復(fù)雜產(chǎn)品的VV&A體系架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

丁來軍 丁朝臣 趙新芳 丁寧

摘要：為開展復(fù)雜產(chǎn)品（系統(tǒng)）建模與仿真過程中的驗(yàn)證、確認(rèn)與發(fā)布（verification， validation and accreditation， VV&A）工作，提高復(fù)雜產(chǎn)品（系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)水平，保證和提高建模與仿真系統(tǒng)的置信度，降低試驗(yàn)與評(píng)估的不確定性，在分析復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期中的VV&A活動(dòng)的基礎(chǔ)上，論述復(fù)雜產(chǎn)品（系統(tǒng)）的VV&A體系架構(gòu)的復(fù)雜性及其關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)分析VV&A的主要思想和國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、VV&A工具和方法等問題，提出一種VV&A體系架構(gòu)方案，并詳細(xì)闡述其總體方案和系統(tǒng)組成，為逐步建設(shè)企業(yè)的VV&A知識(shí)庫提供參考。

關(guān)鍵詞：可信度;驗(yàn)證;確認(rèn);層級(jí)規(guī)劃;體系架構(gòu);過程方法

中圖分類號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）01-0053-09

0 引 言

在復(fù)雜產(chǎn)品的建模與仿真過程中，數(shù)字模型是對(duì)系統(tǒng)、實(shí)體、現(xiàn)象和過程等真實(shí)世界的數(shù)學(xué)的、物理的或邏輯的描述，仿真是建立系統(tǒng)模型并應(yīng)用模型預(yù)測(cè)未來、輔助設(shè)計(jì)和進(jìn)行科學(xué)研究的全過程。這一過程基于相似理論，采用建模和物理方法對(duì)真實(shí)系統(tǒng)或過程進(jìn)行抽象、映射、描述和復(fù)現(xiàn)。因此，數(shù)字模型必須嚴(yán)肅地證實(shí)以下3個(gè)問題：（1）模型是否可以正確描述實(shí)際系統(tǒng)的外部表征和內(nèi)在特性;（2）仿真是否可以有效地反映模型數(shù)據(jù)、性狀和行為;（3）仿真結(jié)果是否可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)和用戶需求。這就是通常所說的建模與仿真的可信性、有效性和可接受性。

缺乏可信性的模型和仿真系統(tǒng)是沒有任何意義的。仿真專家認(rèn)為仿真可信度是系統(tǒng)仿真最重要的性能指標(biāo)，對(duì)于大型復(fù)雜產(chǎn)品的仿真系統(tǒng)尤為重要。仿真系統(tǒng)的可信度可以通過驗(yàn)證與確認(rèn)（verification and validation， V&V）加以測(cè)量和評(píng)判，通過發(fā)布來正式地加以認(rèn)證，這個(gè)過程即為仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證、確認(rèn)與發(fā)布（verification， validation and accreditation， VV&A）。

驗(yàn)證是指驗(yàn)證復(fù)雜產(chǎn)品的各種數(shù)字模型或者系統(tǒng)是否可以準(zhǔn)確地表達(dá)開發(fā)人員的概念描述和設(shè)計(jì)規(guī)范的過程。確認(rèn)是指從復(fù)雜產(chǎn)品的各種數(shù)字模型或系統(tǒng)預(yù)期應(yīng)用的角度出發(fā)，確定模型或者系統(tǒng)是否準(zhǔn)確表示真實(shí)需求或反映真實(shí)程度的過程。發(fā)布是指各個(gè)業(yè)務(wù)部門及其上級(jí)部門對(duì)各階段的數(shù)字模型或系統(tǒng)是否可應(yīng)用于特定目的進(jìn)行認(rèn)證，并進(jìn)行正式證明的過程。

綜上所述，建模與仿真的VV&A是系統(tǒng)仿真中非常重要的通用技術(shù)，是評(píng)估和確保大型仿真系統(tǒng)特別是復(fù)雜產(chǎn)品仿真系統(tǒng)可信度必不可少的工作過程和方法。

1 復(fù)雜產(chǎn)品的VV&A國內(nèi)外現(xiàn)狀

對(duì)仿真系統(tǒng)VV&A的研究最早開始于對(duì)仿真模型的校驗(yàn)，可以追溯到20世紀(jì)60年代仿真應(yīng)用的初始時(shí)期。1962年BIGG和CAWTHORE等就注意到了對(duì)“警犬”導(dǎo)彈仿真的全面評(píng)估。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，仿真系統(tǒng)的功能和性能都獲得巨大的提高，但同時(shí)校驗(yàn)的難度也增加，迫切需要建立全面有效的VV&A過程和方法。因此，對(duì)仿真系統(tǒng)VV&A研究的重點(diǎn)從以“仿真模型的校驗(yàn)方法研究”為主轉(zhuǎn)向“如何更加全面系統(tǒng)地對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行VV&A”。美國國防部5000系列指令提出關(guān)于國防部武器裝備采購的新規(guī)范和要求，要求所屬的各軍兵種制訂其建模與仿真主計(jì)劃和仿真系統(tǒng)的VV&A規(guī)范，并在開發(fā)過程中大力推行應(yīng)用有關(guān)VV&A的活動(dòng)。1996年，美國國防部的軍用建模與仿真辦公室建立軍用仿真VV&A工作技術(shù)支持小組，負(fù)責(zé)起草國防部VV&A建議規(guī)范，1996年11月完成第一版，2000年發(fā)布第二版。IEEE也于1997年通過關(guān)于分布交互仿真系統(tǒng)VV&A的建議標(biāo)準(zhǔn)，這是關(guān)于大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)VV&A的比較全面的指導(dǎo)。

國內(nèi)也開展了大量關(guān)于軟件的VV&A的工作，并取得一系列成果。王子才等[1]、楊明等[2]、吳曉燕等[3]和白文[4]對(duì)仿真系統(tǒng)中校核、驗(yàn)證與驗(yàn)收的現(xiàn)狀與未來和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在復(fù)雜仿真系統(tǒng)建模-算法-評(píng)估方面開展大量研究，針對(duì)建模與仿真、產(chǎn)品試驗(yàn)與評(píng)估，提出VV&A發(fā)展的關(guān)鍵問題。西安空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院在軍事仿真系統(tǒng)VV&A的概念、術(shù)語和原則、可信度評(píng)估、模型驗(yàn)證方法等方面取得很好的成果。中國航空工業(yè)航空氣動(dòng)力數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國航空研究院數(shù)值模擬技術(shù)研究應(yīng)用中心，在CFD模擬置信度評(píng)估和V&V涉及的相關(guān)概念、術(shù)語以及V&V在航空氣動(dòng)力數(shù)值模擬置信度評(píng)估方法研究方面開展大量工作，包括SQA、MMS、誤差分析和不確定度量化等方法。張寶強(qiáng)等[5]、劉全等[6]、劉興堂等[7]、孫雅峰等[8]和唐見兵等[9]從復(fù)雜系統(tǒng)建模理論的視角對(duì)產(chǎn)品研制過程中VV&A所涉及的方法和技術(shù)有針對(duì)性地進(jìn)行研究。

總體來說，我國對(duì)建模與仿真置信度評(píng)估及V&V的研究仍處于起步階段，在建模與仿真的開發(fā)過程中對(duì)置信度評(píng)估及V&V工作的重要性和必要性缺乏認(rèn)識(shí)，特別是國內(nèi)還沒有類似于美國TCMC這樣的專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，更沒有組織國家級(jí)團(tuán)隊(duì)對(duì)建模與仿真置信度評(píng)估及V&V技術(shù)進(jìn)行專門研究，使得這方面的研究工作進(jìn)展緩慢，至今還沒有建模與仿真的V&V的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。所以，建模與仿真的開發(fā)者、應(yīng)用者和管理者無章可循、無法可依，尤其在復(fù)雜武器系統(tǒng)的VV&A研究上，真正應(yīng)用于實(shí)際模型V&V的研究甚少，全面完整的建模與仿真置信度評(píng)估幾乎是零狀態(tài)。

2 VV&A在復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用

復(fù)雜產(chǎn)品的建模與仿真過程通常有5個(gè)階段，即論證階段、方案階段、工程階段、定型階段和批產(chǎn)階段，見圖1。產(chǎn)品用途不同、涉及專業(yè)不同、技術(shù)途徑不同，導(dǎo)致不同階段的目標(biāo)不同，產(chǎn)品建模與仿真不同，產(chǎn)品試驗(yàn)與評(píng)估也不同。為降低研制風(fēng)險(xiǎn)、控制項(xiàng)目成本，國內(nèi)軍工企業(yè)紛紛引入VV&A及模型置信度評(píng)估等系統(tǒng)工程方法。VV&A技術(shù)與復(fù)雜產(chǎn)品研制過程聯(lián)系十分密切，他們是相輔相成的：每一項(xiàng)VV&A工作都是復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中的一項(xiàng)活動(dòng)，所有VV&A活動(dòng)聯(lián)系起來可以看成是一個(gè)VV&A全過程，對(duì)其全方位管理是提高復(fù)雜產(chǎn)品可信度的主要途徑之一。

每個(gè)建模與仿真活動(dòng)都會(huì)有VV&A過程，VV&A過程保證和提高建模與仿真的置信度，為研發(fā)流程的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)提供決策支持;每個(gè)VV&A發(fā)布后的數(shù)據(jù)又會(huì)完善企業(yè)知識(shí)庫，為下一次V&V活動(dòng)提供支持。VV&A在研發(fā)流程中的關(guān)系見圖2。

在基于模型的產(chǎn)品研制過程中，建模與仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的規(guī)劃制訂、方案論證、設(shè)計(jì)分析、產(chǎn)品試制和產(chǎn)品試驗(yàn)等各個(gè)階段。與此同時(shí)，隨著建模與仿真復(fù)雜程度的不斷增加，建模與仿真的正確性和置信度問題也越來越重要。若要保證實(shí)際系統(tǒng)與模型有機(jī)地聯(lián)系在一起，則任何一個(gè)建模與仿真都必須進(jìn)行VV&A，任何一個(gè)系統(tǒng)都必須進(jìn)行試驗(yàn)與評(píng)估，VV&A和產(chǎn)品試驗(yàn)與評(píng)估是相互關(guān)聯(lián)的。VV&A在復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用見圖3。在圖3左側(cè)的建模與仿真活動(dòng)中，沿著復(fù)雜產(chǎn)品研制的時(shí)間走向，在系統(tǒng)、子系統(tǒng)、專業(yè)系統(tǒng)的建模與仿真中，各個(gè)層級(jí)的數(shù)字模型都需要V&V驗(yàn)證是否規(guī)范、準(zhǔn)確地創(chuàng)建數(shù)字模型系統(tǒng)。當(dāng)驗(yàn)證不通過時(shí)，返回上層模型系統(tǒng)中進(jìn)行修正。驗(yàn)證通過的數(shù)字模型，結(jié)合需求目標(biāo)或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，判斷是否與需求或者目標(biāo)一致。當(dāng)與需求或目標(biāo)不一致且偏差較大時(shí)，V&V工具會(huì)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和修正，提升模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。當(dāng)確認(rèn)不通過時(shí)，返回上層模型系統(tǒng)中進(jìn)行變更和修正。下層模型確認(rèn)通過后，上層模型開啟確認(rèn)工作，自底向上逐層確認(rèn)，直至頂層模型系統(tǒng)滿足需求或者目標(biāo)。

3 VV&A體系的關(guān)鍵技術(shù)

VV&A技術(shù)與工具能夠評(píng)估并提高復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)研制流程中建模與仿真的置信度，同時(shí)降低試驗(yàn)與評(píng)估的不確定性。

3.1 VV&A層級(jí)規(guī)劃

大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)通常是復(fù)雜的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。這種大型系統(tǒng)一般由若干個(gè)子系統(tǒng)和下屬分系統(tǒng)甚至子分系統(tǒng)等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層次多、規(guī)模龐大、使用的模型復(fù)雜、運(yùn)行時(shí)空范圍廣等是復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。VV&A體系架構(gòu)提供一種自頂向下的分解機(jī)制，以不同的系統(tǒng)級(jí)別和物理復(fù)雜級(jí)別進(jìn)行劃分，將問題分解成顆粒度最小的簡單問題，降低問題的復(fù)雜度。每個(gè)分解后的仿真問題都可以獨(dú)立定義V&V任務(wù)，獨(dú)立開展仿真分析，下級(jí)的V&V任務(wù)可以為上級(jí)任務(wù)提供數(shù)據(jù)支持，提高復(fù)雜問題的處理能力。復(fù)雜系統(tǒng)模型層級(jí)規(guī)劃目標(biāo)見圖4。

層級(jí)規(guī)劃應(yīng)遵循以下原則：

（1）系統(tǒng)層為真實(shí)系統(tǒng)和構(gòu)型、全過程，包括所有物理機(jī)理和所關(guān)心的系統(tǒng)性能，仿真結(jié)果的不確定度較高。該層級(jí)模型的合格標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)仿真模型的預(yù)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行確定。

（2）子系統(tǒng)層為真實(shí)子系統(tǒng)，構(gòu)型可簡化但實(shí)際過程和機(jī)理須完整，仿真結(jié)果的不確定度劣于基準(zhǔn)問題層的不確定度。該層級(jí)模型的合格標(biāo)準(zhǔn)比基準(zhǔn)問題層對(duì)象要低。

（3）基準(zhǔn)問題層要體現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)某一特征的簡單模型與少數(shù)機(jī)理之間的耦合，仿真結(jié)果的不確定度低。該層級(jí)的模型合格標(biāo)準(zhǔn)比單一問題層對(duì)象要低。

（4）單一問題層為單一機(jī)理、單學(xué)科問題。分析的初始邊界條件明確、仿真結(jié)果的不確定性小。該層級(jí)的仿真模型可以很好地模擬真實(shí)物理對(duì)象，模型的合格標(biāo)準(zhǔn)最嚴(yán)格。

3.2 V&V流程

基于V&V計(jì)劃，定義多學(xué)科V&V分析流程，創(chuàng)建數(shù)字化測(cè)試設(shè)備環(huán)境，驗(yàn)證結(jié)果獲取方式，關(guān)聯(lián)備測(cè)產(chǎn)品與測(cè)試設(shè)備。利用仿真技術(shù)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)性能分析，利用產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證的建模和仿真結(jié)果對(duì)物理試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和預(yù)測(cè)，如多學(xué)科耦合的試驗(yàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)接口、產(chǎn)品驗(yàn)證性能指標(biāo)預(yù)測(cè)、敏感區(qū)域預(yù)測(cè)、試驗(yàn)條件預(yù)測(cè)、測(cè)點(diǎn)布置與優(yōu)化、傳感器對(duì)測(cè)量性能的影響大小分析等。V&V流程是復(fù)雜系統(tǒng)的某一層級(jí)中針對(duì)某一模型驗(yàn)證問題進(jìn)行的V&V活動(dòng)。層級(jí)規(guī)劃與V&V流程的關(guān)系見圖5。

3.3 V&V方法

在V&V流程執(zhí)行過程中，正確使用驗(yàn)證和確認(rèn)的方法是必要條件之一。VV&A體系方法類型包括驗(yàn)證方法、確認(rèn)方法、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、不確定性分析方法和優(yōu)化方法等，見表1。

鑒于系統(tǒng)VV&A工作的復(fù)雜性，需要綜合各種V&V方法。VV&A體系應(yīng)用人工智能技術(shù)，利用自動(dòng)化推理軟件，將系統(tǒng)使能器與應(yīng)用使能器結(jié)合，通過解釋和推理生成相應(yīng)的VV&A方法智能選擇器，選定對(duì)某個(gè)模型進(jìn)行VV&A的方法，并調(diào)用相應(yīng)的方法模塊，如頻譜分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等，生成文檔并完成對(duì)建模與仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證與確認(rèn)工作。

3.4 V&V工具

在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，不同的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)（如概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能仿真等）、不同的專業(yè)（如熱、電磁、流體、結(jié)構(gòu)、電氣電路、控制等）均會(huì)使用不同的建模與仿真工具，得到不同的數(shù)字模型（如需求模型、功能模型、工程模型、仿真模型、制造模型等），必定會(huì)要求使用不同的V&V工具軟件對(duì)相應(yīng)的數(shù)字模型進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。

VV&A體系架構(gòu)應(yīng)提供各種主要V&V工具軟件的無縫集成，或者對(duì)V&V工具使用“中間件”進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，簡化工程師的操作，提高工作效率，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

4 VV&A體系架構(gòu)的總體方案

根據(jù)上述的分析，結(jié)合復(fù)雜產(chǎn)品的典型“V”形研發(fā)流程，設(shè)計(jì)VV&A體系的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程，見圖6。

圖6左側(cè)是設(shè)計(jì)研發(fā)活動(dòng)，從企業(yè)的需求分析和產(chǎn)品的目標(biāo)分解出發(fā)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，對(duì)不同復(fù)雜程度的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行性能和DFX的優(yōu)化，并在二者之間尋求平衡。圖6右側(cè)是層級(jí)試驗(yàn)規(guī)劃與實(shí)施，包括方案設(shè)計(jì)模型的原理試驗(yàn)、子系統(tǒng)試驗(yàn)、半實(shí)物試驗(yàn)和系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)等。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型進(jìn)行確認(rèn)。

為更有效地利用型號(hào)產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于V&V技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證的統(tǒng)一。一方面，基于V&V方法進(jìn)行層級(jí)試驗(yàn)規(guī)劃，明確不同層級(jí)的試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)結(jié)果要求，提升層級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和利用價(jià)值;另一方面，基于V&V方法，利用設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，包括性能、可制造性、可裝配性、成本和可維護(hù)性等驗(yàn)證。可以利用層級(jí)物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型的驗(yàn)證能力和精度進(jìn)行評(píng)估，對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型進(jìn)行修正，提升設(shè)計(jì)驗(yàn)證的精度。

VV&A體系架構(gòu)平臺(tái)縱向分為顯示層、管控層、執(zhí)行層、知識(shí)層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和平臺(tái)層，包括基于VV&A的模型驗(yàn)證規(guī)劃與執(zhí)行管理子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)管控層和執(zhí)行層）、統(tǒng)一產(chǎn)品模型驗(yàn)證管理子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和知識(shí)層）、VV&A的圖形可視化子系統(tǒng)（負(fù)責(zé)顯示層）等3個(gè)重要組成部分。VV&A驗(yàn)證體系架構(gòu)的組成見圖7。

4.1 模型驗(yàn)證規(guī)劃與執(zhí)行管理子系統(tǒng)

針對(duì)企業(yè)系統(tǒng)工程各階段的數(shù)字模型，進(jìn)行V&V的規(guī)劃、執(zhí)行和審核。企業(yè)可以捕獲系統(tǒng)工程中對(duì)各種數(shù)字模型進(jìn)行VV&A的完整流程，提供完整的驗(yàn)證、確認(rèn)與信息發(fā)布審計(jì)追蹤歷程，不僅可以快速找到模型和結(jié)果，而且還可顯示創(chuàng)建該模型的方法和驗(yàn)證、確認(rèn)與發(fā)布的工具，數(shù)據(jù)輸入情況，以及相關(guān)聯(lián)的其他流程。這樣，企業(yè)可以追蹤各種數(shù)字模型的精度和可靠性，同時(shí)監(jiān)控每次方法和流程改進(jìn)產(chǎn)生的影響。

該系統(tǒng)具有VV&A規(guī)劃功能，提供金字塔模式的層級(jí)分解機(jī)制，依據(jù)層級(jí)劃分的原則進(jìn)行自頂向下的分解;每個(gè)問題經(jīng)過V&V后，對(duì)上級(jí)問題提供反饋和參考，即自底向上驗(yàn)證。系統(tǒng)具有V&V流程的建立、執(zhí)行和監(jiān)控功能。在執(zhí)行階段，各數(shù)字模型的V&V過程依賴不同的V&V工具。V&V工具“中間件”模塊專門針對(duì)未知的應(yīng)用工具進(jìn)行開發(fā)，是一個(gè)開放式框架，可以支持所有類型的設(shè)計(jì)分析工具，不僅支持V&V工具軟件，還支持第三方或者自研軟件或工具的集成或數(shù)據(jù)交互。

4.2 統(tǒng)一產(chǎn)品模型驗(yàn)證管理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于處理VV&A分析中涉及的大量數(shù)據(jù)（包括工作中的臨時(shí)數(shù)據(jù)），系統(tǒng)確保這些迭代數(shù)據(jù)分門別類地加以保存和利用。所以，在VV&A過程中，各個(gè)階段的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、各種模型的VV&A數(shù)據(jù)、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定的仿真流程模板、編制的仿真驗(yàn)證規(guī)范等，均為該系統(tǒng)的管控對(duì)象。

基于VV&A理論與標(biāo)準(zhǔn)，通過V&V流程和手段的規(guī)范化、效率化、體系化，該系統(tǒng)用于企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)各種模型的驗(yàn)證、確認(rèn)和發(fā)布的規(guī)劃、執(zhí)行和審核，對(duì)VV&A過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和應(yīng)用，評(píng)估和提高各種數(shù)字模型的置信度;建立虛擬樣機(jī)庫并提高虛擬樣機(jī)的復(fù)用程度，增強(qiáng)設(shè)計(jì)模型的準(zhǔn)確性和仿真建模的預(yù)測(cè)能力，并逐步建設(shè)企業(yè)的VV&A知識(shí)庫，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品測(cè)試、試驗(yàn)和制造成本，提升企業(yè)基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

4.3 圖形可視化子系統(tǒng)

圖形可視化子系統(tǒng)可以將指定格式的三維模型進(jìn)行輕量化處理，通過關(guān)鍵信息提取和數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)手段，將規(guī)模巨大的三維模型數(shù)據(jù)文件大幅減小，可以解決產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)瀏覽困難問題，并可保證數(shù)據(jù)的一致性，提高溝通效率。該系統(tǒng)提供統(tǒng)一的門戶，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁端模型可視化，無須其他軟件支持，應(yīng)用環(huán)境不依賴原始的設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可以在瀏覽器上瀏覽結(jié)構(gòu)模型、有限元網(wǎng)格模型和后處理云圖等，直接對(duì)模型進(jìn)行操作，如旋轉(zhuǎn)、放大、查看動(dòng)畫等，有利于實(shí)現(xiàn)三維模型在多個(gè)部門之間傳遞和交互，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)和三維模型混排。系統(tǒng)還可以顯示報(bào)告所需的關(guān)鍵性的文字內(nèi)容和三維圖形（如后處理云圖），提供可以進(jìn)行三維模型瀏覽、旋轉(zhuǎn)、放大/縮小、查看關(guān)鍵數(shù)據(jù)等操作的分析報(bào)告。

系統(tǒng)可借助VR和AR技術(shù)展示建模和仿真的計(jì)算結(jié)果，有助于使不擅長建模和仿真的設(shè)計(jì)人員更直觀、更準(zhǔn)確地理解數(shù)據(jù)，快速找出設(shè)計(jì)中存在的問題，理解計(jì)算數(shù)據(jù)中包含的客觀規(guī)律，強(qiáng)化驗(yàn)證過程的直觀性和分析結(jié)果的可信性，將設(shè)計(jì)成果與他人共享。例如，可以借助AR的3D投影技術(shù)把導(dǎo)彈在各種飛行條件下流場(chǎng)中的氣體速度、壓力和密度等參量的變化等數(shù)據(jù)和三維云圖，投影在會(huì)議桌上向上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)介紹項(xiàng)目，也可以借助VR技術(shù)把氣動(dòng)專家送到導(dǎo)彈的高馬赫數(shù)飛行狀態(tài)下，近距離觀察和分析彈頭附近和彈翼前緣發(fā)生的燒蝕現(xiàn)象，分析燒蝕對(duì)導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性和彈道特性的影響程度。

5 應(yīng)用案例

空空導(dǎo)彈系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其導(dǎo)引精度、可靠性、對(duì)目標(biāo)的搜索與跟蹤能力、抗干擾能力和機(jī)動(dòng)性等直接關(guān)系到空空導(dǎo)彈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效果。目前，在空空導(dǎo)彈系統(tǒng)的研發(fā)流程中，為獲得更好的性能，可以聯(lián)合采用虛擬試驗(yàn)和物理試驗(yàn)等手段，評(píng)估系統(tǒng)的性能，并進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)優(yōu)化?？湛諏?dǎo)彈系統(tǒng)研制流程見圖8。如何保證復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的精度水平，如何充分利用物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型進(jìn)行修正，幫助設(shè)計(jì)人員更好地利用仿真手段進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證，是進(jìn)行型號(hào)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須解決的問題。

規(guī)劃和建設(shè)復(fù)雜產(chǎn)品的VV&A體系架構(gòu)過程采取“總體規(guī)劃、先易后難、分步實(shí)施、急用先行”的原則，針對(duì)導(dǎo)彈彈體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，進(jìn)行仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的一致性定量分析，識(shí)別和消除仿真模型的各種誤差。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行修正，逐步提升仿真結(jié)果的精度和可信度，并基于仿真模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)決策和優(yōu)化，從而驗(yàn)證基于模型的復(fù)雜產(chǎn)品VV&A體系架構(gòu)。

項(xiàng)目實(shí)施主要功能有：導(dǎo)彈彈體V&V流程定義、導(dǎo)彈彈體VV&A產(chǎn)品架構(gòu)、導(dǎo)彈彈體建模與仿真、導(dǎo)彈彈體試驗(yàn)和評(píng)定、導(dǎo)彈彈體試驗(yàn)規(guī)劃、導(dǎo)彈彈體VV&A、導(dǎo)彈彈體建模與仿真置信度評(píng)估和導(dǎo)彈彈體VV&A的數(shù)據(jù)管理及技術(shù)狀態(tài)控制。

本項(xiàng)目采用北京安懷信科技股份有限公司“基于模型的復(fù)雜產(chǎn)品VV&A體系架構(gòu)”。在該體系架構(gòu)中，需求模型、功能模型、工程模型、仿真模型和制造模型均使用不同的工具軟件進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)。該體系架構(gòu)與執(zhí)行平臺(tái)可提供多種軟件的無縫集成，其他V&V工具可以使用“中間件”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，見圖9。

SimV&Ver軟件提供仿真模型驗(yàn)證和確認(rèn)模型驗(yàn)證項(xiàng)目管理功能，可以方便地進(jìn)行V&V模型驗(yàn)證項(xiàng)目的創(chuàng)建和管理，定義模型驗(yàn)證項(xiàng)目任務(wù)的輸入和輸出等屬性，見圖10。

SimV&Ver提供根據(jù)分析要求搭建簡單模型驗(yàn)證流程功能，可方便地進(jìn)行流程中節(jié)點(diǎn)的輸入、輸出和工具配置等，見圖11。

SimV&Ver可將不同測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果和測(cè)點(diǎn)誤差在有限元強(qiáng)度分析模型上以云圖的方式直觀顯示，包括各個(gè)載荷步相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等，以曲線圖、柱狀圖等形式對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行快速圖形化演示，方便設(shè)計(jì)人員直觀查看并對(duì)比分析結(jié)果，見圖12。

6 結(jié)束語

VV&A體系架構(gòu)平臺(tái)是基于VV&A理論和方法，集數(shù)據(jù)管理和流程管理于一體的驗(yàn)證業(yè)務(wù)框架系統(tǒng)，支持構(gòu)建特定的企業(yè)級(jí)VV&A業(yè)務(wù)應(yīng)用。企業(yè)可以在統(tǒng)一的產(chǎn)品驗(yàn)證框架下，實(shí)現(xiàn)VV&A過程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，管理驗(yàn)證數(shù)據(jù)、流程、軟件資源和任務(wù)調(diào)度工具，并與設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等外部系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，形成協(xié)同研發(fā)環(huán)境。結(jié)合具體的VV&A標(biāo)準(zhǔn)和思路，對(duì)企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品研制過程中各級(jí)設(shè)計(jì)人員和指揮人員進(jìn)行指導(dǎo)，對(duì)系統(tǒng)工程中的各種數(shù)字模型進(jìn)行分析評(píng)估、驗(yàn)證和確認(rèn)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的研制和決策提供參考和保證。在企業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)流程的各個(gè)階段，充分利用VV&A技術(shù)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品研制過程不同專業(yè)、不同學(xué)科的設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)和制造信息生成的數(shù)字模型進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)，構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字模型的驗(yàn)證與確認(rèn)層級(jí)，結(jié)合各種專業(yè)工具對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行分析，基于產(chǎn)品成熟度和模型置信度對(duì)產(chǎn)品的功能指標(biāo)、性能參數(shù)、可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本控制等方面進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品測(cè)試、試驗(yàn)和制造成本，并逐步建設(shè)企業(yè)的VV&A知識(shí)庫，提升企業(yè)基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

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（編輯 武曉英）