虚拟样机技术及虚拟样机试验

常文泰+张冉+王利华+张雷刚

摘要：从20世纪90年代开始，美国国防部提出了基于仿真的采办（SBA）的概念，虚拟样机（VP）是基于仿真的采办中的一个重要概念，是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，成为缩短产品开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力的重要手段。本文在分析虚拟样机技术及特点的基础上，提出了虚拟样机试验的思路和建议，用虚拟样机试验解决传统串行采办中的某些不足，提高试验质量，提高试验评估能力。

关键词：计算机仿真；虚拟样机；试验；基于仿真的采办；装备采办

引言

从20世纪90年代开始，美国国防部为了更好、更快、更省地采购和部署满足21世纪军事需求的武器系统，进行了一系列卓有成效的防务采办改革，提出了基于仿真的采办（Simulation Based Acquisition，SBA）的概念。基于仿真的采办的核心思想是通过采用建模与仿真技术，以并行、迭代、柔性的思想指导武器系统的开发与采办，实现武器系统全生命周期各阶段的协同工作，是对传统采办在过程、支持环境和采办文化上的变革与创新。经过多年的实践与发展，基于仿真的采办得到美国军方和工业界的充分肯定，他们认为，基于仿真的采办可为切实缩短武器装备的研制周期、减少资源消耗、降低采办风险、提高装备质量。

虚拟样机（Virtual Prototype，VP）是基于仿真的采办中的一个重要概念，是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练，成为缩短产品开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力的重要手段。

随着高新技术成果大量地应用于武器装备，武器装备变得越来越复杂。传统的串行采办过程，论证方、用户方、研制方和评估方分离的采办制度将很难适应未来武器装备的发展需求。因此，可以借鉴美军基于仿真的采办的成功经验，以并行、迭代、柔性的思想指导武器装备的开发与采办，用虚拟样机代替物理样机参与武器装备的预研、方案论证、工程研制、定型试验等过程阶段的试验与评估，并将试验与评估的结果直接反馈于武器装备的设计与研制，通过并行、迭代、柔性的方式不断地改进和完善武器装备的设计，更好地适应与满足未来不断变化的军事作战需求，降低武器装备的开发风险和开发成本，缩短研制周期，提高产品质量。

1虚拟样机技术

根据美国国防部建模与仿真办公室（DefenseModeling and Simulation office，DMSO）的定义，武器装备的虚拟样机是指在需求分析、方案论证、系统设计、演示验证等阶段使用的、代替武器装备实物样机的数字模拟产品。虚拟样机将建模与仿真技术扩展到新产品研制开发的全过程。它以计算机支持的协同工作为技术基础，通过支持协同工作、CAD、CAM、建模与仿真、产品分析、计算可视化、虚拟现实的计算机工具，将各个集成化产品小组（IntegratedProduct Team，IPT）的设计与分析人员联系在一起，共同完成新产品的概念探讨、运作分析、初步设计、详细设计、可制造性分析、性能评估、生产计划和生产管理等工作。

利用虚拟样机代替物理样机，可缩短开发周期，降低开发和测试成本，改进设计质量。利用虚拟样机，可使产品的设计者、使用者和评估者在产品研制的早期，在虚拟环境中，直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试、制造和使用仿真，对启迪设计创新、减少设计错误有着重要意义。

1.1虚拟样机技术的特点

1.1.1虚拟样机在产品的全生命周期中是不断进化的

李伯虎院士等学者认为，利用虚拟样机技术开发虚拟样机的过程，实质上是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善的过程。不仅如此，作者还认为，在产品的全生命周期内，随着论证方、研制方、使用方和评估方对产品认识的不断加深，虚拟样机的开发是一个不断进化、不断完善的过程。虚拟样机经过不断地迭代，逐步完善，逐渐逼近最终的实际物理样机，最后研制方根据最终的虚拟样机生产制造出满足设计目标的物理样机。

在进行系统论证时，由于对产品的认识还不深入，论证方仅仅能够勾勒出产品的大概轮廓，提出产品的主要战技指标要求，对于虚拟样机的许多细节，暂时还无法进行确定。当进行系统设计时，随着对产品设计的全面展开，虚拟样机的细节逐步丰满，产品的组成、工作流程、内外部接口等内容不断丰富，虚拟样机得到了初步地进化与完善。在后续的虚拟制造、虚拟试验、虚拟使用等环节，制造方、试验方和使用方会发现产品在论证与设计中的许多问题与缺陷，不断地提出产品的改进意见。这些都反馈到产品的论证方与设计方，对虚拟样机的设计进行修改完善，实现虚拟样机的不断进化，最后形成最终的虚拟样机产品，如图1所示。

1.1.2虚拟样机成为论证方、用户方、研制方和评估方之间直观的交流语言

以往，产品的论证方、用户方、研制方和评估方之间的交流主要通过各种文书实现，包括研制任务书、设计方案、设计图样、试验报告和使用说明书等文件。一方面，这些文件数量庞大，读完并理解需要耗费较长时间；另一方面，这些文书不直观，各方对文书的理解存在偏差，很难使各方对产品形成统一完整的认识。这些不利于各方之间的交流沟通，也直接影响到武器装备的作战使用。

利用虚拟样机，就很容易使各方对产品的认识具体化，形象化。论证方向研制方说明研制目标和要求时，可以将其论证的虚拟样机运行于仿真作战环境中，直观形象地展现武器装备的作战环境、作战目标、作战过程、使用要求、战技指标等，使双方沟通更通畅，更容易达到一致的认识；当用户培训操作手时，就可以直接利用虚拟样机，这样不仅能够比较容易地发现武器装备的设计问题和缺陷，而且武器装备的技术特点、使用特点也会直观立现，也使得部队能够在战时更好地运用武器装备，使用武器装备。

1.1.3虚拟样机利于增量式开发的实现

增量式开发是指，已经识别了武器装备的预期能力，对于其终能力的需求是明确的。最终能力需求是可以通过多次增量开发得到满足，但武器装备的每次增量开发取决于当前的技术成熟度。这是为了平衡技术成熟度和研发风险、费用以及用户能力需求紧迫性之间的关系。这样就允许核心作战能力可以快速投入战场来满足作战需求。这种策略可以随着技术的逐步成熟，将作战能力以连续增量的方式投入战场。增量式开发可以加快技术进步到战斗生成之间的转化，缩短武器装备的采办周期，形成“研制一批、生成一批、装备一批”的武器装备持续发展局面，使得关键技术进步可以快速形成战斗力。

虚拟样机的并行、迭代、柔性的开发过程与增量式的开发过程非常吻合，使增量式开发的过程较容易实现。另一方面，虚拟样机的模型复用技术也可以与增量式开发相结合，在增量式的开发过程中大量地使用模型复用技术，进一步加快开发过程，缩短开发周期，快速技术进步向战斗力的转换。

1.2虚拟样机技术的应用

目前虚拟样机技术已经显示出其强大的生命力，广泛的应用于航空、航天、车辆、机械等领域。波音777就是一个采用虚拟样机技术的典范，它首次采用虚拟样机技术实现了包含300万个零件的波音777飞机全过程无图纸设计。在11个月的时间里，设计小组利用虚拟样机完成了751个飞行小时的机翼测试，730个地面小时的飞行性能测试，1088个飞行小时的推进器性能测试，770个飞行小时的飞行稳定性测试，830个地面小时的飞行开发，1280个飞行小时用于ETOP，913个地面小时用于系统验证，共8384个测试小时，他们耗费了最短的时间进行了历史上最长时间的测试，减少了94%的费用和93%的设计更改。

随着仿真技术的发展，虚拟样机技术与武器系统的结合也越来越紧密。例如美国麦道公司采用虚拟样机技术研究F/A-18战斗机的发动机装配问题，可以在30分钟内确定发动机是否能够完全适应飞机及维修设备的需要；美国研制第4代战斗机F22的过程中，虚拟样机试验与评估以及风洞试验的经费比是6：4；美国“响尾蛇”空空导弹的三个型号，由于采用了虚拟样机技术，靶试的实弹数由129发减少到35发；在“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹的研制过程中，节省研制经费10%～40%，缩短研制周期30%～40%，这三个地空导弹的靶试情况如表1所示。

李伯虎院士等人是在国内较早开展虚拟样机研究的技术团队之一。他们基于国家863/CIMS航天并行工程项目，开展了复杂系统的虚拟样机技术研究、应用与初步实践，并开发了具有自主知识产权的虚拟样机支撑平台，并将虚拟样机技术成功地应用于航天飞行器的设计与制造。

另外，虚拟样机技术在国内已成功地应用于导弹、火炮、轻武器等武器系统的设计与制造领域，也成功应用于机器人、数控机床、拖拉机等装备的设计与制造领域，甚至也应用于过山车和乒乓球发球机等娱乐设备的设计与制造领域。

2虚拟样机试验

2.1虚拟样机试验可以使传统的串行采办过程并行化

由图2可知，传统的采办过程是一种串行的采办过程，装备试验与评价活动并未贯穿装备的整个采办寿命周期，主要处于工程研制阶段之后，生产部署之前。传统的装备试验与评价活动基本上是以单件装备型号产品为试验对象，试验目的基本上是为了检验装备型号产品的各个单项性能指标是否达到了初始设计要求。利用虚拟样机试验就可以将传统的串行采办过程转变为如图3所示的并行的采办过程。

2.2虚拟样机可以弥补试验时物理样机数量上的不足

一般来说，装备在进行定型试验之前，生产的数量都极少，不能满足今后体系效能试验的数量要求。由于经费、生产能力等方面的原因，研制方又不可能生产出符合体系效能试验数量要求的装备。因此，在体系效能试验之前，对虚拟样机进行验模与评估，确保虚拟样机能够代替物理样机参加试验；试验时，利用虚拟样机代替部分物理样机，构建体系效能试验环境，驱动试验运行；试验后，对虚拟样机和物理样机的表现进行综合分析，评估装备的体系对抗效能。

2.3可以将LVC仿真资源进行综合集成构建逼真的虚拟样机试验环境

仿真资源通常可分为真实（Live）、虚拟（Virtual）和构造（Constructive）3种。真实仿真资源是指在部分虚拟的环境中由真实的人操作真实的装备；虚拟仿真资源是指在虚拟环境中由真实的人操作虚拟的装备；构造仿真资源是指在虚拟环境中由虚拟的人操作虚拟的装备。在装备的论证、研制、试验和使用过程中，产生了大量的IVC仿真资源，这些资源面向不同的仿真应用，满足了不同的仿真需求。在进行虚拟样机试验时应很好地继承LVC仿真资源，面向实战，进行综合集成，构建逼真的虚拟样机仿真试验环境。

3结束语

虚拟样机由于能够缩短产品开发周期，降低成本，改进产品设计质量等优点，已经在国内外多个项目中成功地应用。美国最早提出虚拟样机的概念，并大量地应用虚拟样机技术，取得了明显的成效。我国在20世纪90年代末开始研究虚拟样机技术，并成功应用于航天、导弹、火炮等领域，但在虚拟样机应用方面仅限于虚拟样机的设计与制造，并不涉及虚拟样机的试验应用。本文在分析虚拟样机技术及特点的基础上，提出了虚拟样机试验应用的思路和建议，用虚拟样机试验解决传统串行采办过程中的某些不足，提高试验质量，提高试验评估能力。