本文是一篇发表于学术期刊 software and systems modeling 2025年第一期的研究论文。论文题为《为功能模拟单元添加更高层次语义，以实现更轻松、快速和鲁棒的协同仿真连接》。其作者团队包括来自SINTEF Ocean (Trondheim, Norway)的Martin Rindarøy, Håvard Nordahl, Marianne Hagaseth，以及来自SINTEF Nordvest (Ålesund, Norway)的Severin Sadjina和Stian Skjong。
研究背景与目的 本研究的核心科学领域是协同仿真与模型集成，具体聚焦于功能模拟接口标准在复杂系统仿真，尤其是海事系统仿真中的应用。随着网络物理系统日益复杂，跨团队、跨组织、跨供应商的协作建模与仿真成为创新的关键前提。协同仿真作为一种将独立子模型耦合以构建全系统仿真的技术，因其能高效复用模型资产、保护知识产权、实现并行计算等优势，已在包括海事工业在内的多个领域获得应用。
然而，作者们指出，现有技术存在显著的研究空白。尽管功能模拟接口标准为模型交换与协同仿真提供了标准化的二进制接口，但其仅基于原始数据类型和任意的用户定义变量名，缺乏更高层次的、贴近工程领域的语义信息。这使得系统集成商在连接由不同团队独立开发的子模型时，面临困难、繁琐且易错的任务。具体问题体现在：变量命名方式不统一，缺乏通用语义；连接正确性验证困难，仅能检查数据类型兼容性，无法判断物理意义是否合理；对于大型复杂系统（如船舶），手动连接数百个变量极其耗时且容易出错。现有如系统建模语言、系统结构与参数化等工具虽能简化仿真设置，但未能解决连接验证问题。因此，亟需一种通用方法来简化模型接口、验证连接的正确性，并提升协作效率。
本研究的目标正是填补这一空白。作者旨在提出并验证一个框架，通过为功能模拟单元增添基于本体论的、贴近工程领域的高层次语义，从而简化协同仿真的配置过程，提升连接的正确性和可靠性，并改善跨团队协作的效率。
研究详细流程 本研究并非一项传统的、包含多阶段实验的实证研究，而是一项侧重于方法论提出、技术实现与案例验证的研究。其工作流程主要包含三个核心部分：本体论设计、技术规范制定以及案例研究验证。
第一部分：OSP-IS本体论与规范的设计与实现。 这是本研究的核心创新部分。研究团队提出了“开放仿真平台接口规范”，这是一个用于描述和验证模型接口的框架。其核心思想是将FMI变量根据工程语义分组为“变量组”，并通过形式化的本体论来定义这些组的类型和连接规则。 1. 本体论设计： 研究团队使用网络本体语言开发了OSP-IS本体。与常见的通过逻辑不一致性来检测错误的设计不同，他们采用了基于“分类”的方法。本体中预定义了各种变量组类型以及验证错误类。当验证工具将具体的仿真配置信息（变量、变量组、连接关系）作为“个体”填充到本体中后，推理机通过分类机制，自动将违反规则的个体归类到相应的错误类中。这种方法能快速生成对用户有意义的错误信息，例如“类型为A的变量组不能连接到类型为B的变量组”。 2. 规则定义： OSP-IS本体定义了变量组连接有效的三条核心规则：变量必须具有相反的因果性；变量必须具有相同的数据类型；变量的基本单位必须完全相同。文中以线性机械端口和线性机械准端口等为例，展示了如何将力、位置、速度等物理量组合成有意义的接口单元。 3. 技术规范实现： 研究团队制定了两个关键的XML模式定义。一个是ospmodeldescription.xsd，用于定义ospmodeldescription.xml文件的结构。模型开发者需创建此文件，将其FMU中的FMI变量引用并归类到OSP-IS本体定义的特定变量组类型下，并指定单位。另一个是ospsystemstructure.xsd，用于定义描述整个协同仿真配置的ospsystemstructure.xml文件，其中可以声明变量连接或变量组连接。
第二部分：工作流程阐述。 论文清晰地描绘了采用OSP-IS后的新协作流程。模型开发者根据系统集成商的需求，独立开发模型并生成附带ospmodeldescription.xml的FMU。该系统集成商接收这些FMU后，在仿真工具中通过定义ospsystemstructure.xml来组装全系统仿真。得益于变量组的语义信息，连接数量大幅减少，且配置可以通过OSP验证工具进行自动验证，确保物理连接的正确性。整个过程强调了共享工程词汇、减少手动连接和增强验证能力。
第三部分：案例研究验证。 为了证明所提方法的有效性和优势，研究团队进行了一项真实的海事案例研究。案例涉及将一个商用动态定位硬件控制器与一个由多个不同团队开发的子系统模型进行集成。这些子系统包括船体、环境、推进器和传感器模型。研究的“对象”就是这个由多个FMU和硬件控制器构成的复杂仿真系统。 1. 研究处理： 研究团队为所有仿真模型FMU创建了符合OSP-IS规范的ospmodeldescription.xml文件，使用预定义的变量组类型来语义化其接口。特别是，利用OSP-IS中定义的NMEA消息变量组，来处理DP控制器与仿真器之间基于UDP的NMEA协议通信。 2. 对比分析： 研究的关键步骤是量化对比使用OSP-IS前后的差异。他们构建了两个全系统仿真配置：一个是传统的基于单个FMI变量连接的配置，另一个是使用OSP-IS变量组连接的配置。 3. “实验”与数据分析： 本研究的“实验”主要是配置与验证过程的实践与分析。通过对比两个配置的拓扑图和数据，分析其复杂性和潜在错误点。结果显示，在不使用变量组的情况下，需要处理156个变量和78条连接，配置图极其复杂，难以理解和验证。而使用OSP-IS变量组后，连接被抽象为19条连接，其中36个是变量组连接，配置图变得清晰直观。更重要的是，变量组连接自动包含了前述三条规则的验证，显著降低了因连接错误导致物理意义错误的可能性。
主要研究结果 1. 方法论有效性得到证实： 案例研究结果表明，OSP-IS成功地将接口连接数量从78个大幅减少到19个，极大简化了系统集成商的工作界面。 2. 沟通与验证能力提升： 通过提供共享的、贴近工程的语义词汇，模型开发者与系统集成商之间的沟通变得更加清晰高效。自动验证功能为系统配置的正确性提供了保障，增强了用户信心。 3. 复杂性管理能力增强： 对于像动态定位系统这样包含数百个信号的复杂接口，OSP-IS通过分组和抽象，使系统架构一目了然，便于理解、维护和修改。 4. 技术方案完备性展示： 论文详细展示了从本体论设计、XML模式定义、验证工具工作原理到实际工作流程的完整技术链条，证明了该方案的可行性和实用性。
这些结果直接支撑了研究的结论：为FMI添加高层次语义能有效解决协同仿真中的接口连接难题。
结论与研究价值 本研究得出结论：通过OSP-IS为FMI接口变量增添形式化的、基于本体论的工程语义，能够显著简化协同仿真中模型接口的任务，使协作建模更便捷，连接验证更可靠，并大幅减少需要处理的连接数量。开放仿真平台项目提供的开源工具包为业界提供了一个具体的、可用的解决方案。
研究的科学价值在于提出并实现了一种将本体论与工程仿真接口标准相结合的新方法，为协同仿真领域的接口语义化和自动化验证问题提供了系统的解决思路。其应用价值尤为突出，尤其适用于像海事工业这样需要多方协作、系统复杂、且对仿真可靠性要求高的领域。该方法能加速虚拟原型设计、降低集成错误风险、促进模型资产的重用。
研究亮点 1. 创新性方法： 将本体论工程引入协同仿真接口定义与验证，是其核心理论创新。提出的基于分类而非一致性的本体设计，优化了错误检测和报告机制。 2. 解决实际问题： 研究直接针对工业界在协同仿真实践中遇到的核心痛点——接口连接的复杂性与易错性，提出的方案具有明确的工程导向和实用性。 3. 完整的开源生态： 研究不仅提出了规范，还通过开放仿真平台项目提供了完整的参考实现，包括本体、XML模式、验证工具等，推动了成果的落地和社区贡献。 4. 详实的案例佐证： 使用一个真实的、复杂程度高的海事动态定位系统案例进行验证，增强了论证的说服力和方法的可信度。
其他有价值的内容 论文在最后展望了未来研究方向，包括：如何定义环境条件（如风、浪、流）的通用接口以供多个浮体模型共用；如何处理模型间的信号代数和准瞬时现象；以及如何标准化不同模型间的坐标系以实现自动转换。这些挑战指明了该领域未来有价值的研究路径。
本研究是一项将形式化语义与工业仿真标准深度融合的成功实践，为提升复杂系统协同仿真的效率、可靠性和协作水平做出了重要贡献。