16. FMI 2.0 Integration (산업 표준 co-simulation)

Learning objectives

이 chapter 를 마치면 다음을 할 수 있다.

1. FMI / FMU 가 무엇이고 차량 dynamics 업계에서 왜 표준인지 설명한다.
2. Model Exchange vs Co-Simulation 의 차이 (integrator 위치) 를 설명한다.
3. FMU export (모델을 산업 도구가 사용) 와 import (외부 모델을 backend 로 사용) 의 양방향 구조와 전략적 의미를 설명한다.
4. round-trip 검증이 export 경로의 정확성을 어떻게 보증하는지 안다.

Prerequisites

• Chapter 12 — IVehicleDynamics ABI (FMU wrapper 가 감싸는 대상).
• Chapter 11 — RK4 substepping (CS FMU 의 내부 integrator).
• 외부 — FMI 2.0 spec 개요, C ABI / ctypes 기초.

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16.1 동기 — FMI / FMU

FMI (Functional Mock-up Interface) 는 서로 다른 시뮬 도구 간에 동역학 모델을 교환하는 open standard (Modelica Association, BSD-2). C API + XML metadata, v2.0 이 대세. FMU (Functional Mock-up Unit) 는 .fmu (실제 ZIP):

mymodel.fmu (ZIP)
├── modelDescription.xml   변수 정의 (이름, VR, 단위, causality)
├── binaries/<platform>/   컴파일된 .so / .dll
└── resources/             룩업 테이블, parameter

Dymola, OpenModelica, Simulink, CarMaker, CarSim, dSPACE, ANSYS Twin Builder, Chrono 등 거의 모든 도구가 생성·소비한다 — 산업 진입의 공용 포맷이다.

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16.2 두 mode

Mode	설명	integrator 위치
Model Exchange (ME)	모델이 \(f(x,u,t)\to\dot x\) 만 제공	호스트가 적분
Co-Simulation (CS)	모델 안에 자체 integrator	호스트는 do_step 만

CS 가 자연스러운 선택이다 — 모델이 자체 RK4 substepping (chapter 11) 을 가지고 호스트는 입력 set → do_step → 출력 get 만 하면 된다. 이는 IVehicleDynamics::step 패턴과 그대로 맞는다.

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16.3 가정 / 범위

가정	의미	깨지는 case
Co-Simulation only	자체 integrator	Model Exchange 필요 host
FMI 2.0	clock/terminal 없음	FMI 3.0 기능
linux64 binary	단일 platform	win64/darwin
No FMUstate	checkpoint/rollback 없음	rollback 필요 시나리오

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16.4 핵심 C API 흐름

fmi2Component c = fmi2Instantiate(name, fmi2CoSimulation, guid,
                                  resourceLocation, &callbacks, ...);
fmi2SetupExperiment(c, ...);
fmi2EnterInitializationMode(c);    // YAML 로드 + dynamics init
fmi2ExitInitializationMode(c);
for (t = 0; t < T; t += dt) {
    fmi2SetReal(c, vr_in, n_in, inputs);    // steer, throttle, brake
    fmi2DoStep(c, t, dt, ...);              // dyn.step()
    fmi2GetReal(c, vr_out, n_out, outputs); // vx, yaw_rate, ay, ...
}
fmi2Terminate(c);
fmi2FreeInstance(c);

각 변수는 valueReference (정수 ID) 로 식별하고 modelDescription.xml 이 이름↔VR 매핑을 정의한다.

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16.5 FMU export

C ABI wrapper 가 내부에 dynamics 인스턴스를 소유한다: instantiate 시 struct 생성, init mode 에서 resources 의 YAML 로드 → factory → initialize (L3 는 kinematics CSV 있으면 Ld4 lookup attach), SetReal 로 steer/throttle/brake 캐시, DoStep 에서 CmdL4 구성 → step, GetReal 로 상태 출력. 빌드는 core static lib 를 정적 링크하고 visibility hidden + version-script 로 fmi2* 심볼만 노출한 뒤 configs 를 resources 로 복사해 ZIP 한다 (상세 §16.10 box).

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16.6 FMU import

pure-Python ctypes master (외부 의존 없음) 가 임의 FMI 2.0 CS FMU 를 로드한다: ZIP 해제 → modelDescription.xml 파싱 (이름→VR) → binaries/<platform> 의 .so 를 ctypes 로 로드 → CS lifecycle 함수 바인딩 → 변수를 이름으로 접근. 자체 FMU 뿐 아니라 Chrono Vehicle / CarMaker / Modelica 생성 FMU 도 로드한다.

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16.7 양방향의 전략적 의미

        ┌─ export ─→  CarMaker / dSPACE / Simulink 가 dynamics 사용
VDSim ──┤
        └─ import ─←  Chrono / CarMaker FMU 를 backend 로 사용

이로써 "vehicle dynamics backend 를 갈아끼울 수 있는 AV-focused 시뮬레이터" 가 된다.

backend	용도
native Ld1-Ld3	가벼움, 빠름, hardpoint 통합
Chrono Vehicle FMU	full multibody 정확도
CarMaker FMU	산업 reference 검증

정확도 약점은 FMI import 로 cover, 산업 진입은 FMI export 로 — 둘 다 같은 표준 인터페이스다.

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16.8 검증 전략

검증	케이스
Round-trip	native vs FMU-wrapped 동일 입력 100 step, max|Δ|=0
Import lifecycle	load → init → do_step → get 값 정상
외부 FMU	패턴상 호환 (실측 검증 대기)

round-trip 의 max|Δ|=0 (수치 정밀도 한계) 은 export 경로가 native 와 동일함을 보증한다.

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16.9 한계

항목	현재
Platform	linux64 만 (win64/darwin cross-compile 필요)
FMI version	2.0 만 (3.0 clock/terminal 미지원)
Model Exchange	미지원 (CS 만)
GetAndSetFMUstate	false (체크포인트/롤백 없음)
Directional derivative	미지원 (linearization 불가)
외부 FMU 검증	자체 round-trip 만; Chrono/CarMaker 실측 대기

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16.10 다음 단계 / 마무리

chapter 01-16 이 VDSim 의 이론 (frame → tire → Ld1-Ld4 → control → integrator → architecture → multibody → validation → FMI) 전체를 다뤘다. Phase 2 의 큰 항목은 Ld5 compliance (bushing), full DAE dynamics, MPC dispatch, FMI 3.0 / multi-platform 이다.

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16.11 참고문헌

• FMI 표준: https://fmi-standard.org/ (FMI 2.0 spec, BSD-2 headers).
• FMPy: https://github.com/CATIA-Systems/FMPy (Python reference).
• Modelon FMI Library: https://github.com/modelon-community/fmi-library (C ref).

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16.12 Self-check

1. CS 가 ME 보다 VDSim 에 자연스러운 이유?

VDSim 이 이미 자체 RK4 substepping integrator 를 가져 `step(dt)` 패턴이다. CS 는 모델이 적분을 소유하므로 `do_step` 으로 그대로 매핑된다. ME 는 호스트에 integrator 를 넘겨야 해 구조가 안 맞는다.

2. valueReference 가 무엇이고 왜 필요한가?

각 변수의 정수 ID. C API 는 이름 문자열 대신 VR 로 set/get 한다. modelDescription.xml 이 이름↔VR 매핑을 정의해 호스트가 매핑을 알 수 있다.

3. FMU export 시 fmi2* 심볼만 노출하는 이유?

내부 (vdsim, yaml-cpp, spdlog) 심볼이 새어 나가면 host 의 다른 FMU/lib 와 충돌할 수 있다. visibility hidden + version-script 로 FMI API 만 노출해 격리.

4. round-trip max|Δ|=0 이 보증하는 것은?

FMU wrapper 가 native dynamics 와 bit-equal — export 경로가 어떤 계산도 바꾸지 않음을 의미. 산업 도구가 받는 결과가 native 와 동일하다는 신뢰.

5. FMI import 가 정확도 약점을 cover 한다는 의미?

native Ld1-Ld3 의 fidelity 가 부족한 경우, 같은 인터페이스로 Chrono/CarMaker 의 full multibody FMU 를 backend 로 끼워 정확도를 끌어올릴 수 있다.

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16.13 VDSim 구현 노트

[VDSim impl] § 16.5 — export 코드 + variable map

fmi_export/vdsim_l2_fmu.cpp, vdsim_l3_fmu.cpp. init 에서 <resources>/configs/{vehicle,tire}.yaml → create_seven_dof() / create_fourteen_dof(); L3 는 <resources>/kinematics/{front,rear}.csv 있으면 Ld4 lookup attach.

입력  1 steer_angle_wheel, 2 throttle, 3 brake
출력  10 x, 11 y, 12 yaw, 13 vx, 14 vy, 15 yaw_rate, 16 ax, 17 ay
L3 추가  20 roll, 21 pitch, 30-33 susp_comp, 40-43 Fz

build (build_fmu.sh): libvdsim_core.a + yaml-cpp + spdlog 정적 링크 → -fvisibility=hidden + --version-script (fmi2* 만) → configs 복사 → ZIP. 출력 vdsim_l2.fmu (4.1 MB), vdsim_l3.fmu (4.6 MB, Ld4 포함).

[VDSim impl] § 16.6 — import master

fmi_export/fmu_master.py (ctypes, fmpy 의존 없음):

fmu = FMUMaster.load("anything.fmu")
fmu.initialize(t0=0.0)
fmu.set("steer_angle_wheel", 0.05)
fmu.do_step(t=0.0, dt=0.02)
print(fmu.get("vx"))

[VDSim impl] § 16.8 — round-trip 검증

fmi_export/test_roundtrip.py (native L2 vs FMU-wrapped L2, 100 step):

max |Δ vx| = max |Δ vy| = max |Δ yaw_rate| = max |Δ ay| = 0.000e+00