一钥开百锁：华望M-Design 支持下的FMI/FMU集成与仿真

功能上新 | SysML系统模型支持FMI/FMU

◆ 协助系统级的跨学科协同验证

◆ 接口管理与集成过程简化

◆ 辅助系统级的设计迭代

产品亮点 | M-Design软件集成FMU

◆ 基于模型的集成方式

◆ 支持FMU集成仿真

◆ 支持多FMU联合仿真

01 什么是FMI？

Functional Mock-up Interface（以下简称FMI）是一种标准化的模型交换与联合仿真接口，其目的在于推动不同仿真软件之间的模型交互与共享，进而提升仿真的效率与准确性。该标准由Modelica Association负责开发与维护，现已成为多学科系统仿真领域中的核心通用接口。

FMI作为一项开放的国际标准，其建立的目的在于促进动态系统模型在仿真环境中的交换与合作应用，该标准的起源可追溯至德国航空航天中心（DLR）支持下的欧洲汽车制造商协会的ITEA2 MODELISAR项目。自其首次应用直至逐渐被推广，FMI标准在工业界与学术界均获得了广泛的认可与采纳。

作为一项免费标准，FMI明确界定了模型交换所需的容器与接口规范，它利用XML文件、二进制文件以及C代码的组合，构建了一种高效的、标准化的动态仿真模型交换机制，并通过ZIP文件格式进行分发。截至目前，已有超过170种软件及工具宣布支持FMI标准，其中包括Altair、Dassault Systèmes（达索）、Siemens（西门子）、despace、MathWorks的Matlab/Simulink、Adams、CarSim等，这些软件覆盖了各行各业的多个领域。

02 什么是FMU？

在FMI标准框架下，模型被封装为Functional Mock-up Unit（以下简称FMU）的形式。每个FMU均内含一个描述模型动态特性的数学模型，以及一个遵循FMI标准的软件接口，从而通过该接口实现模型之间以及与仿真环境之间的有效交互。

FMU主要分为两类：模型交换（Model Exchange）与联合仿真（Co-Simulation）。

模型交换：在此模式下，FMU囊括了模型的所有核心信息，包括但不限于模型的方程式。这意味着FMU能够在不同的仿真环境中灵活应用，并可采用不同的数值求解器来解析模型的方程式。这种高度的灵活性使得模型交换能够广泛地应用于各类场景。

联合仿真：在此模式下，FMU除了包含模型的基本信息外，还内置了一个数值求解器。因此，FMU能够自主运行，无需依赖仿真环境提供的数值求解器。这一特性使得联合仿真在处理复杂系统的仿真时尤为有效，因为这类复杂系统通常需要将由不同制造商提供的多个模型进行组合。

03 FMI/FMU的应用价值

现有工业场景下，各单位及部门的所属学科不同，导致所采用的仿真工具存在差异，且这些工具间的接口不具备兼容性，进而引发仿真工具碎片化的问题。该问题直接导致了模型的重用性显著降低，增加了建模工作的重复性以及模型在不同仿真软件间的重复构建。此外，在整个V流程中，模型的通用性和一致性亦难以得到确保，迫使仿真分析工作需在V流程的前端至后端间频繁切换软件平台。此现象不仅要求单位投入大量精力开发联合仿真软件接口，还极大地增加了实现模型继承与重用所需的人力与物力成本。

具体而言，FMU的突出价值主要体现在以下几个方面：

解决仿真工具碎片化的问题

FMU通过统一的标准接口，避免了模型在不同仿真软件中重复构建的困扰，有效整合了各类仿真工具，提升了仿真分析的协同效率。

提升模型的通用性和一致性

在仿真分析的全过程中，FMU无需频繁地切换软件平台，也无需投入大量精力开发联合仿真软件接口，从而确保了模型在整个研发流程中的通用性和一致性，降低了研发成本、提升了研发效率。

满足复杂系统的研发需求

FMU解决了复杂系统研发单位在设计初期验证和确认需求的难题，成功应对了集成商和供应商在模型传递方法和知识产权保护方面所面临的挑战，为复杂系统的研发提供了有力技术支持。

广泛的领域适用性

FMU/FMI在解决了以上问题的基础上已在各个领域有了广泛的应用，其中包括但不限于以下领域：

FMU/FMI应用领域

04 SysML模型支持FMI/FMU的优势

在系统工程的建模场景中，系统的集成常常面临多种工具和标准之间是否兼容的问题。在不同子系统、学科模型和仿真工具之间进行接口的对接，是工程设计中频繁出现且不可忽视的挑战。将FMU集成到SysML模型中则能够显著地简化这一过程。具体而言，该技术路径相较于传统集成方式具有以下明显优势：

由FMI接口实现多学科系统模型集成仿真示意图

协助系统级的跨学科协同验证

SysML作为一种标准化的系统建模语言，能够为复杂系统提供统一的建模框架。当将FMU模型集成至SysML模型时，不同领域的子系统模型（如机械、电气、软件、控制等）可以在一个统一的建模环境中进行无缝对接。FMU的模型集成支持标准化接口（如FMU的XML格式），使得采用不同仿真工具生成的模型可以轻松地集成至SysML环境中，而无需手动处理工具之间的格式转换或数据映射，从而实现系统级的仿真验证。集成后的系统级仿真能够有助于建立各学科之间的相互关联并发现潜在的问题，完成从模型角度出发的设计优化。

接口管理与集成过程的简化

传统的系统集成往往涉及多个仿真工具和不同数据格式之间的复杂转换。华望系统科技自主开发的系统建模软件工具M-Design可以通过SysML与FMU集成，将多个独立的仿真模型聚合在一个系统级的模型中，避免了传统集成过程中冗长和复杂的操作，使集成工作变得更为自动化、模块化，有效减少了人为错误的发生率，提高了集成过程的可靠性和可重复性。

辅助系统级的设计迭代

通过将FMU集成至SysML模型，研发人员可以在设计的初始阶段完成对整个系统全方位的仿真与优化，不仅实现静态的功能验证，还能开展动态的性能调优。系统工程师可以快速地对各子系统进行修改，实时查看修改对系统整体性能的影响，进而实现更高效的设计优化与迭代。此外，系统工程师也可以通过仿真结果深入分析各子系统的性能瓶颈和优化潜力。对于航天器或军用系统等复杂系统，采用SysML模型和FMU仿真可以快速识别系统级的优化方案，制定更加精准的系统级的设计决策。数据驱动的优化方法可以通过多维度的仿真分析（如功能验证、性能评估、故障诊断等）为工程决策提供强有力的支持。

05 M-Design集成FMU的特点

M-Design是一款华望系统科技自主开发的系统建模软件工具，不仅完整支持SysML V1.6九大图建模、行为和参数逻辑仿真、需求追溯和覆盖分析等功能，不久后将完全支持SysML V2.0的基本建模功能。

基于模型的集成方式

M-Design支持将FMU文件作为一个“外部组件”（特定构造型“FMU模块”）映射至SysML模型。FMU模块被视为一个外部黑盒解算器，在完成其导入后，SysML中对应的组件或子系统可在端口使用连接器与FMU模块中的参数进行连接。

导入FMU文件并映射至SysML模型的界面图

支持FMU集成仿真

在FMU文件与SysML模型成功集成后，可在M-Design平台上进一步完成系统级的仿真。此时，整个系统的行为不仅包括系统架构、系统行为，还包括FMU作为解算器包含的算法。SysML模型提供了FMU运行的系统上下文，FMU则提供了多学科模型函数与算法，两者的协同工作可实现系统级的验证和性能评估。

FMU模型集成至系统级仿真的界面图

支持多FMU联合仿真

在实际应用场景中，当多个FMU文件与SysML模型成功集成后，会不可避免地涉及多个FMU之间的依赖关系，这种关系通常将体现在输入输出映射（IO Mapping）上。每个FMU具有一组输入端口和输出端口，在多FMU联合仿真时，需要使用模型将这些端口的输入和输出进行正确的定义。

多FMU集成至系统模型并定义参数关系的界面图

完成对模型的定义后，需要对多个相互依赖的FMU执行仿真，而仿真的时间同步则是该技术路径的主要难题。不同于传统的“高斯-赛德尔”耦合算法，当前采用“雅可比”耦合算法以实现FMU同步。基于该算法基础的M-Design软件能够提供统一的数据流和调度机制，使不同FMU的仿真可以在同一个系统的上下文内进行，而无需依赖于传统的串行计算方式。这种并行计算方式在处理大型复杂系统时，能够显著提升系统的验证效率，适用于高复杂度的多学科场景。

“雅可比”耦合算法的示意图

结语

随着高端装备系统复杂度的持续攀升，传统的集成与仿真手段已难以满足高端装备领域对设备精准度和制造效率的严苛要求。M-Design软件凭借SysML与FMU的深度整合，为系统工程领域引入了领先的国产替代解决方案。该方案利用先进的集成架构，赋能用户实现系统的快速建模、精确仿真与实时验证等流程，确保设计方案具备优异品质与高效迭代。

在多学科协同仿真及系统级性能评估与优化等关键环节，M-Design软件展现出了强大的实力，在有效缩减开发周期、降低项目风险的同时，显著提升了产品整体的设计质量及生产效率。在核能工业、兵器重工、轨道交通、航空航天等尖端领域，M-Design凭借其卓越的系统级集成能力，已成为推动高端装备设计能力不断提升的重要工具。