在实时环境中进行多体系统仿真，长久以来一直是机械系统建模领域的目标，尤其是在硬件在环（HIL）、驾驶员在环（DIL）和虚拟样机等应用中。而Simpack通过引入数项关键技术，为实现复杂系统的实时多体动力学仿真铺平了道路，扮演了至关重要的角色。

 

初识Simpack实时仿真：一位分析师的视角 

我至今仍清晰地记得，第一次亲身体验我们实时仿真技术时的情景。那是在2012年左右，我正为一个客户项目工作，其中涉及一个车辆模型，该模型使用了一种定制的、类似Pacejka轮胎模型的实现，以满足特定需求。经过数周对每个子系统的精雕细琢，并将轮胎方程编写为Simpack用户子程序后，我终于能够对结果感到较为满意。

 

由于客户使用的是驾驶模拟器，而我们恰好刚发布了新一代的实时技术，我们便商定在一台基础的桌面模拟器上演示这个车辆模型。我们搭建了一个简单的测试平台：一个带有力度反馈的游戏用方向盘和踏板，运行在一台已转换为实时Linux系统的Windows笔记本电脑上。

 

接着，关键时刻到来了。我加载了模型，坐下来（在一张办公椅上），然后转动了方向盘。在无数个小时与方程式的缠斗和对2D图表的分析之后，能够真实地感受到汽车响应我的输入——这简直是颠覆性的体验。当我加速、制动和转向时，每一个反应都映射出我所构建的物理模型。我的工作被赋予了生命——它不再仅仅是数字，它正以物理的方式，与我进行实时的互动。我正在“体验”我的模型。这次经历给我的触动如此之深，以至于我下意识地拍了一张照片——不是为了拍那个设备，而是记录下它所代表的意义：我第一次实时驾驶自己创建的多体模型?？?，就是这张：

 

我第一次实时驾驶我的多体模型的照片

 

Simpack的实时多体动力学 

如果说Simpack“发明”了实时多体动力学，这或许言过其实，但一个不争的事实是，这款软件是第一个在工业层面上实现该技术的，并且Simpack通过多项关键创新，始终引领着业界前行的方向。

 

Simpack技术的独特之处是它构建运动方程的方式。关键优势是Simpack的相对坐标法，这种方法天然地导向一个在数值上既高效又稳定的模型，使其先天就非常适合实时仿真应用。

这一优势源于Simpack倾向于生成常微分方程（ODE），而非传统绝对坐标法通常产生的更为复杂的微分代数方程（DAE）。

 

实际上，DAE是经典“绝对坐标”法的产物，其问题在于求解这些方程会增加计算的复杂度。这些DAE导致了更高的求解器开销和更低的数值鲁棒性，这两点对于要求确定性和高速执行的实时应用来说，都是关乎成败的问题。

 

与此相反，Simpack的相对坐标法采用一种树状拓扑结构，将物体的运动定义为其相对于父级物体的运动。其结果是，运动方程绝大多数是ODE，它们在数值上更易于求解，并且在使用实时仿真中常见的显式或半隐式积分方法时，展现出更优的性能特性。

 

当然，Simpack在需要时也支持创建基于DAE的模型，但其独特的构建方式也有助于生成纯粹的ODE模型——这是许多其它多体仿真技术所无法实现的。

 

基于ODE的系统在实时应用中的优势包括：

l每个积分步的计算负载更低

l无需进行约束稳定化

l更优的数值条件

l求解器结构更简单，更适合在硬件在环（HiL）环境中常用的固定步长求解器

 

Simpack代码导出 | 早期应用 

由于Simpack的求解器技术如此完美地适配于实时环境，将其运行在驾驶模拟器上始终是可能的。我们从2001年就开始推广这项技术。那时，我们的技术名为“代码导出”（Code Export），正如这张来自我们旧网站的图片所示。

 

“代码导出”是我们的第一代实时技术，它基于代码导出生成。通过这种方法，多体模型被进行符号化的预处理，并编译成特定目标平台的C代码，这些代码可以部署在专用的实时平台上。这种方法确保了高执行速度和确定性，但需要一个独立的代码生成工序流程，这增加了集成的复杂性并降低了灵活性。

 

Simpack Realtime 我们的现代化实时多体仿真之道 

Simpack的“代码导出”技术在业界应用了大约十年，这使我们对实时应用所面临的诸多挑战获得了深刻的洞察。其中一个关键的领悟是，“仅仅”生成实时代码并不足以满足客户的需求。

 

第二代技术，于2013年左右推出，标志着一次重大的转变。与需要专有硬件和操作系统的代码导出方法不同，Simpack Realtime被设计为在一台标准的、支持实时的Linux平台上运行一个标准的Simpack安装版。这得益于新的Simpack Realtime求解器技术，其中包括了“智能并行化”，再结合实时Linux内核、内存锁定和确定性调度方面的进步。

 

在实时环境中运行一个完整并”现成可用”的多体求解器的想法在行业中是一个全新的概念。

 

那么，是什么让Simpack Realtime如此具有开创性？ 

它快速、灵活，并且为现代工程开发流程而生。它使得用户能够直接在Simpack环境中实时运行多体仿真模型。无需漫长的代码生成或繁琐的编译步骤——只需加载您的模型，然后点击运行。我们称之为直接实时（direct real-time）。

 

我们的直接实时方法持续地为用户带来了巨大的价值。通过毫无保留地利用Simpack求解器的全部能力，工程师们可以在他们的实时模拟器上运行模型，而无需在模型保真度或性能上做出任何妥协。

 

这种方法的另一个关键优势是，模型的简化和求解器的调校不再是必需的。

 

这种灵活性的一个强有力的例子是，利用的是Simpack的FMU导入功能, Simpack Realtime可以通过在环软件（SIL）与无缝导入的功能样机单元（FMU）相结合，这意味着您可以集成第三方组件，如动力转向或电池管理?？椋⑶胰匀荒芄皇迪挚煽康氖凳毙阅埽ǖ比?，您必须确保第三方组件也是实时兼容的）。

 

更重要的是，您可以轻松地在两次运行之间修改Simpack模型参数——对于某些参数，甚至可以在实时仿真运行时动态调整。这使得快速迭代和交互式测试达到了前所未有的水平。

正如我们的一位客户所言：“我们真心喜爱你们的工作流程，因为它非常透明。”

 

举个例子，在汽车行业，工程师们长期依赖查找表来近似实时仿真中的悬架运动学——这种方法虽然有效，但引入了一些中间数据处理步骤。有了Simpack Realtime，这些近似已成为历史。您现在可以实时运行包含动态衬套元件的、细节完备的悬架模型，无需预先计算数据，实现了更精确、基于物理的仿真——直接且毫不妥协。多年来，我们还确保了第三方轮胎模型的集成完全兼容所有主流轮胎模型的实时执行。

 

事实证明，Simpack Realtime可以与包含柔性体的模型无缝协作。

 

以我的经验来看，柔性体的集成显著增强了驾驶模拟器的驾驶体验。

 

值得注意的是，除了汽车领域，Simpack Realtime还广泛应用于众多其它行业，包括铁路、风能、传动系统、工程机械甚至消费品。

 

如今，Simpack Realtime使您能够将同一个模型部署在多种硬件配置上，无缝覆盖实时开发过程的每一个阶段，从早期在桌面模拟器或实时硬件上的独立运行，一直到在高端运动平台上的全面部署。如果标准平台不足以满足需求，客户甚至可以编写自己的定制通信层。

 

不仅如此，借助集成的实时动画功能，您可以在仿真运行时对其进行可视化观察。

 

我们希望这篇文章能让您了解，为何Simpack已成为高性能实时仿真领域值得信赖的先锋，赋能工程师去挑战无限可能。但这仅仅是故事的一部分，创新是我们一切工作的核心，我们对未来充满期待。