美國國防部計算研究和工程采辦工具及環(huán)境計劃分析

計算研究和工程采辦工具及環(huán)境（CREATE）計劃是一個由美國國防部采辦部門主導的武器系統(tǒng)設計仿真軟件研發(fā)項目。通過分析CREATE計劃特色、模式以及后續(xù)規(guī)劃，對科學制訂和實施我國航空發(fā)動機工業(yè)軟件研發(fā)計劃，具有重要的借鑒意義。

航空發(fā)動機數值仿真是支撐航空發(fā)動機自主研發(fā)的重要手段，可大幅提高航空發(fā)動機的研發(fā)效率和質量，減少反復實物試驗，縮短研制周期，降低研制成本。通過對美國國防部CREATE計劃在航空、船舶等領域的仿真軟件開發(fā)與應用進行分析總結，提出提升我國航空發(fā)動機工業(yè)軟件仿真能力的戰(zhàn)略措施，將有效加強仿真技術在發(fā)動機設計、試驗、制造、裝配和維修階段的全生命周期中的推廣應用，加速航空發(fā)動機研制由傳統(tǒng)模式向基于建模和仿真的預測模式的轉變。

CREATE計劃核心內容

CREATE計劃是美國國防部于2006年批準的一項軍事系統(tǒng)建模與仿真多階段行動計劃，于2008年正式啟動，并于2019年結束計劃第一階段。計劃旨在為美國國防部采辦委員會以及各軍種采購部門開發(fā)和部署一套基于多物理的高性能武器系統(tǒng)設計仿真軟件，幫助采辦工程師獨立評估供應商提供的交付物，為最終采購提供重要決策參考。

CREATE計劃的核心為發(fā)展和部署5套基于物理的高性能計算工程軟件工具包，涉及飛行器、船舶、射頻天線、地面車輛、網格和幾何五大領域，共13個軟件。這些軟件分別為飛行器優(yōu)化設計軟件（DaVinci）、固定翼飛行器仿真軟件（Kestrel）、旋翼飛行器仿真軟件（Helios）、快速船舶設計軟件（RSDE）、沖擊和損傷效應仿真軟件（NESM）、船舶水動力仿真軟件（NavyFOAM）、集成化的水動力學設計環(huán)境（IHDE）、天線陣列電磁仿真軟件（SENTRi）、車輛系統(tǒng)戰(zhàn)術機動性模擬平臺（Mercury）、車輛戰(zhàn)術機動性預測分析軟件（MAT）、地面車輛設計工具用戶接口（GVI）、地面車輛數據管理分析工具（ES）、幾何體和網格生成軟件（CAPSTONE）。這些軟件均由美國國防部領導的團隊開發(fā)，產權歸政府所有，每個軟件的設計壽命均為30年以上。采辦工程師利用這些軟件生成和分析飛行器、艦船、地面車輛以及嵌入在武器系統(tǒng)的射頻天線的數字虛擬原型，并準確預測其性能。軟件部分評估結果如圖1所示。

圖1 使用CREATE評估陸軍、海軍和空軍系統(tǒng)的代表性案例

支撐CREATE計劃的基礎是目前不斷增長的高性能計算能力。自第二次世界大戰(zhàn)結束以來，計算機運算能力從每秒1次浮點數水平增長到今天的1016浮點運算（Flops）/ s峰值水平，使得開發(fā)和在高性能計算集群上部署CREATE軟件成為現實。CREATE軟件能夠涵蓋所有已知的重要影響；模擬一個全尺寸的整機系統(tǒng)；在合理的時間內完成大量參數化設計評估；采用精確的求解算法，并進行充分的驗證和校核。在今天的中型超級計算機上運行的CREATE軟件可用于準確預測全尺寸軍艦、飛行器或嵌入在武器平臺上的一組射頻天線的性能。隨著計算機硬件性能的不斷提升，以及軟件求解算法的持續(xù)升級，CREATE軟件的設計仿真能力也將得到持續(xù)提升。

CREATE計劃進度安排

CREATE計劃啟動之初就確立了以年為單位發(fā)布軟件新版本，以及以若干年為單位實現計劃里程碑目標的原則，進度安排如下。

● 2008年1月—2008年12月，明確用戶初始需求，制訂項目計劃；

● 2009年1月—2011年12月（版本1～版本3），軟件物理模塊開發(fā)，模塊集成測試；

● 2012年1月—2015年12月（版本4～版本7），軟件并行能力提高（版本5實現了P級計算，1015Flops/s）；

● 2016年1月—2019年12月（版本8～版本11），軟件超大規(guī)模計算集群部署（版本8實現了E級計算，1018Flops/s）。

CREATE計劃組織管理

CREATE計劃中共組建了13個軟件開發(fā)團隊，總計有50名政府雇員，90名合同雇員，其中70人擁有博士學位。項目開發(fā)團隊受國防部采辦工程委員會和團隊所在機構共同管理。下面以船舶為例，介紹CREATE計劃組織管理架構及其優(yōu)勢。

CREATE船舶設計仿真軟件的4個開發(fā)團隊（RSDE / NESM / Navy FOAM / IHDE）均來自美國海軍水面戰(zhàn)中心卡德洛克分部，接受國防部CREATE計劃管理辦公室和卡德洛克分部的雙重領導。團隊由在計算流體動力學、結構動力學、海軍建造、計算機科學和編程等領域擁有豐富專業(yè)知識的物理學家、船舶設計建造專家、計算機專家和軟件開發(fā)工程師組成。團隊間存在業(yè)務交集，每個團隊的負責人兼具管理其他團隊的代碼貢獻，同時團隊間既相互協作又相互監(jiān)督。

由于卡德洛克分部本身負責海軍艦船設計和設計工具的開發(fā)應用，具有船舶流體力學、沖擊損傷、海軍建造等多個領域的專家團隊，這種組織管理模式的優(yōu)勢在于，將團隊設置在用戶機構，有利于快速組建開發(fā)團隊，且使開發(fā)的軟件工具能夠快速向設計團隊轉移。代碼開發(fā)團隊領導和團隊是用戶機構的一部分，受到用戶組織的信任，并對開發(fā)設計仿真工具和大部分設計分析負有責任。開發(fā)團隊與設計團隊關系緊密，有利于將軟件開發(fā)過程中形成的新知識、新技術快速轉換成生產力。

CREATE軟件開發(fā)原則

CREATE計劃在實施過程中始終遵循嚴格的軟件開發(fā)原則，總結為以下5點。第一，單個軟件開發(fā)團隊由5～15名受政府領導的員工組成，團隊植根于用戶機構，由用戶機構提出需求，接受用戶機構監(jiān)督。第二，具有紀律性且敏捷的軟件開發(fā)過程監(jiān)督，在軟件開發(fā)過程中始終強調代碼質量，對代碼和注釋編寫進行標準化管理。第三，具有支持性的軟件開發(fā)環(huán)境，包括高性能計算集群、帶有代碼庫的中央服務器、高性能計算機工作站、自動代碼測試系統(tǒng)等。第四，每個軟件以年為單位發(fā)布新版本，軟件更新過程應響應用戶不斷變化的需求，持續(xù)拓展軟件求解功能、計算精度、易用性以及大規(guī)模并行能力，軟件發(fā)布前須經過由用戶機構開展的測試，測試應遵循嚴格的驗證（Verification）和校核（Validation）過程。第五，豐富的文檔記錄撰寫，包括算法理論手冊、用戶使用手冊、程序開發(fā)手冊、功能模塊更新文檔、算例驗證校核手冊等。

基于上述5點開發(fā)原則，CREATE計劃管理辦公室和團隊所在機構在項目實施之初就嚴格明確每款軟件各個版本的交付時間和交付功能，并對每個版本的開發(fā)流程和模式實行標準化流程管理。CREATE軟件開發(fā)遵循統(tǒng)一流程，代碼開發(fā)人員在完成各自編寫的代碼部分的測試后，將代碼提交至代碼管理倉庫，如SVN，Git等，由倉庫對提交的代碼進行整合和更新。整合更新完成后，倉庫將代碼提交至自動代碼測試系統(tǒng)（ATS），由ATS完成代碼編譯和算例測試，該過程通常稱為團隊內部測試。測試完成后，代碼開發(fā)人員根據測試結果，完成軟件相關技術文檔的撰寫，并決定繼續(xù)調試代碼還是將代碼封裝打包。若測試通過，開發(fā)人員會將代碼打包成出庫形成版，并提供給用戶進行測試。用戶會將測試結果及時向CREATE計劃負責人反饋，由負責人決定是否將軟件發(fā)布給最終用戶。

值得特別注意的是，CREATE計劃采用ATS來對代碼進行測試。這種做法的優(yōu)勢在于，由ATS替代代碼測試人員進行算例測試，極大地降低了人為出錯機率，節(jié)約了人力成本，提高了軟件測試效率。代碼開發(fā)人員只需對測試結果進行分析總結，從而將其從繁重的重復性勞動中解脫出來，使其能更專注于模型算法開發(fā)和代碼編寫工作。據公開披露的ATS信息，ATS每晚能完成3500個單元級算例，250個組件級算例，以及25個系統(tǒng)級算例的測試工作；ATS每兩周運行一次，這意味著代碼每兩周整合更新一次；ATS每次運行需測試125個各類算例。ATS系統(tǒng)值得我國工業(yè)軟件行業(yè)的持續(xù)關注。

CREATE計劃完成情況及效果

截至CREATE計劃實施的最后一年（2019年），計劃中規(guī)劃的13款軟件均已開發(fā)部署完成，所有軟件均具備了計劃實施之初所承諾的功能。這些軟件已被美國國防部用于商業(yè)用途，并被用于提高國防部測試能力，評估企業(yè)的效率和產品性能。下面以CREATE固定翼飛行器系統(tǒng)仿真軟件“紅隼”（Kestrel）為例，闡述CREATE計劃形成的成果、關鍵技術和能力。

Kestrel軟件成果

經過CREATE計劃3個階段（2008—2015）的發(fā)展，Kestrel軟件成為了以通用并行框架為基礎架構，耦合網格生成、氣動、結構、飛機推進和飛行控制等專業(yè)功能模塊的高保真多物理場仿真軟件。Kestrel軟件架構及組成模塊如圖2所示。

圖2 Kestrel版本7軟件架構及組成模塊

在統(tǒng)一的基于Python的通用軟件架構上，Kestrel版本7集成了計算流體動力學模塊、結構動力學模塊、推進系統(tǒng)仿真模塊和飛行控制系統(tǒng)模擬模塊, 并為外部耦合程序模塊提供了通用數據接口。模塊可用Fortran 90/95/2003和C語言編譯，且各模塊所有的應用程序接口和數據結構在Kestrel軟件中保持一致。這為代碼開發(fā)人員開發(fā)和維護Kestrel軟件提供了極大的靈活性和便利性，開發(fā)人員可以使用上述任一編程語言進行模塊程序開發(fā)和測試，各模塊間既相對獨立，又可快捷地實現模塊間數據傳遞和耦合求解。

Kestrel軟件的能力和特色技術

作為一款軍用飛行器系統(tǒng)仿真軟件，Kestrel軟件具備飛行器外流/內流/內外流一體多物理場仿真能力。Kestrel軟件應用能力展示舉例如圖3所示。

圖3中的F110-100發(fā)動機整體作為一個控制體，為飛機進氣道和噴管提供邊界條件，從而實現了飛發(fā)一體化仿真。但這里并未包括對發(fā)動機內各個部件的仿真，而是將發(fā)動機整機作為一個黑盒模型，為飛機仿真提供流場邊界條件。

圖3 F-16戰(zhàn)斗機和F110-100發(fā)動機耦合一體氣動仿真

Kestrel軟件已具備對發(fā)動機內單部件以及飛機前機體、進氣道、風扇、外涵道耦合的非定常雷諾平均（URANS）和混合雷諾平均-大渦模擬（Hybrid RANS-LES）仿真能力，仿真結果如圖4所示。然而Kestrel軟件尚未具備對發(fā)動機整機多部件耦合的全三維、非定常、高精度數值仿真能力。作為CREATE計劃的后續(xù)，美國國防部于2021年8月正式啟動了燃氣輪機發(fā)動機整機大規(guī)模集成仿真研究和開發(fā)計劃。

圖4 發(fā)動機單部件、飛發(fā)多部件耦合仿真（ 來源：阿諾德工程發(fā)展中心）

此外，為確保美國軍用仿真能力的全球領先地位，美國軍方為Kestrel軟件開發(fā)了多套網格耦合生成和求解技術，以實現整機近場和遠場的自適應網格劃分和高階精度數值模擬。圖5表明Kestrel軟件已具備了近場和遠場多套網格耦合生成和求解能力。近體區(qū)域采用非結構網格劃分，離體區(qū)域采用自適應笛卡兒網格，兩套網格間耦合連接和數據傳遞采用快速重疊網格生成技術和高階精度流場數據插值技術，并結合適用于笛卡兒網格的高階精度求解器完成整機仿真。近體離體兩套網格耦合生成和求解技術是網格生成和求解技術的集大成者，非常尖端，實現起來非常困難。目前，ANSYS公司商業(yè)軟件CFX/Fluent、英國羅羅公司Hydra、德國航空航天中心TAU/Trace等同領域知名軟件均無法實現。

圖5 NASA民機通用研究模型整機外場仿真

啟示

通過對CREATE計劃的持續(xù)跟蹤研究，總結了我國在發(fā)展工業(yè)軟件過程中值得借鑒的幾點啟示。

清晰可行的項目進度表

通過分析CREATE計劃，發(fā)現計劃在發(fā)起之初就已形成了明確的以年為單位的軟件功能實現目標，和以若干年為單位的軟件技術成熟度提升目標，項目總體周期一般為10年左右。項目結束之時，各個學科軟件已經部署到用戶機構，工程化應用已經成熟。圖6為Kestrel軟件推進系統(tǒng)仿真模塊（Firebolt）的開發(fā)路線圖。

我國應加強工業(yè)軟件發(fā)展頂層設計,制定符合我國工業(yè)軟件基礎實際的發(fā)展路線圖，既要明確最終發(fā)展愿景，更要細化階段性要實現的目標。

符合軟件工程實踐規(guī)律的項目管理模式

CREATE計劃的成功實施，得益于雙重管理體制下各個部門明確的職責分工：CREATE計劃管理辦公室行使資金管理、條件建設、代碼管理、過程管理、用戶溝通和產品驗收職責；CREATE軟件開發(fā)團隊所在機構行使團隊組建、人員管理、技術研發(fā)、成果轉化、代碼標準化、軟件測試、文檔編制和進度考核職責。各個軟件開發(fā)團隊負責人既負責對軟件開發(fā)團隊的技術管理和監(jiān)督，也作為開發(fā)團隊和CREATE計劃管理辦公室溝通的橋梁。

我國在加強工業(yè)仿真軟件頂層規(guī)劃的同時，應著力加強項目行政主管部門對項目承研單位的技術管理與監(jiān)督。為保證項目成功，行政主管部門應配齊配強熟悉計算工程軟件開發(fā)與管理的專業(yè)人才，既可以作為行政主管部門與承研單位的技術溝通橋梁，又可以為行政主管領導提供理性的、專業(yè)化的決策建議。

理論聯系實際的人才整合模式

CREATE計劃的實施，以強力的計算工程軟件人才支撐為保障。軟件開發(fā)團隊由物理學家、工程專家、計算機專家以及軟件開發(fā)工程師組成。配備強調了理論分析與工程實踐的結合，并在理論知識與工程應用之間搭建了物理建模和代碼實現的橋梁，實現了理論成果的快速工程轉化。

為加快我國工業(yè)數字化轉型進程，應采取集中優(yōu)勢兵力打殲滅戰(zhàn)的方式方法，在各學科領域組建具有一定組織保障和技術保障的軟件開發(fā)實踐團隊。同時，我國高校必須注重加強學生的專業(yè)理論基礎、數理基礎，強調學生對數學物理方法的熟練掌握和運用，以及培養(yǎng)學生的物理建模和代碼開發(fā)能力。

接力式的技術積累

CREATE計劃的成功實施，源于前期雄厚的技術儲備，以及項目開展過程中精準的風險管控。CREATE軟件技術迭代中的Kestrel 版本9是基于項目發(fā)起之前的初始Kestrel版本，以及項目對Kestrel以年為單位的更新迭代而來，期間添加了更多的客戶定制化功能。下一階段，美國國防部將基于Kestrel 版本9，整合高超聲速氣動仿真和發(fā)展發(fā)動機整機仿真能力。

為快速彌補與歐美國家在計算工程軟件理論基礎、物理建模、代碼實現和工程應用等方面的差距，國家有關部門應充分重視、調研西方先進工程軟件目前具備的技術能力以及開發(fā)現狀。通過吸取西方同類工程軟件開發(fā)的經驗教訓，加速提升我國自主開發(fā)的工程軟件技術成熟度，借力加力，完成該領域對歐美國家從望塵莫及到望其項背的跨越，并最終實現趕超的戰(zhàn)略目標。

結束語

航空發(fā)動機工業(yè)仿真軟件研發(fā)是一項極其艱難、復雜和漫長的系統(tǒng)工程，需要政府、軍方、工業(yè)部門、國家研究機構以及高等院校通力緊密協作才有可能取得成功。通過學習借鑒CREATE軍用仿真軟件研發(fā)計劃，對我國優(yōu)化同類軟件研發(fā)計劃的組織管理和技術管理，加快相關軟件開發(fā)驗證迭代、工程應用推廣、后續(xù)功能提升，具有重要意義。