.23-FZ0856引用格式引用格式:刘紫寒,侯凌霄,李杨,等.基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法J.系统仿真学报,2023,35(10):2279-2287.Reference format:Liu Zihan,Hou Lingxiao,Li Yang,et al.An Automatic Code Generation Method for Generic Real-time Hardware-in-the-loop Simulation Based on Custom WizardJ.Journal of System Simulation,2023,35(10):2279-2287.An Automatic Code Generation Method for Generic Real-time Hardware-in-the-loop Simulation Based on Custom WizardLiu Zihan,Hou Lingxiao,Li Yang,Wang Zhiguang,Zhang Wulong(National Key Laboratory of Modeling and Simulation for Complex Systems,Beijing Simulation Center,Beijing 100854,China)Abstract:For the capability improvement demands of automation and generalization hardware-in-the-loop simulation system,an automatic code generation method for generic real-time hardware-in-the-loop simulation based on custom wizard is proposed.A modular and universal code template-based frame documents and professional resource library are constructed with years of technical accumulation in hardware-in-the-loop simulation.The responsive front-ends and scripts are designed by HTML,CSS and JavaScript and an universal automatic code generation software AutoSimRTX is developed,which effectively supports the construction of hardware-in-the-loop simulation system.Keywords:automatic code generation;hardware-in-the-loop simulation;custom wizard;template-based;AutoSimRTX0引言引言仿真技术以安全性、可重用性、经济性等特点，成为产品研制过程的有效支撑。随着科学技术的飞速发展，航天领域新型产品概念不断涌现，产品逐步向模块化、系列化发展。传统半实物仿真验证系统的研发模式已不再满足于高饱和、快节奏、低成本的研制需求，自动化、通用化半实物仿真能力提升迫在眉睫。实时仿真计算控制软件是半实物仿真系统的核心，其主要功能是依据通信协议实现产品实物模型、产品数学模型及仿真设备的闭环实时控制，模拟并验证产品在典型应用场景下的控制系统性收稿日期：2023-07-07 修回日期：2023-09-19第一作者：刘紫寒(1996-)，女，硕士，工程师，研究方向为制导控制系统半实物仿真。第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-能。传统实时仿真计算控制软件的研发模式存在3个问题：传统研发模式研发周期较长、成本高，实时仿真计算控制软件的研制大多从零开始，模型校核、接口设计、系统联调等环节均需投入较多研发资源和人力资源；以项目为牵引的软件设计存在大量重复工作，需要根据具体要求研制且输入会经常性调整，存在大量重复工作且易发生重复性质量问题；模块化、通用化理念相对薄弱，接口板卡驱动等专业技术资源未有效分类整合，不足以形成“需求-资源-产品”的精准引导模式，年轻设计师上手困难。面向自动化、通用化半实物仿真能力提升需求，针对以项目为牵引的传统研制模式质量管控复杂、软件研发缓慢等问题，本文广泛调研国内外自动代码生成技术研究现状，以半实物仿真多年积淀的成熟技术成果为基础，提出了一种基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法，运用模块化、通用化、自动化设计思想构建边界清晰、职责明确的专业技术成果资源库，并基于 Windows 7/XP 和 RTX2012 操作系统下的Visual Studio 2008/2010开发了响应式前端向导界面，可引导用户依据半实物仿真验证需求完成后端项目部署、模板文件管理、模板渲染及拷贝，生成半实物实时仿真代码，大幅缩短软件的研制周期，实现研制效率和质量的双提升，有效支撑半实物仿真验证系统的构建和实现。1自动代码生成技术自动代码生成技术自动代码生成技术是一项多领域多学科交叉的系统性工程，可根据用户需求自动生成源代码1-2，具有代码风格一致性良好、易于修改和升级、减少重复性工作等优点，已广泛应用于嵌入式系统联合仿真、生成工具引擎研究、应用软件开发等方面。当前，自动代码生成技术主要分为4类：基于模板、基于模型驱动、基于对象关系映射3和基于深度学习4的自动代码生成技术。基于模板的代码自动生成方法5-6由软件代码重用概念发展而来，对软件代码进行抽象、泛化后形成较为通用的模板，通过代码生成引擎依据不同的需求数据对模板进行渲染、转化，从而生成特定需求的程序代码。该方法具有快速高效、操作简单、针对性强的特点，适用于任务需求明确的软件系统。基于模型驱动的自动代码生成方法7-8首先将目标软件系统抽象为模型，而后基于模型到代码的映射规则自动生成代码。该方法不依赖于单一的语言和框架，具有开发效率高、可维护性可扩展性可移植性强的特点，但缺乏成熟的理论支持和转换工具，模型建立和转换过程较为复杂。基于对象关系映射的自动代码生成方法9-10则是基于面向对象和面向关系数据库的结合体，其具体实现：根据软件的功能需求建立实体关系图，通过代码生成引擎生成相应的模型层、持久层、业务逻辑层和基本的展示层代码。该方法适用于实体关系明确、数据库系统完备的领域模型，但生成的模型相对复杂，效率较低。基于深度学习的自动代码生成方法11借助机器学习和深度学习算法，利用数据驱动构建自动代码生成的解决范式。该方法能够有效应对不同的开发环境，提升软件开发的效率和质量，降低代码编写的门槛。但在这个过程中需要用到大量的自然语言和代码作为训练集，针对复杂任务需求所生成的代码可能存在无法运行或无法满足全部需求的情况。综上所述，当前自动代码技术已经有了一定的技术积累和应用实践。其中，基于模板的自动代码生成技术因实现简单、任务需求明确等特点被广泛应用于中小型企业。半实物仿真实验代码服务于系列化产品的控制系统性能验证，具有软件框架通用、实验资源库共用的特点。因此，本文提出了一种基于通用半实物仿真模板的方式进行 代 码 自 动 生 成 方 法，借 助 Microsoft Visual 2280第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023刘紫寒,等:基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法http:/www.china-Studio自带的VSWizard引擎，将任务需求输入自动转化为半实物仿真实验代码。2基于自定义向导的通用半实物仿基于自定义向导的通用半实物仿真代码自动生成方法真代码自动生成方法Microsoft Visual Studio 是 Windows 平台下应用广泛的集成开发平台，在VS2005以上版本中提供了“自定义向导”的功能。其中，可视化界面可实现用户与 VSWizard 引擎的信息交互，而VSWizard引擎则依据交互信息、脚本文件、模板文件完成特定需求下的项目创建。使用VSWizard引擎生成的自定义向导可作为内部插件直接部署在Microsoft Visual Studio软件中，适用于当前框架+插件的软件应用模式。因此，本文采用VSWizard作为引擎提出了一种通用半实物仿真代码自动生成方法，其结构流程如图1所示。用户通过向导界面完成任务需求的解析并生成相应的需求符号表，VSWizard引擎则根据需求符号表将模板文件渲染得到半实物仿真程序。2.1 向导与需求符号表设计向导与需求符号表设计本文基于HTML和CSS语言设计了各类设置的前端交互界面，引导用户完成指定需求的个性化配置。其中，HTML文档描述了人机交互对话框的页面布局，提供了实验室、接口板卡、通信协议、数据交互与存储等4类功能的个性化功能设置引导，并以超链接的形式实现功能间的快速检索定位；CSS文档则定义了下拉框、单选框、复选框等控件的外观和样式，譬如颜色、大小等。需求符号表是向导在执行过程中收集和使用信息的字典，是前端界面设置与后端项目部署数据交互的桥梁，其交互机理如图2所示。在前端HTML文件中，可以使用 windows.external 对象或者声明一系列基于用户动作的符号添加到需求符号表中，这些符号具有唯一性，是对用户在前端界面自定义动作的注解，将可视化的界面语言翻译成布尔值、数字、字符串等在内的机器语言。在后端js脚本文件中，使用Wizard对象访问需求符号表，根据各个符号的取值来实现基于用户选择的模型设置、仿真设备设置等基础资源个性化配置。此外，共享内存设置、实验参数设计等模块与半实物仿真软件的非实时人机交互部分(Windows进程)强相关，通过导入XML配置文件，结合时间和事件混合驱动的方式实现。2.2 模板文件设计模板文件设计在基于模板的自动代码生成方法中，包含各种预置定义的模板是不可或缺的一部分。根据模板内容可将模板文件分为固定模板文件和可变模板文件。固定模板文件是指经过严格测试的预定义的固定内容，在代码生成过程中由生成引擎VSWizard直接导入到代码中，内容不会发生任何变化。可变模板文件则是指根据功能需求可变的框架性实现，需要生成引擎VSWizard根据具体的功能参数对其进行裁剪、填充、细化处理，形成具体的代码文件12。图1 基于自定义向导的通用半实物仿真实时代码自动生成结构示意图Fig.1 Structure diagram of automatic code generation for generic real-time hardware-in-the-loop simulation based on custom wizard 2281第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-固定模板文件是基于半实物仿真技术成果的模块化、通用化的专业技术成果资源库和接口。专业技术成果资源库包括实验室仿真设备控制、接口板卡驱动、产品模型、通信协议、坐标系转换等专业技术代码库。为兼顾各功能模块间的互换、组合能力，采用模块化设计思想，结合模板指令进一步梳理构建出互换性强的通用化资源库接口文件，为资源库文件配备了完备的输入输出接口，预留模型静态链接库/动态链接库接口，便于向导进行参数匹配。可变模板则是在系统梳理了半实物仿真实验流程的基础上，形成的基于Window和RTX的初始化设置、实时模型解算和控制的通用化顺序执行代码框架。自动代码生成引擎VSWizard可以根据需求符号表中的符号将抽象化的代码框架模板实例化，生成满足特定需求的半实物仿真程序。模板框架文件的片段如下：模板框架文件片段代码段功能：添加头文件#include!output PROJECT_NAME.h!if LAB_TYPE_1|LAB_TYPE_2#include SimLab.h!endif!if LAB_TYPE_3#include SimulationDevice.h!endif其 中，PROJECT_NAME、LAB_TYPE_1、LAB_TYPE_2、LAB_TYPE_3均为需求符号表中的 符 号，由 前 端 向 导 界 面 传 出。!output PROJECT_NAME 为 打 印 功 能，输 出 符 号PROJECT_NAME的值。!if!endif为组合使用的判断语句，如果!if内的符号为1，则在生成的代码中保留!if!endif之间的语句，反之从模板中裁剪!if!endif及之间的语句。图3给出了可变模板和固定模板间的调用示意图。专业技术成果资源库及通用化接口文件可作为固定模板文件，以数据库或头文件的形式被添加至通用化顺序执行代码框架中，从而生成满足指定需求的半实物仿真程序。2.3 引擎脚本文件设计引擎脚本文件设计用户通过向导界面设置任务需求参数，并不直接与引擎交互。代码的自动生成是借助JavaScript脚本文件调用引擎所提供的接口实现的，通俗来讲，JavaScript脚本文件首先将任务需求翻译为引擎可理解的语言，而后由引擎建立相应的工程。图2 需求符号表的数据交互机理图Fig.2 Data interaction mechanism of demand symbol table 2282第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023刘紫寒,等:基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法http:/www.china-JavaScript脚本文件定义了用户在前端界面所有操作事件的响应逻辑。图4给出了引擎脚本文件工作流程图，用户在向导界面点击完成后，脚本文件将读取并解析需求符号表的数据，在创建工程、添加相关配置、设置文件分类后，将根据Templates.inf 文件调用引擎 VSWizard 渲染模板，并将渲染后的实例化模板文件拷贝到新工程中，最后保存新建的工程项目。图4 引擎脚本文件工作流程图Fig.4 Workflow diagram of engine scripts图3 半实物仿真主程序与专业技术成果资源库、资源库接口的调用示意图Fig.3 Call-graph between main program,modular and universal professional resource library and interfaces of resource library 2283第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-半实物仿真允许在系统中接入实物，实时性是开展半实物仿真工作的前提。因RTX实时操作系统可与Windows平台结合，具有实时性强、开发调试效率高的优点，故本文选用了RTX与Windows相结合的系统模式，并在相关配置环节实现了win32和rtss项目的编译、链接等功能，包括共享内存开辟、进程交互设置、RTX 环境配置、C 运行时库(C Runtime Library)、.rtss(或.rtdll)入口点等。需要特别指出的是，Templates.inf文件是VSWizard引擎渲染的依据，其中列出了所有需要文件的路径和名称，包括模板文件、说明文件等。同时，Templates.inf文件也可以使用!if!endif、!output等模板文件语言。在渲染模板时，VSWizard引擎会根据需求符号表的取值针对性地将Templates.inf文件所列文件渲染并拷贝至工程内。3面向半实物仿真的通用自动代码面向半实物仿真的通用自动代码生成软件生成软件AutoSimRTX本文梳理了实时仿真计算控制软件的框架和结构，以基于自定义向导的通用半实物仿真代码自动生成方法为技术实现途径，通过 HTML+CSS+JavaScript构建“需求-资源-产品”的精准引导模式，完成响应式前端界面设计、后端项目部署、前后端数据交互、模板文件管理、模板渲染及拷贝等功能设计，形成了面向半实物仿真的通用自动代码生成软件AutoSimRTX。该软件集成了数十个仿真实验室的仿真设备、近二十种接口板卡驱动、通信协议等专业技术代码，形成了丰富的基础代码库、完备的输入输出接口及通用的代码框架模板，提供了向导式人机友好、清晰明了的交互界面，可实现自定义需求的实时仿真计算控制软件代码的自动生成，满足多实验室兼容、多板卡支撑、多场景覆盖的半实物仿真系统软件构建需求。面向半实物仿真的通用自动代码生成软件AutoSimRTX 采用 4 层体系进行构建，如图 5所示。图5 AutoSimRTX软件架构图Fig.5 Architecture diagram of AutoSimRTX 2284第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023刘紫寒,等:基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法http:/www.china-系统层主要为软件功能实现提供底层支撑，包括操作系统及软件开发编译平台等。采用基于32位Windows XP/7平台的RTX2012操作系统，运用Visual Studio 2008/2010研制软件，可极大简化软件的环境配置及框架搭建操作。资源层主要将半实物仿真的技术成果进行分类归纳、资源整合，采用模块化设计思想梳理构建了仿真设备模板库、等效产品模板库及进程交互模板库等通用化组件，结合模板指令创建模板文件，实现半实物仿真实时计算控制软件的灵活定制。服务层则为用户提供仿真设备支持、等效产品支持、模型框架设计、通信协议支持、实验参数设计等功能，满足多实验室兼容、多板卡支撑、多场景覆盖的半实物仿真系统软件构建需求。应用层则面向用户提供了半实物仿真试验、专 业 资 源 库 迭 代 更 新 的 功 能。同 时，软 件AutoSimRTX为半实物仿真提供了通用软件代码框架，服务于半实物仿真前期软件设计工作，其还可以与自动化半实物仿真实验、自动报告生成等系列软件综合应用，促进半实物仿真模块化、通用化、自动化能力提升。4应用效果分析应用效果分析以表1所示的某项目的半实物仿真需求(部分)为例，该项目的参试实物为综合控制设备、伺服执行机构、惯性测量敏感元件，使用的仿真设备为转台1。该项目的实时仿真计算控制软件在开展仿真时序控制、模型实时解算的基础上，一方面通过485板卡、PCI-1730板卡、PCI-1716板卡模拟总线通信，实现与参试实物设备的实时信息交互；另一方面通过光纤网络控制仿真设备，实时模拟飞行器的真实姿态。同时，还需要实现仿真状态选择、仿真数据显示和仿真数据存储等非实时功能，其工作原理如图6所示。表1某项目的半实物仿真需求(部分)Table 1Time consumed by automatic generation versus manual programming任务需求飞行姿态模拟器(关联实验室)目标环境模拟器参试实物1参试实物2参试实物3通信板卡定时板卡I/O板卡A/D板卡RTX共享内存数据选用结果转台1综合控制设备伺服执行机构惯性测量敏感元件485485PCI-1730PCI-1716转台指令、转台反馈等图6 某项目实时仿真计算控制软件的工作原理Fig.6 Working principle of real-time simulation control software for a particular program 2285第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023系统仿真学报Journal of System Simulationhttp:/www.china-使用AutoSimRTX软件，按照向导界面依次进行仿真设备(飞行姿态模拟器、目标模拟器等)、等效产品(参试实物)、通信协议(通信板卡、I/O板卡、定时板卡等)、RTX共享参数等一系列设置，如图7所示。最终生成行数为8 263的可编译的实时仿真计算控制软件代码，符合该项目的半实物仿真实验需求。表2给出了示例中的实时仿真计算控制软件在生成、调试、状态切换等场景下的人工生成和自动生成代码耗时对比，可以看出，自动代码生成有效缩短了半实物仿真验证系统的构建时间。在框架代码生成方面，综合考虑设计师对代码架构的熟悉度以及半实物仿真项目代码的复用性，人工生成行数为8 263的半实物仿真代码框架预计需要24 d，而使用AutoSimRTX软件生成仅需10 min，软件生成时间大大缩短；在框架代码调试方面，人工编写代码会因代码规范性带来变量定义、链接库、混用标准库等问题，其调试时间因设计师的代码水平而定，一般在0.250.5 d，而AutoSimRTX软件基于通用化和模块化的设计思路设计了通用的模板文件，生成的代码清晰易懂且可以直接编译使用，具有较好的可读性和使用性；在框架代码状态切换方面，AutoSimRTX软件具备多实验室兼容、多板卡支撑、多场景覆盖的能力，软件生成时已预先考虑并生成了相应的代码，更换实验室后仅需修改代码中的实验室标志字即可实现实验环境的快速切换。总之，本文提出的自动代码生成方法在软件的设计、调试和后续使用中均具有更好的效果，大幅缩短半实物仿真验证系统的构建时间，并具备良好的可读性、可维护性和兼容性。图7 部分界面示意图Fig.7 Schematic diagram of user interfaces表2人工生成和自动生成代码耗时对比Table 2Time consumed by automatic generation versus manual programming对比场景框架代码生成框架代码调试框架代码状态切换(如更换实验室等)合计人工生成/d240.250.513.255.5自动生成/min100010 2286第 35 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.35 No.10Oct.2023刘紫寒,等:基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法http:/www.china-5结论结论本文在广泛调研国内外自动代码生成技术研究现状的基础上，结合半实物仿真多年积淀的成熟技术成果，提出了一种基于自定义向导的通用实时半实物仿真代码自动生成方法，并基于Windows 7/XP 和 RTX2012 操作系统下的 Visual Studio 2008/2010开发了可视化AutoSimRTX软件，提供向导式人机友好、清晰明了的交互界面，可完成实验室仿真控制设备、接口板卡驱动、通信协议等基础资源配置，实现特定需求的实时半实物仿真实验软件的自动生成，推动半实物仿真系统研制周期的大幅缩短和专业资源库的持续技术状态迭代。参考文献参考文献：1Li Zhen,Jiang Ying,Zhang Xiaojiang,et al.The Metric for Automatic Code GenerationJ.Procedia Computer Science,2020,166:279-286.2王博,舒新峰,王小银,等.自动代码生成技术的发展现状与趋势J.西安邮电大学学报,2018,23(3):1-12.Wang Bo,Shu Xinfeng,Wang Xiaoyin,et al.Current Situation and Trend of Automatic Code Generation TechnologyJ.Journal of Xian University of Posts and Telecommunications,2018,23(3):1-12.3王博,华庆一,舒新峰.一种基于模型和模板融合的自动代码生成方法J.现代电子技术,2019,42(22):69-74.Wang Bo,Hua Qingyi,Shu Xinfeng.An Automatic Code Generation Method Based on Fusion of Model and TemplateJ.Modern Electronics Technique,2019,42(22):69-74.4张峰逸,彭鑫,陈驰,等.基于深度学习的代码分析研究综述J.计算机应用与软件,2018,35(6):9-17,22.Zhang Fengyi,Peng Xin,Chen 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