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基于数字孪生的分布式联合仿真时间同步研究问题

摘要

数字孪生作为近年来新兴技术，在军事方面有着重要应用前景，正逐渐应用于各类系统或装备的全寿命周期管理当中。仿真作为部队训练、装备研发、试验鉴定、作战模拟的重要技术手段，近些年来也不断地与数字孪生技术融合发展。数字孪生技术是建模与仿真技术发展的新高峰，成为了必威体育精装版的仿真技术发展的风向标。

目前，许多系统都离不开时间同步技术的应用，比如测试与测量系统、分布式仿真系统、长距离电力传输系统等。尤其是分布式仿真系统，各个仿真节点之间的同步极其重要，该系统又着重考虑到调度和模型计算的实时性，所以对时间同步的精度要求极为严格。

目前对于分布式实时系统（Real-TimeSystem，RTS）而言，为了实现虚实结合的仿真运行必须拥有一个全局统一的时钟变量。对于包含大规模网络的分布式仿真系统而言，在仿真运行开始之前确定时间同步精度和精确时钟同步协议（PTP）等时间同步协议的参数是困难的，在仿真运行过程中监测时间同步精度是否符合要求更加困难，但是这两个功能需求是十分迫切的。对于不同的分布式仿真应用而言，其对于时间同步精度需求是不同的。当前，许多现有系统时钟大多由GPS精密时钟系统提供。但是，这种方式存在升级换代成本昂贵、精度不高的问题。所以，

IEEE1588在这种要求下应运而生。不但适应性强、操作简单，更是精度提高。

所以本文将结合数字孪生的思想，解决分布式联合仿真系统中时间同步的研究问题。本项目借助数字孪生技术，为确定不同的分布式仿真时间同步精度需求提供一个通用且高效的方法，同时研究如何使用面向数字孪生的虚实结合仿真技术分析不同的PTP参数对时间同步性能的影响，并且支持在运行过程中对整个系统的时钟同步精度进行实时监测与评估。

本文实现了在Ubuntu14.04操作系统上基于OMNeT++对PTP协议的建模与仿真，构建了仿真实验程序。该实验能够对PTP协议的工作原理进行仿真模拟，构建了可重用的普通时钟（OrdinaryClocks，OC）、边界时钟（Boundary

Clocks，BC）、透明时钟（TransparentClocks，TC）等时钟模型，实现了最佳主时钟算法（BMC），为进一步的时间同步精度需求分析和实时监测打下了良好基础。

关键词：数字孪生；分布式联合仿真；时间同步

第1章绪论

本章从分布式联合仿真的时间同步需求出发，分析时间同步技术的应用价值，以及数字孪生技术在该领域研究中的应用价值。

1.1分布式联合仿真的概念

伴随着传感技术和物联网技术的发展，以及复杂装备运行环境的动态复杂变化，使得装备试验和部队训练更加难以管控。当前相关体系及关键技术研究主要由装备在已知理想运行状态下被驱动，难以满足装备试验在复杂情况下开展的情况。分布式联合仿真概念的出现，提供了一种解决问题的新思路，利用LVC一体化联合仿真体系作战、联合作战的思想，进行模拟训练、复杂装备体系实时监控等，辅佐部队训练以及装备试验的进行。

1.1.1LVC（Live-Virtual-Constructive）一体化联合仿真

LVC（Live-Virtual-Constructive）一体化联合仿真包含真实仿真（LiveSimulation），指的是真实的人员在真实环境中操作真实的仿真武器装备，例如嵌入式仿真系统；虚拟仿真（VirtualSimulation），指的是操作人员操作仿真的武器系统进行的作战仿真，指的是飞行模拟器、飞机舰船驾驶模拟器等；构造仿真（Constructive

Simulation），指的是虚拟的人员操作仿真武器系统，例如虚拟战场、计算机生成兵力系统等。另外，一体化联合仿真旨在建造一个“物理上分布、逻辑上统一、时空上一致”的联合仿真试验环境。国际上通用模式为基于“仿真预测-试验-比较”思想的“模型-试验-模型”模式，从长远角度看来，走融合的武器装备试验发展道路，一定会将仿真试验推向更高层次。

分布式联合仿真为LVC（Live-Virtual-Constructive）平台的构建提供技术支撑，主要任务在于实现可重用和可重组性上，核心技术包含技术体系结构等，可以支持武器系统试验设计和部队训练。

1.1.2国外发展现状及趋势

分布式仿真是通过建立一致的通信接口来规范异构仿真系统间的信息交换，通过计算机网络将不同地理位置的仿真系统进行集成和链接，构建一个异构的综合作战环境。

20世纪80年代中期，美国国防部针对不同平台和不同模型之间的交互操作问题，首先提出了分布式仿真

（AdvancedDistributedSimulation，ADS）的概念。而后经过不断优化与进步，分别更迭出平台级分布交互式仿真（Distribute