發射車建模與仿真的VV&A應用探索

張 生，吳 艷，王 忠

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

發射車建模與仿真的VV&A應用探索

張 生，吳 艷，王 忠

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

發射車建模與仿真的校核、驗證和確認（Verification Validation and Accreditation，VV&A）是建模與仿真過程中保證模型可信度的重要環節，簡要論述國內外VV&A的基本概念、研究與應用現狀和應用方法。介紹發射車仿真及VV&A應用現狀，提出發射車建模與仿真中VV&A的應用方法以及發射車建模與仿真的VV&A應用發展途徑。

發射車；建模與仿真；校核、驗證和確認

0 引 言

發射車仿真應用的日益成熟，對發射車的研發技術和產品質量提高起到了較大的推進作用。以往，發射車建模與仿真的校核、驗證和確認（Verification Validation and Accreditation，VV&A）受研制工作進度等多種因素的影響，只有部分被應用，沒有形成建模與仿真的必經流程節點和規范。隨著產品研發對仿真技術的高可信、高效率的要求，需要對建模與仿真的VV&A開展規范化建設和實施應用。

1 VV&A應用綜述

1.1 VV&A概要

隨著建模與仿真的復雜程度越來越高，仿真可信度問題越來越重要，仿真缺乏驗證就沒有意義，沒有可信性評估的仿真也不可靠。

國內外經過多年的研究和發展逐步形成了完善的VV&A理論和實施方法，它包括一系列原則、規范和技術，并貫穿于建模與仿真的整個過程中。從VV&A的標準和規范可以看出， VV&A工作過程始終圍繞建模與仿真的目標進行，VV&A工作的核心是通過規范建模與仿真的過程來保證和提高仿真系統的可信度[1]。

VV&A的定義在國外和國內都有細微的差異，但其本質意義相同，根據IEEE的定義如下：

a）校核（Verification）：確定模型是否準確地代表開發者概念描述的過程。

b）驗證（Validation）：從預期目的出發確定建模與仿真對真實世界的模擬精確程度的過程。

c）確認（Accreditation）：在校核、驗證完成后對仿真工作進行的驗收。

校核是解決“仿真系統是否正確”的問題；驗證是解決“仿真結果是否正確”的問題；確認是在校核、驗證的基礎上，由驗收方對仿真系統的可接受程序進行評定的過程。

1.2 VV&A的研究與應用現狀

1.2.1 國外研究與應用現狀

VV&A的概念起源于20世紀60年代的美國，在20世紀七八十年代逐漸研究形成了建模與仿真的可信度和VV&A相關的概念、術語和規范，70年代中期成立的“模型可信度技術委員會”，標志著VV&A這門復雜技術學科的組織建立。在20世紀90年代多國政府和仿真相關的學術機構都成立了相應的組織，并制定建模與仿真的VV&A規范和標準。1996年，美國國防部完成VV&A建議規范并推動了VV&A向標準化邁進的步伐，于2000年完成了VV&A建議規范的第2版。1997年 IEEE通過了關于分布交互仿真的標準IEEE1278.4，這是關于大型復雜仿真系統VV&A的一個較全面的指南，美國國防部建模與仿真辦公室的VV&A建議指南規范列舉了可用于仿真系統校核與驗證的76種軟件測試和系統評估方法及18種統計技術，對建模與仿真進行嚴格、有效的校核與驗證。美國在VV&A研究方面的組織機構不但有VV&A的權威機構，還有來自各個領域的代表，如VV&A技術工作組和Tiger Team等，這些組織的積極參加促使VV&A技術快速發展。現在在仿真應用的前沿行業如生物運動醫學[2]等都在積極實施建模與仿真的VV&A。

加拿大、歐盟、北約都在積極進行VV&A的研究并不斷取得新的成果，建立VV&A相關的組織、標準規范并應用于產品的仿真，歐盟已經建立標準把產品破壞性工況（如火車出軌）的仿真方式作為一個產品驗收的依據。

1.2.2 中國研究與應用現狀

中國在建模與仿真的VV&A應用方面的研究起步較晚，1995年后，隨著仿真在各個領域的應用，建模與仿真的可信度問題引起了更多的關注，很多學者也投入到建模與仿真的VV&A應用研究中，跟蹤并追趕國外建模與仿真的VV&A發展，并成功運用于工程實踐中。相對而言，國防科技大學、北京航空航天大學、北京理工大學、哈尓濱工業大學等相關院校在這方面取得了更多的研究成果。

近年，中國在VV&A的研究從原來的關注模型修正、可信度的評估發展到全壽命周期的VV&A。在模型修正和可信度評估方面，提出了層次分析法[3]、模糊綜合評判法[4]、灰色類聚法[5]、相似度法[6]等方法。在VV&A理論和技術方面，研究了作戰模擬系統和武器系統仿真中的 VV&A[7]方法，提出仿真數據的有效性分析方法[8]，對虛擬樣機的VV&A也提出了觀點和看法[9]。

1.3 VV&A應用方法

仿真系統VV&A的原則[10]有：相對正確原則、全生命周期原則、有限目標原則、必要不充分原則、全局性原則、程度性原則、創造性原則、良好計劃和記錄原則、分析性原則及數據正確性原則。VV&A是一個迭代過程，其主要應用內容包括：需求校核、制訂VV&A計劃、概念模型驗證、設計校核、實現校核、仿真結果驗證及仿真系統確認。

VV&A 3個環節工作內容如表1所示。

表1 VV&A 3個環節的主要工作內容

VV&A的技術如表2所示。

表2 VV&A技術方法[11]

仿真系統VV&A標準或規范分類如表3所示。

表3 VV&A標準或規范分類[11]

2 VV&A應用現狀

2.1 發射車仿真應用情況

近十幾年來，發射車仿真技術的應用得到了迅速的發展，仿真技術應用到產品生命周期的所有過程中。應用仿真技術開展了整車的平順性及安全性等關鍵性能指標的優化、大型車架結構件的靜動態特性分析與優化、車輛安全性控制等工作，實現了基于剛柔多體的運動學和動力學整車、系統級特性分析與評價，同時開展了機電液聯合仿真的疲勞壽命分析，實現了多學科仿真優化。

在發射車研發過程中引入全數字化設計手段，通過基于生命周期的UG NX和Teamcenter研發平臺集成 NX NASTRAN結構分析軟件、LMS Virtual Lab Motion動力學分析軟件、液壓控制軟件AMESim等，實現了數字化的產品研發流程與精細化仿真應用的相結合，提升了協同仿真的工程應用水平，實現了產品研發的高效率和集成創新能力。

在仿真應用過程中同步開展標準規范體系建設，建立如下發射車仿真的相關規范：a）車架有限元計算規范；b）自行式發射車車架設計計算規范；c）發射車用半掛車架設計計算規范；d）發射車車架結構剛度強度試驗規范；e）仿真計算報告編寫規范；f）特種車底盤動力學建模與仿真規范。

2.2 發射車建模與仿真的VV&A應用現狀

“十一五”期間，結合國防基礎科研項目進行發射車建模與仿真，開展了VV&A技術的應用研究，完成了發射車建模與仿真的有效性評估工作[12]。在“十二五”期間，從校核過程表格化管理、模型驗證策略與指標、VV&A過程規范化等方面繼續開展研究工作，并通過承載結構模態試驗、發射車機動運輸試驗等實物試驗對模型有效性進行了驗證和評估。

但是在發射車產品的建模與仿真過程中并沒有執行正規的VV&A，也沒有建立相關的組織和規范。在仿真時僅僅對模型的真實有效性采用范例進行驗證，用理論結果或靜態結果對仿真模型進行調校，仿真結果與試驗結果進行對比的工作較為簡單。VV&A的技術和管理方法還沒有在實踐中得到推廣應用。

3 發射車建模與仿真的VV&A應用方法

3.1 VV&A應用模式

根據VV&A理論和方法結合發射車研發及仿真的現狀，在VV&A應用和實施時需要建立人員組織層次、確定仿真項目的VV&A應用范圍和流程、制定VV&A的內容及時間計劃、擬定VV&A需要的工具及輸入、輸出文檔。

VV&A的人員組成包括實施人員、管理組、專家。實施人員由建模與仿真的一線人員、試驗人員、過程記錄人員組成；管理組由建模與仿真校審人員、仿真主師、項目領導組成；專家人員由仿真專業資深專家和項目總師組成。

根據發射車研發及仿真應用的工程實踐，發射車建模與仿真的VV&A應用一般是針對系統級的相對復雜的仿真項目，如安全仿真、CFD仿真、NVH仿真，子系統如動力傳動系統、制動系統、發動機艙熱管理等。對相對簡單的仿真項目如結構剛強度分析，則根據工程經驗和簡化的有效的校核與驗證過程對建模與仿真實施可信度評估。

3.2 VV&A應用流程

基于發射車建模與仿真的特點，從工程化角度建立發射車建模與仿真的VV&A流程。根據目前的仿真技術基礎和仿真發展要求，從發射車VV&A過程特點制定各階段的技術方法及應用范圍。圖1中的流程以發射車動力學建模與仿真為例，實現建模與仿真及其VV&A流程的協同實施。

圖1 發射車建模與仿真的VV&A流程

3.3 VV&A應用內容及方法

3.3.1 校核內容及方法

仿真校核的應用方法包括非正規方法、靜態分析，其他方法如動態測試、符號分析、約束分析、理論證明等應用需要建立相應的VV&A工具，根據項目的時間、人力和經費允許的情況下優選實施。

不同仿真類型的具體實施內容有所差異，如發射車平順性動力學仿真校核內容應包括：

a）三維實體模型的校核：校對結構體的質量參數和空間位置參數；

b）元器件質量參數校核：核對發動機、變速箱、分動器、上裝的質量和位置參數；

c）柔性體的校核：網格質量、模態階數、接口位置、材料參數；

d）懸架液壓系統模型校核：功能元器件核對、系統初始油壓和氣壓核對、重要性能參數核對；

e）懸置環節校核：核對駕駛室懸置、發動機懸置、變速箱懸置的彈性參數和阻尼參數；

f）子模型校核：需要對子模型的輪胎、轉向節、擺臂、油氣彈簧進行運動學檢查、參數校對；

g）運動副建模校核：校對約束自由度是否正確、核實關鍵點和實體是否正確連接；

h）多體液壓聯合仿真接口校核：檢查接口參數傳遞節點定位和接口定義選項的正確性；

i）輸入激勵校核：檢查數據來源，核實數據處理方法和過程；

j）動力學模型的校核：檢查模型的拓撲結構、模型的簡化、模型各個部分之間的連接、試驗工況的設置、各個測量點的設置是否正確，最后對初步仿真運行結果進行判斷，得出仿真結果是否與預期吻合；

k）專家評估方法：請仿真專家和產品、測試人員通過觀察模型運行來判斷仿真是否符合實際，得出仿真系統及模型是否可信的結論。

3.3.2 驗證內容及方法

對發射車動力學仿真系統，難以從理論上驗證模型的正確性和可信度，驗證仿真模型和仿真結果的正確性方法是與實際試驗測試數據進行比較實現。常用驗證方法有判斷比較法、數理統計法、頻譜分析法、動態關聯分析法、靈敏度分析法、時間序列法，根據實際情況發射車建模與仿真的驗證主要以判斷比較方式進行。

根據發射車試驗測試內容，對發射車平順性仿真的驗證主要有以下3個方面：

a）油氣彈簧的傳力驗證：油氣彈簧是發射車輛最關鍵的載荷傳遞路徑和減振環節，因此從仿真結果中提取出油氣彈簧的力，與試驗測試的力進行比較，要求曲線趨勢一致，峰值基本一致，這樣才能保證整車仿真結果正確可信；

b）關鍵點振動特性驗證：針對發射車輛最關注的乘員或設備比較振動加速度仿真結果與試驗測試結果，如果曲線趨勢和峰值一致，則認為通過仿真驗證；

c）關鍵結構應力驗證：對柔性體結構點的動應力仿真結果與試驗測試結果進行比較，判斷趨勢和峰值的一致性。

3.3.3 確認內容及方法

確認內容對所有仿真項目通用，根據建模仿真報告、校核報告、驗證報告總結成確認報告，最后由專家小組根據報告內容進行綜合評價，確定仿真的可信度并得出是否確認的結論，或指出改進意見重新進行建模與仿真和VV&A過程。

4 發射車建模與仿真的VV&A應用發展途徑

4.1 VV&A的建設要素

針對發射車產品全生命周期的仿真應用，從提高仿真的可信度出發，遵從研發模式的發展趨勢，制訂相應的VV&A應用和努力方向。在發射車生存能力仿真和虛擬現實系統中，發射車建模與仿真的VV&A需要采取更多的先進方法和工具、制定規范和流程，讓仿真可信度和VV&A的評估由定性向量化轉變。

VV&A應用的要素如下：

a）管理：提高對VV&A的認知度，使之成為項目管理的必須要求，對VV&A成本預算有合理依據和充分支持，保證VV&A工作的各要素順暢運行，保證VV&A信息資源共享和重用；

b）人力建設：培養和培訓VV&A團隊，將VV&A的知識普及到系統管理人員、設計人員、開發人員、仿真人員和用戶，以保證所有參與人員緊密協作、互相理解支持；

c）基礎建設：進行 VV&A支撐系統建設，開發及運行過程中的監控、測試、分析、評估工具，精細實施 VV&A指標的定義、計算和獲取，形成權威的VV&A及仿真、試驗數據和文檔；

d）參數化建模：這對模型的調試、校核至關重要，更有利于模型的自動化校核和驗證；

e）校核：開發和制訂工具軟件和定制校核流程，使校核過程的自動化和通用化程度提高，在量化的同時提高校核的標準和可信度；f）驗證：采用直觀判斷、比較方法以外的其他理論工具方法進行驗證，提高自動化程度，實現量化指標，同時實現模型修正的自動化；

g）確認：實現報告文檔的自動化，對判斷進行量化分析，實現客觀與主觀相結合的判斷方式。

4.2 VV&A應用提高的措施對發射車建模與仿真的VV&A應用提高措施如下：

a）從管理層面和仿真人員強化 VV&A的價值意識和時效觀念；

b）培養仿真和專家人才，建立VV&A專業能力；

c）加強仿真應用程序和工具軟件的質量評估；

d）加強建模和仿真過程的校驗；

e）強化VV&A的獨立性；

f）逐步建立VV&A的標準規范，提高VV&A的工作效率和應用實施的一致性；

g）加強VV&A工具軟件的投入；

h）針對重要仿真項目建立VV&A的固化流程。

5 結束語

發射車建模與仿真的VV&A應用是仿真技術有效應用于產品生命周期過程的必要步驟，將VV&A的內容及相關標準規范納入仿真流程中并踏實執行是提高仿真可信度的根本。發射車建模與仿真的VV&A應用雖然存在經濟和人力投入多、組織構建復雜和實施過程繁瑣等與過去仿真應用習慣及管理方式不適應的問題，但是從國內外的應用發展趨勢上看我們亟待加速趕上，克服初始的困難階段后必將迎來仿真應用的高可信、高效率階段。

VV&A應用的發展趨勢是減少各環節的人工工作以避免差錯和非一致性，向校驗工具集成、文檔自動生成和評價指標量化的方向發展，進一步向VV&A應用的智能化發展。

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Prospect of VV&A Application in the Modeling and Simulation of Launch Vehicle

Zhang Sheng, Wu Yan, Wang Zhong
（Beijing Institute of Launch Technology, Beijing, 100076）

Verification Validation and Accreditation are very important activities to ensure the credibility of the model in the process of modeling and simulation, the widely accepted concept of VV&A is introduced, the research and application level in China and abroad are also discussed in the paper. The application status of VV&A in the modeling and simulation of launch vehicle is presented，the methods to improve application level and the strategy for development of VV&A in the modeling and simulation of launch vehicle are suggested.

Launch vehicle; Verification Validation and Accreditation; Modeling and simulation

V553.1

A

1004-7182(2017)01-0075-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170118

2016-07-12；

2016-09-19

張 生（1965-），男，主任設計師，主要研究方向為結構分析和特種車動力學仿真分析