1.6 X-in-the-Loop場景設計

X-in-the-Loop方法可集成仿真模型和真實組件，并充分應用現(xiàn)有工具和方法，可充分考慮駕駛員和外界環(huán)境對于需求和開發(fā)過程的影響。該方法的核心是當測試中出現(xiàn)部件缺失的情況時，利用模型或代碼替代缺失部件，實現(xiàn)軟硬件結合測試。

構建合適的應用場景是X-in-the-Loop方法的重點之一，因此構建合適且典型的測試場景，確定哪些測試項目可以實現(xiàn)，是應用X-in-the-Loop方法的重要工作。

X-in-the-Loop方法中的Model-in-the-Loop，即模型在環(huán)，意指被測對象的存在形式為模型，利用環(huán)內(nèi)其他部件的軟件或硬件形式，對模型進行驗證和標定。模型在環(huán)的測試結果是軟件在環(huán)的重要參考。Software-in-the-Loop，即軟件在環(huán)，意指被測對象的存在形式為代碼，利用實時仿真平臺與環(huán)內(nèi)其他部件的軟硬件進行數(shù)據(jù)交互，從而對代碼的準確性進行驗證。Hardware-in-the-Loop，即硬件在環(huán)，在傳統(tǒng)V模式開發(fā)中，指實際控制器與虛擬控制對象組成的仿真系統(tǒng)。在X-in-the-Loop方法中，硬件在環(huán)的范圍由狹義的控制器擴展到廣義的硬件，即被測對象的存在形式為硬件，利用環(huán)內(nèi)其他部件的軟硬件對被測硬件進行測試驗證^[98]。

在燃料電池動力系統(tǒng)的測試驗證中，主要涉及的模型包括燃料電池模型、蓄電池模型、DC/DC模型、電機模型、整車模型、控制策略模型、駕駛員模型等，其主要信息見表1.5。

1.6.1 同步性方法設計

由于測試設備包含眾多硬件設備，并且硬件設備的通信協(xié)議不同。因此還需對測試設備的同步性進行設計。

首先，基于燃料電池汽車動力系統(tǒng)的測試需求，構建出通信架構及網(wǎng)絡拓撲，如圖1.8所示。該通信架構包括系統(tǒng)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡、業(yè)務核心網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡、車載兼容網(wǎng)絡和設備控制局域網(wǎng)。其中，系統(tǒng)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)通信，業(yè)務核心網(wǎng)絡采用MODBUS通信；數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡用于模型數(shù)據(jù)的通信和燃料電池發(fā)動機測試數(shù)據(jù)的通信，對數(shù)據(jù)實時性要求較高，因此采用反射內(nèi)存的通信方式；車載兼容網(wǎng)絡采用CAN通信；設備控制局域網(wǎng)絡即為測功機和服務器等高速設備與主控系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，采用EtherCat通信。

該系統(tǒng)應用NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡時間協(xié)議）網(wǎng)絡同步技術。NTP是由RFC 1305定義的時間同步協(xié)議，用來在分布式時間服務器和客戶端之間進行時間同步。NTP基于UDP報文進行傳輸。使用NTP的目的是對網(wǎng)絡內(nèi)所有具有時鐘的設備進行時鐘同步，使網(wǎng)絡內(nèi)所有設備的時鐘保持一致，從而使設備能夠提供基于統(tǒng)一時間的多種應用。對于運行NTP的本地系統(tǒng)，既可以接收來自其他時鐘源的同步，又可以作為時鐘源同步其他的時鐘，并且可以和其他設備互相同步。

設備可以采用多種NTP工作模式進行時間同步，這里選擇“客戶端/服務器模式”（Client/Server，C/S）。在客戶端/服務器模式中，客戶端向服務器發(fā)送時鐘同步報文，服務器端收到報文后會自動工作在服務器模式，并發(fā)送應答報文，客戶端收到應答報文后，進行時鐘過濾和選擇，并同步到優(yōu)選的服務器。

接著，進行系統(tǒng)實時性保障與設計。在一般情況下，一個操作系統(tǒng)負責管理計算機的硬件資源和在計算機上運行的應用程序。該操作系統(tǒng)主要部署在實時性保障計算機中，其對于通信數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)的判斷最終會產(chǎn)生診斷策略和故障信息，指導協(xié)調(diào)系統(tǒng)解決當前問題。

其次，實施管理配置層在實時測試中將實時操作系統(tǒng)作為測試系統(tǒng)的一部分。與使用通用操作系統(tǒng)相比，推動實時測試系統(tǒng)最常見的需求是需要實現(xiàn)更高的可靠性和更高的性能。

最后，進行同步授時方法與規(guī)則的設計。整個系統(tǒng)授時工作是基礎性設計，涉及諸多關鍵數(shù)據(jù)同步。授時工作主要包含如下部分業(yè)務：網(wǎng)絡授時協(xié)議支持、時間標記、同步時鐘（心跳脈沖）。同步授時方法示意圖如圖1.9所示。

主服務器作為網(wǎng)絡通信的服務器和數(shù)據(jù)庫所在地主要負責服務器搭建和數(shù)據(jù)存儲的功能。數(shù)據(jù)以固定格式和寄存器地址傳遞，格式中包含數(shù)據(jù)校驗和協(xié)議固有特征，在應用層每段數(shù)據(jù)都由時間標簽和有效時間組成。實時性保障計算機校驗每段數(shù)據(jù)自有效性以及相互校驗，相互校驗過程基于網(wǎng)絡設計的冗余性，同時系統(tǒng)狀態(tài)上通過總線回傳心跳脈沖，心跳脈沖是系統(tǒng)同步性和活躍性的重要指標，本系統(tǒng)設計中處于任務狀態(tài)的執(zhí)行主機都要發(fā)送心跳信號；凡是接入系統(tǒng)的任務主機也要更新心跳信號和狀態(tài)標識。

1.6.2 Model-in-the-Loop

Model-in-the-Loop（模型在環(huán)）的測試驗證對象為模型，組成環(huán)的其他部分為硬件或軟件。可利用動力系統(tǒng)主要部件模型作為測試驗證對象，模型運行環(huán)境為實時仿真器。當燃料電池模型/蓄電池模型作為測試驗證對象時，主控系統(tǒng)將燃料電池模型/蓄電池模型與電源模擬器相連，電源模擬器產(chǎn)生的電能由負載系統(tǒng)（電驅動系統(tǒng)或電子負載）消耗，從而實現(xiàn)燃料電池/蓄電池模型在環(huán)。當電驅動系統(tǒng)模型作為被測對象時，電驅動系統(tǒng)需求功率由工況信息決定，該需求功率直接由電源模擬器提供，由負載系統(tǒng)消耗，不受電源模型的電流電壓特性約束。

圖1.10為一種模型在環(huán)典型場景，即燃料電池模型測試驗證，該場景利用實時仿真器、電源模擬器和測功機等硬件和蓄電池模型、電驅動模型、整車模型等模型來實現(xiàn)燃料電池模型的驗證。工況信息可由駕駛模擬器采集，或由后臺數(shù)據(jù)庫提供。主控系統(tǒng)的主要功能為任務調(diào)度、運行整車模型與控制策略模型、通信調(diào)理等。實時仿真器主要運行動力系統(tǒng)關鍵部件模型，包括燃料電池及輔助系統(tǒng)和蓄電池等。電源模擬器的主要功能為根據(jù)模型數(shù)據(jù)提供電流電壓信號，并向電驅動系統(tǒng)輸出。其中燃料電池模型、蓄電池模型、電驅動模型和主控系統(tǒng)中的整車模塊（實現(xiàn)整車模型功能），構成了一個完整的燃料電池動力系統(tǒng)模型。

主控系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的工況信息，由主控系統(tǒng)的整車模塊計算行駛阻力。根據(jù)行駛阻力，由電驅動模型提出功率要求，并由燃料電池發(fā)動機模型給出功率響應，該功率響應發(fā)往電源模擬器，該電源模擬器根據(jù)燃料電池發(fā)動機模型的輸出特性，產(chǎn)生模擬燃料電池發(fā)動機的電壓信號，該部分產(chǎn)生的能量由負載系統(tǒng)消耗。若負載系統(tǒng)為電機-測功機系統(tǒng)，則輸出實時轉速信號，由駕駛員模型根據(jù)期望車速和實際車速的差值調(diào)整電機轉矩。利用此類架構，可實現(xiàn)燃料電池模型的測試驗證，特別是燃料電池汽車動力系統(tǒng)的匹配測試，即在燃料電池缺失的情況下，利用模型與電源模擬器，構成完整動力系統(tǒng)。

與全仿真和純實物測試相比，使用模型在環(huán)的測試方法，可完成測試鏈中部分測試設備實體缺失情況下的測試驗證；在測試驗證過程中，可充分利用現(xiàn)有測試設備，將被測模型的輸出信號輸入相關測試設備中，實現(xiàn)模型信號的實時動態(tài)檢測。

1.6.3 Software-in-the-Loop

Software-in-the-Loop（軟件在環(huán)）的被測對象為代碼，組成環(huán)的其他部分為硬件或軟件。當被測對象為系統(tǒng)控制策略時，將系統(tǒng)控制策略生成代碼，利用軟件在環(huán)平臺，與動力系統(tǒng)模型連接，實現(xiàn)策略驗證功能，如圖1.11所示。當被測對象為系統(tǒng)控制策略和動力系統(tǒng)模型時，可將系統(tǒng)控制策略與動力系統(tǒng)模型均生成代碼，利用軟件在環(huán)平臺驗證。當被測對象為動力系統(tǒng)關鍵部件控制策略時（如電驅動系統(tǒng)），則將該部分控制策略生成代碼，其他部分仍為模型。

軟件在環(huán)測試可進一步實現(xiàn)模型的測試驗證，使得被測模型所生成的代碼可應用于硬件。軟件在環(huán)測試舉例中，代碼和模型均運行在實時仿真器中，在虛擬實時環(huán)境中將生成的C代碼用于控制部件模型，實現(xiàn)軟件在環(huán)平臺與Simulink仿真平臺的聯(lián)合仿真，借助實時仿真，改進和測試控制策略。

在X-in-the-Loop方法指導下的軟件在環(huán)，可將代碼驗證平臺與動力系統(tǒng)測試設備連接，將被測代碼的輸出信號輸入相關測試設備中，實現(xiàn)實時動態(tài)檢測。由于實驗條件所限，基于該測試平臺的軟件在環(huán)場景局限于包含被測代碼-模型、被測代碼-模型代碼兩類場景。

1.6.4 Hardware-in-the-Loop

Hardware-in-the-Loop（硬件在環(huán)）的被測對象為硬件，組成測試環(huán)的其他部分為硬件或軟件。由于測試手段的軟硬件組合方式靈活，可完成多種硬件在環(huán)測試驗證。

當被測對象為燃料電池發(fā)動機或動力蓄電池，即動力源部件時，可調(diào)用電源模擬器充當負載，或使用真實的電驅動系統(tǒng)充當負載。當被測對象為電驅動系統(tǒng)時，可利用真實的燃料電池發(fā)動機或動力蓄電池，或調(diào)用電源模擬器，作為動力源。測試所需其他部件可使用模型或實物。當被測對象為控制器時，該測試場景符合傳統(tǒng)意義上的硬件在環(huán)，除控制器為實體，其他部分均為模型。

圖1.12為基于該測試平臺應用的一種硬件在環(huán)典型場景，即利用實時仿真器、電源模擬器和測功機等硬件和燃料電池模型/蓄電池模型等模型來實現(xiàn)電驅動系統(tǒng)的匹配與性能測試。

在該類場景下，主控系統(tǒng)從綜合數(shù)據(jù)管理模塊調(diào)用工況信息，并利用系統(tǒng)控制策略模塊和整車模塊求得燃料電池發(fā)動機和蓄電池的需求功率，電源模擬器根據(jù)燃料電池發(fā)動機模型和動力蓄電池模型并聯(lián)后的特性產(chǎn)生電流電壓信號，并為電驅動系統(tǒng)提供能量，電驅動系統(tǒng)工作并拖動測功機。利用此類架構可實現(xiàn)在動力源部件缺失的情況下，燃料電池汽車動力系統(tǒng)的電驅動部分的匹配與性能測試。

在X-in-the-Loop方法中，硬件在環(huán)的定義由硬件僅指代控制器擴展為硬件指代被測對象，測試鏈中的其他部分可以為真實對象，也可用模型代替。因此利用X-in-the-Loop方法可構建靈活的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)動力系統(tǒng)關鍵部件的匹配和性能測試。

通過以上場景分析可總結：①模型在環(huán)：可利用動力系統(tǒng)主要部件模型作為測試驗證對象，當燃料電池模型/蓄電池模型作為測試驗證對象時，主控系統(tǒng)將燃料電池模型/蓄電池模型與電源模擬器相連，電源模擬器產(chǎn)生的電能由負載系統(tǒng)（電驅動系統(tǒng)或電子負載）消耗，從而實現(xiàn)燃料電池/蓄電池模型在環(huán)；②軟件在環(huán)：當被測對象為系統(tǒng)控制策略時，將系統(tǒng)控制策略生成代碼，利用軟件在環(huán)平臺，與動力系統(tǒng)模型連接，實現(xiàn)策略驗證功能；③硬件在環(huán)：當被測對象為燃料電池發(fā)動機或動力蓄電池，即動力源部件時，可調(diào)用電源模擬器充當負載，或使用真實的電驅動系統(tǒng)充當負載，當被測對象為電驅動系統(tǒng)時，可利用真實的燃料電池發(fā)動機或動力蓄電池，或調(diào)用電源模擬器，作為動力源。

1.6.5 X-in-the-Loop在分布式系統(tǒng)框架內(nèi)的場景用例

根據(jù)分布式系統(tǒng)的文獻綜述可知，在互聯(lián)網(wǎng)上進行遠距離測試驗證是可行的。原則上，X-in-the-Loop的每個組件都可以在不同地理位置分布并與其他組件聯(lián)網(wǎng)。但是，根據(jù)驗證目標和邊界條件，應對X-in-the-Loop框架內(nèi)的場景用例進行討論，以便確定應該怎樣結合分布式系統(tǒng)與X-in-the-Loop方法，哪些應用使用網(wǎng)絡驗證是有意義的，以及哪些影響因素對結果產(chǎn)生影響。

文獻[112]提出了在分布式系統(tǒng)架構中應用遠程連接的三種場景：兩系統(tǒng)操作層與操作層的連接，一系統(tǒng)操作層與另一系統(tǒng)業(yè)務層的連接，兩系統(tǒng)業(yè)務層與業(yè)務層的連接。

兩系統(tǒng)操作層與操作層的連接：該類場景中，主機不僅處理操作層本身的業(yè)務功能，同時也完成不同系統(tǒng)之間的通信業(yè)務。例如運用主機中的MATLAB/Simulink軟件，完成測試與通信業(yè)務，MATLAB/Simulink軟件與測試臺控制軟件具有良好的兼容性，可實現(xiàn)建立分布式主機之間的通信，以及實現(xiàn)通信軟件對測試設備數(shù)據(jù)的訪問。測試設備軟件通常具有與MATLAB/Simulink軟件集成的接口，也可用于在線數(shù)據(jù)傳輸。大多數(shù)情況下不需要額外的硬件和軟件且編程工作量較少。主機可能需要額外的網(wǎng)卡來分離與測試設備的通信以及與其他主機的通信。

一系統(tǒng)操作層與另一系統(tǒng)業(yè)務層的連接：該情況下，一臺主機可以控制多個測試設備，節(jié)省了主機的成本。所有涉及的測試設備允許訪問中央主機。出于安全等原因，在許多情況下，仍然需要本地主機來監(jiān)控本地測試設備并在緊急情況下進行本地控制。測試設備的通信發(fā)生在中央主機內(nèi)。因此，必須在主機中實現(xiàn)不同特定測試軟件之間的數(shù)據(jù)交換。

兩系統(tǒng)業(yè)務層與業(yè)務層的連接：該類場景中，由于測試設備的數(shù)據(jù)處理時間總是在一定的時間間隔內(nèi)得到保證，因此該類場景的連接是三類場景中最快和最穩(wěn)定的。但是該類場景下必須為測試設備提供用于在線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ沤涌凇Ｓ捎跍y試設備的控制應該同時從操作層開始，因此不得中斷目標與其自己的主機之間的連接。出于安全原因，交換的信號也應操作層可見。

分析三種場景，可知第一種場景最容易實現(xiàn)，只需將兩系統(tǒng)的主機進行連接即可，可實現(xiàn)跨部門和公司使用。第二種場景往往適用于內(nèi)部使用，第三種場景二者均可使用。

此外，分布式系統(tǒng)應用X-in-the-Loop方法還需考慮以下三個因素：是否需要考慮系統(tǒng)間耦合，將系統(tǒng)整合到本地的成本，以及網(wǎng)絡連接。因此根據(jù)以上因素，可用圖1.13度量分布式系統(tǒng)網(wǎng)絡化原則^[113]。