復雜產品的VV&A體系架構關鍵技術

丁來軍 丁朝臣 趙新芳 丁寧

摘要：為開展復雜產品（系統）建模與仿真過程中的驗證、確認與發布（verification， validation and accreditation， VV&A）工作，提高復雜產品（系統）的設計水平，保證和提高建模與仿真系統的置信度，降低試驗與評估的不確定性，在分析復雜產品全生命周期中的VV&A活動的基礎上，論述復雜產品（系統）的VV&A體系架構的復雜性及其關鍵技術，系統分析VV&A的主要思想和國內外研究與應用現狀、VV&A工具和方法等問題，提出一種VV&A體系架構方案，并詳細闡述其總體方案和系統組成，為逐步建設企業的VV&A知識庫提供參考。

關鍵詞：可信度;驗證;確認;層級規劃;體系架構;過程方法

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）01-0053-09

0 引 言

在復雜產品的建模與仿真過程中，數字模型是對系統、實體、現象和過程等真實世界的數學的、物理的或邏輯的描述，仿真是建立系統模型并應用模型預測未來、輔助設計和進行科學研究的全過程。這一過程基于相似理論，采用建模和物理方法對真實系統或過程進行抽象、映射、描述和復現。因此，數字模型必須嚴肅地證實以下3個問題：（1）模型是否可以正確描述實際系統的外部表征和內在特性;（2）仿真是否可以有效地反映模型數據、性狀和行為;（3）仿真結果是否可以實現應用目標和用戶需求。這就是通常所說的建模與仿真的可信性、有效性和可接受性。

缺乏可信性的模型和仿真系統是沒有任何意義的。仿真專家認為仿真可信度是系統仿真最重要的性能指標，對于大型復雜產品的仿真系統尤為重要。仿真系統的可信度可以通過驗證與確認（verification and validation， V&V）加以測量和評判，通過發布來正式地加以認證，這個過程即為仿真系統的驗證、確認與發布（verification， validation and accreditation， VV&A）。

驗證是指驗證復雜產品的各種數字模型或者系統是否可以準確地表達開發人員的概念描述和設計規范的過程。確認是指從復雜產品的各種數字模型或系統預期應用的角度出發，確定模型或者系統是否準確表示真實需求或反映真實程度的過程。發布是指各個業務部門及其上級部門對各階段的數字模型或系統是否可應用于特定目的進行認證，并進行正式證明的過程。

綜上所述，建模與仿真的VV&A是系統仿真中非常重要的通用技術，是評估和確保大型仿真系統特別是復雜產品仿真系統可信度必不可少的工作過程和方法。

1 復雜產品的VV&A國內外現狀

對仿真系統VV&A的研究最早開始于對仿真模型的校驗，可以追溯到20世紀60年代仿真應用的初始時期。1962年BIGG和CAWTHORE等就注意到了對“警犬”導彈仿真的全面評估。進入20世紀90年代以來，仿真系統的功能和性能都獲得巨大的提高，但同時校驗的難度也增加，迫切需要建立全面有效的VV&A過程和方法。因此，對仿真系統VV&A研究的重點從以“仿真模型的校驗方法研究”為主轉向“如何更加全面系統地對仿真系統進行VV&A”。美國國防部5000系列指令提出關于國防部武器裝備采購的新規范和要求，要求所屬的各軍兵種制訂其建模與仿真主計劃和仿真系統的VV&A規范，并在開發過程中大力推行應用有關VV&A的活動。1996年，美國國防部的軍用建模與仿真辦公室建立軍用仿真VV&A工作技術支持小組，負責起草國防部VV&A建議規范，1996年11月完成第一版，2000年發布第二版。IEEE也于1997年通過關于分布交互仿真系統VV&A的建議標準，這是關于大型復雜仿真系統VV&A的比較全面的指導。

國內也開展了大量關于軟件的VV&A的工作，并取得一系列成果。王子才等[1]、楊明等[2]、吳曉燕等[3]和白文[4]對仿真系統中校核、驗證與驗收的現狀與未來和相關標準進行深入研究。哈爾濱工業大學在復雜仿真系統建模-算法-評估方面開展大量研究，針對建模與仿真、產品試驗與評估，提出VV&A發展的關鍵問題。西安空軍工程大學導彈學院在軍事仿真系統VV&A的概念、術語和原則、可信度評估、模型驗證方法等方面取得很好的成果。中國航空工業航空氣動力數值模擬重點實驗室和中國航空研究院數值模擬技術研究應用中心，在CFD模擬置信度評估和V&V涉及的相關概念、術語以及V&V在航空氣動力數值模擬置信度評估方法研究方面開展大量工作，包括SQA、MMS、誤差分析和不確定度量化等方法。張寶強等[5]、劉全等[6]、劉興堂等[7]、孫雅峰等[8]和唐見兵等[9]從復雜系統建模理論的視角對產品研制過程中VV&A所涉及的方法和技術有針對性地進行研究。

總體來說，我國對建模與仿真置信度評估及V&V的研究仍處于起步階段，在建模與仿真的開發過程中對置信度評估及V&V工作的重要性和必要性缺乏認識，特別是國內還沒有類似于美國TCMC這樣的專門機構負責協調，更沒有組織國家級團隊對建模與仿真置信度評估及V&V技術進行專門研究，使得這方面的研究工作進展緩慢，至今還沒有建模與仿真的V&V的標準規范。所以，建模與仿真的開發者、應用者和管理者無章可循、無法可依，尤其在復雜武器系統的VV&A研究上，真正應用于實際模型V&V的研究甚少，全面完整的建模與仿真置信度評估幾乎是零狀態。

2 VV&A在復雜產品全生命周期中的應用

復雜產品的建模與仿真過程通常有5個階段，即論證階段、方案階段、工程階段、定型階段和批產階段，見圖1。產品用途不同、涉及專業不同、技術途徑不同，導致不同階段的目標不同，產品建模與仿真不同，產品試驗與評估也不同。為降低研制風險、控制項目成本，國內軍工企業紛紛引入VV&A及模型置信度評估等系統工程方法。VV&A技術與復雜產品研制過程聯系十分密切，他們是相輔相成的：每一項VV&A工作都是復雜產品研制過程中的一項活動，所有VV&A活動聯系起來可以看成是一個VV&A全過程，對其全方位管理是提高復雜產品可信度的主要途徑之一。

每個建模與仿真活動都會有VV&A過程，VV&A過程保證和提高建模與仿真的置信度，為研發流程的數據流轉提供決策支持;每個VV&A發布后的數據又會完善企業知識庫，為下一次V&V活動提供支持。VV&A在研發流程中的關系見圖2。

在基于模型的產品研制過程中，建模與仿真技術廣泛應用于各個領域的規劃制訂、方案論證、設計分析、產品試制和產品試驗等各個階段。與此同時，隨著建模與仿真復雜程度的不斷增加，建模與仿真的正確性和置信度問題也越來越重要。若要保證實際系統與模型有機地聯系在一起，則任何一個建模與仿真都必須進行VV&A，任何一個系統都必須進行試驗與評估，VV&A和產品試驗與評估是相互關聯的。VV&A在復雜產品全生命周期中的應用見圖3。在圖3左側的建模與仿真活動中，沿著復雜產品研制的時間走向，在系統、子系統、專業系統的建模與仿真中，各個層級的數字模型都需要V&V驗證是否規范、準確地創建數字模型系統。當驗證不通過時，返回上層模型系統中進行修正。驗證通過的數字模型，結合需求目標或者試驗數據進行確認，判斷是否與需求或者目標一致。當與需求或目標不一致且偏差較大時，V&V工具會對模型進行優化和修正，提升模型和試驗數據的一致性。當確認不通過時，返回上層模型系統中進行變更和修正。下層模型確認通過后，上層模型開啟確認工作，自底向上逐層確認，直至頂層模型系統滿足需求或者目標。

3 VV&A體系的關鍵技術

VV&A技術與工具能夠評估并提高復雜產品系統研制流程中建模與仿真的置信度，同時降低試驗與評估的不確定性。

3.1 VV&A層級規劃

大型復雜仿真系統通常是復雜的半實物仿真系統。這種大型系統一般由若干個子系統和下屬分系統甚至子分系統等構成。結構復雜、層次多、規模龐大、使用的模型復雜、運行時空范圍廣等是復雜產品系統的主要特點。VV&A體系架構提供一種自頂向下的分解機制，以不同的系統級別和物理復雜級別進行劃分，將問題分解成顆粒度最小的簡單問題，降低問題的復雜度。每個分解后的仿真問題都可以獨立定義V&V任務，獨立開展仿真分析，下級的V&V任務可以為上級任務提供數據支持，提高復雜問題的處理能力。復雜系統模型層級規劃目標見圖4。

層級規劃應遵循以下原則：

（1）系統層為真實系統和構型、全過程，包括所有物理機理和所關心的系統性能，仿真結果的不確定度較高。該層級模型的合格標準，可以根據仿真模型的預測目標進行確定。

（2）子系統層為真實子系統，構型可簡化但實際過程和機理須完整，仿真結果的不確定度劣于基準問題層的不確定度。該層級模型的合格標準比基準問題層對象要低。

（3）基準問題層要體現真實系統某一特征的簡單模型與少數機理之間的耦合，仿真結果的不確定度低。該層級的模型合格標準比單一問題層對象要低。

（4）單一問題層為單一機理、單學科問題。分析的初始邊界條件明確、仿真結果的不確定性小。該層級的仿真模型可以很好地模擬真實物理對象，模型的合格標準最嚴格。

3.2 V&V流程

基于V&V計劃，定義多學科V&V分析流程，創建數字化測試設備環境，驗證結果獲取方式，關聯備測產品與測試設備。利用仿真技術進行虛擬試驗性能分析，利用產品設計驗證的建模和仿真結果對物理試驗設計進行指導和預測，如多學科耦合的試驗規劃數據接口、產品驗證性能指標預測、敏感區域預測、試驗條件預測、測點布置與優化、傳感器對測量性能的影響大小分析等。V&V流程是復雜系統的某一層級中針對某一模型驗證問題進行的V&V活動。層級規劃與V&V流程的關系見圖5。

3.3 V&V方法

在V&V流程執行過程中，正確使用驗證和確認的方法是必要條件之一。VV&A體系方法類型包括驗證方法、確認方法、實驗設計方法、不確定性分析方法和優化方法等，見表1。

鑒于系統VV&A工作的復雜性，需要綜合各種V&V方法。VV&A體系應用人工智能技術，利用自動化推理軟件，將系統使能器與應用使能器結合，通過解釋和推理生成相應的VV&A方法智能選擇器，選定對某個模型進行VV&A的方法，并調用相應的方法模塊，如頻譜分析法、灰色關聯分析法等，生成文檔并完成對建模與仿真系統的驗證與確認工作。

3.4 V&V工具

在復雜系統的設計過程中，不同的設計環節（如概念設計、結構設計、性能仿真等）、不同的專業（如熱、電磁、流體、結構、電氣電路、控制等）均會使用不同的建模與仿真工具，得到不同的數字模型（如需求模型、功能模型、工程模型、仿真模型、制造模型等），必定會要求使用不同的V&V工具軟件對相應的數字模型進行驗證與確認。

VV&A體系架構應提供各種主要V&V工具軟件的無縫集成，或者對V&V工具使用“中間件”進行數據交互，簡化工程師的操作，提高工作效率，同時可以保證數據的準確性和完整性。

4 VV&A體系架構的總體方案

根據上述的分析，結合復雜產品的典型“V”形研發流程，設計VV&A體系的產品設計與驗證流程，見圖6。

圖6左側是設計研發活動，從企業的需求分析和產品的目標分解出發，進行方案設計和系統詳細設計。在設計的各個階段，對不同復雜程度的設計模型進行性能和DFX的優化，并在二者之間尋求平衡。圖6右側是層級試驗規劃與實施，包括方案設計模型的原理試驗、子系統試驗、半實物試驗和系統樣機試驗等。對試驗數據的產品設計性能進行確認，并對設計驗證模型進行確認。

為更有效地利用型號產品的試驗數據，基于V&V技術，實現產品設計驗證和試驗驗證的統一。一方面，基于V&V方法進行層級試驗規劃，明確不同層級的試驗目的、試驗內容和試驗結果要求，提升層級試驗數據的有效性和利用價值;另一方面，基于V&V方法，利用設計驗證工具對設計模型進行設計驗證，包括性能、可制造性、可裝配性、成本和可維護性等驗證。可以利用層級物理試驗數據對設計驗證模型的驗證能力和精度進行評估，對設計驗證模型進行修正，提升設計驗證的精度。

VV&A體系架構平臺縱向分為顯示層、管控層、執行層、知識層、基礎數據層和平臺層，包括基于VV&A的模型驗證規劃與執行管理子系統（負責管控層和執行層）、統一產品模型驗證管理子系統（負責基礎數據層和知識層）、VV&A的圖形可視化子系統（負責顯示層）等3個重要組成部分。VV&A驗證體系架構的組成見圖7。

4.1 模型驗證規劃與執行管理子系統

針對企業系統工程各階段的數字模型，進行V&V的規劃、執行和審核。企業可以捕獲系統工程中對各種數字模型進行VV&A的完整流程，提供完整的驗證、確認與信息發布審計追蹤歷程，不僅可以快速找到模型和結果，而且還可顯示創建該模型的方法和驗證、確認與發布的工具，數據輸入情況，以及相關聯的其他流程。這樣，企業可以追蹤各種數字模型的精度和可靠性，同時監控每次方法和流程改進產生的影響。

該系統具有VV&A規劃功能，提供金字塔模式的層級分解機制，依據層級劃分的原則進行自頂向下的分解;每個問題經過V&V后，對上級問題提供反饋和參考，即自底向上驗證。系統具有V&V流程的建立、執行和監控功能。在執行階段，各數字模型的V&V過程依賴不同的V&V工具。V&V工具“中間件”模塊專門針對未知的應用工具進行開發，是一個開放式框架，可以支持所有類型的設計分析工具，不僅支持V&V工具軟件，還支持第三方或者自研軟件或工具的集成或數據交互。

4.2 統一產品模型驗證管理子系統

該系統用于處理VV&A分析中涉及的大量數據（包括工作中的臨時數據），系統確保這些迭代數據分門別類地加以保存和利用。所以，在VV&A過程中，各個階段的產品模型數據、各種模型的VV&A數據、根據經驗制定的仿真流程模板、編制的仿真驗證規范等，均為該系統的管控對象。

基于VV&A理論與標準，通過V&V流程和手段的規范化、效率化、體系化，該系統用于企業復雜產品系統各種模型的驗證、確認和發布的規劃、執行和審核，對VV&A過程中的數據進行有效管理和應用，評估和提高各種數字模型的置信度;建立虛擬樣機庫并提高虛擬樣機的復用程度，增強設計模型的準確性和仿真建模的預測能力，并逐步建設企業的VV&A知識庫，從而提高產品的設計質量，降低產品測試、試驗和制造成本，提升企業基于知識驅動的產品創新設計能力。

4.3 圖形可視化子系統

圖形可視化子系統可以將指定格式的三維模型進行輕量化處理，通過關鍵信息提取和數據壓縮等技術手段，將規模巨大的三維模型數據文件大幅減小，可以解決產品模型數據瀏覽困難問題，并可保證數據的一致性，提高溝通效率。該系統提供統一的門戶，可實現網頁端模型可視化，無須其他軟件支持，應用環境不依賴原始的設計環境，用戶可以在瀏覽器上瀏覽結構模型、有限元網格模型和后處理云圖等，直接對模型進行操作，如旋轉、放大、查看動畫等，有利于實現三維模型在多個部門之間傳遞和交互，實現二維數據和三維模型混排。系統還可以顯示報告所需的關鍵性的文字內容和三維圖形（如后處理云圖），提供可以進行三維模型瀏覽、旋轉、放大/縮小、查看關鍵數據等操作的分析報告。

系統可借助VR和AR技術展示建模和仿真的計算結果，有助于使不擅長建模和仿真的設計人員更直觀、更準確地理解數據，快速找出設計中存在的問題，理解計算數據中包含的客觀規律，強化驗證過程的直觀性和分析結果的可信性，將設計成果與他人共享。例如，可以借助AR的3D投影技術把導彈在各種飛行條件下流場中的氣體速度、壓力和密度等參量的變化等數據和三維云圖，投影在會議桌上向上級領導匯報介紹項目，也可以借助VR技術把氣動專家送到導彈的高馬赫數飛行狀態下，近距離觀察和分析彈頭附近和彈翼前緣發生的燒蝕現象，分析燒蝕對導彈的氣動特性和彈道特性的影響程度。

5 應用案例

空空導彈系統是一個復雜系統，其導引精度、可靠性、對目標的搜索與跟蹤能力、抗干擾能力和機動性等直接關系到空空導彈系統的作戰效果。目前，在空空導彈系統的研發流程中，為獲得更好的性能，可以聯合采用虛擬試驗和物理試驗等手段，評估系統的性能，并進行改進和設計優化?？湛諏椣到y研制流程見圖8。如何保證復雜系統設計驗證的精度水平，如何充分利用物理試驗數據對設計驗證模型進行修正，幫助設計人員更好地利用仿真手段進行產品驗證，是進行型號產品創新設計必須解決的問題。

規劃和建設復雜產品的VV&A體系架構過程采取“總體規劃、先易后難、分步實施、急用先行”的原則，針對導彈彈體設計的結構力學性能進行預測和評估，進行仿真結果與試驗結果之間的一致性定量分析，識別和消除仿真模型的各種誤差。利用試驗數據對仿真模型進行修正，逐步提升仿真結果的精度和可信度，并基于仿真模型的預測結果進行設計決策和優化，從而驗證基于模型的復雜產品VV&A體系架構。

項目實施主要功能有：導彈彈體V&V流程定義、導彈彈體VV&A產品架構、導彈彈體建模與仿真、導彈彈體試驗和評定、導彈彈體試驗規劃、導彈彈體VV&A、導彈彈體建模與仿真置信度評估和導彈彈體VV&A的數據管理及技術狀態控制。

本項目采用北京安懷信科技股份有限公司“基于模型的復雜產品VV&A體系架構”。在該體系架構中，需求模型、功能模型、工程模型、仿真模型和制造模型均使用不同的工具軟件進行驗證與確認。該體系架構與執行平臺可提供多種軟件的無縫集成，其他V&V工具可以使用“中間件”的方式進行數據交互，見圖9。

SimV&Ver軟件提供仿真模型驗證和確認模型驗證項目管理功能，可以方便地進行V&V模型驗證項目的創建和管理，定義模型驗證項目任務的輸入和輸出等屬性，見圖10。

SimV&Ver提供根據分析要求搭建簡單模型驗證流程功能，可方便地進行流程中節點的輸入、輸出和工具配置等，見圖11。

SimV&Ver可將不同測點試驗結果和測點誤差在有限元強度分析模型上以云圖的方式直觀顯示，包括各個載荷步相應測點的位移、應變、應力和溫度等，以曲線圖、柱狀圖等形式對分析結果進行快速圖形化演示，方便設計人員直觀查看并對比分析結果，見圖12。

6 結束語

VV&A體系架構平臺是基于VV&A理論和方法，集數據管理和流程管理于一體的驗證業務框架系統，支持構建特定的企業級VV&A業務應用。企業可以在統一的產品驗證框架下，實現VV&A過程的規范化和標準化，管理驗證數據、流程、軟件資源和任務調度工具，并與設計、試驗等外部系統集成實現互聯互通，形成協同研發環境。結合具體的VV&A標準和思路，對企業復雜產品研制過程中各級設計人員和指揮人員進行指導，對系統工程中的各種數字模型進行分析評估、驗證和確認，對復雜產品的研制和決策提供參考和保證。在企業復雜產品研發流程的各個階段，充分利用VV&A技術，對復雜產品研制過程不同專業、不同學科的設計、仿真、試驗和制造信息生成的數字模型進行驗證與確認，構建復雜系統數字模型的驗證與確認層級，結合各種專業工具對數字模型進行分析，基于產品成熟度和模型置信度對產品的功能指標、性能參數、可制造性、可裝配性、可維護性和成本控制等方面進行評估和優化，從而提高產品的設計質量，降低產品測試、試驗和制造成本，并逐步建設企業的VV&A知識庫，提升企業基于知識驅動的產品創新設計能力。

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（編輯 武曉英）