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远程协同仿真调研报告

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2020年4月19日
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1. 协同仿真的概念
协同仿真是一种复杂系统仿真方法，它支持处于不同地点，基于不同计算平台的人员采用不用的建模方法建立混合异构层次的仿真模型并在分布环境上进行仿真运行。
协同仿真技术是基于先进的建模技术，分布仿真技术和信息管理技术的综合应用技术，是在各领域建模，仿真分析工具CAx/DFx技术基础上的进一步发展，是多学科的协同技术。协同仿真即包含时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析，亦强调同一时间点上基于不同人员/工具对同一产品对象在系统层面上的联合仿真分析。它支持“由上至下”的复杂系统开发模式，是分布异地的人员采用各领域的专业设计，分析工具协同地开发复杂系统的一条有效途径。

2.国内外远程协同仿真技术应用的现状
在国外,有关远程协同设计的研究和应用起步较早。80年代中期,麻省理工学院的Paul Cashman等人就从事了这方面的研究,并提出了计算机支持的协同工作(Computer Support Cooperative Work ,CSCW)的概念,近几年,随着Internet技术的迅速发展, Wen-pal Lu等人则在研究CIM技术时提出利用广域网的通信功能实施Tele-Manufacturing的概念。Eddy M.Rojas提出了以Web为中心的工程合作设计环境。G.Seliger等人提出一种将不同公司的工程师集成为虚拟增值小组进行复杂产品的设计制造。研究和开发快速成型(Rapid Proto-typing, RP)技术的美国3D公司,已开始用Internet和客户联系,实现原型的STL(Stereo-Lithograph)格式的CAD文件传输,向客户提供网上报价服务和向用户报告服务进展状况,降低了企业的成本,提高了企业的服务快捷程度。
在国内,有关这方面的研究主要集中在高等院校。同济大学和香港理工大学合作进行的分散式网络生产系统(Dispersed Network Production System ,DNPS)的研究,利用Internet所提供的Email、WWW服务和浏览器、网页,实现了信息发布、文件传输等功能。随着网络技术在制造业的广泛应用,有关网络环境下的远程协同设计的先进设计模式的理论方法和应用研究工作得到许多专家学者的关注,网络应用软件的计算模式也正在由传统的客户/服务器(Client/Server,C/S)模式,转向基于Internet/In-tranet标准协议的三层B/S模式。

3.协同仿真中的技术支持
实现远程协同设计与制造系统需要许多相关技术的支持。从应用的角度看,可将其分为三大类型:计算机网络系统、支持并行工程的分布式CAD/CAM系统和远程设计与制造协同技术。
近期有文献提出了构建了以Windows NT为操作系统,以IIS为Web服务器的远程协同设计与制造系统,该系统经过综合业务数字网(Integrated Service Digital Network,ISDN)专线Internet，异地客户在浏览器上输入URL后,经过身份验证,即可进入本系统的主页,选择合适的设计类型,输入相关参数,提交之后将数据存储在数据库,并调用相应的应用程序进行设计,然后把设计结果的三维模型以虚拟现实文件的格式(.wrl)传给客户进行浏览,如果满足客户需求,就能够调用虚拟原型样机进行快速原型加工。比如机械系统中的多体力学仿真软件ADAMS，控制系统中Matlab/Simulink仿真软件以及电子系统的VHDL仿真软件，基于IEEE-1278标准的分布交互仿真（DIS）系统，采用UDF协议，主要用于军事领域，采用多个仿真软件在同一个网络环境中运行，经过统一的协议进行信息交互。

4.远程协同仿真中的实际应用
下面简单介绍几种当今比较普遍的远程协同仿真的实例。
1.分布式远程仿真系统
对于复杂的应用系统往往需要不同用户之间进行沟通、协商,共同解决问题,此类应用被称为协同应用.一般协同的方式有几种.其中一种是基于事务处理的工作流协同,该协同方式是当前基于业务处理的应用系统普遍采用的一种;另外一种协同方式是基于交互式的,该协同方式主要包括基于实时信息的交互的应用系统.还有许多系统采用了上述两种协同方式,同时包括了工作流的协同和信息交互的协同。
分布式远程协同仿真系统以Globus Toolkit 3(GT3)为开发平台,在Globus核心网格服务的基础上,开发适合本系统应用的高层网格应用服务平台.服务包括资源管理、数据管理、任务管理、工作流管理、系统管理等,在此框架基础上设计实现分布式远程协同仿真系统。
2. 用惠普RGS实现CAE 远程协同仿真
远程仿真的平台是由一台HP xw4600工作站（主机）二台HP Pavilion笔记本组成，其中xw4600安装的是RGS Sende软件，其它两台笔记本分别安装 RGS Receiver 软件。
3.异地仿真应用之间的协同-供应链仿真系统
南华理工大学对于基于HLA的异地协同仿真技术进行了研究与实践，主要从仿真模型即插即用的软总线借口来实现，模型可重用性的提高，异地的实现，敏感数据在协同仿真环境中安全性保证等几个方面进行深入的研究，这些工作是协同仿真技术在民间制造领域的一个有益的尝试。她们认为，产品的供应链管理覆盖了从生产到销售的所有计划和管理信息。
经过进行供应链系统仿真，能够对各种可选方案产生的影响进行选择和评估，从而达到优化整个流程的目的，同时也能够解答一些操作问题和商业战术问题。但由于供应链系统涉及到分布于异地的，不同属于一个企业的多个公司，因此需要借助于协同仿真技术。分布式供应链仿真系统的研究由计算机工程学院和是早技术协会共同参与，分布式供应链是一个基于高层体系结构（HLA）的分布式协同仿真系统。
4.ADAM S与Simulink协同仿真方法
ADAMS是美国MSC公司开发的用于机械系统运动学和动力学仿真分析的商业软件,它由众多软件模块组成。View模块用于创立虚拟样机模型,内置一个具有简单控制系统设计功能的ControlsToolKit,但为了增强控制系统的设计分析能力，ADAMS还专门提供一个Controls模块,用来实现和其它控制类设计仿真软件的协同仿真。一般,ADAMS负责机构动力学仿真,向Simulink提供作为传感器信号的运动参数; Simulink接收这些外部参数,经过解算控制器模型,向ADAMS输出控制机构部件运动所需的外部激励(控制力或力矩）。
Simulink与ADAMS的协同仿真技术可广泛应用于飞机、导弹、车辆等复杂机电产品的设计中,而为便于开展多单位、多部门之间的设计合作,远程协同仿真无疑具有广阔的应用前景。

5. 协同仿真技术的应用前景
虚拟样机技术是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机（VP）支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。而协同仿真设计技术是并行工程协同设计在虚拟样机技术中的应用，是一种新型的产品开发技术。当前，国内对协同仿真设计技术的研究还处于起步阶段，发展潜力巨大。在国外，工程机械协同虚拟样机的研究开展得比较早，已有工程机械制造企业采用这项技术。著名的工程机械生产商 John Deere 公司采用这项技术来解决高速行驶蛇行现象及重载下的自激振动问题，大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。当前，国内工程机械制造企业普遍存在产品更新换代慢的问题，总体产品质量低于国外同类产品。如何尽快缩短这种差距，提高产品的设计水平已成为工程机械制造企业的迫切要求。作为一种先进的设计方法，虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策，实现产品总体优化目标，为企业赢得用户给市场提供了有利条件。能够预见，在 21 世纪虚拟样机技术势必会成为各领域产品研发的主要应用方法。
协同仿真设计是虚拟样机设计中一项复杂的技术，它使产品设计能够摆脱对物理样机的依赖。围绕产品的概念设计、定型生产到整个研发周期，再从设计师、决策层、制造商、销售商到用户群等全方位的观察和研究产品，虚拟样机技术显示其强大的优势和发展潜力。随着虚拟样机支撑环境研究的进一步深入，将会对虚拟样机技术的发展起到强大的推动作用，给工程机械领域带来更深远的影响。
协同仿真设计技术的特点和应用前景