基于分布式架构的流程工业仿真平台的设计与实现
这是一篇关于流程工业,协同仿真,分布式,FMI的论文, 主要内容为随着工业自动化的发展,传统工业生产工厂逐步走向自动化和智能化,其中,工业仿真技术在工业各环节中的重要性日益凸显。但是随着信息技术的发展和研究的不断深入,我们逐步发现在工业仿真领域仍存在较多问题,如仿真软件专业性较强且多不支持多用户同时在线仿真等。因此,本文以流程工业仿真和自动化控制为背景,提出了一种针对流程工业的仿真方法,同时设计并实现了基于分布式架构的流程工业仿真平台。本课题首先通过流程工业相关项目总结及文献研究,提出了流程工业仿真平台的功能性需求和非功能性需求。根据需求分析,将流程工业的仿真方法分为仿真对象构建-流程搭建-交互仿真-数据查看四个步骤,其次根据这四个步骤进行了功能模块的划分,分别为仿真对象构建模块、流程搭建模块、交互仿真模块、数据分析模块和管理员模块。在各个功能模块的设计与实现过程中,本课题设计仿真通用模版,归纳工业组件进行仿真对象的构建。基于系统动力学仿真方法建立工艺流程,进行仿真建模,并在交互仿真过程中基于FMI(Functional Mock-up Interface)设计了协同仿真方法。最后对仿真过程数据进行了可视化演示。为了提升用户体验和实时仿真性能,本课题采用PHPRPC作为分布式RPC框架,ZooKeeper作为注册中心,将系统中不同功能分别开发成相互独立的微服务,降低整个系统的耦合性。采用Redis作为缓存系统,提高实时仿真过程中的响应速度。最后,本课题根据聚羧酸减水剂自动化生产线的实际案例,在仿真平台上完成仿真功能,并进行各个功能的用例测试,确保仿真平台的可用性和可靠性。流程工业仿真平台为用户提供了简易的仿真操作,面向用户不仅仅局限于工厂管理者和开发人员。普通操作员可基于仿真平台进行学习训练,同时仿真平台为控制软件开发人员提供了项目仿真、初始化程序构建和客户沟通的平台。从而缩短了50%的系统开发时间。
基于数字孪生的导弹样机可视化集成框架设计与开发
这是一篇关于数字孪生,MBSE,虚拟样机,模型驱动,协同仿真的论文, 主要内容为随着信息技术和智能化装备的快速发展,各军事强国开始使用数字化手段对新型装备进行研制,如何有效提高装备效能、降低研发成本、缩短周期一直是复杂装备研制中的难题。为了提高装备研制流程中设计与验证环节的规范性与可信度,本文将数字孪生(Digital Twin)理念与基于模型的系统工程(Model-based Systems Engineering,以下简称MBSE)思维引入复杂装备的研制流程中,提出一种基于模型的数字孪生体构建方法,设计并开发了一套基于数字孪生的可视化集成框架,实现了复杂装备的虚实性能验证与快速预测,为装备的设计与性能优化提供了一种数字化解决方案。本文首先研究了数字化设计的关键技术,从“模型”与“仿真”两个角度对MBSE、数字样机、数字孪生等技术进行了研究,为集成框架的设计打下基础,从数字孪生“构建标准”与“五维模型”等相关理论出发,设计了面向导弹系统的数字孪生体,并明确了数字孪生体的构建准则。其次,通过MBSE中的面向对象建模方法,以模块化的方式剖析了导弹数字孪生体的层次架构,并建立了导弹孪生体的“需求-功能-性能”模型,实现了设计阶段需求、功能与性能的相互转化。再次,利用模型驱动、虚实融合、协同仿真等技术将数据、模型、流程相互融合的方法,设计并开发了基于数字孪生的导弹样机可视化集成框架,实现了导弹数字孪生体功能与性能的快速预测。最后,利用实测数据驱动孪生体进行仿真对比,验证了系统的可行性与实用性。通过本文提出的基于模型的数字孪生体设计方法与基于数字孪生的可视化集成框架,能够优化导弹结构、布局与飞控系统的设计,可有效提高设计效率、降低成本,为未来新型复杂系统装备的快速研发提供了新的思路与数字化手段。
基于事务级的软硬件协同仿真验证系统的设计与实现
这是一篇关于协同仿真,事务级,SCE-MI协议,VIP,仿真加速的论文, 主要内容为随着芯片行业不断发展,电路的规模和复杂度不断提高,而在芯片开发过程当中,对设计的正确性的验证往往比设计本身花费更多的时间,纯粹的用计算机软件来仿真已经不能满足快节奏的芯片开发需求。同时,随着设计规模扩大,搭建验证平台的难度和耗时不断增加,对仿真技术的研究已经成为IC行业的发展重点之一。本课题基于协同仿真技术,使用硬件对仿真进行加速,设计并实现了具有明显的仿真加速效果的基于事务级的软硬件协同仿真验证系统。通过对系统的事务层的优化,极大的提升了系统的灵活性和验证平台的搭建效率。主要完成了以下五方面的工作:第一、为实现系统设计,本论文对协同仿真技术和SCE-MI协议进行了深入研究,将系统分为软件侧、硬件侧、存储空间三部分。通过存储空间的映射,实现了完全抛开具体电路,通过在软件端对存储空间的读写访问实现软件端对硬件端的操作,把实际的物理通道从验证系统中剥离出来。存储空间的地址对于软件系统和硬件系统是统一的,所以无论系统的通讯通道如何改变,都不需要再重新修改应用层设计,这使得该系统具有良好的可移植性。第二、采用分层设计的方法,实现了软硬件协同仿真验证系统。本论文设计了事务层的三种不同形式接口,通过调用接口即可完成软硬件通信;为保证验证平台与DUT之间的通信精准,设计了时钟控制模块,在软硬件通信时冻结DUT的时钟;为实现真实的端口连接,设计并实现了接口通道建立方案;使用PCIe建立了物理层通道,实现了软硬件底层的通信。第三、对系统事务层进行了优化。通过共用代理层的设计,将事务层接口的使用简单化。基于面向对象编程的思维,本论文设计了基于对象的VIP创建和使用方法。针对接口使用时的时钟卡死和数据对象混乱问题,完成了事务层接口的配合设计和对象指针的复现设计。第四、深入研究了基于SCE-MI协议的VIP设计方式,结合事务层优化方案,设计了基于协同仿真的事务级VIP设计范式,便于常用VIP的设计。并根据设计范式,完成了UART-VIP的设计,实现了其运行时可配置、错误注入、错误检测、波特率检测和帧间隔实践报告的功能。第五、为了对系统进行测试和性能分析,设计实验并搭建了验证平台。得到了系统设计正确、事务层优化成功和仿真加速效果明显的结论。并且,通过对实验结果的分析得知,系统的加速效果随着DUT规模和事务信息量的增大可以继续提升。
SystemC与RTL混合模型协同仿真设计
这是一篇关于RISC-V,SystemC,虚拟原型,模拟器,协同仿真的论文, 主要内容为虚拟原型可用于架构探索、系统集成验证、软件开发,可有效推进项目周期。虽然目前RISC-V开源指令集架构正蓬勃发展,然而有关RISC-V架构的虚拟原型研究较少。当下开源的RISC-V虚拟原型多为仅包含功能模型的模拟器,只可用于软件开发,难以应用于架构探索等需求。本文设计了混合模型协同仿真平台RV-HVP,该平台通过为一款开源虚拟原型RISCV-VP添加时序模型和协同仿真接口实现。本文对以RISC-V指令集模拟器为核心的虚拟原型进行了优化设计和应用验证,探索了跨抽象级模型协同仿真流程,提高了芯片的软硬件设计效率。本文首先根据TS-PULP(一款以开源RISC-V架构PULP为基础的自定义MCU设计)的硬件信息建立了时序模型,该时序模型考虑了流水线、分支预测、Cache微架构引入的时钟影响。并在此基础上,构建了可配置核数的多核仿真系统,可更准确的模拟嵌入式边缘端的多核计算环境。本文还设计实现了SystemC与RTL协同仿真接口,使基于事务级模型的虚拟原型可方便的与硬件仿真器下的RTL模型通信,实现了事务级模型和寄存器传输级模型的跨抽象级协同仿真。本文对混合虚拟原型RV-HVP进行了三项不同的应用实验。一是对不同Cache配置下的软件性能进行评估,确定了4k B容量4路组关联的缓存配置是本系统的较优配置;二是对BEEBS测试集负载下的8*8端口互连网络进行性能测试和分析,确定了此场景下全交叉开关网络的性能优势。三是对纯虚拟原型、混合虚拟原型和纯RTL电路的仿真速度进行了对比。混合虚拟原型相比纯虚拟原型,在增加84%仿真时间开销的情况下获得对互连网络全面精确的仿真结果;混合虚拟原型相比纯RTL电路仿真,仿真加速比可达56.79倍,表明了本文所设计的协同仿真平台在仿真速度和精度方面的优势。
抗辐射加固数字化仿真平台上中间件的设计与实现
这是一篇关于抗辐射加固,中间件,转换,协同仿真,自动化的论文, 主要内容为为保证电子系统、仪器等在辐射环境下也能可靠的工作,需要依据辐射效应数值对它们进行抗辐射加固。当前我国航天工程和微电子技术发展迅速,对器件、电路及系统的辐射效应数值计算和多学科协同仿真技术提出了更高的要求。一个完整的抗辐射加固仿真流程往往涉及了多个学科、跨越了多个领域,这就需要多个仿真系统进行分布式协同工作来完成仿真,而要实现协同仿真需要解决两个关键问题,一是分布异构系统上不同仿真节点通信和远程调用的问题,二是不同仿真软件间由于输入输出格式不同造成的软件间不互通的问题。本文的研究目的就是在现有抗辐射加固数字化仿真平台与运行在平台上的仿真服务之间,设计和实现一个中间件系统解决这两个关键问题,在平台上实现抗辐射加固领域各个仿真服务的协同自动化工作。通过对现有技术的探索和对抗辐射加固多个仿真软件输入输出格式的研究,本文采用了中间件技术来设计和实现抗辐射加固数字化仿真平台的协同自动化仿真,所做的研究工作包括:一、利用消息中间件技术设计并实现了基于“总线-组件”架构的抗辐射加固数字化仿真平台中间件系统,提出了基于微服务和消息总线的中间件架构,实现了不同仿真节点的通信和远程调用。二、提出了统一的通用中间件接口规范,使得领域内其他仿真软件也能容易的挂载到消息总线上,加入到协同仿真平台。三、研究了参与抗辐射加固仿真相关软件的输入输出格式,针对具体的仿真软件输入输出文件格式进行了数据转换算法的研究和实现,解决了抗辐射加固仿真软件间不互通的问题。重点解决了转换难度较大的ProE输出模型到MCNP软件输入数据的转换问题。并且基于通用中间件接口规范实现了ProE和MCNP的转换中间件,验证了中间件接口规范的正确性和中间件实现仿真流程自动化的可行性。本文设计并实现的抗辐射加固数字化仿真平台中间件解决了分布式异构平台上各个仿真节点间的通信问题和仿真软件间数据不互通的问题。平台中间件在消息传递时具备可靠性和高效性,能够满足多人并行的在抗辐射加固数字化仿真平台上执行仿真任务的需求。经过测试,本文设计并实现的中间件是能够协助抗辐射加固平台实现协同、自动化仿真的,并在一定程度上提高抗辐射加固仿真的效率,进而促进抗辐射加固领域多学科的融合与发展。
抗辐射加固数字化仿真平台上中间件的设计与实现
这是一篇关于抗辐射加固,中间件,转换,协同仿真,自动化的论文, 主要内容为为保证电子系统、仪器等在辐射环境下也能可靠的工作,需要依据辐射效应数值对它们进行抗辐射加固。当前我国航天工程和微电子技术发展迅速,对器件、电路及系统的辐射效应数值计算和多学科协同仿真技术提出了更高的要求。一个完整的抗辐射加固仿真流程往往涉及了多个学科、跨越了多个领域,这就需要多个仿真系统进行分布式协同工作来完成仿真,而要实现协同仿真需要解决两个关键问题,一是分布异构系统上不同仿真节点通信和远程调用的问题,二是不同仿真软件间由于输入输出格式不同造成的软件间不互通的问题。本文的研究目的就是在现有抗辐射加固数字化仿真平台与运行在平台上的仿真服务之间,设计和实现一个中间件系统解决这两个关键问题,在平台上实现抗辐射加固领域各个仿真服务的协同自动化工作。通过对现有技术的探索和对抗辐射加固多个仿真软件输入输出格式的研究,本文采用了中间件技术来设计和实现抗辐射加固数字化仿真平台的协同自动化仿真,所做的研究工作包括:一、利用消息中间件技术设计并实现了基于“总线-组件”架构的抗辐射加固数字化仿真平台中间件系统,提出了基于微服务和消息总线的中间件架构,实现了不同仿真节点的通信和远程调用。二、提出了统一的通用中间件接口规范,使得领域内其他仿真软件也能容易的挂载到消息总线上,加入到协同仿真平台。三、研究了参与抗辐射加固仿真相关软件的输入输出格式,针对具体的仿真软件输入输出文件格式进行了数据转换算法的研究和实现,解决了抗辐射加固仿真软件间不互通的问题。重点解决了转换难度较大的ProE输出模型到MCNP软件输入数据的转换问题。并且基于通用中间件接口规范实现了ProE和MCNP的转换中间件,验证了中间件接口规范的正确性和中间件实现仿真流程自动化的可行性。本文设计并实现的抗辐射加固数字化仿真平台中间件解决了分布式异构平台上各个仿真节点间的通信问题和仿真软件间数据不互通的问题。平台中间件在消息传递时具备可靠性和高效性,能够满足多人并行的在抗辐射加固数字化仿真平台上执行仿真任务的需求。经过测试,本文设计并实现的中间件是能够协助抗辐射加固平台实现协同、自动化仿真的,并在一定程度上提高抗辐射加固仿真的效率,进而促进抗辐射加固领域多学科的融合与发展。
基于事务级的软硬件协同仿真验证系统的设计与实现
这是一篇关于协同仿真,事务级,SCE-MI协议,VIP,仿真加速的论文, 主要内容为随着芯片行业不断发展,电路的规模和复杂度不断提高,而在芯片开发过程当中,对设计的正确性的验证往往比设计本身花费更多的时间,纯粹的用计算机软件来仿真已经不能满足快节奏的芯片开发需求。同时,随着设计规模扩大,搭建验证平台的难度和耗时不断增加,对仿真技术的研究已经成为IC行业的发展重点之一。本课题基于协同仿真技术,使用硬件对仿真进行加速,设计并实现了具有明显的仿真加速效果的基于事务级的软硬件协同仿真验证系统。通过对系统的事务层的优化,极大的提升了系统的灵活性和验证平台的搭建效率。主要完成了以下五方面的工作:第一、为实现系统设计,本论文对协同仿真技术和SCE-MI协议进行了深入研究,将系统分为软件侧、硬件侧、存储空间三部分。通过存储空间的映射,实现了完全抛开具体电路,通过在软件端对存储空间的读写访问实现软件端对硬件端的操作,把实际的物理通道从验证系统中剥离出来。存储空间的地址对于软件系统和硬件系统是统一的,所以无论系统的通讯通道如何改变,都不需要再重新修改应用层设计,这使得该系统具有良好的可移植性。第二、采用分层设计的方法,实现了软硬件协同仿真验证系统。本论文设计了事务层的三种不同形式接口,通过调用接口即可完成软硬件通信;为保证验证平台与DUT之间的通信精准,设计了时钟控制模块,在软硬件通信时冻结DUT的时钟;为实现真实的端口连接,设计并实现了接口通道建立方案;使用PCIe建立了物理层通道,实现了软硬件底层的通信。第三、对系统事务层进行了优化。通过共用代理层的设计,将事务层接口的使用简单化。基于面向对象编程的思维,本论文设计了基于对象的VIP创建和使用方法。针对接口使用时的时钟卡死和数据对象混乱问题,完成了事务层接口的配合设计和对象指针的复现设计。第四、深入研究了基于SCE-MI协议的VIP设计方式,结合事务层优化方案,设计了基于协同仿真的事务级VIP设计范式,便于常用VIP的设计。并根据设计范式,完成了UART-VIP的设计,实现了其运行时可配置、错误注入、错误检测、波特率检测和帧间隔实践报告的功能。第五、为了对系统进行测试和性能分析,设计实验并搭建了验证平台。得到了系统设计正确、事务层优化成功和仿真加速效果明显的结论。并且,通过对实验结果的分析得知,系统的加速效果随着DUT规模和事务信息量的增大可以继续提升。
基于OpenStack的协同仿真平台的设计和实现
这是一篇关于抗辐射加固,协同仿真,云平台,云协同仿真的论文, 主要内容为我国航天航空产业的迅速发展对电子系统的抗辐射能力提出了更高的要求。因此,在设计系统初就应考虑对器件、电路进行抗辐射加固设计,以保证它们的抗辐射能力。抗辐射加固设计涉及到多个不同的学科,例如机械、物理、热学、力学、电磁学等,以及这些学科关联的设计/仿真软件,如ProE、MCNP、Ansys、SystemVision、Mentor等。目前抗辐射加固设计-仿真过程主要存在以下三个问题:1、辐射效应的计算和仿真运算量大,单机计算平台已不能很好的满足规模越来越大的仿真运算需求。2、各仿真软件产生的数据缺乏有效的管理方法。3、在传统的抗辐射加固设计中,对模型的仿真运算往往还需要一定的人工干预。为此,本文在研究协同设计-仿真自动化技术的基础上,引入“云计算”理念,构建协同云仿真平台来解决上述问题。本文以OpenStack为基础设计抗辐射加固数字化仿真平台,研究该平台上的仿真服务调度、仿真数据管理等内容,实现抗辐射加固设计领域的设计-仿真一体化。主要工作包括如下几点:一、通过深入分析抗辐射加固领域的相关技术特点,提出了一种协同仿真云平台的架构,该架构包括云基础设施服务层、设计-仿真核心服务层、平台门户和平台统一数据库。通过云基础设施服务层将计算、软件资源虚拟化,实现了云终端用户在平台门户上调用设计-仿真服务来完成抗辐射加固的设计和仿真。二、在研究了多个抗辐射加固领域仿真任务实例的流程后,引入微服务的概念,将仿真流程中的每个原子步骤微服务化。通过分析各个原子步骤之间的依赖关系,设计了仿真任务工作流引擎,并定义了基于Petri网的通用仿真任务模型设计方法,实现了用户使用通用仿真任务模型设计方法来定制仿真任务。三、在研究了抗辐射领域中对数据安全和版本控制的实际需求后,设计了权限管理和版本控制模块。权限管理,在传统的基于角色的访问控制模型的基础上,引入权限密级的概念,实现了对数据的分密级管理。版本控制,实现了对设计-仿真软件和数据的版本管理和控制。该平台解决了抗辐射加固领域国内没有一个高效的协同设计-仿真平台的问题,由于其动态性、可扩展性和虚拟化特性,使得该平台可简洁高效的管理众多资源,例如计算机硬件,设计-仿真软件等,并给用户提供可快速简便访问的公共仿真服务。这种基于虚拟化技术的高性能协同仿真平台符合抗辐射加固研究领域多学科合作的趋势,对于其他多学科领域同样具有借鉴意义。
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