數(shù)字樣機在導彈系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀與展望

梁 旗，何子路，曹 杰，楊 赟，朱 婧

(上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引言

數(shù)字樣機起源于20世紀90年代，是一種用數(shù)字化模型代替實際物理樣機進行仿真分析的技術。將實物通過數(shù)學仿真模型進行替換，在數(shù)學模型上實現(xiàn)產(chǎn)品的性能分析、參數(shù)的優(yōu)化設計等工作[1-2]。數(shù)字樣機因將產(chǎn)品的各種屬性與功能數(shù)字化、參數(shù)化、模塊化，而具備貼近真實物理樣機特性、多學科交融耦合、可重構以及能夠應用于產(chǎn)品全壽命周期的特點。導彈由于內(nèi)部系統(tǒng)繁多，結構復雜，制造成本高，在對物理樣機進行各種功能驗證試驗以及環(huán)境適應試驗時需要花費大量的時間精力以及人力物力。然而通過構建導彈系統(tǒng)的數(shù)字樣機，評估在設計時是否考慮到功能的完善及適用性，當產(chǎn)品狀態(tài)更改時是否容易修正[3]，可以快速模擬各種試驗環(huán)境，大大降低各種研制成本。本文主要針對導彈的發(fā)展需求，總結將數(shù)字樣機應用于導彈裝備的研究現(xiàn)狀以及數(shù)字樣機的關鍵技術，并提出了將來可能的發(fā)展趨勢，可為導彈設計生產(chǎn)數(shù)字化提供技術支撐。

1 數(shù)字樣機概述

數(shù)字樣機是將物理產(chǎn)品的結構外形、裝配組合以及運動特性按照相似原理映射到計算機上的一種數(shù)字化描述[4]，如圖1所示。這種描述至少在某一方面將對象產(chǎn)品的特性進行了反映[5]，保證基于數(shù)字樣機的仿真結果同物理樣機實驗結果在一定程度上吻合，進而可以通過數(shù)字仿真代替物理實物實驗。數(shù)字樣機具有以下主要特點[6]：

圖1 數(shù)字樣機和物理樣機關系示意圖

1)真實性。數(shù)字樣機是因取代或精簡物理樣機而存在的，所以數(shù)字樣機必須與物理樣機在結構、功能、性能或其他特性上相當或一致，使其能夠通過仿真的方式來模擬物理樣機的幾何外觀、物理特性以及行為特性。

2)參數(shù)化。實際上，數(shù)字樣機是通過物理樣機的各種參數(shù)將其映射到計算機中的。數(shù)字樣機的每一個參數(shù)均代表了物理樣機中一種實際的屬性。各種支持參數(shù)建模的軟件可以根據(jù)這些參數(shù)進行可視化建模甚至定制化仿真。這些軟件通過內(nèi)嵌物理模型與優(yōu)化算法，以數(shù)字樣機參數(shù)作為輸入，能夠使用戶開展參數(shù)化仿真或調(diào)試等設計與開發(fā)手段以達到預期要求。

3)模塊化。需要構建數(shù)字樣機的產(chǎn)品通常具有復雜的內(nèi)部系統(tǒng)。此類系統(tǒng)根據(jù)結構或功能可以劃分為不同的模塊，在分別構建模塊的數(shù)字樣機后通過拼接或裝配等方式進行組合可以得到整體的數(shù)字樣機。相鄰模塊之間具備接口，實現(xiàn)兩者結構或功能上的連通。根據(jù)實際情況可以對接口的數(shù)量、功能與屬性進行增減或替換，使其符合產(chǎn)品的實際情況。除了人機交互界面的可視化模塊外，軟件內(nèi)部封裝好的功能函數(shù)模塊也可以根據(jù)產(chǎn)品的實際功能按照邏輯關系進行編程調(diào)用，從而使數(shù)字樣機從內(nèi)到外均能夠模擬產(chǎn)品的實際狀態(tài)。

4)面向產(chǎn)品全生命周期。數(shù)字樣機可以對產(chǎn)品的任一流程進行模擬，并通過調(diào)整不同參數(shù)或應用不同流程進行仿真試驗，以獲取產(chǎn)品在這一階段的狀態(tài)或評估其性能。

5)多學科交叉性。導彈裝備由于結構復雜、功能繁多且應用環(huán)境多樣，涉及大量關于力、熱、電等多種物理領域。而各種物理環(huán)境之間也存在著交叉耦合的影響效應。在構建數(shù)字樣機的過程中，必須考慮上述影響因素，才能模擬產(chǎn)品真實的運行情況，進行準確的仿真分析，滿足預設的指標要求。

圖2 基于數(shù)字化樣機的雷達設計

6)可重構性?？芍貥嬓钥梢岳斫鉃閷?shù)字樣機模型參數(shù)的可變性。通過調(diào)整模型的結構、屬性等參數(shù)，從而重置數(shù)字模型某些方面的性質，稱為面向對象的可重構性。通過對功能模塊進行劃分、組合等方面的調(diào)整，使數(shù)字樣機產(chǎn)生功能上的改變，則稱為面向功能的可重構性。在數(shù)字樣機的設計過程中，需要不斷調(diào)整模型屬性與功能，使其能夠最大程度上滿足用戶需求。

用數(shù)字樣機代替物理原型樣機以進行結構和功能展示、性能仿真、測試和評估的數(shù)字化設計技術被稱作數(shù)字樣機技術[7]。數(shù)字樣機的構建與設計可以通過計算機完成，體現(xiàn)出了綜合集成、快速靈活和協(xié)同合作的特點。設計人員可以在數(shù)字樣機構建過程的時期直觀地進行參數(shù)調(diào)整、設計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真[8]，驗證實際的物理樣機能否達到預定的功能和性能，并以此為依據(jù)進行反饋或重新調(diào)整樣機[9]。同時，全體設計人員能夠根據(jù)協(xié)議共享數(shù)字資源，避免設計失誤，減少實物試驗，能夠有效降低人力成本和資金成本并提高產(chǎn)品質量[10]。

2 武器裝備數(shù)字樣機發(fā)展與應用現(xiàn)狀

數(shù)字樣機技術起源于國外，已經(jīng)廣泛的應用于各專業(yè)領域，在導彈設計制造領域當中，數(shù)字樣機常用于各單機分系統(tǒng)當中。導彈分系統(tǒng)主要包括導引頭、戰(zhàn)斗部、發(fā)動機、舵機等部分。南京電子技術研究所的徐紅蓮等人建立了雷達數(shù)字樣機，如圖2所示，驗證了應用于復雜軍工電子裝備能力基線的技術可行性[12]。該所的張道富通過分析雷達的性能，提出了構建雷達數(shù)字樣機的途徑[13]，從而為導彈導引頭內(nèi)的制導雷達實現(xiàn)數(shù)字樣機構建奠定了基礎。

針對導引頭的設計，北京遙感設備研究所的張陽總結了將數(shù)字虛擬樣機應用于導引頭設計的優(yōu)勢，并提出了將其工程化的方法[13]。西北工業(yè)大學的朱學平通過數(shù)字樣機技術開發(fā)了一款紅外成像導引頭，并通過單一指標測試、綜合性能試驗驗證了該導引頭的精度[15]。北京航空航天大學的岳奎志等人應用CATIA軟件建立了空空導彈和空面導彈的三維數(shù)字樣機，如圖2(a)和圖2(b)所示。通過有限元方法，數(shù)值模擬出基于物理光學法和等效電磁流法的導彈RCS特性曲線[16]。上海機電工程研究所的劉廣等人使用數(shù)字樣機構建了導彈雙模導引頭的模型，可將其應用于動態(tài)校核、參數(shù)優(yōu)化等一系列驗證工序[17]。西安電子科技大學的李祉涵在紅外導引頭成像數(shù)字樣機仿真軟件中實現(xiàn)紅外導引頭視口下，導彈成像制導追擊目標動態(tài)過程的仿真，對研究激光干擾武器以及導彈抗干擾能力雙方提供了依據(jù)[18]。北京航天自動控制研究所的邵學輝等人針對導引頭三框架隨動系統(tǒng)，建立了隨動系統(tǒng)機械、控制元件、控制回路數(shù)學樣機模型，并分析了影響隨動系統(tǒng)性能的誤差因素。按照模塊化設計思想，形成了通用的、參數(shù)可調(diào)的隨動系統(tǒng)數(shù)字樣機，如圖3所示[19]。

圖3 三軸隨動系統(tǒng)機械結構實體模型

引信是導彈戰(zhàn)斗部中的重要器件，主要起到探測目標與引爆的功能。南京理工大學的劉晨曦在設計激光引信時通過三維數(shù)字樣機建模獲取了引信三維幾何與表面材料模型，如圖4所示，并以此為依據(jù)進行進一步的編輯[20]。中國空空導彈研究院的李合新以三維數(shù)字樣機為基礎，對戰(zhàn)斗部參數(shù)進行優(yōu)化，對引信的整個工作流程進行了仿真[21]。西安電子科技大學的王震在研究大功率脈沖無線電引信時通過構建數(shù)字樣機進行了仿真驗證與參數(shù)優(yōu)化，從而研制了空空導彈引信實物樣機[22]。

圖4 激光引信數(shù)字樣機

發(fā)動機是為導彈提供飛行動力的部分，由于內(nèi)部燃料燃燒而通常承受較大的載荷，因此在設計中需要進行結構力學分析。華中科技大學的李祥琴在研究某導彈用單室雙推力固體發(fā)動機時通過數(shù)字樣機技術繪制了發(fā)動機的裝配圖，從而對內(nèi)部固體力學進行分析[23]。南京理工大學的張震構建了發(fā)動機殼體的數(shù)字樣機，通過有限元方法進行了模態(tài)分析。另外，針對發(fā)動機推力偏心對導彈發(fā)射精度產(chǎn)生的影響同樣可以用數(shù)字樣機技術進行研究[24]。上海機電工程研究所的劉廣等人建立了發(fā)射筒與導彈的柔性體模型，用以分析艦船搖擺對導彈出筒姿態(tài)的影響，如圖5所示[25]。中國運載火箭技術研究院的鐘洲等人則建立了車載導彈的剛柔耦合模型，探究發(fā)動機推力偏心造成的導彈發(fā)射初始擾動[25]。

圖5 剛柔耦合動力學虛擬樣機模型

電動舵機是在導彈飛行過程中調(diào)整方向的構件。在通常的設計中，重點往往聚焦在數(shù)學模型與控制算法上。然而這些理論算法的效果需要通過物理樣機進行驗證，提高了設計時間與成本。復旦大學的劉廣針對舵系統(tǒng)研制過程中存在的展開、鎖緊等操作過程中的技術難題，構建了導彈舵系統(tǒng)數(shù)字虛擬樣機，并通過大量試驗校正了該模型[27]。中國科學院大學的劉斷塵構建了舵機折疊翼的數(shù)字樣機，對葉片薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化[28]。哈爾濱工業(yè)大學的范天祥將數(shù)字樣機技術應用于導彈伺服系統(tǒng)，對PID控制器與魯棒控制器進行驗證，使導彈能夠自適應地校正其飛行姿態(tài)[29]。華中科技大學的譚輝桐所構建的舵系統(tǒng)數(shù)字樣機包含了摩擦、阻尼、間隙等非線性環(huán)節(jié)，能夠對舵系統(tǒng)真實工作情況進行良好的反映，其模型如圖6所示[30]。

圖6 電動舵機內(nèi)部結構圖

除此之外，隨著數(shù)字樣機大量應用于導彈等武器裝備的研制流程，關于數(shù)字化環(huán)境下的管理方式也納入了研討范圍。南京電子技術研究所的劉昂等人針對數(shù)字化環(huán)境下雷達裝備量產(chǎn)質量控制技術進行了探討[31]；中國電子科技集團公司第38研究所的孫寧等人分析了軍工電子行業(yè)三維數(shù)字化技術現(xiàn)狀以及相關標準制定情況，構建了軍用電子裝備三維數(shù)字化技術標準體系，為雷達、數(shù)據(jù)鏈等單機系統(tǒng)或功能模塊的數(shù)字化標準奠定了基礎[32]；裝備學院的劉國慶等人通過數(shù)字樣機等技術，提出了基于數(shù)字軍工的裝備質量監(jiān)督模式[33]。

數(shù)字樣機技術因可縮短研究時長并有效降低研究成本，越來越被我國重要軍工領域所接受，為導彈產(chǎn)品的研發(fā)提供了新途徑，在今后的導彈裝備科研研發(fā)、生產(chǎn)與制造等方面將占據(jù)越來越重要的地位。

3 數(shù)字樣機關鍵技術

3.1 數(shù)字樣機建模技術

數(shù)字模型是對現(xiàn)實物理世界中事物或者現(xiàn)象的抽象化表達。模型的三維參數(shù)可以通過圖形的方式進行可視化以展示其外觀與結構，而其他的屬性參數(shù)也可以進行賦值以定量描述其不可視的性質?；谟嬎銠C輔助設計工具的數(shù)字建模方法的出現(xiàn)，因其具備可以全面、準確地描述產(chǎn)品全生命周期的特點，逐漸取代了通過模具建模的傳統(tǒng)建模方法。在計算機上根據(jù)原型樣機的結構尺寸、功能性能等參數(shù)建立能夠映射實際情況的數(shù)字模型是構建數(shù)字樣機的基礎。根據(jù)數(shù)字樣機的用途與分類可以將數(shù)字樣機的建模方法分為幾何建模、特征建模、知識建模等。在實際應用中，復雜的原型樣機往往需要將其中幾種不同的建模方法聯(lián)合使用以滿足需求[34]。建模的準確度與逼真程度直接影響數(shù)字樣機仿真的效果，從而關系到數(shù)字樣機是否能夠達到工程上對產(chǎn)品設計、制造等行為的預期要求。由于數(shù)字模型構建所需要的模塊往往具有通用性、可重構性，可以通過相似的模板對模型進行構建，因此在建模時可以使用參數(shù)化、變量化的建模方法，即將原型樣機的各個特征抽象成參數(shù)進行數(shù)字表示，并通過改變參數(shù)值來調(diào)整模型的結構或狀態(tài)。根據(jù)所研究導彈產(chǎn)品的物理特性，產(chǎn)品相關的任何屬性，包括幾何尺寸、溫濕度、電磁特性、材料本征特性等均可以作為上述參數(shù)進行賦值，具有靈活、多變且全面的特點。這種建模方法能夠顯著地提高建模的效率與準確度，也可以作為中間模型通過有限元分析方法應用于后續(xù)優(yōu)化設計當中。

3.2 數(shù)字樣機仿真技術

仿真技術是在計算機科學的基礎上結合控制理論、相似理論以及數(shù)值模擬方法的一門綜合性應用技術[35]，可以基于構建的數(shù)字模型根據(jù)導彈產(chǎn)品的各種物理特性動態(tài)靈活地以一定規(guī)律分析真實產(chǎn)品的實時狀態(tài)，并具有相當?shù)木_程度。仿真技術不僅可以模擬產(chǎn)品自身的狀態(tài)，檢測模態(tài)、應力等結構固有屬性，還可以模擬周圍環(huán)境對產(chǎn)品的影響乃至產(chǎn)品對周圍環(huán)境的影響，能夠及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高導彈產(chǎn)品的研發(fā)效率，縮短形成戰(zhàn)斗力的時間，在導彈工程研發(fā)當中已經(jīng)有了廣泛的應用。例如Fluent、MODTRAN、multisim等工程軟件可以針對產(chǎn)品的單一領域如流場、紅外輻射場以及電路等進行仿真，分析或預測產(chǎn)品在某一特定物理場影響下的狀態(tài)。數(shù)字樣機仿真技術則是在模擬物理原型樣機的情況下，依靠仿真技術的特點，在多物理環(huán)境交叉耦合的背景下，將各方面因素對導彈產(chǎn)品的影響整合起來，充分考慮產(chǎn)品在這種背景下的變化。相比于分析單一物理場的作用，這種方式能夠更加全面地評估產(chǎn)品在真實環(huán)境下的工作狀態(tài)，并據(jù)此開展優(yōu)化措施，對產(chǎn)品的設計更具優(yōu)勢。ANSYS、ABAQUS、COMSOL Multiphysics等多物理場仿真軟件具備多樣的模型庫與強大的運算功能，能夠通過可視化地建模調(diào)參，逼真地設置產(chǎn)品所處的物理場景，大大提升數(shù)字樣機模型的置信度。然而，多物理場仿真軟件強大的功能更需要專業(yè)的知識才能駕馭。在通過上述軟件進行多物理場耦合仿真時，需要具備相關的物理理論基礎、有限元與算法知識，才能構建出合適的模型，任何一個不合理的參數(shù)設置或算法選擇都可能使仿真結果偏離實際甚至造成模型計算不收斂。

3.3 數(shù)據(jù)管理技術

在構建數(shù)字樣機的過程中，除了能夠反映原型樣機物理狀態(tài)的數(shù)據(jù)外，導彈產(chǎn)品結構的裝配流程與建模順序等數(shù)據(jù)同樣需要保留。導彈產(chǎn)品的每一次迭代都會產(chǎn)生大量的流程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可以通過歷史樹實現(xiàn)。歷史樹保留的流程數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)結合納入數(shù)字樣機專門的數(shù)據(jù)生成管理系統(tǒng)。通過管理該系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)的一致性并開放共享，有效提高了數(shù)字樣機的數(shù)據(jù)利用率，并能夠使所有設計人員一起監(jiān)督數(shù)字樣機數(shù)據(jù)，有效避免錯誤的產(chǎn)生[36]。歷史數(shù)據(jù)的保留也可以在后續(xù)引入機器學習進行人工智能優(yōu)化時提供樣本，補充導彈設計中相對匱乏的數(shù)據(jù)素材，避免在機器學習過程中生成過多無效數(shù)據(jù)，降低學習效率。

由于數(shù)字樣機在設計過程中可能涉及多款軟件系統(tǒng)，其輸出的數(shù)據(jù)格式存在差異，在互相導入導出數(shù)據(jù)時難免出現(xiàn)不兼容的情況，因此在管理數(shù)據(jù)時，需要做好各軟件系統(tǒng)的接口工作，使每一處節(jié)點的數(shù)據(jù)均能夠快速轉化成下一接口能夠讀取的格式。這樣不僅可以大大提高數(shù)字樣機設計效率，在設計出錯時也可以迅速獲取可用的中間數(shù)據(jù)進行調(diào)試，從而快速定位錯誤位置。除此之外，由于導彈數(shù)字樣機涵蓋了復雜的導彈系統(tǒng)及其設計流程，其數(shù)據(jù)量十分巨大，在存儲與讀取時需占用大量的硬件資源且耗費較長的存取時間。因此，通過稀疏矩陣等方式對大量數(shù)字樣機數(shù)據(jù)進行壓縮處理也是在數(shù)據(jù)管理過程當中需要考慮的地方。

3.4 可視化協(xié)同設計

由于數(shù)字樣機的構建常常涉及到各個方向的研究人員共同的設計，在進行諸如導彈之類復雜系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)字化時，數(shù)字樣機的規(guī)模會迅速增大，對計算機的性能要求大大提高。為此，數(shù)字樣機支持通過可視化協(xié)同設計技術對復雜裝配進行處理，以分布式結構將不同地點的不同部件設計師的設計結果進行協(xié)同表達、設計和分析[37]。

導彈是一個十分復雜的系統(tǒng)，由若干分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)又由許多結構件構成，而絕大多數(shù)零件都是實心零件。因此，在數(shù)字樣機建模、仿真過程中對導彈系統(tǒng)合理可視化提出了許多要求。在導彈整體設計時，需要顯示導彈的各個結構裝配情況，監(jiān)督導彈的結構參數(shù)是否合理；在進行物理場仿真時，有時需要考察實心結構件內(nèi)部應力或溫度場，應該對相應的結構件內(nèi)部位置參數(shù)進行顯示；導彈飛行過程中，可能需要考察蒙皮內(nèi)外的溫度場或電磁場，確保內(nèi)部系統(tǒng)能夠在高溫、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下能夠正常工作，應該對蒙皮內(nèi)部相應物理場分布進行顯示。因此，數(shù)字樣機的可視化界面不僅需要具備常規(guī)的拖動、放大、縮小、旋轉等基本功能以外，還需要具有隱藏、透視、剖面、爆炸圖等功能，用以監(jiān)測受到遮擋的部件情況。針對物理場分布的可視化，通過在坐標軸內(nèi)一維/二維/三維的截點、截線、截面并選取待監(jiān)測物理量的方式，可以獲取導彈內(nèi)外任意區(qū)域的數(shù)據(jù)。物理場分布圖與矢量分布圖能夠直觀地顯示物理場的強弱與方向。另外，進行物理場動態(tài)仿真與模態(tài)分析時還應具備按時間或頻率截取的功能，顯示特定時間或頻率下的物理場分布。

3.5 虛擬儀器技術

除了三維建模與物理場仿真以外，數(shù)字化測試技術也是數(shù)字樣機的重要組成部分。數(shù)字化測試系統(tǒng)實現(xiàn)了測試技術的軟件化、數(shù)字化，將眾多硬件結構復雜、尺寸大且笨重、連線繁瑣的測試儀器的功能集成于軟件當中并嵌入工控機載體之內(nèi)，大大增強了測試系統(tǒng)的靈活性，滿足了測試系統(tǒng)小型化、輕量化的實際需求，在轉場過程中搬運便捷，十分適用于針對復雜系統(tǒng)需要測量眾多參數(shù)的場合。實際上，虛擬儀器作為測試系統(tǒng)的數(shù)字樣機，可以憑借軟件內(nèi)集成的多種測試儀器模塊與信號處理模塊，通過編程的方式自定義測試流程，智能地對導彈進行半自動測試。虛擬儀器通過圖形語言、接口通信協(xié)議以及版本更新功能，為用戶提供了可以編制儀器面板、實現(xiàn)指令控制、結果顯示與數(shù)據(jù)分析處理的開發(fā)平臺，減少了對傳統(tǒng)測試儀器維護、升級等工作。

圖7 分布式數(shù)字樣機發(fā)展趨勢

虛擬儀器系提供了人機交互的軟件平臺，便于設計人員針對導彈的實際情況搭建合適的數(shù)字測試系統(tǒng)。虛擬儀器主要分為數(shù)據(jù)層、處理層與應用層。數(shù)據(jù)層將待測信號進行采集并轉換成為數(shù)字信號，并進行數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用與傳輸；處理層封裝了信號處理算法程序，在處理數(shù)據(jù)時調(diào)用相應的模塊并輸出結果；應用層主要實現(xiàn)人機交互功能，為操作者提供指令發(fā)送、儀器操作、結果顯示等功能的界面[38]。

4 導彈數(shù)字樣機發(fā)展趨勢與應用展望

長期以來，由于導彈系統(tǒng)集成度過高，結構過于復雜，在對導彈產(chǎn)品設計生產(chǎn)或校驗過程中稍有不慎，就會導致成本高昂的導彈損壞甚至完全破壞。在新技術不完善的情況下，大多數(shù)院所往往采取謹慎小心的保守態(tài)度進行管理與技術革新。然而，隨著數(shù)字樣機的技術發(fā)展，其在各民用領域的應用已經(jīng)較為普遍，技術的成熟與經(jīng)濟的進步也使各科研院所逐漸在各分系統(tǒng)中引入了數(shù)字樣機技術。在導彈設計過程中，數(shù)字樣機可能將會有以下幾種發(fā)展趨勢。

4.1 從分布式設計發(fā)展為集中-分布式設計

在現(xiàn)行的導彈設計過程中，通常將導彈拆分成各單機系統(tǒng)，由分系統(tǒng)研究科室分別構建數(shù)字樣機，針對預定功能與性能指標進行分布式設計，之后形成物理樣機進行拼接與聯(lián)合調(diào)試。這種方式從導彈底層同步構建分系統(tǒng)的數(shù)字樣機，能夠提高設計效率，而同時也存在設計時僅考慮本分系統(tǒng)，忽視了與其他分系統(tǒng)之間聯(lián)系的情況，導致在各分系統(tǒng)設計完成后發(fā)生聯(lián)調(diào)時彼此之間結構、接口、協(xié)議等不符，仍需進行各方面的調(diào)整，增加了許多不必要的工作。針對這一問題，在各分系統(tǒng)設計之前構建集中式導彈整體數(shù)字樣機，能夠根據(jù)整體要求規(guī)范各分系統(tǒng)，避免各研究科室各自為戰(zhàn)，起到提綱挈領的效果，如圖4所示。然而，各分系統(tǒng)在實現(xiàn)預定功能時可能互相存在影響與耦合，在構建整體數(shù)字樣機時要予以充分考慮，才能避免總體設計時反而約束各分系統(tǒng)設計的反作用。

4.2 從自由化設計發(fā)展為規(guī)范化設計

由于不同導彈型號對各分系統(tǒng)的功能要求不同，所以各導彈分系統(tǒng)大多數(shù)都是根據(jù)型號實際要求對數(shù)字樣機進行設計的。盡管這種自由化設計具備靈活多變可調(diào)的優(yōu)點，但由于各單位以及設計人員水平良莠不齊，導致某些情況下設計出的數(shù)字樣機不僅沒有達到模擬或代替物理樣機的效果，甚至由于其設計不合理而使對其進行的各種調(diào)參與試驗均不具備參考價值，使得按該數(shù)字樣機構建出的物理樣機無法達到預期的設計要求。因此，將數(shù)字樣機應用于各種產(chǎn)品產(chǎn)線的技術規(guī)范已受到越來越多的關注[39-40]，針對各分系統(tǒng)的數(shù)字樣機設計標準及其規(guī)范隨著武器裝備數(shù)字化轉型的進行而不斷提出。在規(guī)范化設計的框架下，設計人員將通過相對固定的流程對標準化的導彈數(shù)字樣機進行自適應修改，這樣既可以保證數(shù)字樣機模型的相對正確性，又可以最大限度地保留設計人員的設計自主權。

4.3 從數(shù)字樣機技術發(fā)展為數(shù)字孿生技術

除了在實際應用上的推廣外，在數(shù)字樣機技術的基礎上，派生出了數(shù)字孿生技術的概念。數(shù)字孿生技術是指在數(shù)字樣機技術的基礎上還能夠通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段為物理實體增加或擴展新的能力，是一種充分融合多學科以集成數(shù)據(jù)構建模型的智能化技術[41]。數(shù)字孿生技術除了具有數(shù)字樣機模擬產(chǎn)品實體并進行優(yōu)化的作用外，隨著計算機、大數(shù)據(jù)、測試等技術的發(fā)展，更加優(yōu)化了數(shù)字樣機的靜態(tài)與動態(tài)模型，甚至在與產(chǎn)品實體關聯(lián)后可以與其交互、共生，從而對產(chǎn)品的調(diào)試、升級提供了保障。

由于數(shù)字孿生技術是在數(shù)字樣機的基礎上建立起來的，因而其相較于數(shù)字樣機技術具有更加全面而廣泛的應用范圍。兩者的關系就涉及范圍來說，數(shù)字孿生已經(jīng)基本涵蓋了數(shù)字樣機。通過這一技術上的更新迭代，將會迅速促進導彈裝備仿真以及生產(chǎn)制造領域的發(fā)展。可以預見，在不久的未來導彈數(shù)字樣機將在在很大程度上會被基于數(shù)字孿生技術的開發(fā)技術所取代。

5 結束語

隨著導彈裝備的功能多樣化、結構復雜化、模塊集成化趨勢，對于低經(jīng)濟成本、低時間成本和低人力成本的需求不斷提高。數(shù)字樣機技術依靠其優(yōu)點取代物理樣機的試驗調(diào)試步驟，可以快速準確地在裝備設計、研制、調(diào)試等各關鍵步驟發(fā)揮優(yōu)勢。通過數(shù)字樣機構建并完善好的模型開發(fā)制作出來后經(jīng)過簡單的調(diào)整后即可快速投入生產(chǎn)或使用，符合導彈裝備發(fā)展要求，對推動國防建設數(shù)字化具有重要意義。