在實(shí)時(shí)環(huán)境中進(jìn)行多體系統(tǒng)仿真，長(zhǎng)久以來一直是機(jī)械系統(tǒng)建模領(lǐng)域的目標(biāo)，尤其是在硬件在環(huán)（HIL）、駕駛員在環(huán)（DIL）和虛擬樣機(jī)等應(yīng)用中。而Simpack通過引入數(shù)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多體動(dòng)力學(xué)仿真鋪平了道路，扮演了至關(guān)重要的角色。

 

初識(shí)Simpack實(shí)時(shí)仿真：一位分析師的視角 

我至今仍清晰地記得，第一次親身體驗(yàn)我們實(shí)時(shí)仿真技術(shù)時(shí)的情景。那是在2012年左右，我正為一個(gè)客戶項(xiàng)目工作，其中涉及一個(gè)車輛模型，該模型使用了一種定制的、類似Pacejka輪胎模型的實(shí)現(xiàn)，以滿足特定需求。經(jīng)過數(shù)周對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的精雕細(xì)琢，并將輪胎方程編寫為Simpack用戶子程序后，我終于能夠?qū)Y(jié)果感到較為滿意。

 

由于客戶使用的是駕駛模擬器，而我們恰好剛發(fā)布了新一代的實(shí)時(shí)技術(shù)，我們便商定在一臺(tái)基礎(chǔ)的桌面模擬器上演示這個(gè)車輛模型。我們搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試平臺(tái)：一個(gè)帶有力度反饋的游戲用方向盤和踏板，運(yùn)行在一臺(tái)已轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)的Windows筆記本電腦上。

 

接著，關(guān)鍵時(shí)刻到來了。我加載了模型，坐下來（在一張辦公椅上），然后轉(zhuǎn)動(dòng)了方向盤。在無數(shù)個(gè)小時(shí)與方程式的纏斗和對(duì)2D圖表的分析之后，能夠真實(shí)地感受到汽車響應(yīng)我的輸入——這簡(jiǎn)直是顛覆性的體驗(yàn)。當(dāng)我加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向時(shí)，每一個(gè)反應(yīng)都映射出我所構(gòu)建的物理模型。我的工作被賦予了生命——它不再僅僅是數(shù)字，它正以物理的方式，與我進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)。我正在“體驗(yàn)”我的模型。這次經(jīng)歷給我的觸動(dòng)如此之深，以至于我下意識(shí)地拍了一張照片——不是為了拍那個(gè)設(shè)備，而是記錄下它所代表的意義：我第一次實(shí)時(shí)駕駛自己創(chuàng)建的多體模型?？?，就是這張：

 

我第一次實(shí)時(shí)駕駛我的多體模型的照片

 

Simpack的實(shí)時(shí)多體動(dòng)力學(xué) 

如果說Simpack“發(fā)明”了實(shí)時(shí)多體動(dòng)力學(xué)，這或許言過其實(shí)，但一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是，這款軟件是第一個(gè)在工業(yè)層面上實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的，并且Simpack通過多項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新，始終引領(lǐng)著業(yè)界前行的方向。

 

Simpack技術(shù)的獨(dú)特之處是它構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程的方式。關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是Simpack的相對(duì)坐標(biāo)法，這種方法天然地導(dǎo)向一個(gè)在數(shù)值上既高效又穩(wěn)定的模型，使其先天就非常適合實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用。

這一優(yōu)勢(shì)源于Simpack傾向于生成常微分方程（ODE），而非傳統(tǒng)絕對(duì)坐標(biāo)法通常產(chǎn)生的更為復(fù)雜的微分代數(shù)方程（DAE）。

 

實(shí)際上，DAE是經(jīng)典“絕對(duì)坐標(biāo)”法的產(chǎn)物，其問題在于求解這些方程會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜度。這些DAE導(dǎo)致了更高的求解器開銷和更低的數(shù)值魯棒性，這兩點(diǎn)對(duì)于要求確定性和高速執(zhí)行的實(shí)時(shí)應(yīng)用來說，都是關(guān)乎成敗的問題。

 

與此相反，Simpack的相對(duì)坐標(biāo)法采用一種樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將物體的運(yùn)動(dòng)定義為其相對(duì)于父級(jí)物體的運(yùn)動(dòng)。其結(jié)果是，運(yùn)動(dòng)方程絕大多數(shù)是ODE，它們?cè)跀?shù)值上更易于求解，并且在使用實(shí)時(shí)仿真中常見的顯式或半隱式積分方法時(shí)，展現(xiàn)出更優(yōu)的性能特性。

 

當(dāng)然，Simpack在需要時(shí)也支持創(chuàng)建基于DAE的模型，但其獨(dú)特的構(gòu)建方式也有助于生成純粹的ODE模型——這是許多其它多體仿真技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的。

 

基于ODE的系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)包括：

l每個(gè)積分步的計(jì)算負(fù)載更低

l無需進(jìn)行約束穩(wěn)定化

l更優(yōu)的數(shù)值條件

l求解器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更適合在硬件在環(huán)（HiL）環(huán)境中常用的固定步長(zhǎng)求解器

 

Simpack代碼導(dǎo)出 | 早期應(yīng)用 

由于Simpack的求解器技術(shù)如此完美地適配于實(shí)時(shí)環(huán)境，將其運(yùn)行在駕駛模擬器上始終是可能的。我們從2001年就開始推廣這項(xiàng)技術(shù)。那時(shí)，我們的技術(shù)名為“代碼導(dǎo)出”（Code Export），正如這張來自我們舊網(wǎng)站的圖片所示。

 

“代碼導(dǎo)出”是我們的第一代實(shí)時(shí)技術(shù)，它基于代碼導(dǎo)出生成。通過這種方法，多體模型被進(jìn)行符號(hào)化的預(yù)處理，并編譯成特定目標(biāo)平臺(tái)的C代碼，這些代碼可以部署在專用的實(shí)時(shí)平臺(tái)上。這種方法確保了高執(zhí)行速度和確定性，但需要一個(gè)獨(dú)立的代碼生成工序流程，這增加了集成的復(fù)雜性并降低了靈活性。

 

Simpack Realtime 我們的現(xiàn)代化實(shí)時(shí)多體仿真之道 

Simpack的“代碼導(dǎo)出”技術(shù)在業(yè)界應(yīng)用了大約十年，這使我們對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用所面臨的諸多挑戰(zhàn)獲得了深刻的洞察。其中一個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)悟是，“僅僅”生成實(shí)時(shí)代碼并不足以滿足客戶的需求。

 

第二代技術(shù)，于2013年左右推出，標(biāo)志著一次重大的轉(zhuǎn)變。與需要專有硬件和操作系統(tǒng)的代碼導(dǎo)出方法不同，Simpack Realtime被設(shè)計(jì)為在一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的、支持實(shí)時(shí)的Linux平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Simpack安裝版。這得益于新的Simpack Realtime求解器技術(shù)，其中包括了“智能并行化”，再結(jié)合實(shí)時(shí)Linux內(nèi)核、內(nèi)存鎖定和確定性調(diào)度方面的進(jìn)步。

 

在實(shí)時(shí)環(huán)境中運(yùn)行一個(gè)完整并”現(xiàn)成可用”的多體求解器的想法在行業(yè)中是一個(gè)全新的概念。

 

那么，是什么讓Simpack Realtime如此具有開創(chuàng)性？ 

它快速、靈活，并且為現(xiàn)代工程開發(fā)流程而生。它使得用戶能夠直接在Simpack環(huán)境中實(shí)時(shí)運(yùn)行多體仿真模型。無需漫長(zhǎng)的代碼生成或繁瑣的編譯步驟——只需加載您的模型，然后點(diǎn)擊運(yùn)行。我們稱之為直接實(shí)時(shí)（direct real-time）。

 

我們的直接實(shí)時(shí)方法持續(xù)地為用戶帶來了巨大的價(jià)值。通過毫無保留地利用Simpack求解器的全部能力，工程師們可以在他們的實(shí)時(shí)模擬器上運(yùn)行模型，而無需在模型保真度或性能上做出任何妥協(xié)。

 

這種方法的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，模型的簡(jiǎn)化和求解器的調(diào)校不再是必需的。

 

這種靈活性的一個(gè)強(qiáng)有力的例子是，利用的是Simpack的FMU導(dǎo)入功能, Simpack Realtime可以通過在環(huán)軟件（SIL）與無縫導(dǎo)入的功能樣機(jī)單元（FMU）相結(jié)合，這意味著您可以集成第三方組件，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向或電池管理模塊，并且仍然能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)性能（當(dāng)然，您必須確保第三方組件也是實(shí)時(shí)兼容的）。

 

更重要的是，您可以輕松地在兩次運(yùn)行之間修改Simpack模型參數(shù)——對(duì)于某些參數(shù)，甚至可以在實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。這使得快速迭代和交互式測(cè)試達(dá)到了前所未有的水平。

正如我們的一位客戶所言：“我們真心喜愛你們的工作流程，因?yàn)樗浅Ｍ该?。?/span>

 

舉個(gè)例子，在汽車行業(yè)，工程師們長(zhǎng)期依賴查找表來近似實(shí)時(shí)仿真中的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)——這種方法雖然有效，但引入了一些中間數(shù)據(jù)處理步驟。有了Simpack Realtime，這些近似已成為歷史。您現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)運(yùn)行包含動(dòng)態(tài)襯套元件的、細(xì)節(jié)完備的懸架模型，無需預(yù)先計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了更精確、基于物理的仿真——直接且毫不妥協(xié)。多年來，我們還確保了第三方輪胎模型的集成完全兼容所有主流輪胎模型的實(shí)時(shí)執(zhí)行。

 

事實(shí)證明，Simpack Realtime可以與包含柔性體的模型無縫協(xié)作。

 

以我的經(jīng)驗(yàn)來看，柔性體的集成顯著增強(qiáng)了駕駛模擬器的駕駛體驗(yàn)。

 

值得注意的是，除了汽車領(lǐng)域，Simpack Realtime還廣泛應(yīng)用于眾多其它行業(yè)，包括鐵路、風(fēng)能、傳動(dòng)系統(tǒng)、工程機(jī)械甚至消費(fèi)品。

 

如今，Simpack Realtime使您能夠?qū)⑼粋€(gè)模型部署在多種硬件配置上，無縫覆蓋實(shí)時(shí)開發(fā)過程的每一個(gè)階段，從早期在桌面模擬器或?qū)崟r(shí)硬件上的獨(dú)立運(yùn)行，一直到在高端運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的全面部署。如果標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)不足以滿足需求，客戶甚至可以編寫自己的定制通信層。

 

不僅如此，借助集成的實(shí)時(shí)動(dòng)畫功能，您可以在仿真運(yùn)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行可視化觀察。

 

我們希望這篇文章能讓您了解，為何Simpack已成為高性能實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域值得信賴的先鋒，賦能工程師去挑戰(zhàn)無限可能。但這僅僅是故事的一部分，創(chuàng)新是我們一切工作的核心，我們對(duì)未來充滿期待。