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模型交换和联合仿真的功能模型接口 FMI

专业名词翻译说明：

Model Exchange：模型交换

Co-simulation，Cosimulation：联合仿真，协同仿真

simulators：模拟器，仿真器

solver：解算器，求解器

slave simulators：从仿真器

integration：积分

integrate：积分

integrator：积分器

numerical integration：数值积分

time integration：时间积分

geometrical dimensions：几何尺寸

differential-algebraic equations：微分代数方程

difference equations：差分方程

time dependent coupled systems：时变联合系统

coupling of simulation tools：仿真工具联合

tool coupling：工具联合

block representation：方框图表示

Schema：模式

subsystems (slaves)：子系统，从机

master：主机

slave：从机

master algorithm：主机算法，主算法

independent variable ：自变量，独立变量

continuous-time states：连续时间状态

discrete states：离散状态

state event：状态事件

time instant：时间瞬间

time event：时间事件

event instant：事件瞬间

event indicator：事件指示器

coupling：耦合，联合

numerical solvers：数值求解器

zero-crossing：过零，零交叉（二阶导数为 0 的点，常用于边缘检测）

derivative：导数

schema files:模式文件

capability flag:能力标志

error estimation：误差估计，错误估计

ScalarVariables：标量变量

parameters, inputs, start values，outputs：机理模型的模型变量，包括参数、输入、起

始值、输出等

stiff differential equations：刚性微分方程，即步长很小才能收敛的微分方程

state derivatives：状态导数

ordered lists：有序列表

unordered sets：无序集

Globally Unique Identifier:全局唯一标识符

the solution is singular：解是奇异的，奇异解

direct feed through：直接馈通连接

communication steps：通讯步骤，的动作，两个通讯点直接的宏步骤，一般

是解常微分方程并进行连续变量仿真

communication points：通讯点，也称采样点、同步点

communication step sizes：通讯步长，，两个通讯点之间的时间差，也称

采样率

tolerance：指定最大可接受求解器误差（相对于每个时间步期间每个状态的大小）。如

果相对误差超过此容限，求解器会减少时间步大小

1. 概述

FMI（Function Mock-up Interface）定义接口，接口通过叫做 FMU(Function Mock-up Unit)

的可执行文件实现。FMI 函数在一个仿真环境中创建一个或多个 FMU 实例，通常与其它模

型一起进行仿真。一个 FMU 可能有它自己的求解器（支持 Co-simulation 的 FMI，第 4 章）

或者需要仿真环境执行数值积分（支持 Model Exchange 的 FMI，第 3 章）。接口的目标是使

得在仿真环境中调用 FMU 相对简单。本文档不提供怎样从模型环境中生成 FMU。可以在配

套的文档“FunctionMockupInterface-ImplementationHints.pdf”中找到实现的提示。

Model Exchange FMI 接口定义了动态系统模型的接口，动态系统是使用微分、代数和离

散时间方程描述的，并在不同仿真环境需要时提供求解这些方程的接口，此外，在嵌入式控

制系统中，带有显式或隐式积分器，以及固定的或可变的步长（step-size）。该接口的设计

适用于大型模型。

Co-simulation FMI 接口是为仿真工具的联合（模拟器联合、工具联合）以及与子系统模

型的联合而设计的，子系统模型是其仿真器及求解器作为可运行代码导出的。其目的是计算

由时间连续的子系统（由微分代数方程描述的模型部件）或时间离散的子系统（由差分方程

描述的模型部件，例如离散控制器）组成的时变联合系统（time dependent coupled systems）

的解。在联合系统的方框图表示中，子系统由带（内部）状态变量 x(t)的方框表示，这些方

框通过子系统输入 u(t)和子系统输出 y(t)连接到联合问题的其他子系统（方框）。

在工具联合的场景下，仿真过程的全部阶段（从不同仿真工具独立子系统的单独建模和预

处理开始）都运用了联合问题的模块化结构。在时间积分过程中，再次对所有子系统独立进

行仿真，将子系统之间的数据交换限制在离散通信点上。最后，在各自的本地仿真工具中对

各子系统的仿真数据分别进行可视化和后处理（post-processing）。

这两类接口（Model Exchange FMI 和 Co-simulation FMI）大部分是相同的。这些部分在

第二章中定义。特别的：

 FMI 应用程序接口(C)

所有需要的方程或工具联合计算都通过调用标准化的“C”函数来执行。之所以使用

“C”，是因为它是当今可移植性最好的编程语言，也是所有嵌入式控制系统中唯一可

以使用的编程语言。

 FMI 描述模式 (XML)

模式（schema）由建模环境生成的 XML 文件的结构和内容定义。这个 XML 文件以

标准化的方式包含 FMU 的所有变量的定义。这样就可以在嵌入式系统中运行 C 代码，

而无需变量定义的开销（另一种方法是将此信息存储在 C 代码中并通过函数调用访

问它，但这对于嵌入式系统和大型模型都不实用）。此外，变量定义是一种复杂的数

据结构，工具应该可以自由地在程序中表示这种数据结构。选中的方法允许工具在仿

真环境的编程语言（例如 C++、C 语言、Java 或 Python）中存储和访问变量定义（没

有标准化访问函数的任何内存或效率开销）。注意，有许多不同编程语言的免费和商

业库可以将 XML 文件读入适当的数据结构，请参见 http://en.wikipedia.org/wiki/xml

解析器，特别是高效的开源解析器 SAX (http://sax.sourceforge.net/,

http://en.wikipedia.org/wiki/Simple_API_for_XML)

FMU（换句话说，没有积分器的模型、带有积分器的可运行模型或工具联合接口）发布在

一个 zip 文件中。zip 文件包含（更多详细信息见第 2.3 节）：

 FMI 描述文件（xml 格式）

 FMU 的 C 源，包括模型中使用的所需运行时库，和/或一台或多台目标计算机的二进

制文件，如 windows 动态链接库（.dll）或 linux 共享对象库（.so）。如果 FMU 提供

商希望隐藏源代码以保护所包含的技术机密，或允许在另一个仿真环境中完全自动导

入 FMU，则优先使用后一种解决方案。FMU 可以包含物理参数或几何尺寸，但不应

公开。另一方面，有些功能需要源代码

 其他 FMU 数据（如表格、映射（maps））采用 FMU 特定的文件格式

FMU 的示意图如下图所示：

图 1：环境与 FMU 间的数据流。细节见第三章和第四章

蓝箭头：由 FMU 提供的信息

红箭头：为 FMU 提供的信息

可从 https://www.fmi-standard.org/literature，特别是 2011 年和 2012 年的 blochwitz 等

获取有关 fmi 的出版物。。

1.1 Properties and Guiding Ideas 属性和指导思想

在本节中，列出了一些属性，并定义了一些指导 FMI 低层设计的原则。这将提高接口功能

的自一致性。列出的问题按从高级属性到低级实现的顺序排序。

表示性：FMI 提供了 modelica、simulink 和 simpack 模型可以转换为 FMU 的必要功能。

稳定性：世界范围内的多数模拟工具都将支持 FMI。实现这种支持是工具供应商的一项重

大投资。因此，FMI 的稳定性和向后兼容性具有很高的优先级。为了支持这一点，在可行的

情况下，FMI 定义了“能力标志”，供将来版本的 FMI 使用，以向后兼容的方式扩展和改进 FMI。

实现：FMU 可以手工编写，也可以由建模环境自动生成。现有的人工编码模型可以根据

FMI 标准手动转换为模型。

处理器独立性：可以在不知道目标处理器的情况下分发 FMU 。允许在 PC 机、

Hardware-in-the-Loop 仿真平台或作为电子控制单位的控制器软件的一部分（例如作为

Autosar SWC 的一部分）上运行 FMU。保持 FMU 独立于目标处理器可以提高 FMU 的可用

性，甚至是 AUTOSAR 软件组件模型所需要的。实现：使用文本 FMU（分发 FMU 的 c 源代

码）。

仿真器独立性：可以在不知道目标仿真器的情况下编译、链接和分发 FMU。原因：否则，

该标准的吸引力将大大降低，没有必要限制 FMU 在编译时的后期使用，并迫使用户维护 FMU

特定于仿真器的变体。实现：使用二进制 FMU。生成二进制 FMU 时，比如 windows 动态链

接库（.dll）或 linux 共享对象库（.so），必须知道目标操作系统和最终的目标处理器。但是，

生成二进制 FMU 不需要目标仿真器的运行时库、源文件或头文件。因此，二进制 FMU 可以

由在目标平台上运行的任何仿真器执行（如果模型或使用的运行时库需要，提供必要的许可

证）。

运行时开销小：FMU 和目标模拟器之间通过 FMI 进行的通信不会带来显著的运行时开销。

它通过一种新的缓存技术（避免多次计算相同的变量），以及通过交换矢量而不是标量来实

现。

占用空间小：编译后的 FMU（可执行文件）很小。原因：FMU 可以在 ECU（电子控制单

位，例如微处理器）上运行，ECU 有很强的内存限制。这是通过将信号属性（名称、单位等）

和模型计算不需要的所有其他静态信息存储在单独的文本文件（=模型描述文件）中来实现

的，该文本文件在运行可执行文件的微处理器上是不需要的。

隐藏数据结构：用于模型交换的 FMI 没有规定表示模型的数据结构（c 结构）。理由：FMI

标准不应不必要地限制或规定 FMU 或模拟器（无论谁持有模型数据）的某种实现，以便于

不同工具供应商的实现。

支持多个、嵌套的 FMU：模拟器可以在一个仿真中运行多个 FMU 和/或一个 FMU 的多个

实例。这些 FMU 的输入和输出可以通过直接馈通连接（direct feed through）。此外，FMU

可以包含嵌套 FMU。

数值稳健性：FMI 标准允许以稳健的方式处理数值上关键的问题（例如时间和状态事件、

多采样率、刚性问题）。

隐藏缓存：典型的 FMU 将缓存计算结果以供后期重用。为了简化使用并减少仿真器出错

的可能性，缓存机制对于 FMU 的使用是隐藏的。原因：首先，FMI 不应该强制 FMU 执行某

种缓存策略。其次，这有助于保持 FMI 的简单性。实现：FMI 提供显式方法（由 FMU 环境

调用）来设置使缓存数据失效的属性。选择实现高速缓存的 FMU 可以维护一组“dirty”标志，

对仿真器隐藏。一个 get 方法，例如获取一个状态，然后会触发一个计算，或者返回缓存的

数据，这取决于这些标志的值。

支持数值求解器：典型的目标模拟器将使用数值求解器。这些求解器需要状态向量、导数

和过零（zero-crossing）函数。FMU 直接填充求解器提供的这些向量的值。原因：最小化

执行时间。这些向量的暴露在某种程度上与“隐藏数据结构”的要求相冲突，但效率的提高证

明这是有必要的。

显式声明：指定的操作、参数类型和返回值在显示中显式指定。例如，运算符（例如

“compute_derivatives”）不作为 int 参数传递，但为此调用了一个特殊函数。“const”前缀用

于任何不应更改的指针，包括“const char*”而不是“char*”。原因：FMI 的正确使用可以在编

译时检查，并允许在 C++环境中调用 C 代码（对“const”比 c 更严格）。这将有助于以预期方

式使用 FMI 开发 FMU。

功能少：FMI 由几个“正交”功能组成，避免了可以用其他功能定义的冗余功能。原因：这

导致了一个紧凑、易于使用并因此有吸引力的有紧凑文档的 API。

错误处理：所有的 FMI 方法都使用一组通用的方法来传递错误。

分配器必须空闲：FMU 分配的所有内存（和其他资源）都由 FMU 释放。同样，仿真器分

配的资源由仿真器释放。原因：这有助于防止由于不同组件的运行时环境不兼容而导致的内

存泄漏和运行时错误。

不可变字符串：作为参数传递或返回的所有字符串都是只读的，接收方不得修改。原因：

这简化了字符串的重用。

命名列表元素：在 fmiModelDescription.xsd XML 架构文件中定义的所有列表都具有列表

元素的字符串属性名。对于同一列表的所有其他名称属性，此属性必须是唯一的。

使用 C：FMI 是用 C 编码的，而不是 C++。原因：避免与编译器和链接器相关的行为出现

问题。在嵌入式目标上运行 FMU。

此版本的功能模型接口没有以下所需的属性。它们可能会在将来的版本中添加：

 Model Exchange 的 FMI 是状态空间形式的常微分方程（ode）。它不适用于一般的微

分代数方程组。但是，支持 FMU 中的代数方程系统（例如，因为无法找到代数方程

系统的解，FMU 可以向环境报告以较小的步长重新运行当前步骤）。

 不包括对多体系统程序（如 simpack）可能有用的特殊功能。

 接口用于仿真和嵌入式系统。不包括轨迹优化可能额外需要的特性，例如连续积分过

程中模型相对于参数的导数。

 XML 文件中没有变量层次结构的明确定义。

 FMU 的状态数和事件指示器数是固定的，不能更改。

1.2 Acknowledgements

略

2. FMI Common Concepts for

Model Exchange and Co-Simulation

FMI 通用概念

在本章中，定义了“model exchange 模型交换”和“co-simulation 联合仿真”的常见概念。在

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