常文泰+張冉+王利華+張雷剛

摘要：從20世紀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，是建模與仿真技術在其中的一個最重要的應用形式。它利用虛擬樣機代替物理樣機對產品進行創(chuàng)新設計、測試、評估和人員訓練，成為縮短產品開發(fā)周期，降低成本，改進產品設計質量，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及特點的基礎上，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，提高試驗質量，提高試驗評估能力。

關鍵詞：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世紀軍事需求的武器系統(tǒng)，進行了一系列卓有成效的防務采辦改革，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，以并行、迭代、柔性的思想指導武器系統(tǒng)的開發(fā)與采辦，實現武器系統(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、降低采辦風險、提高裝備質量。

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

隨著高新技術成果大量地應用于武器裝備，武器裝備變得越來越復雜。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驗，以并行、迭代、柔性的思想指導武器裝備的開發(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果直接反饋于武器裝備的設計與研制，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計，更好地適應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)風險和開發(fā)成本，縮短研制周期，提高產品質量。

1虛擬樣機技術

根據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)設計、演示驗證等階段使用的、代替武器裝備實物樣機的數字模擬產品。虛擬樣機將建模與仿真技術擴展到新產品研制開發(fā)的全過程。它以計算機支持的協(xié)同工作為技術基礎，通過支持協(xié)同工作、CAD、CAM、建模與仿真、產品分析、計算可視化、虛擬現實的計算機工具，將各個集成化產品小組（IntegratedProduct Team，IPT）的設計與分析人員聯系在一起，共同完成新產品的概念探討、運作分析、初步設計、詳細設計、可制造性分析、性能評估、生產計劃和生產管理等工作。

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，改進設計質量。利用虛擬樣機，可使產品的設計者、使用者和評估者在產品研制的早期，在虛擬環(huán)境中，直觀形象地對虛擬樣機進行優(yōu)化設計、性能測試、制造和使用仿真，對啟迪設計創(chuàng)新、減少設計錯誤有著重要意義。

1.1虛擬樣機技術的特點

1.1.1虛擬樣機在產品的全生命周期中是不斷進化的

李伯虎院士等學者認為，利用虛擬樣機技術開發(fā)虛擬樣機的過程，實質上是一種產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，作者還認為，在產品的全生命周期內，隨著論證方、研制方、使用方和評估方對產品認識的不斷加深，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，最后研制方根據最終的虛擬樣機生產制造出滿足設計目標的物理樣機。

在進行系統(tǒng)論證時，由于對產品的認識還不深入，論證方僅僅能夠勾勒出產品的大概輪廓，提出產品的主要戰(zhàn)技指標要求，對于虛擬樣機的許多細節(jié)，暫時還無法進行確定。當進行系統(tǒng)設計時，隨著對產品設計的全面展開，虛擬樣機的細節(jié)逐步豐滿，產品的組成、工作流程、內外部接口等內容不斷豐富，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)現產品在論證與設計中的許多問題與缺陷，不斷地提出產品的改進意見。這些都反饋到產品的論證方與設計方，對虛擬樣機的設計進行修改完善，實現虛擬樣機的不斷進化，最后形成最終的虛擬樣機產品，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，包括研制任務書、設計方案、設計圖樣、試驗報告和使用說明書等文件。一方面，這些文件數量龐大，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，很難使各方對產品形成統(tǒng)一完整的認識。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品的認識具體化，形象化。論證方向研制方說明研制目標和要求時，可以將其論證的虛擬樣機運行于仿真作戰(zhàn)環(huán)境中，直觀形象地展現武器裝備的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)目標、作戰(zhàn)過程、使用要求、戰(zhàn)技指標等，使雙方溝通更通暢，更容易達到一致的認識；當用戶培訓操作手時，就可以直接利用虛擬樣機，這樣不僅能夠比較容易地發(fā)現武器裝備的設計問題和缺陷，而且武器裝備的技術特點、使用特點也會直觀立現，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

增量式開發(fā)是指，已經識別了武器裝備的預期能力，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)取決于當前的技術成熟度。這是為了平衡技術成熟度和研發(fā)風險、費用以及用戶能力需求緊迫性之間的關系。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)可以加快技術進步到戰(zhàn)斗生成之間的轉化，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，使得關鍵技術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。另一方面，虛擬樣機的模型復用技術也可以與增量式開發(fā)相結合，在增量式的開發(fā)過程中大量地使用模型復用技術，進一步加快開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，快速技術進步向戰(zhàn)斗力的轉換。

1.2虛擬樣機技術的應用

目前虛擬樣機技術已經顯示出其強大的生命力，廣泛的應用于航空、航天、車輛、機械等領域。波音777就是一個采用虛擬樣機技術的典范，它首次采用虛擬樣機技術實現了包含300萬個零件的波音777飛機全過程無圖紙設計。在11個月的時間里，設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%的設計更改。

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

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

另外，虛擬樣機技術在國內已成功地應用于導彈、火炮、輕武器等武器系統(tǒng)的設計與制造領域，也成功應用于機器人、數控機床、拖拉機等裝備的設計與制造領域，甚至也應用于過山車和乒乓球發(fā)球機等娛樂設備的設計與制造領域。

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品為試驗對象，試驗目的基本上是為了檢驗裝備型號產品的各個單項性能指標是否達到了初始設計要求。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量上的不足

一般來說，裝備在進行定型試驗之前，生產的數量都極少，不能滿足今后體系效能試驗的數量要求。由于經費、生產能力等方面的原因，研制方又不可能生產出符合體系效能試驗數量要求的裝備。因此，在體系效能試驗之前，對虛擬樣機進行驗模與評估，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，構建體系效能試驗環(huán)境，驅動試驗運行；試驗后，對虛擬樣機和物理樣機的表現進行綜合分析，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建逼真的虛擬樣機試驗環(huán)境

仿真資源通常可分為真實（Live）、虛擬（Virtual）和構造（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，產生了大量的IVC仿真資源，這些資源面向不同的仿真應用，滿足了不同的仿真需求。在進行虛擬樣機試驗時應很好地繼承LVC仿真資源，面向實戰(zhàn)，進行綜合集成，構建逼真的虛擬樣機仿真試驗環(huán)境。

3結束語

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