民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)研究

陸 清 吳 雙 / LU Qing WU Shuang(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)研究

陸 清 吳 雙 / LU Qing WU Shuang
(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)
(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

民用飛機(jī)的傳統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證工作面臨諸多挑戰(zhàn)，虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)工作不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，是傳統(tǒng)物理試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證的有效補(bǔ)充。但當(dāng)前我國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展并不成熟，提出虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用設(shè)想，探討虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)在飛機(jī)研制過(guò)程的能力應(yīng)用目標(biāo)，從系統(tǒng)集成和功能應(yīng)用的維度設(shè)想了全機(jī)虛擬集成試驗(yàn)整體框架組成，提出解決虛擬集成試驗(yàn)當(dāng)前存在問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，展望民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展。

虛擬集成試驗(yàn)；模型驗(yàn)證；模型集成；數(shù)據(jù)管理

0 引言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度越來(lái)越高，系統(tǒng)間的耦合關(guān)系也變得越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證方法越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代民用飛機(jī)研發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)評(píng)價(jià)工作的需要。一般情況下，常規(guī)的物理試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證滯后于設(shè)計(jì)過(guò)程，當(dāng)設(shè)計(jì)構(gòu)型凍結(jié)后才能提供合適的物理試驗(yàn)環(huán)境，設(shè)計(jì)缺陷往往在物理試驗(yàn)后才能發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的迭代周期長(zhǎng)、成本高，嚴(yán)重拖延項(xiàng)目進(jìn)度，造成項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)較高；由于條件限制，物理試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)軌蚍治龅膯?wèn)題有限，無(wú)法完全模擬飛行包線內(nèi)所有的飛行環(huán)境和飛行狀態(tài)，一些安全隱患只有通過(guò)試飛甚至飛機(jī)運(yùn)營(yíng)后才能被發(fā)現(xiàn)，給飛機(jī)運(yùn)營(yíng)造成一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)；系統(tǒng)之間的交聯(lián)耦合越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致綜合集成測(cè)試驗(yàn)證的技術(shù)難度提高，成本加大，某些極限試驗(yàn)條件的試驗(yàn)環(huán)境具有高危性。[1]

為了解決物理試驗(yàn)的傳統(tǒng)驗(yàn)證方法面臨的難題，虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)利用各類(lèi)CAE 專(zhuān)業(yè)仿真分析軟件、數(shù)字化的虛擬樣機(jī)、半實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)等手段，對(duì)產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)裝配特性、可維修性、動(dòng)力學(xué)特性、疲勞強(qiáng)度、振動(dòng)、沖擊、噪聲等性能，以及飛行狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行模擬和計(jì)算，為物理試驗(yàn)提供重要的指導(dǎo)作用和技術(shù)支持。而物理試驗(yàn)結(jié)果又對(duì)虛擬集成試驗(yàn)的模型進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)模型驗(yàn)證后，虛擬集成試驗(yàn)將完成更為廣泛、復(fù)雜的集成試驗(yàn)，為民用飛機(jī)適航驗(yàn)證提供更強(qiáng)有力的支持與保障。本文將探討虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)體系在民用客機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)概念及現(xiàn)狀

民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)是指利用計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)，將實(shí)際的多系統(tǒng)、多學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)一建模和協(xié)同集成仿真試驗(yàn)，是具備飛機(jī)級(jí)功能確認(rèn)、性能仿真、技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證、綜合效能評(píng)估的一種試驗(yàn)方法。發(fā)展虛擬集成試驗(yàn)的目的絕不是代替物理試驗(yàn)，而是為了豐富試驗(yàn)測(cè)試方法，結(jié)合物理試驗(yàn)更好地為產(chǎn)品研發(fā)服務(wù)，縮短民用飛機(jī)型號(hào)研制周期和降低研制成本。

隨著仿真技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)成為飛機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)工作的不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，是傳統(tǒng)物理試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證的有效補(bǔ)充。虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：①很多設(shè)計(jì)問(wèn)題在缺乏物理試驗(yàn)驗(yàn)證條件前可以通過(guò)虛擬仿真分析的方式進(jìn)行需求確認(rèn)和驗(yàn)證，一些設(shè)計(jì)問(wèn)題能夠及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)；②虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)的投入相比物理試驗(yàn)的成本更小，效費(fèi)比高；③針對(duì)不斷變化的需求可提供快速靈活的解決方案，資源重復(fù)利用率高；④模擬極限試驗(yàn)環(huán)境，有效輔助物理試驗(yàn)的測(cè)試工作。

虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)際同行業(yè)，包括歐宇航、波音、空客、達(dá)索等航空巨擘都有了一定的應(yīng)用，取得了較為顯著的成果。歐宇航(EADS)提出飛機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的建模仿真技術(shù)長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)虛擬集成試驗(yàn)整機(jī)系統(tǒng)仿真技術(shù)在產(chǎn)品周期中的核心地位；歐盟聯(lián)合包括空客、達(dá)索航空在內(nèi)的50多家企業(yè)發(fā)起CRESCENDO項(xiàng)目，投入性能樣機(jī)(Behavior Digital Mock-up，簡(jiǎn)稱(chēng)BDM)技術(shù)研究，解決飛機(jī)能量綜合優(yōu)化問(wèn)題；波音公司的Boeing787系統(tǒng)綜合試驗(yàn)室具備原型機(jī)建模仿真試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑢⑻摂M集成試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到型號(hào)試驗(yàn)測(cè)試中；其他航空巨頭也積極投入該領(lǐng)域研究，相關(guān)研究具有廣闊的前景。

2 民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)存在的問(wèn)題

我國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)前的虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展并不成熟，像民用飛機(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)其仿真分析難度很高，牽涉到多學(xué)科多專(zhuān)業(yè)，應(yīng)用場(chǎng)景繁多，建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、工程化應(yīng)用、系統(tǒng)虛擬集成能力、系統(tǒng)工程體系理念諸多方面存在很多問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下方面：

1) 專(zhuān)業(yè)仿真軟件種類(lèi)多，模型通用性和重構(gòu)性差。不同仿真計(jì)算環(huán)境的相互移植困難，模型資源不能被有效地重復(fù)利用。一些專(zhuān)業(yè)仿真工具對(duì)使用人員的門(mén)檻要求很高，并且因個(gè)人對(duì)工具的熟悉程度、使用方法和工程經(jīng)驗(yàn)不同，往往造成分析結(jié)果差異很大。

2) 多系統(tǒng)模型集成能力不足。部門(mén)/ 專(zhuān)業(yè)內(nèi)部處于單點(diǎn)技術(shù)和工具的“手工作坊”應(yīng)用模式，具備局部問(wèn)題的分析能力，但規(guī)范化程度和效率低下，專(zhuān)業(yè)間難以有效協(xié)同，缺乏多專(zhuān)業(yè)協(xié)同仿真條件，很難實(shí)現(xiàn)多學(xué)科性能的虛擬驗(yàn)證、綜合分析和權(quán)衡優(yōu)化。

3) 缺乏經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶?kù)的積累，模型資源、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)共享不易實(shí)現(xiàn)。虛擬集成試驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，使得大量的經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有得到積累，很多模型開(kāi)發(fā)工作需要重復(fù)進(jìn)行，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的孤島與因人而異的分析結(jié)果。

4)仿真置信度衡量困難。虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)的核心難題是仿真結(jié)果的可信度問(wèn)題，仿真可信度取決于仿真模型、仿真輸入數(shù)據(jù)(如載荷、邊界條件、部件內(nèi)部參數(shù)等)和仿真算法程序的可信度。供應(yīng)商或設(shè)計(jì)部門(mén)因知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，不提供模型或不開(kāi)放內(nèi)部參數(shù)，工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足，仿真可信度評(píng)估就會(huì)十分困難。

5) 缺乏統(tǒng)一工作流程、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、接口標(biāo)準(zhǔn)。沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)的流程來(lái)表明在產(chǎn)品研制的某個(gè)階段應(yīng)該實(shí)現(xiàn)怎樣的目標(biāo)，需求如何去確認(rèn)和驗(yàn)證，在何時(shí)和何種程度應(yīng)用仿真建模的手段去實(shí)現(xiàn)方案的權(quán)衡、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、架構(gòu)的設(shè)計(jì)等。

3 民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)需求框架

針對(duì)我國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)前的虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)，本文提出虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用需求設(shè)想，探討虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)研制流程的需求框架。

發(fā)展成熟的虛擬集成試驗(yàn)?zāi)芰?yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)型號(hào)從立項(xiàng)論證到運(yùn)營(yíng)維護(hù)的全生命周期的應(yīng)用能力，滿足功能驗(yàn)證、性能分析、設(shè)計(jì)方案評(píng)估及優(yōu)化、系統(tǒng)間交聯(lián)接口確認(rèn)、試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證等需求，如圖1所示。

1)論證階段。在立項(xiàng)論證階段，開(kāi)展關(guān)鍵性能指標(biāo)和子系統(tǒng)的虛擬驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)型號(hào)早期需求的確認(rèn)，并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)概念及原理的虛擬展示和架構(gòu)分析，支持方案可行性論證。

2)設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段。在方案初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)虛擬仿真進(jìn)行多方案篩選，實(shí)現(xiàn)方案最優(yōu)化；通過(guò)模型的執(zhí)行和場(chǎng)景的分析找出遺漏、矛盾甚至錯(cuò)誤的需求，評(píng)估設(shè)計(jì)更改帶來(lái)的影響。

在方案詳細(xì)設(shè)計(jì)及優(yōu)化階段，通過(guò)“設(shè)計(jì)-仿真”的反復(fù)迭代，確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何形狀、零部件尺寸和設(shè)備參數(shù)，測(cè)試交聯(lián)系統(tǒng)功能的完備性、接口的正確性和控制邏輯的合理性。

3)全面試制階段。需進(jìn)行大量研發(fā)試驗(yàn)，可通過(guò)虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用有效減輕研發(fā)試驗(yàn)負(fù)擔(dān)。如通過(guò)仿真進(jìn)行試驗(yàn)工況的初步篩選，減少試驗(yàn)次數(shù)；對(duì)試驗(yàn)件性能進(jìn)行提前驗(yàn)證，減少試驗(yàn)返工；對(duì)試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估，對(duì)試驗(yàn)趨勢(shì)進(jìn)行初步預(yù)測(cè)和評(píng)估，確保研發(fā)試驗(yàn)一次成功。

4)測(cè)試驗(yàn)證階段。早于物理綜合集成試驗(yàn)開(kāi)展虛擬綜合集成試驗(yàn)，如當(dāng)部分試驗(yàn)件暫時(shí)不具備試驗(yàn)條件時(shí)，通過(guò)模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)、虛擬人在環(huán)等測(cè)試手段輔助和支撐物理試驗(yàn)；模擬飛機(jī)真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景環(huán)境，豐富飛機(jī)在地面模擬試驗(yàn)、飛機(jī)在環(huán)試驗(yàn)、虛擬試飛等測(cè)試驗(yàn)證方法。

5)運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。通過(guò)飛行模擬器等可支持飛行員的培訓(xùn)和訓(xùn)練；飛機(jī)交付后在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)各種危險(xiǎn)飛行狀態(tài)或功能故障，通過(guò)虛擬集成試驗(yàn)與物理試驗(yàn)相結(jié)合，復(fù)現(xiàn)故障和分析故障原因，確保飛機(jī)運(yùn)營(yíng)安全。

4 民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)的整體框架

民用飛機(jī)是由機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)載系統(tǒng)及軟件組成的復(fù)雜多學(xué)科系統(tǒng)，虛擬集成試驗(yàn)構(gòu)成可從兩個(gè)不同維度考慮。從系統(tǒng)集成的維度可分解為整機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)和系統(tǒng)/部件級(jí)虛擬集成試驗(yàn)；從功能應(yīng)用的維度可分解為功能樣機(jī)和性能樣機(jī)。

本文設(shè)想的全機(jī)虛擬集成試驗(yàn)整體框架如圖2所示。

4.1 系統(tǒng)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)

系統(tǒng)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)面向系統(tǒng)內(nèi)部的組件或子系統(tǒng)，由各個(gè)專(zhuān)業(yè)獨(dú)立進(jìn)行，按照不同學(xué)科大致可劃分為流體計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、電磁仿真和系統(tǒng)分析4類(lèi)：

1)流體計(jì)算，主要包括飛機(jī)的外流場(chǎng)計(jì)算、氣動(dòng)特性分析、防除冰分析、管道流動(dòng)特性分析等涉及計(jì)算流體力學(xué)(CFD)。

2)結(jié)構(gòu)分析主要包括結(jié)構(gòu)靜/動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算、屈曲分析、沖擊(鳥(niǎo)撞/彈射)動(dòng)力學(xué)分析、多體力學(xué)分析、振動(dòng)噪聲分析、疲勞可靠性計(jì)算、復(fù)合材料分析計(jì)算等涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)的工作。

3)電磁仿真主要包括電磁兼容性分析、電磁效應(yīng)分析和電磁抗干擾分析。

4)系統(tǒng)仿真主要包括功能邏輯分析、控制律仿真、系統(tǒng)或設(shè)備穩(wěn)態(tài) 瞬態(tài)特性分析、能量綜合仿真等。

4.2 整機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)

整機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)面向整機(jī)或者多系統(tǒng)集成，需要多個(gè)專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作，利用各專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)模型的集成得到全數(shù)字樣機(jī)平臺(tái)，可用于整機(jī)級(jí)的氣動(dòng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、全機(jī)電磁分析、機(jī)載系統(tǒng)綜合性能分析等。

整機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)相對(duì)系統(tǒng)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于：

1)在多專(zhuān)業(yè)、多學(xué)科、多領(lǐng)域模型集成環(huán)境下，單個(gè)系統(tǒng)模型與外界交互數(shù)據(jù)更加貼近實(shí)際，仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。

2)整機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)環(huán)境下，各系統(tǒng)的性能參數(shù)互為條件，互相影響，可以權(quán)衡分析整機(jī)綜合性能。

4.3 功能樣機(jī)與性能樣機(jī)

按照國(guó)標(biāo)GB/T26100-2010的定義：數(shù)字樣機(jī)是對(duì)產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述。按照飛機(jī)型號(hào)的不同研制階段需求，虛擬集成試驗(yàn)可分別依托功能樣機(jī)和性能樣機(jī)開(kāi)展。功能樣機(jī)和性能樣機(jī)的主要區(qū)別：

1) 功能樣機(jī)從應(yīng)用視角描述產(chǎn)品的功能特征及其需求的符合程度，主要面向產(chǎn)品的需求分析和功能定義過(guò)程。在型號(hào)概念論證和早期方案階段，用于飛機(jī)整機(jī)架構(gòu)的分解和功能定義，分析不同模塊之間的交聯(lián)接口和耦合關(guān)系。

2) 性能樣機(jī)從性能視角描述產(chǎn)品的多學(xué)科性能特征，面向產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程分析。在型號(hào)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，用于飛機(jī)總體性能的分析、評(píng)估和權(quán)衡優(yōu)化，支持飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，支持全機(jī)綜合性能仿真和多學(xué)科優(yōu)化，同時(shí)也可以開(kāi)展虛擬試飛、安全性評(píng)估、飛行品質(zhì)評(píng)估、故障模擬分析等。[2-3]

4.4 虛擬集成試驗(yàn)流程

虛擬集成試驗(yàn)總體流程如圖3所示。虛擬集成試驗(yàn)首先必須制定統(tǒng)一建模開(kāi)發(fā)規(guī)范，以模型可重用、參數(shù)可配置為技術(shù)原則，按計(jì)劃、分階段地在相關(guān)學(xué)科專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域協(xié)同開(kāi)展模型知識(shí)的確認(rèn)、抽取、組件化及測(cè)試驗(yàn)證，建立具有層次遞歸結(jié)構(gòu)的模型庫(kù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和模型集成協(xié)議，完成從元部件模型-分系統(tǒng)模型-飛機(jī)級(jí)集成模型的開(kāi)發(fā)，通過(guò)與物理試驗(yàn)的比對(duì)、調(diào)校，不斷優(yōu)化虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算精度，提高虛擬試驗(yàn)的可用性和置信度，根據(jù)場(chǎng)景應(yīng)用需求，在虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)設(shè)虛擬試驗(yàn)科目。

5 虛擬集成試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)

民用飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括模型驗(yàn)證技術(shù)、綜合集成與協(xié)同技術(shù)、虛擬集成試驗(yàn)項(xiàng)目與數(shù)據(jù)管理技術(shù)、虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)前/后處理技術(shù)和虛擬集成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

5.1 模型驗(yàn)證技術(shù)

虛擬集成試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的逼近程度是評(píng)價(jià)虛擬集成試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。

模型驗(yàn)證技術(shù)研究虛擬集成試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男ｒ?yàn)、驗(yàn)證和確認(rèn)，即校核虛擬集成試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裼行В或?yàn)證模型試驗(yàn)結(jié)果是否信。模型驗(yàn)證技術(shù)需大量的實(shí)際物理試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)支撐。將實(shí)際物理試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)與虛擬集成試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)同平臺(tái)對(duì)比分析，如圖4所示，紅色曲線表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線表示仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)誤差值的大小，確認(rèn)虛擬集成試驗(yàn)?zāi)Ｐ退惴?、參?shù)取值、計(jì)算過(guò)程對(duì)某一特定虛擬集成試驗(yàn)是否可接受。

5.2 綜合集成與協(xié)同技術(shù)

1) 架構(gòu)設(shè)計(jì)。自頂向下的系統(tǒng)/分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，定義清楚系統(tǒng)由哪些功能模塊組成，模塊之間的接口是什么樣式，傳輸什么樣的數(shù)據(jù)。功能模塊對(duì)外的接口保持不變，內(nèi)部可以選用不同的模型替換，確保了在產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)構(gòu)架的一致性。

2) 多團(tuán)隊(duì)并行協(xié)同開(kāi)發(fā)。分系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)或部門(mén)之間基于統(tǒng)一架構(gòu)并行開(kāi)發(fā)各自系統(tǒng)模型，有助于保護(hù)分系統(tǒng)部門(mén)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，降低部門(mén)間協(xié)同的難度，確保產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。

3)虛擬集成試驗(yàn)?zāi)Ｐ图?。由于各?zhuān)業(yè)、各學(xué)科、各領(lǐng)域的專(zhuān)用建模軟件種類(lèi)繁多，部分專(zhuān)業(yè)建模軟件不可替代，無(wú)法統(tǒng)一建模工具平臺(tái)，給多系統(tǒng)模型集成和飛機(jī)級(jí)虛擬集成試驗(yàn)帶來(lái)很大困難，需重點(diǎn)研究不同軟件的模型集成和聯(lián)合仿真技術(shù)，目前有兩種主流思路：

a)各專(zhuān)業(yè)仿真軟件遵守統(tǒng)一接口規(guī)范封裝模型。盡量按照統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型封裝，如封裝為FMU模型(Fuctionalmockupunit)或Matlab/Simulink支持的S-Function模型，并提供參數(shù)變量說(shuō)明、外部接口定義等模型封裝規(guī)范，以集成到統(tǒng)一的仿真計(jì)算環(huán)境中。[4-5]

b)多專(zhuān)用仿真軟件協(xié)同仿真。不方便集成在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行仿真時(shí)，可以采用分布式聯(lián)合仿真的形式進(jìn)行，模型運(yùn)行于各自的建模仿真軟件中，按照制定的數(shù)據(jù)通訊規(guī)則交互計(jì)算數(shù)據(jù)。

5.3 虛擬集成試驗(yàn)項(xiàng)目與數(shù)據(jù)管理技術(shù)

1) 虛擬集成試驗(yàn)項(xiàng)目管理。包括信息管理、文件管理、流程與計(jì)劃管理等。其中項(xiàng)目信息指試驗(yàn)名稱(chēng)、試驗(yàn)類(lèi)型、試驗(yàn)負(fù)責(zé)人、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)軟硬件資源配置信息等；項(xiàng)目文件包括試驗(yàn)報(bào)告、試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)任務(wù)書(shū)、試驗(yàn)人員清單等；項(xiàng)目流程與計(jì)劃管理規(guī)范分析任務(wù)簽派、執(zhí)行和節(jié)點(diǎn)監(jiān)控等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)任務(wù)的有效管理。

2) 虛擬集成試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸芾?。各?zhuān)業(yè)封裝完成的虛擬集成試驗(yàn)仿真計(jì)算模型，所有模型文件可上傳到服務(wù)器統(tǒng)一存儲(chǔ)在模型數(shù)據(jù)庫(kù)中，并由模型管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可用于多系統(tǒng)集成的仿真測(cè)試平臺(tái)，如下圖5所示。功能包括模型信息管理、模型文件管理、模型分類(lèi)管理、模型版本管理、與其他系統(tǒng)的接口等。

3) 虛擬集成試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。用于虛擬集成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存以及數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)譜系管理等，并實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬集成試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)、專(zhuān)業(yè)、綜合的數(shù)據(jù)分析，高效地開(kāi)展與物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，以縮短分析和統(tǒng)計(jì)的時(shí)間。

5.4 虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)前/后處理技術(shù)

1) 計(jì)算分析工具集成。虛擬集成試驗(yàn)的計(jì)算求解大部分由各類(lèi)仿真工具完成，需研究解決工具軟件在平臺(tái)中的運(yùn)行控制接口和數(shù)據(jù)交互接口。

2) 虛擬集成試驗(yàn)自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)。通過(guò)虛擬集成試驗(yàn)?zāi)_本配置，設(shè)置虛擬集成試驗(yàn)的輸入輸出參數(shù)、試驗(yàn)過(guò)程邏輯、邊界條件、異常退出、試驗(yàn)流程的初始化參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)束后需要分析的計(jì)算參數(shù)類(lèi)型等。多工況虛擬集成試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行多次不同輸入、不同條件的試驗(yàn)工況配置，實(shí)現(xiàn)一次輸入多組參數(shù)值，自動(dòng)執(zhí)行多次虛擬集成試驗(yàn)的操作，便于開(kāi)展多工況下的虛擬集成試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，尋找最優(yōu)值。

3) 高性能分布式并行計(jì)算技術(shù)。多系統(tǒng)多學(xué)科模型集成計(jì)算量往往非常龐大，提供大規(guī)模分布式并行計(jì)算的能力，是高效開(kāi)展虛擬集成試驗(yàn)的必要保障，需重點(diǎn)研究高性能計(jì)算集群與虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)的計(jì)算數(shù)據(jù)接口以及軟件調(diào)度管理接口。

4) 虛擬現(xiàn)實(shí)展示技術(shù)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的試驗(yàn)過(guò)程可視化主要解決試驗(yàn)過(guò)程逼真度的問(wèn)題，利用先進(jìn)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)模擬軟件和硬件系統(tǒng)，構(gòu)建具有高度沉浸感的虛擬集成試驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)將試驗(yàn)系統(tǒng)虛擬化，逼真地模擬試驗(yàn)過(guò)程。[6]

5.5 虛擬集成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

建立模型開(kāi)發(fā)規(guī)范、模型數(shù)據(jù)規(guī)范、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同規(guī)范、并行計(jì)算接口規(guī)范、可視化數(shù)據(jù)通訊規(guī)范、虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)、虛擬集成試驗(yàn)平臺(tái)各系統(tǒng)接口規(guī)范等。

6 虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)未來(lái)發(fā)展展望

目前虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)正在快速發(fā)展，逐步成為與傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)并舉的一種新的試驗(yàn)驗(yàn)證形式，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的不斷深入研究，解決當(dāng)前虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)面臨的一些突出問(wèn)題，構(gòu)建飛機(jī)虛擬集成試驗(yàn)數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)，即可在當(dāng)前的試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。如通過(guò)虛擬集成試驗(yàn)的先期模擬為物理試驗(yàn)的開(kāi)展提供支持，即仿真指導(dǎo)試驗(yàn)，通過(guò)真實(shí)的物理試驗(yàn)去驗(yàn)證修正仿真模型，高可靠性的虛擬集成試驗(yàn)可以用于模擬物理試驗(yàn)臺(tái)難以模擬復(fù)現(xiàn)的飛行場(chǎng)景。虛擬集成試驗(yàn)將與物理試驗(yàn)在民用飛機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中起到相輔相成的作用，作為物理試驗(yàn)的輔助驗(yàn)證手段避免過(guò)試驗(yàn)或欠試驗(yàn)問(wèn)題發(fā)生，降低物理試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。

未來(lái)發(fā)展成熟的虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)可拓展與推廣虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)在飛機(jī)型號(hào)研制全過(guò)程的應(yīng)用范圍，可在民用飛機(jī)的不同研制階段開(kāi)展系統(tǒng)行為或狀態(tài)的仿真分析，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行虛擬集成和仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)總體架構(gòu)的權(quán)衡分析和綜合性能的驗(yàn)證與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)問(wèn)題并及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)，保證產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)方案的合理性，保證“一次設(shè)計(jì)正確”，大大減少在設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)設(shè)計(jì)反復(fù)所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)更改工作量，對(duì)于縮短型號(hào)研制周期和降低研制成本具有非常重要的意義，為提升民用飛機(jī)型號(hào)研制的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力與研制效率帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的價(jià)值。

[1] SAE International Group. A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S]. ARP4754, 2010.

[2] 熊光楞,等著. 協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[3] 鄭黨黨，劉更，等. 飛機(jī)設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].航空制造技術(shù),2015, 23/24:68-70.

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[6] 胡葉楠,陳海東,等.虛擬集成試驗(yàn)技術(shù)體系及其應(yīng)用研究初探[C]//第13屆中國(guó)系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì), 2003.

The Technique Research on Virtual Integration Test for Civil Aircraft

The traditional test verification work of civil aircraft is facing many challenges; the virtual test technology has become the key technology of aircraft system testing and evaluation work,which is an effective supplement to the traditional physical testandverification. But the current development of the virtual test technology of civil aircraft design field in our country is not very mature, this paper discussedtheapplication goalof virtual test technology in aircraft development, from the dimension of system integration and the dimension of function application, the whole framework of virtual experiment is conceived, the key technologies to solve the current problems in virtual test are put forward, summarized the development path of civil aircraft virtual test system.

virtual test；model verification；model integration; data management

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.001

V216

A

陸 清 男，1965.1，碩士。上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)驗(yàn)證中心，研究員，主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)驗(yàn)證科研管理工作。電話：(021)20864703，Email：luqing@comac.cc

吳 雙 男，1981.6，碩士。上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)驗(yàn)證中心，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成仿真工作。電話：(021)20868682，Email：wushuang@comac.cc