國外航天與防務(wù)機(jī)構(gòu)仿真標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展*

張一彬 趙暉 胡葉楠 羅汝斌 丁秀玲

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

文 摘：仿真是利用計算機(jī)模型進(jìn)行的某一層次的風(fēng)險評估。美、歐等對航天領(lǐng)域的仿真技術(shù)的應(yīng)用非常重視，美國把仿真技術(shù)全面應(yīng)用于概念分析、技術(shù)開發(fā)、采辦、試驗(yàn)、部署、維持、作戰(zhàn)效果分析、訓(xùn)練以及產(chǎn)品改進(jìn)等產(chǎn)品研制的全生命周期，同時，美軍、NASA、ESA等國外典型航天與防務(wù)機(jī)構(gòu)形成了較為完備的航天仿真標(biāo)準(zhǔn) （體系），我國的航天仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)可借鑒和參考其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

20世紀(jì)80年代，由于對復(fù)雜大系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計的需要，以及計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和周邊學(xué)科相關(guān)理論與技術(shù)的突破，使得仿真得以迅速發(fā)展。經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，仿真技術(shù)體系逐步形成，主要包括仿真建模技術(shù)、仿真支撐系統(tǒng)與平臺技術(shù)和仿真應(yīng)用技術(shù)3個方向[1]。

隨著仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展，面向航天型號研制的仿真技術(shù)應(yīng)用已成為型號研制不可或缺的重要推進(jìn)力量。在型號研制的內(nèi)在需求和仿真技術(shù)的外在牽引的雙重作用下，仿真技術(shù)應(yīng)用的規(guī)模不論從深度還是從廣度上都呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展的趨勢。可以預(yù)見，后續(xù)將有越來越多的仿真應(yīng)用進(jìn)入到型號研制流程的各個環(huán)節(jié)，這已經(jīng)成為航天型號研制模式轉(zhuǎn)變的一個重要趨勢。

然而，目前我國面向航天型號研制的仿真技術(shù)的發(fā)展無論在技術(shù)層面還是在管理層面都沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，在統(tǒng)籌規(guī)劃、研制、集成、數(shù)據(jù)共享和管理等方面均存在 “孤島”現(xiàn)象，各單位沒有形成合力，開展基于多部門的仿真綜合試驗(yàn)工作時缺乏規(guī)范指導(dǎo)。因此，迫切需要盡快開展航天仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系的研究，從頂層策劃的角度研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的布局，對仿真建模、仿真試驗(yàn)操作、仿真評估與鑒定、仿真數(shù)據(jù)管理、仿真產(chǎn)品研發(fā)、仿真工作流程等諸多方面進(jìn)行統(tǒng)一化規(guī)定，以促進(jìn)先進(jìn)仿真技術(shù)的推廣和應(yīng)用，并避免仿真系統(tǒng)無序建設(shè)、資源不能共享、系統(tǒng)互不兼容、仿真工作開展無據(jù)可依的問題。開展面向型號研制的航天仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系研究已經(jīng)成為一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)性工作。正是基于此前提，本文針對國外航天與防務(wù)機(jī)構(gòu)的仿真標(biāo)準(zhǔn)開展了相關(guān)研究，以期為我國航天仿真工程標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供借鑒。

1 國外航天仿真應(yīng)用技術(shù)發(fā)展情況

仿真應(yīng)用技術(shù)是復(fù)雜大系統(tǒng)開發(fā)要求與任務(wù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，是仿真與實(shí)際系統(tǒng)之間的無形橋梁，也是本文重點(diǎn)關(guān)注的仿真技術(shù)類別。

在航天領(lǐng)域中，仿真技術(shù)最早應(yīng)用于導(dǎo)彈飛行仿真[2]。早期利用仿真對復(fù)雜導(dǎo)彈系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計的典型例子是澳大利亞和英國聯(lián)合研制的 “警犬”導(dǎo)彈。它采用仿真與發(fā)射交替的方式總共只用92次發(fā)射就完成了設(shè)計任務(wù)，其中79次發(fā)射專用于模型驗(yàn)證，只有13次發(fā)射是為了面向用戶的研制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于以往所需的近千次發(fā)射。這項(xiàng)成績舉世矚目，特別是用經(jīng)過驗(yàn)證的模型來進(jìn)行仿真，可以代替飛行試驗(yàn)對規(guī)定條件內(nèi)插、外推，從而得到整個導(dǎo)彈系統(tǒng)的全面性能評估，其經(jīng)濟(jì)效益大為可觀。之后，隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和在航天領(lǐng)域的擴(kuò)展，航天仿真逐漸涉及到地地彈、地空彈、飛航導(dǎo)彈、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等航天產(chǎn)品。

美國國防部把仿真技術(shù)作為 “國防關(guān)鍵技術(shù)計劃”中的重點(diǎn)研究內(nèi)容，全面應(yīng)用于概念分析、技術(shù)開發(fā)、采辦、試驗(yàn)、部署、維持、作戰(zhàn)效果分析、訓(xùn)練以及產(chǎn)品改進(jìn)等產(chǎn)品研制生產(chǎn)的全生命周期。

在方案設(shè)計階段，SpaceX公司在 “龍”飛船的整個研制過程中，決定全面應(yīng)用了仿真試驗(yàn)技術(shù)，大幅縮短研制周期。洛·馬公司開發(fā)了 “超/高超音速飛行器設(shè)計 （SHVD）”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一體化自動設(shè)計過程，有效提高了設(shè)計效率。2011年美國國家航天局 （NASA）在旋翼飛行器、超音速飛行器等型號研制中，全面應(yīng)用了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 （MDO）技術(shù)，推動了MDO技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的深入發(fā)展。

在演示驗(yàn)證階段，NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在 “好奇號”火星探測器研制過程中，借助數(shù)字化/虛擬化設(shè)計、測試和仿真等手段有效解決了地面物理驗(yàn)證遇到的重力場無法充分模擬、極端溫度等苛刻問題。

在綜合保障階段，虛擬維修訓(xùn)練已經(jīng)成為裝備維修訓(xùn)練領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，美國憑借仿真技術(shù)上的優(yōu)勢地位，已經(jīng)形成了完善的虛擬維修技術(shù)體系。其中，NASA通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了一個模擬哈勃太空望遠(yuǎn)鏡維修的仿真試驗(yàn)平臺，首次實(shí)現(xiàn)哈勃望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的模擬維修工作，并應(yīng)用于實(shí)際維修中。

歐洲航天局 （ESA）建設(shè)了支持衛(wèi)星研制全過程的 “EuroSim”仿真系統(tǒng)，能夠?yàn)樾l(wèi)星設(shè)計提供從可行性論證到在軌運(yùn)行各個階段的支持和服務(wù)。可以看出，仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天等領(lǐng)域產(chǎn)品研制全生命周期，仿真技術(shù)已成為提升研制能力、縮短研制周期、降低研制成本的重要手段。

2 國外航天及防務(wù)領(lǐng)域仿真標(biāo)準(zhǔn) （體系）發(fā)展情況

2.1 美軍方面

20世紀(jì)90年代初期，美軍開始認(rèn)識到建模與仿真 （M＆S）管理與標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)系的重要性，并著手解決仿真系統(tǒng)的 “煙囪”問題[3]。在此之前，M＆S領(lǐng)域的一個明顯標(biāo)志就是各自為政，各個仿真應(yīng)用之間只具備有限的互操作，缺乏共同的技術(shù)框架，模型與仿真的通用性和可重用性不好，缺乏必要的校核、驗(yàn)證與確認(rèn) （VV＆A）。

美國國防部1991年成立了國防建模與仿真辦公室 （DMSO），1994年頒布了 5000．59指令 《國防部建模與仿真管理》 （2007年修訂后再次發(fā)布），1995年頒布了 《建模與仿真主計劃》（2004年修訂后再次發(fā)布）作為5000．59的實(shí)施計劃，1996年頒布了5000．61指令 《國防部建模與仿真驗(yàn)證與確認(rèn)》（2003年修訂后再次發(fā)布）[4]。其中， 《建模與仿真主計劃》是美軍M＆S標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)和發(fā)展方向。根據(jù) 《建模與仿真主計劃》，美國陸軍M＆S標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)提出了 19類M＆S標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。美國海軍的M＆S標(biāo)準(zhǔn)主要分為3類[5]，如圖2所示。

圖1 美陸軍M＆S標(biāo)準(zhǔn)體系

圖2 美海軍M＆S標(biāo)準(zhǔn)體系

美軍認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化是促進(jìn)M＆S互操作、可重用，增強(qiáng)M＆S可信度的根本保障，從而確立了“管理是基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)是核心”的基本指導(dǎo)原則。通過推進(jìn)仿真標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，美軍在體系級仿真標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)上已取得了明顯優(yōu)勢。例如，先后提出了分布式交互仿真 （DIS）、聚合級仿真協(xié)議 （ALSP）、高層體系結(jié)構(gòu) （HLA）、訓(xùn)練與試驗(yàn)使能體系結(jié)構(gòu) （TENA）和用于仿真與模擬離散事件的同步并行環(huán)境 （SPEEDES）等架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[6]。2000年，HLA正式被列為電機(jī)工程師協(xié)會（IEEE）標(biāo)準(zhǔn) （即 IEEE Standard 1516），同時，美國國防部明確規(guī)定2001年后將全面終止與HLA不相容的仿真工程與應(yīng)用。2008年IEEE對IEEE 1516進(jìn)行了重新投票修訂和審核，起草了更新版本的下一代HLA規(guī)范—HLA Evolved。

美軍通過 《建模與仿真主計劃》自頂向下地強(qiáng)化貫徹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在采辦、戰(zhàn)略分析、作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)、情報、計劃、測試與評估、訓(xùn)練等7大領(lǐng)域的執(zhí)行力度，對軍用仿真實(shí)施了強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)和系統(tǒng)化、規(guī)范化管理，并從中受益。在 《建模與仿真主計劃》的約束下和仿真標(biāo)準(zhǔn)的帶動下，美軍仿真系統(tǒng)開發(fā)與仿真試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅苏w提升，并使仿真系統(tǒng)的互聯(lián)互通、軍種級大規(guī)模分布式仿真訓(xùn)練試驗(yàn)成為了可能。例如，從2001年開始，美軍開始舉辦兩年一次的 “施里弗”系列體系對抗仿真演習(xí)，范圍覆蓋了美國全軍兵種和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，有效地牽引了美國軍事裝備體系的發(fā)展。美軍構(gòu)建了模塊化的半自動兵力系統(tǒng) （ModSAF）、聯(lián)合作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)（JWARS）和擴(kuò)展防空仿真系統(tǒng) （EADSIM）等典型的大型體系作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，其中，擴(kuò)展EADSIM是美軍應(yīng)用最為成功的體系仿真平臺，該平臺在海灣戰(zhàn)爭期間為美軍 “沙漠盾牌”、 “沙漠風(fēng)暴”作戰(zhàn)計劃的制定和作戰(zhàn)方案的擬制發(fā)揮了重要作用。

2.2 NASA方面

NASA對于標(biāo)準(zhǔn)化工作始終給予高度重視。1995年前后，NASA啟動了 “標(biāo)準(zhǔn)化工程”，將標(biāo)準(zhǔn)化工作正式作為NASA的一項(xiàng)工程，與航天飛機(jī)、國際空間站、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等幾十個工程/項(xiàng)目并列。目前，NASA的 “標(biāo)準(zhǔn)化工程”已成為一項(xiàng)長期、永久持續(xù)的戰(zhàn)略性工程，其所有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作都是在標(biāo)準(zhǔn)化工程的框架下開展并實(shí)施，構(gòu)建起了一套穩(wěn)定而長效的標(biāo)準(zhǔn)化工作機(jī)制[7]。NASA標(biāo)準(zhǔn)體系[8]包括以下幾方面。

a）NASA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具體由10類標(biāo)準(zhǔn)組成：0000系列主要涉及文件編寫與技術(shù)狀態(tài)管理與項(xiàng)目管理等；1000系列主要涉及系統(tǒng)工程、空天環(huán)境、天體力學(xué)等；2000系列主要涉及計算機(jī)硬軟件系統(tǒng)、信息與決策系統(tǒng)等；3000系列主要涉及人機(jī)工程與健康管理等；4000系列主要涉及自動控制系統(tǒng)、電子設(shè)備與電氣系統(tǒng)等；5000系列主要涉及機(jī)械與結(jié)構(gòu)、流體與熱環(huán)境、空氣動力學(xué)等；6000系列主要涉及產(chǎn)品制造、工藝加工及材料等；7000系列主要涉及試驗(yàn)分析與評估等；8000系列主要涉及可靠性、安全性、維修性以及質(zhì)量管理等；9000系列主要涉及系統(tǒng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)通訊、指令與控制以及遙測數(shù)據(jù)管理等。

b）NASA指令文件，具體包括各類操作手冊、流程程序以及相關(guān)的幫助文檔等，類似于我國的各項(xiàng)管理規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

c）NASA各中心標(biāo)準(zhǔn)，具體包括飛行器研制過程中所涉及到的各分系統(tǒng)、各專業(yè)，相關(guān)系統(tǒng)與部門之間的接口控制，以及各類保障與訓(xùn)練、基礎(chǔ)元器件的選擇與采購等，內(nèi)容十分龐雜。

從上述NASA標(biāo)準(zhǔn)體系可以看出，“仿真”不是其標(biāo)準(zhǔn)體系中的獨(dú)立分類，具體的仿真標(biāo)準(zhǔn)分屬于不同的分類當(dāng)中。NASA在建模與仿真領(lǐng)域提出的比較具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)為NASA-STD-7009《建模與仿真標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于2008年，內(nèi)容涵蓋了項(xiàng)目管理、模型發(fā)展、仿真執(zhí)行、結(jié)果驗(yàn)證及不確定量分析、訓(xùn)練方法、推薦學(xué)習(xí)案例、建模及仿真可信度評估、結(jié)果報告等8個部分。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 （JPL）參與了該標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在火星探路者 （MER）巡航階段熱設(shè)計等項(xiàng)目的研制中應(yīng)用了該標(biāo)準(zhǔn)，同時該標(biāo)準(zhǔn)也被美國機(jī)械工程師協(xié)會 （ASME）等機(jī)構(gòu)廣泛借鑒和采用[9-10]。

2.3 ESA方面

過去由于采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，使得歐洲空間共同體內(nèi)各國航天產(chǎn)品的研制成本居高不下，同時造成了項(xiàng)目管理和產(chǎn)品使用的混亂。為此，在歐洲航天局 （ESA）的指導(dǎo)下，歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織 （ECSS）于1993年正式成立。該組織旨在建立起一套完整的、單一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系[11]，以便更好地服務(wù)于ESA及其成員國以及歐洲空間共同體組織。

ECSS標(biāo)準(zhǔn)體系分為頂層和三個子體系[11]，頂層架構(gòu)包括標(biāo)準(zhǔn)化政策文件 （ECSS-P-00）和術(shù)語匯編 （ECSS-P-00-001），下屬的三個子體系包括以下3方面內(nèi)容。

a）空間項(xiàng)目管理標(biāo)準(zhǔn)子體系，具體內(nèi)容包含：政策與目標(biāo) （ECSS-M-00）、項(xiàng)目架構(gòu)分解（ECSS-M-10）、項(xiàng)目管理與組織 （ECSS-M-20）、項(xiàng)目策劃與分期 （ECSS-M-30）、技術(shù)狀態(tài)控制 （ECSS-M-40）、 文獻(xiàn)及情報管理（ECSS-M-50）、進(jìn)度管理與成本控制 （ECSSM-60）、后勤與綜保 （ECSS-M-70）和風(fēng)險預(yù)判與控制 （ECSS-M-80）。

b）空間產(chǎn)品質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)子體系，具體內(nèi)容包含：產(chǎn)品保證總則 （ECSS-Q-00）、產(chǎn)品保證管理 （ECSS-Q-10）、 質(zhì)量保證 （ECSS-Q-20）、可靠性 （ECSS-Q-30）、 安全性 （ECSS-Q-40）、 可用及維修性 （ECSS-Q-50）、元器件管理 （ECSSQ-60EEE）、工藝與材料以及機(jī)械零部件加工（ECSS-Q-70）、 軟件質(zhì)量保證 （ECSS-Q-80）。

c）空間工程系列標(biāo)準(zhǔn)子體系，具體內(nèi)容包含： 總體工程 （ECSS-E-00）、 系統(tǒng)工程（ECSS-E-10）、 電氣 （ECSS-E-20）、 機(jī)械（ECSS-E-30）、 軟件 （ECSS-E-40）、 通訊（ECSS-E-50）、控制 （ECSS-E-60）和發(fā)射支持與操作 （ECSS-E-70）。

ECSS標(biāo)準(zhǔn)化活動涉及項(xiàng)目管理、產(chǎn)品保證、工程共三個專業(yè)的研制、生產(chǎn)、使用全過程。從上述ECSS標(biāo)準(zhǔn)體系可以看出，仿真不是該標(biāo)準(zhǔn)體系中的獨(dú)立分類，仿真標(biāo)準(zhǔn)分屬于不同的類別中。例如，ECSS-E-ST-40《仿真軟件》、ECSS-E-TM-40-07《仿真建模平臺》，這兩個標(biāo)準(zhǔn)分別描述用于各專業(yè)類仿真分析的仿真工具軟件，以及用于系統(tǒng)仿真分析的通用仿真平臺在功能需求、軟件架構(gòu)、建模及評測等方面的內(nèi)容。從計算機(jī)軟件的通用視角來看，這些內(nèi)容更近似于特定領(lǐng)域內(nèi)的軟件工程學(xué)，因而這兩份標(biāo)準(zhǔn)最終被納入空間工程系列標(biāo)準(zhǔn)體系的ECSS-E-40軟件工程類；而在ECSSE-TM-10-21《系統(tǒng)建模與仿真》中主要描述了如何在一個大系統(tǒng)研制過程中利用建模與仿真手段對復(fù)雜問題進(jìn)行分析和評估，更加強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)工程中仿真手段應(yīng)用的規(guī)范性，因而該標(biāo)準(zhǔn)被納入空間工程系列標(biāo)準(zhǔn)體系的ECSS-E-10系統(tǒng)工程類別。

3 分析與建議

通過對國外典型航天及防務(wù)領(lǐng)域仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的相關(guān)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國外典型組織機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)體系差別較大，這主要是由于不同組織機(jī)構(gòu)所承擔(dān)的使命任務(wù)以及它們開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的目的有所不同。

在仿真技術(shù)領(lǐng)域，美軍始終引領(lǐng)著該領(lǐng)域仿真標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方向，并依托美軍M＆S管理架構(gòu)持續(xù)貫徹執(zhí)行相關(guān)仿真標(biāo)準(zhǔn)，不斷開拓體系級仿真領(lǐng)域的高端應(yīng)用活動。經(jīng)過不懈地努力，美軍的仿真標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)相對完善，并仍在不斷發(fā)展中。

在NASA與ESA的標(biāo)準(zhǔn)體系中， “仿真”都不作為一個獨(dú)立分類而存在，其具體內(nèi)容被分散在其它不同的分類體系下。此外，由于技術(shù)保護(hù)等原因，有關(guān)波音、雷神、洛·馬等軍工研制實(shí)體內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)體系未見公開報道。

目前，我國航天仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作剛剛起步，基礎(chǔ)還很薄弱。雖然我國 “軍用標(biāo)準(zhǔn)體系”[12]、 “國防科技工業(yè)信息技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系”[13]、 “中國航天科技集團(tuán)公司信息化標(biāo)準(zhǔn)體系”[14]等均對仿真部分內(nèi)容有所涉及，但普遍存在分類粗、指導(dǎo)性不強(qiáng)等問題，對仿真應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化工作的牽引作用相對不足。由于航天型號研制是一項(xiàng)十分龐雜的系統(tǒng)工程，而仿真作為一種獨(dú)特的技術(shù)手段也已經(jīng)深度融入其中，因此開展航天仿真工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也必須從仿真技術(shù)在航天工程領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展的實(shí)際出發(fā)，合理確定標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)層次和標(biāo)準(zhǔn)的組織分類方式，不能簡單照搬其他組織機(jī)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。