高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用前景

■ 吳鋒 馮旭棟 徐倩楠 冷林濤 楊彩瓊 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

實(shí)踐表明，試驗(yàn)建模與仿真驗(yàn)證技術(shù)是武器裝備試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，以建模仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的仿真驗(yàn)證已經(jīng)向虛擬試驗(yàn)方向發(fā)展。

虛擬試驗(yàn)就是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，利用數(shù)字化模型代替實(shí)物原型、數(shù)字化分析替代物理試驗(yàn)，進(jìn)行產(chǎn)品性能的試驗(yàn)分析。仿真驗(yàn)證技術(shù)和虛擬試驗(yàn)適用于武器裝備的采辦過(guò)程，包括從系統(tǒng)方案論證到使用訓(xùn)練的各個(gè)階段，在降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制周期、降低費(fèi)用等方面能取得可觀的效益，甚至有些場(chǎng)合可以取代物理試驗(yàn)，成為武器系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)價(jià)的新途徑。在目前因發(fā)動(dòng)機(jī)研制型號(hào)多、試驗(yàn)任務(wù)重、試驗(yàn)臺(tái)占臺(tái)時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致的實(shí)物驗(yàn)證資源不足的多重矛盾壓力下，虛擬試驗(yàn)顯得非常必要。高空臺(tái)是國(guó)家戰(zhàn)略性的資源，高空模擬試驗(yàn)是自主研制先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的重要手段和工具，在高空臺(tái)率先開(kāi)展虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究和應(yīng)用具有牽引帶動(dòng)意義。

虛擬試驗(yàn)的定義及范疇

虛擬試驗(yàn)是指通過(guò)數(shù)值/半物理的仿真手段，對(duì)試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)設(shè)備和整個(gè)試驗(yàn)流程實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛擬環(huán)境映射，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)虛擬演示以及試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)估、分析與驗(yàn)證。從廣義上講，任何不使用或部分使用硬件來(lái)建立試驗(yàn)環(huán)境，完成實(shí)際物理試驗(yàn)的方法和技術(shù)都可稱作虛擬試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)源于試驗(yàn)仿真，但定位卻高于試驗(yàn)仿真，如圖1所示。虛擬試驗(yàn)的思想正引導(dǎo)基于經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ较蚧谥R(shí)的綜合試驗(yàn)驗(yàn)證模式轉(zhuǎn)變。以虛擬數(shù)字樣機(jī)代替或部分代替真實(shí)試驗(yàn)，如同在真實(shí)環(huán)境中一樣完成預(yù)定試驗(yàn)分析，取得的試驗(yàn)效果等價(jià)于在真實(shí)環(huán)境中取得的效果。

圖1 實(shí)物試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)的對(duì)比

相比于傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)技術(shù)，虛擬試驗(yàn)有其自身的特點(diǎn)和諸多優(yōu)勢(shì)，它不僅可以作為真實(shí)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作，還可以在一定程度上替代傳統(tǒng)的試驗(yàn)，具體包括：能夠大幅減少甚至避免真實(shí)試驗(yàn)，降低試驗(yàn)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)成本；基本不受時(shí)間、空間等因素的制約，重復(fù)利用率高，可操作性強(qiáng)；易于改進(jìn)，能夠使試驗(yàn)者在產(chǎn)品研發(fā)的各階段實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)；主要集中在多領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真、虛擬試驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)和虛擬試驗(yàn)平臺(tái)及中間件技術(shù)等方面。

研究虛擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)的推動(dòng)意義

航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)技術(shù)的研究將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)仿真技術(shù)的進(jìn)步、研制水平的不斷提高以及新興信息技術(shù)的應(yīng)用等方面起到推動(dòng)作用。

推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)仿真技術(shù)進(jìn)步

目前國(guó)內(nèi)仿真技術(shù)僅在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了較多的應(yīng)用，但在制造、裝配、試驗(yàn)、維護(hù)等領(lǐng)域還處于探索階段，無(wú)法滿足虛擬化研究需求。以大型復(fù)雜試驗(yàn)設(shè)備試車臺(tái)為例，目前僅對(duì)部分控制元件進(jìn)行過(guò)理論建模研究工作，對(duì)大型復(fù)雜試驗(yàn)設(shè)備特性建模的研究工作主要是基于通用庫(kù)的仿真，而大型系統(tǒng)數(shù)字仿真研究則很欠缺，難以滿足環(huán)境模擬控制的工程需求。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的臺(tái)架電氣控制系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、空氣起動(dòng)系統(tǒng)，以及氣源空氣處理系統(tǒng)等尚未開(kāi)展建模仿真研究，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集試驗(yàn)設(shè)備、控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)于一體的虛擬試驗(yàn)仿真。

開(kāi)展虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究，形成試驗(yàn)高置信系統(tǒng)仿真能力和試驗(yàn)系統(tǒng)專用高精度高維度氣動(dòng)熱力仿真分析能力，打造能夠分析、預(yù)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程的虛擬仿真分析平臺(tái)。通過(guò)項(xiàng)目研究不斷完善現(xiàn)有試驗(yàn)仿真中存在的不足，補(bǔ)全現(xiàn)有試驗(yàn)仿真中學(xué)科、維度、尺度、精度等方面的缺陷；通過(guò)平臺(tái)搭建，全面形成能夠滿足虛擬試驗(yàn)的試驗(yàn)仿真能力，形成針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)的專用仿真工具集和試驗(yàn)仿真分析平臺(tái)，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)仿真技術(shù)進(jìn)步。

推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平不斷提高

虛擬試驗(yàn)本身源于仿真但又高于仿真，既要解決試驗(yàn)本身的問(wèn)題又要解決試驗(yàn)本身不能解決的問(wèn)題。物理試驗(yàn)是特定邊界、特定時(shí)間和特定測(cè)試的產(chǎn)物；虛擬試驗(yàn)建立的則是物理與數(shù)值模型的關(guān)聯(lián)，將源于物理試驗(yàn)的高精度仿真模型用于結(jié)果評(píng)估。通過(guò)模塊化的映射，虛擬試驗(yàn)獲得的結(jié)果可以突破原有的邊界、時(shí)間和測(cè)點(diǎn)，獲取更多維度的數(shù)據(jù)是可能的，為設(shè)計(jì)提供的全面反饋支撐是以往物理試驗(yàn)所難以企及的。最為重要的一點(diǎn)是，虛擬試驗(yàn)使得對(duì)大量不同設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證成為可能，在實(shí)物試驗(yàn)中由于經(jīng)濟(jì)成本的約束，要驗(yàn)證所有的設(shè)計(jì)方案是絕不可能的，這一點(diǎn)對(duì)于低技術(shù)成熟度和高創(chuàng)新度的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)會(huì)顯得十分重要，因?yàn)楹茈y用經(jīng)驗(yàn)去判斷哪個(gè)方案更合理，虛擬試驗(yàn)使得在設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得真正的“次優(yōu)解”方案成為可能。

推動(dòng)新興信息技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)于一體，因此它本身具有良好的信息工業(yè)基因。在當(dāng)前信息大爆炸時(shí)代，計(jì)算機(jī)能力不斷得到突破，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)與量子技術(shù)不斷融入現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的全數(shù)字樣機(jī)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生等技術(shù)發(fā)展已成為必然。由于先天優(yōu)勢(shì)，虛擬試驗(yàn)具備了承載這些新技術(shù)的土壤。數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)挖掘決定了仿真模型對(duì)物理實(shí)體的映射是否精準(zhǔn)，大數(shù)據(jù)應(yīng)用可以找到原有模化過(guò)程中的潛在的關(guān)聯(lián)因素；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以使虛擬試驗(yàn)完美融入研發(fā)體系，形成與設(shè)計(jì)制造體系的無(wú)縫銜接；人工智能技術(shù)能夠?yàn)槟Ｐ托ｒ?yàn)和智能化試驗(yàn)提供支撐；虛擬試驗(yàn)的虛擬機(jī)本身就是物理試驗(yàn)的數(shù)字孿生體，它的試驗(yàn)對(duì)象則是發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生體。虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究就是對(duì)先進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)融入試驗(yàn)技術(shù)中進(jìn)行的研究探索，可以促進(jìn)新興技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)應(yīng)用落地。

高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)主要技術(shù)難點(diǎn)

本著“物理試驗(yàn)怎么做，虛擬試驗(yàn)就怎么開(kāi)展”的基本設(shè)想，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)需要攻克以下幾個(gè)關(guān)鍵難題。

大型復(fù)雜試驗(yàn)裝置多學(xué)科全狀態(tài)動(dòng)態(tài)建模與實(shí)時(shí)求解

高空臺(tái)各子系統(tǒng)元件建模是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)仿真與實(shí)時(shí)求解的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，然而高空臺(tái)設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多學(xué)科特性給系統(tǒng)高精度、通/專用化、模塊化模型的建立帶來(lái)了困難，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

一是傳統(tǒng)的建模仿真程序接口單一，通過(guò)某一軟件建立的模型缺乏通用性，用戶無(wú)法知曉各組件模型的內(nèi)部機(jī)理，不同的仿真軟件建模方式不同，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，所建立的模型難以直接相互轉(zhuǎn)化，需要通過(guò)程序間接口或功能樣機(jī)接口進(jìn)行聯(lián)合仿真，這給技術(shù)交流設(shè)置了壁壘。

二是在高空臺(tái)各子系統(tǒng)模型構(gòu)建過(guò)程中很難分別對(duì)單個(gè)部件進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，在現(xiàn)有的試驗(yàn)測(cè)試條件下很多子系統(tǒng)特性是融合在一起相互交叉影響的，如何利用已有的測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)工況分析各系統(tǒng)疊加在一起的影響，進(jìn)行虛擬試驗(yàn)高置信度模型驗(yàn)證，增強(qiáng)模型的泛化能力是較大的技術(shù)難點(diǎn)。

三是完整的高空臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備有數(shù)萬(wàn)個(gè)部件模型，建模難度極大，同時(shí)高空模擬試驗(yàn)項(xiàng)目多，試驗(yàn)程序復(fù)雜，使高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)與真實(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)保持良好實(shí)時(shí)化特性和高精度特性難度極大，因此探索大型復(fù)雜試驗(yàn)裝置多學(xué)科全狀態(tài)動(dòng)態(tài)建模與實(shí)時(shí)求解技術(shù)是開(kāi)發(fā)高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。

高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)時(shí)間管理

高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)時(shí)間管理的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是高空臺(tái)各子系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)零點(diǎn)不齊。由于高空臺(tái)子系統(tǒng)都根據(jù)已設(shè)計(jì)好的內(nèi)部邏輯時(shí)鐘去驅(qū)動(dòng)仿真引擎運(yùn)行，并以高空臺(tái)子系統(tǒng)仿真開(kāi)始時(shí)刻的內(nèi)部邏輯時(shí)鐘值作為子系統(tǒng)仿真的時(shí)統(tǒng)零點(diǎn)，所以會(huì)導(dǎo)致各仿真子系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)刻的時(shí)統(tǒng)零點(diǎn)不齊。

二是高空臺(tái)子系統(tǒng)仿真推進(jìn)不同步。各高空臺(tái)子系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)性約束的要求，系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)也不一致，如果兩個(gè)仿真系統(tǒng)內(nèi)部邏輯時(shí)鐘的定時(shí)間隔、時(shí)統(tǒng)輸出時(shí)序誤差導(dǎo)致各子系統(tǒng)仿真推進(jìn)不同步，可能會(huì)造成仿真時(shí)間的因果關(guān)系出現(xiàn)混亂。

高空臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“試驗(yàn)對(duì)象”校準(zhǔn)與模型嵌入

試驗(yàn)對(duì)象模型是高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)不可或缺的組成部分。在實(shí)際情況中，因技術(shù)能力、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等客觀因素，難以得到高空臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象模型，或獲得的試驗(yàn)對(duì)象模型精度難以滿足工程應(yīng)用需求。目前主要有兩種不同的方法構(gòu)建高空臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象模型。

一種是機(jī)理建模方法，也稱為部件法。該方法先根據(jù)已知部件氣動(dòng)熱力學(xué)特性和典型部件特性數(shù)據(jù)計(jì)算試驗(yàn)對(duì)象各截面的狀態(tài)參數(shù)，然后針對(duì)不同工作狀態(tài)根據(jù)流量連續(xù)、功率平衡/轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建立發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作方程組，最后利用數(shù)值計(jì)算方法求解非線性方程組以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，該方法首先需要獲取試驗(yàn)對(duì)象部件特性。

另一種是辨識(shí)建模方法。該方法需要首先獲得試驗(yàn)對(duì)象的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法得到試驗(yàn)對(duì)象數(shù)學(xué)模型。隨著系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)迅速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)辨識(shí)建模方法已由傳統(tǒng)的插值法、動(dòng)態(tài)系數(shù)法向新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法方向發(fā)展，但是試驗(yàn)對(duì)象所有工作狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以全部獲得且成本較高，限制了辨識(shí)建模方法在被試對(duì)象建模中的應(yīng)用。

因此，如何利用已有的高空臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建高置信度的高空臺(tái)試驗(yàn)對(duì)象模型并實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真是亟待解決的問(wèn)題。

高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究

在多年高空臺(tái)試驗(yàn)仿真技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，中國(guó)航發(fā)渦輪院提出了針對(duì)高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)的基本構(gòu)想。航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)的整體框架主要包括適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)的仿真模型庫(kù)、軟件、樣機(jī)和具體應(yīng)用，如圖2所示。模型庫(kù)包括系統(tǒng)仿真模型、高階仿真模型、物理模型和其他模型。不同模型可構(gòu)建不同的模型庫(kù)，模型庫(kù)是實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)的基本單元。配套軟件包括實(shí)時(shí)運(yùn)行平臺(tái)、中間件、可視化模塊、數(shù)據(jù)分析軟件、結(jié)果計(jì)算處理及環(huán)境等，軟件使虛擬樣機(jī)能夠高效協(xié)同運(yùn)行。樣機(jī)包括虛擬樣機(jī)和物理樣機(jī)兩部分，虛擬樣機(jī)是一個(gè)數(shù)字樣機(jī)，物理樣機(jī)對(duì)應(yīng)實(shí)物設(shè)備，二者的運(yùn)行原理和工作流程是一致的。應(yīng)用包含離線和在線兩種應(yīng)用模式，離線模式主要是流程組織和聯(lián)合仿真驅(qū)動(dòng)等，在線模式可用于試驗(yàn)仿真、通信管理和過(guò)程管控等。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)的整體框架

在對(duì)整體框架的具體實(shí)現(xiàn)上，經(jīng)過(guò)摸索實(shí)踐，渦輪院目前已經(jīng)形成完全自主的模型庫(kù)2套、高空臺(tái)動(dòng)態(tài)聯(lián)合仿真軟件1套，如圖3所示。同時(shí)搭建的高空臺(tái)氣路模型能夠滿足工程實(shí)用對(duì)氣路節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)態(tài)偏差和瞬時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)偏差的需求，在大于10h時(shí)間的連續(xù)動(dòng)態(tài)仿真測(cè)試下達(dá)到了令人滿意的結(jié)果。后續(xù)，高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究的發(fā)展將著力航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型：夯實(shí)虛擬試驗(yàn)基礎(chǔ)支撐技術(shù)，建立能夠支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、零部件試驗(yàn)的高精度復(fù)雜多學(xué)科耦合仿真模型，著重研究智能仿真方法、虛擬試驗(yàn)平臺(tái)、虛擬試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建等技術(shù)；將先進(jìn)信息技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)打造具有深度學(xué)習(xí)能力的虛擬試驗(yàn)綜合應(yīng)用集成平臺(tái)，將先進(jìn)信息技術(shù)與試驗(yàn)技術(shù)結(jié)合，提高虛擬試驗(yàn)的可視化和高協(xié)同能力；促進(jìn)虛擬試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)推廣，大力發(fā)展虛擬試驗(yàn)應(yīng)用技術(shù)，及時(shí)形成虛擬試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛進(jìn)行技術(shù)推廣，促進(jìn)新興試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)應(yīng)用落地。

圖3 模型標(biāo)準(zhǔn)化與聯(lián)合仿真

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際開(kāi)展高空臺(tái)虛擬試驗(yàn)技術(shù)研究，開(kāi)展持續(xù)的應(yīng)用驗(yàn)證，既能提升試驗(yàn)本身“真”“準(zhǔn)”“效”“智”能力，又能在研發(fā)體系中為發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)整體推動(dòng)研發(fā)體系的完善和進(jìn)步有著十分重要的意義。