面向航天工程應用的仿真標準體系架構研究*

張一彬 趙暉 胡葉楠 于雪松 羅汝斌

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

目前，仿真技術及其應用已成為航天型號產品研制過程中不可或缺的重要手段。仿真能力體系的構建面向彈、箭、星、船、器等各主要領域，緊密圍繞型號研制全生命周期，包括立項論證、方案設計、詳細設計、試驗驗證、生產制造、定型評估、服務保障等各階段，對標型號在領域創新拓展、研制效率提升、先進制造和產品服務等方面對仿真能力的建設需求。仿真能力體系可進一步分解為裝備論證仿真、產品設計與試驗仿真、生產制造仿真、服務保障仿真等多個方面。在型號研制內在需求和仿真技術外在牽引的雙重作用下，仿真技術的應用規模不論從深度還是從廣度上看，都呈現出跨越式發展的趨勢。可以預見，后續將有越來越多的仿真應用進入到型號研制流程的各個環節中，這已經成為航天型號研制模式轉變的一個重要趨勢。

然而，在仿真技術的應用過程中，無論在技術層面還是在管理層面都尚未形成統一的標準體系。在規劃、研制、集成、數據共享和管理等方面均存在 “孤島”現象，各單位沒有形成合力，缺乏對開展基于多部門的仿真綜合試驗工作的規范指導[1]。因此，迫切需要盡快開展航天仿真工程應用標準體系的研究，從頂層策劃的角度研究制定相關標準體系的布局，對仿真建模、仿真試驗操作、仿真評估與鑒定、仿真數據管理、仿真產品研發、仿真工作流程等諸多方面進行統一化規定，以促進先進仿真技術的推廣和應用，并避免仿真系統無序建設、資源不能共享、系統互不兼容、仿真工作開展無據可依的問題。開展面向型號研制的航天仿真工程應用標準體系研究是一項必不可少的基礎性工作。

1 建設航天仿真工程應用標準體系的必要性

未來5到10年，我國航天仿真工程建設將以能力提升為先導，以仿真融入型號研制流程為核心，以覆蓋型號全生命周期為目標，以總體和分系統聯合仿真為重點，構建我國航天仿真能力體系架構，支撐航天裝備數字化科研生產體系的建設[1]。尤其在新領域、新型號的論證和關鍵技術攻關中，必須大力發展和應用航天仿真技術，解決論證評估手段不足、實物試驗子樣少、研制周期和科研經費緊張等問題，達到快速優選方案、降低研制風險、提高研制效率、保證產品質量的作用。為保證仿真體系中各平臺、應用系統和模型間的互操作性，仿真建設必須遵循特定的規范、標準和協議。從全局視角出發，對仿真工作所涉及到的標準/規范及協議進行系統性地規劃和梳理是十分必要的。

通過對國內外典型航天及防務領域仿真工程應用標準建設的相關調研發現，國內外典型組織機構的標準體系差別較大，這主要是由于不同組織機構所承擔的使命任務以及它們開展相關標準體系建設的目的有所不同。在美國國家航天局（NASA）與歐洲航天局 （ESA）的標準體系中，“仿真”都不作為一個獨立分類而存在，其具體內容被分散在其它不同的分類體系下[2-8]。

在我國，為了促進數字化與仿真技術的快速發展和應用，各行業及部門傾向于建立獨立的仿真類別并加以發展和管理。

在軍用領域，2007年，總裝備部成立了軍用建模與仿真標準化技術委員會，負責開展軍用M&S（仿真與建模）領域的標準化技術工作。2009年，總裝備部開展了新版 “軍用標準體系”的編制工作[9]，其中的 “軍用M&S標準體系”由基礎標準和應用標準兩大部分組成。 “基礎標準”是軍用建模與仿真各應用領域共同遵循的標準， “應用標準”是軍用建模與仿真各應用領域應遵循的專用標準。

在工業部門，2005年國防科技工業標準化研究中心在2002年制定的 “國防科技工業信息技術標準體系”的基礎上，形成了 “國防科技工業信息技術應用標準體系”[10]。在該體系中，仿真標準屬于其中的 “數字化仿真與試驗標準”。該分支又進一步細分為 “專業技術仿真與試驗標準”、 “系統仿真與試驗標準”、 “仿真與試驗的評價與標準”和 “其它標準”4個分支，此后并無進一步的分類與細化。

2004年，航天科技集團開展了信息化標準體系研究[11-12]，該體系并未明確提出 “仿真標準”這一分類，但提出了與仿真標準內涵相近的“數字化試驗與評價標準”，該分支與 “數字化設計”、 “數字化制造”、 “系統集成”、 “AVIDM過程實施及相關標準”等分支并列，包含在 “工程應用標準”分支下且不再細化。

從上述調研結果不難看出，在國外由于NASA、ESA等機構的科研管理性質所決定，其并未建立獨立的仿真標準體系。而波音、雷神、洛馬等工程研制實體單位的相關信息未見公開報道；在國內，雖然我國 “軍用標準體系”、 “國防科技工業信息技術應用標準體系”、 “航天科技集團信息化標準體系”等均對仿真部分內容有所涉及，但普遍存在分類過粗、指導性不強等問題。在這些標準體系中，仿真標準實際上未能形成一個相對獨立與完善的整體，對仿真標準化工作的牽引作用明顯不足。由于航天型號研制是一項十分龐雜的系統工程，而仿真作為一種獨特的技術手段也已經深度融入其中。因此，開展航天仿真工程應用標準體系建設也必須從仿真技術在航天工程領域應用和發展的實際出發，合理確定標準體系的結構層次和標準的組織分類方式，不能簡單借用其他組織機構的相關標準體系。

2 航天仿真標準體系的編制原則

航天仿真工程應用標準體系 （以下簡稱標準體系）可為實施航天工程領域仿真應用標準化提供參考依據。一方面，該標準體系可用于系統梳理相關的已有仿真標準和待制定的仿真標準，以利于管理者分析和把握仿真標準的發展現狀與方向，以便統一規劃和協調仿真標準的制定與實施。另一方面，該標準體系可用于航天仿真工程應用標準的分類管理，以便于使用者了解和檢索相關仿真標準，使相關工作有章可循、科學高效。由于航天仿真工程應用標準體系的研究尚處于起步階段，因此必須明確標準體系的建立方法和指導原則，做到體系架構科學、合理，才能有效促進先進仿真技術在航天產品研制過程中的應用，并逐步實現仿真應用工作的規范化。其主要編制原則包括以下幾個方面。

a）全面性原則。應圍繞我國主要航天產品研制全生命周期中應用的各類數字仿真和半實物仿真的需求，將相關標準條目納入標準體系，構成一個完整的、全面的有機整體。

b）系統性原則。以系統工程思想為指導，一方面，合理設計標準體系架構，以正確反映不同標準分類之間的內在聯系；另一方面，合理確定分類，以保證性質和特點相同的標準可以相對集中，并避免在不同分類下出現標準重復。

c）時效性原則。標準體系中的標準條目應具有一定的時效性，不納入當前已不適用的標準條目，并對標準體系中的標準條目進行動態更新、補充和淘汰。

d）可擴展性原則。標準體系架構應便于根據標準的發展進行擴展，對標準的分類應考慮未來發展的需要，不能只局限于滿足對現有標準的分類需要。

3 航天仿真標準體系的分類維度研究

標準體系的維度是用來反映標準的一類屬性，按照不同維度進行分類有著各自的優缺點。理想情況下，標準體系的分類維度應使每項標準在標準體系中的位置都是唯一的。但通過分析國內外仿真技術的發展、仿真技術在航天工程領域的應用等可以發現，一方面，仿真技術自成體系，具有相當的復雜度；另一方面，仿真技術可以應用于不同領域、不同專業，而且應用顆粒度差別大，國內外相關標準體系的分類維度都無法保證標準體系中沒有重復標準。因此，在建立仿真標準體系框架之前，有必要對各種可能的基本分類維度加以研究分析，明確各自的優劣，為后續的體系框架設計建立牢固基礎。

3.1 維度一：按照是否為共性基礎分類

仿真是一項綜合性的應用技術，它以數學、計算機科學等基礎科學為依托，初步建立了自身的基本理論和方法，可以說所有的仿真系統都具有共性的一面；同時仿真又是一項應用技術，它離不開相關的應用領域，在具體的應用領域中各具特色。因此，把相關的仿真標準/規范分割為共性基礎部分與非共性基礎部分具有天然的合理性， “是否為共性基礎”可以作為仿真標準/規范的分類維度之一，如圖1所示。

圖1 以 “是否為共性”作為分類維度的標準架構

優點：具有天然合理性，且與大多數單位仿真能力建設與仿真工程應用并存的實際狀況相一致。

缺點：是否為共性基礎的程度和范圍不易確定，導致分類存在一定的模糊性。

3.2 維度二：按照應用對象分類

所有仿真技術都有具體的應用對象，因此可將我國航天領域的主要產品作為分類維度，對仿真標準/規范加以分類，如圖2所示。

圖2 以我國航天領域的主要產品作為分類維度的標準架構

優點：反映了行業特點，一般工程技術人員較易接受。

缺點：不符合仿真技術自身的特點和規律，不能體現仿真技術具有共性的一面，不利于推動仿真技術的應用和發展，后續標準的制定與分類重復度大，指導性不強。

3.3 維度三：按照覆蓋的基礎專業分類

仿真技術通常都面向具體的專業背景，因此可將主流基礎專業作為分類維度，對仿真標準/規范加以分類，如圖3所示。

圖3 以主流基礎專業領域作為分類維度的標準架構

優點：反映了專業共性的特點，一般工程技術人員較易接受。

缺點：不符合仿真技術自身的特點和規律，關注面過于基礎，不利于推動大型聯合仿真技術的應用和發展；不能反應航天領域特色，且覆蓋面不全，工程應用指導性不強。

3.4 維度四：按照應用層級分類

航天產品的研制過程漫長而復雜，面向航天工程應用的仿真技術具有明顯的層次感。小到一個機構、零件、具體電路的設計與驗證；中到分系統、單機的設計驗證；大到整個航天型號裝備整體的裝配驗證與性能效能分析，以至于跨裝備的體系級設計驗證與效能評估，無處不見仿真技術的身影。因此，可將仿真技術在航天裝備研制過程中的應用層級作為分類維度，對仿真標準/規范加以分類，如圖4所示。

圖4 以應用層級作為分類維度的標準架構

優點：靜態地反映了航天工程應用領域的特點，一定程度上體現了仿真技術應用層級廣的特點，一般工程技術人員較易接受。

缺點：不能直接反映仿真專業自身的技術特點；在具體的調研和標準分類過程中發現 “系統”與 “專業”的分類界面不夠清晰，重疊度大，并且不同院所的設計人員對于 “系統”的定義存在爭議，不易取得共識。

3.5 維度五：按照型號研制的生命周期分類

所有航天型號產品都要經歷立項論證、工程研制、運行服役與退役等生命周期階段，除去退役不討論外，在其它三個階段中對仿真技術的應用需求存在著明顯的不同。因此，可以將航天型號產品所處的不同生命周期階段作為分類維度，對仿真標準/規范加以分類，如圖5所示。

圖5 以產品生命周期作為分類維度的標準架構

優點：動態地反映了復雜裝備工程研制應用領域的特點，一定程度上體現了仿真技術應用并服務于產品研制全生命周期的特點，分類界面清晰，一般工程技術人員較易接受。

缺點：不能直接反映仿真專業自身的技術特點；不直接體現不同航天型號產品的具體特點。

3.6 維度六：按照仿真專業自身特點分類

仿真自身就是一個專業，它服務于其它各行各業。仿真具有自己的理論基礎和技術體系，任何一個數字化仿真系統從其組成來看，大致都可劃分為建模與驗模、仿真平臺架構與系統集成、仿真試驗方法、仿真數據分析及管理、可視化等內容。討論仿真標準體系，不可不考慮仿真技術自身的特點。因此，可以將仿真系統的技術組成作為分類維度，對仿真標準/規范加以分類，如圖6所示。

圖6 以仿真系統的技術組成作為分類維度的標準架構

優點：充分反映了仿真專業自身的技術特點，分類界面清晰，有利于推動仿真技術自身的應用與發展，有利于規范各單位仿真系統、平臺等的建設與實施行為。

缺點：不能體現航天工程應用領域的具體特點。

4 航天仿真標準體系架構設計

從以上分析不難發現，可用于航天仿真工程應用標準體系架構設計的分類維度是很多的，但每一個單獨的分類維度都存在各自的優勢和缺陷，必須綜合考慮有所取舍。對于第一分類層級選用什么維度顯得尤為重要，仿真技術自身特色與應用領域特點必須平衡考慮，且相互交叉內容要盡可能的少。因此，我們建議將維度一“是否為共性”作為航天仿真工程應用標準體系第一層級的分類維度。

在第二層級架構設計中，共性部分將專注于仿真技術自身的組成特點，采用維度六 “仿真專業自身特點”進一步展開； “非共性部分”中選用可以體現復雜裝備全生命周期研制特色的維度五進一步展開，并將 “非共性部分”加以替換以減少標準體系的整體層級。其中， “預研論證仿真應用標準”的下一級按照維度四 “應用層級”進一步分解為 “航天裝備體系化論證與評估仿真”與 “單裝備預研論證仿真”兩部分內容；在“設計與試驗仿真應用標準”部分中，在該階段總體進行總體方案設計，開展總體級、多學科仿真，分解對分系統的指標要求；分系統進行分系統方案設計，開展系統級仿真，分解對單機的指標要求。此外，還包含單機方案設計和單機級、專業級仿真。因此，在設計與試驗階段，總體級仿真、系統級仿真和專業級仿真是交織進行的。同時，鑒于不易劃分系統級仿真和專業級仿真的分界面，故將總體級仿真和能達成共識的專業級仿真分別作為獨立子類，將其他尚不能達成共識的仿真按其所屬系統進行分類，基本按照維度四“應用層級”的分類原則形成總體級仿真，各系統級仿真和各專業級仿真并列作為 “設計與試驗仿真應用標準”的下級分類。在 “生產制造仿真應用標準”與 “服務保障仿真應用標準”分類的下一層級基本按照維度三 “覆蓋的基礎專業”進行展開，但不要求在應用對象、類型規模等方面進行嚴格的對等區分。由此，一種基于混合維度思想的航天仿真標準體系架構設計如圖7所示。

本文所建立的基于混合維度思想的航天仿真標準體系架構共包含兩個層級，其中：第一層級總共包含5個子類別；第二層級總共包含了30個子類別，基本涵蓋了仿真技術在航天型號研制過程中的主要應用領域和應用方向。在合理分析的基礎上，首次較為詳盡地對航天仿真類標準規范加以分類展示，對后續相關標準項目的建設具有較強的指導意義。但必須指出的是，由于仿真技術及其具體應用的復雜性，并不存在絕對正確或唯一合理的航天仿真標準體系架構。

圖7 一種基于混合維度思想的航天仿真標準體系架構

建立仿真標準規范體系是一項綜合性很強的工作，需要對仿真技術、仿真應用需求以及型號工程實踐均有比較深刻、全面的理解。因此，仿真標準體系的建設任務必然復雜而艱巨。目前應根據航天仿真發展和應用的特點，立足高起點，做好仿真標準化總體規劃和頂層設計。在此基礎上，瞄準當今國內外仿真前沿，在技術基礎層面做到與當前仿真界主流標準兼容，并按照急用先行的原則，著手制定急需的標準、協議和規范。同時，應注重標準的先進性、成熟性、穩定性與實用性，不斷完善仿真標準體系，在借鑒與繼承中實現航天仿真標準體系的不斷發展與創新。