虛擬樣機技術(shù)及虛擬樣機試驗

常文泰+張冉+王利華+張雷剛

摘要：從20世紀(jì)90年代開始，美國國防部提出了基于仿真的采辦（SBA）的概念，虛擬樣機（VP）是基于仿真的采辦中的一個重要概念，是建模與仿真技術(shù)在其中的一個最重要的應(yīng)用形式。它利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試、評估和人員訓(xùn)練，成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高面向客戶與市場需求能力的重要手段。本文在分析虛擬樣機技術(shù)及特點的基礎(chǔ)上，提出了虛擬樣機試驗的思路和建議，用虛擬樣機試驗解決傳統(tǒng)串行采辦中的某些不足，提高試驗質(zhì)量，提高試驗評估能力。

關(guān)鍵詞：計算機仿真；虛擬樣機；試驗；基于仿真的采辦；裝備采辦

引言

從20世紀(jì)90年代開始，美國國防部為了更好、更快、更省地采購和部署滿足21世紀(jì)軍事需求的武器系統(tǒng)，進行了一系列卓有成效的防務(wù)采辦改革，提出了基于仿真的采辦（Simulation Based Acquisition，SBA）的概念?；诜抡娴牟赊k的核心思想是通過采用建模與仿真技術(shù)，以并行、迭代、柔性的思想指導(dǎo)武器系統(tǒng)的開發(fā)與采辦，實現(xiàn)武器系統(tǒng)全生命周期各階段的協(xié)同工作，是對傳統(tǒng)采辦在過程、支持環(huán)境和采辦文化上的變革與創(chuàng)新。經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展，基于仿真的采辦得到美國軍方和工業(yè)界的充分肯定，他們認(rèn)為，基于仿真的采辦可為切實縮短武器裝備的研制周期、減少資源消耗、降低采辦風(fēng)險、提高裝備質(zhì)量。

虛擬樣機（Virtual Prototype，VP）是基于仿真的采辦中的一個重要概念，是建模與仿真技術(shù)在其中的一個最重要的應(yīng)用形式。它利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試、評估和人員訓(xùn)練，成為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高面向客戶與市場需求能力的重要手段。

隨著高新技術(shù)成果大量地應(yīng)用于武器裝備，武器裝備變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的串行采辦過程，論證方、用戶方、研制方和評估方分離的采辦制度將很難適應(yīng)未來武器裝備的發(fā)展需求。因此，可以借鑒美軍基于仿真的采辦的成功經(jīng)驗，以并行、迭代、柔性的思想指導(dǎo)武器裝備的開發(fā)與采辦，用虛擬樣機代替物理樣機參與武器裝備的預(yù)研、方案論證、工程研制、定型試驗等過程階段的試驗與評估，并將試驗與評估的結(jié)果直接反饋于武器裝備的設(shè)計與研制，通過并行、迭代、柔性的方式不斷地改進和完善武器裝備的設(shè)計，更好地適應(yīng)與滿足未來不斷變化的軍事作戰(zhàn)需求，降低武器裝備的開發(fā)風(fēng)險和開發(fā)成本，縮短研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1虛擬樣機技術(shù)

根據(jù)美國國防部建模與仿真辦公室（DefenseModeling and Simulation office，DMSO）的定義，武器裝備的虛擬樣機是指在需求分析、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、演示驗證等階段使用的、代替武器裝備實物樣機的數(shù)字模擬產(chǎn)品。虛擬樣機將建模與仿真技術(shù)擴展到新產(chǎn)品研制開發(fā)的全過程。它以計算機支持的協(xié)同工作為技術(shù)基礎(chǔ)，通過支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模與仿真、產(chǎn)品分析、計算可視化、虛擬現(xiàn)實的計算機工具，將各個集成化產(chǎn)品小組（IntegratedProduct Team，IPT）的設(shè)計與分析人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品的概念探討、運作分析、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、可制造性分析、性能評估、生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)管理等工作。

利用虛擬樣機代替物理樣機，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)和測試成本，改進設(shè)計質(zhì)量。利用虛擬樣機，可使產(chǎn)品的設(shè)計者、使用者和評估者在產(chǎn)品研制的早期，在虛擬環(huán)境中，直觀形象地對虛擬樣機進行優(yōu)化設(shè)計、性能測試、制造和使用仿真，對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、減少設(shè)計錯誤有著重要意義。

1.1虛擬樣機技術(shù)的特點

1.1.1虛擬樣機在產(chǎn)品的全生命周期中是不斷進化的

李伯虎院士等學(xué)者認(rèn)為，利用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)虛擬樣機的過程，實質(zhì)上是一種產(chǎn)品全生命周期基于模型的不斷提煉與完善的過程。不僅如此，作者還認(rèn)為，在產(chǎn)品的全生命周期內(nèi)，隨著論證方、研制方、使用方和評估方對產(chǎn)品認(rèn)識的不斷加深，虛擬樣機的開發(fā)是一個不斷進化、不斷完善的過程。虛擬樣機經(jīng)過不斷地迭代，逐步完善，逐漸逼近最終的實際物理樣機，最后研制方根據(jù)最終的虛擬樣機生產(chǎn)制造出滿足設(shè)計目標(biāo)的物理樣機。

在進行系統(tǒng)論證時，由于對產(chǎn)品的認(rèn)識還不深入，論證方僅僅能夠勾勒出產(chǎn)品的大概輪廓，提出產(chǎn)品的主要戰(zhàn)技指標(biāo)要求，對于虛擬樣機的許多細(xì)節(jié)，暫時還無法進行確定。當(dāng)進行系統(tǒng)設(shè)計時，隨著對產(chǎn)品設(shè)計的全面展開，虛擬樣機的細(xì)節(jié)逐步豐滿，產(chǎn)品的組成、工作流程、內(nèi)外部接口等內(nèi)容不斷豐富，虛擬樣機得到了初步地進化與完善。在后續(xù)的虛擬制造、虛擬試驗、虛擬使用等環(huán)節(jié)，制造方、試驗方和使用方會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在論證與設(shè)計中的許多問題與缺陷，不斷地提出產(chǎn)品的改進意見。這些都反饋到產(chǎn)品的論證方與設(shè)計方，對虛擬樣機的設(shè)計進行修改完善，實現(xiàn)虛擬樣機的不斷進化，最后形成最終的虛擬樣機產(chǎn)品，如圖1所示。

1.1.2虛擬樣機成為論證方、用戶方、研制方和評估方之間直觀的交流語言

以往，產(chǎn)品的論證方、用戶方、研制方和評估方之間的交流主要通過各種文書實現(xiàn)，包括研制任務(wù)書、設(shè)計方案、設(shè)計圖樣、試驗報告和使用說明書等文件。一方面，這些文件數(shù)量龐大，讀完并理解需要耗費較長時間；另一方面，這些文書不直觀，各方對文書的理解存在偏差，很難使各方對產(chǎn)品形成統(tǒng)一完整的認(rèn)識。這些不利于各方之間的交流溝通，也直接影響到武器裝備的作戰(zhàn)使用。

利用虛擬樣機，就很容易使各方對產(chǎn)品的認(rèn)識具體化，形象化。論證方向研制方說明研制目標(biāo)和要求時，可以將其論證的虛擬樣機運行于仿真作戰(zhàn)環(huán)境中，直觀形象地展現(xiàn)武器裝備的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)目標(biāo)、作戰(zhàn)過程、使用要求、戰(zhàn)技指標(biāo)等，使雙方溝通更通暢，更容易達(dá)到一致的認(rèn)識；當(dāng)用戶培訓(xùn)操作手時，就可以直接利用虛擬樣機，這樣不僅能夠比較容易地發(fā)現(xiàn)武器裝備的設(shè)計問題和缺陷，而且武器裝備的技術(shù)特點、使用特點也會直觀立現(xiàn)，也使得部隊能夠在戰(zhàn)時更好地運用武器裝備，使用武器裝備。

1.1.3虛擬樣機利于增量式開發(fā)的實現(xiàn)

增量式開發(fā)是指，已經(jīng)識別了武器裝備的預(yù)期能力，對于其終能力的需求是明確的。最終能力需求是可以通過多次增量開發(fā)得到滿足，但武器裝備的每次增量開發(fā)取決于當(dāng)前的技術(shù)成熟度。這是為了平衡技術(shù)成熟度和研發(fā)風(fēng)險、費用以及用戶能力需求緊迫性之間的關(guān)系。這樣就允許核心作戰(zhàn)能力可以快速投入戰(zhàn)場來滿足作戰(zhàn)需求。這種策略可以隨著技術(shù)的逐步成熟，將作戰(zhàn)能力以連續(xù)增量的方式投入戰(zhàn)場。增量式開發(fā)可以加快技術(shù)進步到戰(zhàn)斗生成之間的轉(zhuǎn)化，縮短武器裝備的采辦周期，形成“研制一批、生成一批、裝備一批”的武器裝備持續(xù)發(fā)展局面，使得關(guān)鍵技術(shù)進步可以快速形成戰(zhàn)斗力。

虛擬樣機的并行、迭代、柔性的開發(fā)過程與增量式的開發(fā)過程非常吻合，使增量式開發(fā)的過程較容易實現(xiàn)。另一方面，虛擬樣機的模型復(fù)用技術(shù)也可以與增量式開發(fā)相結(jié)合，在增量式的開發(fā)過程中大量地使用模型復(fù)用技術(shù)，進一步加快開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，快速技術(shù)進步向戰(zhàn)斗力的轉(zhuǎn)換。

1.2虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用

目前虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)顯示出其強大的生命力，廣泛的應(yīng)用于航空、航天、車輛、機械等領(lǐng)域。波音777就是一個采用虛擬樣機技術(shù)的典范，它首次采用虛擬樣機技術(shù)實現(xiàn)了包含300萬個零件的波音777飛機全過程無圖紙設(shè)計。在11個月的時間里，設(shè)計小組利用虛擬樣機完成了751個飛行小時的機翼測試，730個地面小時的飛行性能測試，1088個飛行小時的推進器性能測試，770個飛行小時的飛行穩(wěn)定性測試，830個地面小時的飛行開發(fā)，1280個飛行小時用于ETOP，913個地面小時用于系統(tǒng)驗證，共8384個測試小時，他們耗費了最短的時間進行了歷史上最長時間的測試，減少了94%的費用和93%的設(shè)計更改。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)與武器系統(tǒng)的結(jié)合也越來越緊密。例如美國麥道公司采用虛擬樣機技術(shù)研究F/A-18戰(zhàn)斗機的發(fā)動機裝配問題，可以在30分鐘內(nèi)確定發(fā)動機是否能夠完全適應(yīng)飛機及維修設(shè)備的需要；美國研制第4代戰(zhàn)斗機F22的過程中，虛擬樣機試驗與評估以及風(fēng)洞試驗的經(jīng)費比是6：4；美國“響尾蛇”空空導(dǎo)彈的三個型號，由于采用了虛擬樣機技術(shù)，靶試的實彈數(shù)由129發(fā)減少到35發(fā)；在“愛國者”、“羅蘭特”和“尾刺”地空導(dǎo)彈的研制過程中，節(jié)省研制經(jīng)費10%～40%，縮短研制周期30%～40%，這三個地空導(dǎo)彈的靶試情況如表1所示。

李伯虎院士等人是在國內(nèi)較早開展虛擬樣機研究的技術(shù)團隊之一。他們基于國家863/CIMS航天并行工程項目，開展了復(fù)雜系統(tǒng)的虛擬樣機技術(shù)研究、應(yīng)用與初步實踐，并開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬樣機支撐平臺，并將虛擬樣機技術(shù)成功地應(yīng)用于航天飛行器的設(shè)計與制造。

另外，虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)已成功地應(yīng)用于導(dǎo)彈、火炮、輕武器等武器系統(tǒng)的設(shè)計與制造領(lǐng)域，也成功應(yīng)用于機器人、數(shù)控機床、拖拉機等裝備的設(shè)計與制造領(lǐng)域，甚至也應(yīng)用于過山車和乒乓球發(fā)球機等娛樂設(shè)備的設(shè)計與制造領(lǐng)域。

2虛擬樣機試驗

2.1虛擬樣機試驗可以使傳統(tǒng)的串行采辦過程并行化

由圖2可知，傳統(tǒng)的采辦過程是一種串行的采辦過程，裝備試驗與評價活動并未貫穿裝備的整個采辦壽命周期，主要處于工程研制階段之后，生產(chǎn)部署之前。傳統(tǒng)的裝備試驗與評價活動基本上是以單件裝備型號產(chǎn)品為試驗對象，試驗?zāi)康幕旧鲜菫榱藱z驗裝備型號產(chǎn)品的各個單項性能指標(biāo)是否達(dá)到了初始設(shè)計要求。利用虛擬樣機試驗就可以將傳統(tǒng)的串行采辦過程轉(zhuǎn)變?yōu)槿鐖D3所示的并行的采辦過程。

2.2虛擬樣機可以彌補試驗時物理樣機數(shù)量上的不足

一般來說，裝備在進行定型試驗之前，生產(chǎn)的數(shù)量都極少，不能滿足今后體系效能試驗的數(shù)量要求。由于經(jīng)費、生產(chǎn)能力等方面的原因，研制方又不可能生產(chǎn)出符合體系效能試驗數(shù)量要求的裝備。因此，在體系效能試驗之前，對虛擬樣機進行驗?zāi)Ｅc評估，確保虛擬樣機能夠代替物理樣機參加試驗；試驗時，利用虛擬樣機代替部分物理樣機，構(gòu)建體系效能試驗環(huán)境，驅(qū)動試驗運行；試驗后，對虛擬樣機和物理樣機的表現(xiàn)進行綜合分析，評估裝備的體系對抗效能。

2.3可以將LVC仿真資源進行綜合集成構(gòu)建逼真的虛擬樣機試驗環(huán)境

仿真資源通?？煞譃檎鎸崳↙ive）、虛擬（Virtual）和構(gòu)造（Constructive）3種。真實仿真資源是指在部分虛擬的環(huán)境中由真實的人操作真實的裝備；虛擬仿真資源是指在虛擬環(huán)境中由真實的人操作虛擬的裝備；構(gòu)造仿真資源是指在虛擬環(huán)境中由虛擬的人操作虛擬的裝備。在裝備的論證、研制、試驗和使用過程中，產(chǎn)生了大量的IVC仿真資源，這些資源面向不同的仿真應(yīng)用，滿足了不同的仿真需求。在進行虛擬樣機試驗時應(yīng)很好地繼承LVC仿真資源，面向?qū)崙?zhàn)，進行綜合集成，構(gòu)建逼真的虛擬樣機仿真試驗環(huán)境。

3結(jié)束語

虛擬樣機由于能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量等優(yōu)點，已經(jīng)在國內(nèi)外多個項目中成功地應(yīng)用。美國最早提出虛擬樣機的概念，并大量地應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)，取得了明顯的成效。我國在20世紀(jì)90年代末開始研究虛擬樣機技術(shù)，并成功應(yīng)用于航天、導(dǎo)彈、火炮等領(lǐng)域，但在虛擬樣機應(yīng)用方面僅限于虛擬樣機的設(shè)計與制造，并不涉及虛擬樣機的試驗應(yīng)用。本文在分析虛擬樣機技術(shù)及特點的基礎(chǔ)上，提出了虛擬樣機試驗應(yīng)用的思路和建議，用虛擬樣機試驗解決傳統(tǒng)串行采辦過程中的某些不足，提高試驗質(zhì)量，提高試驗評估能力。