張 生，吳 艷，王 忠

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用探索

張 生，吳 艷，王 忠

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

發(fā)射車建模與仿真的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)（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(huán)節(jié)，簡要論述國內(nèi)外VV&A的基本概念、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用方法。介紹發(fā)射車仿真及VV&A應(yīng)用現(xiàn)狀，提出發(fā)射車建模與仿真中VV&A的應(yīng)用方法以及發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用發(fā)展途徑。

發(fā)射車；建模與仿真；校核、驗(yàn)證和確認(rèn)

0 引 言

發(fā)射車仿真應(yīng)用的日益成熟，對發(fā)射車的研發(fā)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量提高起到了較大的推進(jìn)作用。以往，發(fā)射車建模與仿真的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)（Verification Validation and Accreditation，VV&A）受研制工作進(jìn)度等多種因素的影響，只有部分被應(yīng)用，沒有形成建模與仿真的必經(jīng)流程節(jié)點(diǎn)和規(guī)范。隨著產(chǎn)品研發(fā)對仿真技術(shù)的高可信、高效率的要求，需要對建模與仿真的VV&A開展規(guī)范化建設(shè)和實(shí)施應(yīng)用。

1 VV&A應(yīng)用綜述

1.1 VV&A概要

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

國內(nèi)外經(jīng)過多年的研究和發(fā)展逐步形成了完善的VV&A理論和實(shí)施方法，它包括一系列原則、規(guī)范和技術(shù)，并貫穿于建模與仿真的整個(gè)過程中。從VV&A的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以看出， VV&A工作過程始終圍繞建模與仿真的目標(biāo)進(jìn)行，VV&A工作的核心是通過規(guī)范建模與仿真的過程來保證和提高仿真系統(tǒng)的可信度[1]。

VV&A的定義在國外和國內(nèi)都有細(xì)微的差異，但其本質(zhì)意義相同，根據(jù)IEEE的定義如下：

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

b）驗(yàn)證（Validation）：從預(yù)期目的出發(fā)確定建模與仿真對真實(shí)世界的模擬精確程度的過程。

c）確認(rèn)（Accreditation）：在校核、驗(yàn)證完成后對仿真工作進(jìn)行的驗(yàn)收。

校核是解決“仿真系統(tǒng)是否正確”的問題；驗(yàn)證是解決“仿真結(jié)果是否正確”的問題；確認(rèn)是在校核、驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，由驗(yàn)收方對仿真系統(tǒng)的可接受程序進(jìn)行評定的過程。

1.2 VV&A的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

VV&A的概念起源于20世紀(jì)60年代的美國，在20世紀(jì)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(guān)的概念、術(shù)語和規(guī)范，70年代中期成立的“模型可信度技術(shù)委員會”，標(biāo)志著VV&A這門復(fù)雜技術(shù)學(xué)科的組織建立。在20世紀(jì)90年代多國政府和仿真相關(guān)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都成立了相應(yīng)的組織，并制定建模與仿真的VV&A規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。1996年，美國國防部完成VV&A建議規(guī)范并推動了VV&A向標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)的步伐，于2000年完成了VV&A建議規(guī)范的第2版。1997年 IEEE通過了關(guān)于分布交互仿真的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1278.4，這是關(guān)于大型復(fù)雜仿真系統(tǒng)VV&A的一個(gè)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(guī)范列舉了可用于仿真系統(tǒng)校核與驗(yàn)證的76種軟件測試和系統(tǒng)評估方法及18種統(tǒng)計(jì)技術(shù)，對建模與仿真進(jìn)行嚴(yán)格、有效的校核與驗(yàn)證。美國在VV&A研究方面的組織機(jī)構(gòu)不但有VV&A的權(quán)威機(jī)構(gòu)，還有來自各個(gè)領(lǐng)域的代表，如VV&A技術(shù)工作組和Tiger Team等，這些組織的積極參加促使VV&A技術(shù)快速發(fā)展?，F(xiàn)在在仿真應(yīng)用的前沿行業(yè)如生物運(yùn)動醫(yī)學(xué)[2]等都在積極實(shí)施建模與仿真的VV&A。

加拿大、歐盟、北約都在積極進(jìn)行VV&A的研究并不斷取得新的成果，建立VV&A相關(guān)的組織、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并應(yīng)用于產(chǎn)品的仿真，歐盟已經(jīng)建立標(biāo)準(zhǔn)把產(chǎn)品破壞性工況（如火車出軌）的仿真方式作為一個(gè)產(chǎn)品驗(yàn)收的依據(jù)。

1.2.2 中國研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

中國在建模與仿真的VV&A應(yīng)用方面的研究起步較晚，1995年后，隨著仿真在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，建模與仿真的可信度問題引起了更多的關(guān)注，很多學(xué)者也投入到建模與仿真的VV&A應(yīng)用研究中，跟蹤并追趕國外建模與仿真的VV&A發(fā)展，并成功運(yùn)用于工程實(shí)踐中。相對而言，國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈尓濱工業(yè)大學(xué)等相關(guān)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(guān)注模型修正、可信度的評估發(fā)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(shù)方面，研究了作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)和武器系統(tǒng)仿真中的 VV&A[7]方法，提出仿真數(shù)據(jù)的有效性分析方法[8]，對虛擬樣機(jī)的VV&A也提出了觀點(diǎn)和看法[9]。

1.3 VV&A應(yīng)用方法

仿真系統(tǒng)VV&A的原則[10]有：相對正確原則、全生命周期原則、有限目標(biāo)原則、必要不充分原則、全局性原則、程度性原則、創(chuàng)造性原則、良好計(jì)劃和記錄原則、分析性原則及數(shù)據(jù)正確性原則。VV&A是一個(gè)迭代過程，其主要應(yīng)用內(nèi)容包括：需求校核、制訂VV&A計(jì)劃、概念模型驗(yàn)證、設(shè)計(jì)校核、實(shí)現(xiàn)校核、仿真結(jié)果驗(yàn)證及仿真系統(tǒng)確認(rèn)。

VV&A 3個(gè)環(huán)節(jié)工作內(nèi)容如表1所示。

表1 VV&A 3個(gè)環(huán)節(jié)的主要工作內(nèi)容

VV&A的技術(shù)如表2所示。

表2 VV&A技術(shù)方法[11]

仿真系統(tǒng)VV&A標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范分類如表3所示。

表3 VV&A標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范分類[11]

2 VV&A應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)射車仿真應(yīng)用情況

近十幾年來，發(fā)射車仿真技術(shù)的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，仿真技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品生命周期的所有過程中。應(yīng)用仿真技術(shù)開展了整車的平順性及安全性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的優(yōu)化、大型車架結(jié)構(gòu)件的靜動態(tài)特性分析與優(yōu)化、車輛安全性控制等工作，實(shí)現(xiàn)了基于剛?cè)岫囿w的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)整車、系統(tǒng)級特性分析與評價(jià)，同時(shí)開展了機(jī)電液聯(lián)合仿真的疲勞壽命分析，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科仿真優(yōu)化。

在發(fā)射車研發(fā)過程中引入全數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，通過基于生命周期的UG NX和Teamcenter研發(fā)平臺集成 NX NASTRAN結(jié)構(gòu)分析軟件、LMS Virtual Lab Motion動力學(xué)分析軟件、液壓控制軟件AMESim等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的產(chǎn)品研發(fā)流程與精細(xì)化仿真應(yīng)用的相結(jié)合，提升了協(xié)同仿真的工程應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品研發(fā)的高效率和集成創(chuàng)新能力。

在仿真應(yīng)用過程中同步開展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)，建立如下發(fā)射車仿真的相關(guān)規(guī)范：a）車架有限元計(jì)算規(guī)范；b）自行式發(fā)射車車架設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范；c）發(fā)射車用半掛車架設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范；d）發(fā)射車車架結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)范；e）仿真計(jì)算報(bào)告編寫規(guī)范；f）特種車底盤動力學(xué)建模與仿真規(guī)范。

2.2 發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用現(xiàn)狀

“十一五”期間，結(jié)合國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目進(jìn)行發(fā)射車建模與仿真，開展了VV&A技術(shù)的應(yīng)用研究，完成了發(fā)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(yàn)證策略與指標(biāo)、VV&A過程規(guī)范化等方面繼續(xù)開展研究工作，并通過承載結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)、發(fā)射車機(jī)動運(yùn)輸試驗(yàn)等實(shí)物試驗(yàn)對模型有效性進(jìn)行了驗(yàn)證和評估。

但是在發(fā)射車產(chǎn)品的建模與仿真過程中并沒有執(zhí)行正規(guī)的VV&A，也沒有建立相關(guān)的組織和規(guī)范。在仿真時(shí)僅僅對模型的真實(shí)有效性采用范例進(jìn)行驗(yàn)證，用理論結(jié)果或靜態(tài)結(jié)果對仿真模型進(jìn)行調(diào)校，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比的工作較為簡單。VV&A的技術(shù)和管理方法還沒有在實(shí)踐中得到推廣應(yīng)用。

3 發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用方法

3.1 VV&A應(yīng)用模式

根據(jù)VV&A理論和方法結(jié)合發(fā)射車研發(fā)及仿真的現(xiàn)狀，在VV&A應(yīng)用和實(shí)施時(shí)需要建立人員組織層次、確定仿真項(xiàng)目的VV&A應(yīng)用范圍和流程、制定VV&A的內(nèi)容及時(shí)間計(jì)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(shí)施人員、管理組、專家。實(shí)施人員由建模與仿真的一線人員、試驗(yàn)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(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)組成；專家人員由仿真專業(yè)資深專家和項(xiàng)目總師組成。

根據(jù)發(fā)射車研發(fā)及仿真應(yīng)用的工程實(shí)踐，發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用一般是針對系統(tǒng)級的相對復(fù)雜的仿真項(xiàng)目，如安全仿真、CFD仿真、NVH仿真，子系統(tǒng)如動力傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)艙熱管理等。對相對簡單的仿真項(xiàng)目如結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析，則根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和簡化的有效的校核與驗(yàn)證過程對建模與仿真實(shí)施可信度評估。

3.2 VV&A應(yīng)用流程

基于發(fā)射車建模與仿真的特點(diǎn)，從工程化角度建立發(fā)射車建模與仿真的VV&A流程。根據(jù)目前的仿真技術(shù)基礎(chǔ)和仿真發(fā)展要求，從發(fā)射車VV&A過程特點(diǎn)制定各階段的技術(shù)方法及應(yīng)用范圍。圖1中的流程以發(fā)射車動力學(xué)建模與仿真為例，實(shí)現(xiàn)建模與仿真及其VV&A流程的協(xié)同實(shí)施。

圖1 發(fā)射車建模與仿真的VV&A流程

3.3 VV&A應(yīng)用內(nèi)容及方法

3.3.1 校核內(nèi)容及方法

仿真校核的應(yīng)用方法包括非正規(guī)方法、靜態(tài)分析，其他方法如動態(tài)測試、符號分析、約束分析、理論證明等應(yīng)用需要建立相應(yīng)的VV&A工具，根據(jù)項(xiàng)目的時(shí)間、人力和經(jīng)費(fèi)允許的情況下優(yōu)選實(shí)施。

不同仿真類型的具體實(shí)施內(nèi)容有所差異，如發(fā)射車平順性動力學(xué)仿真校核內(nèi)容應(yīng)包括：

a）三維實(shí)體模型的校核：校對結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量參數(shù)和空間位置參數(shù)；

b）元器件質(zhì)量參數(shù)校核：核對發(fā)動機(jī)、變速箱、分動器、上裝的質(zhì)量和位置參數(shù)；

c）柔性體的校核：網(wǎng)格質(zhì)量、模態(tài)階數(shù)、接口位置、材料參數(shù)；

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

e）懸置環(huán)節(jié)校核：核對駕駛室懸置、發(fā)動機(jī)懸置、變速箱懸置的彈性參數(shù)和阻尼參數(shù)；

f）子模型校核：需要對子模型的輪胎、轉(zhuǎn)向節(jié)、擺臂、油氣彈簧進(jìn)行運(yùn)動學(xué)檢查、參數(shù)校對；

g）運(yùn)動副建模校核：校對約束自由度是否正確、核實(shí)關(guān)鍵點(diǎn)和實(shí)體是否正確連接；

h）多體液壓聯(lián)合仿真接口校核：檢查接口參數(shù)傳遞節(jié)點(diǎn)定位和接口定義選項(xiàng)的正確性；

i）輸入激勵(lì)校核：檢查數(shù)據(jù)來源，核實(shí)數(shù)據(jù)處理方法和過程；

j）動力學(xué)模型的校核：檢查模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、模型的簡化、模型各個(gè)部分之間的連接、試驗(yàn)工況的設(shè)置、各個(gè)測量點(diǎn)的設(shè)置是否正確，最后對初步仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行判斷，得出仿真結(jié)果是否與預(yù)期吻合；

k）專家評估方法：請仿真專家和產(chǎn)品、測試人員通過觀察模型運(yùn)行來判斷仿真是否符合實(shí)際，得出仿真系統(tǒng)及模型是否可信的結(jié)論。

3.3.2 驗(yàn)證內(nèi)容及方法

對發(fā)射車動力學(xué)仿真系統(tǒng)，難以從理論上驗(yàn)證模型的正確性和可信度，驗(yàn)證仿真模型和仿真結(jié)果的正確性方法是與實(shí)際試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)。常用驗(yàn)證方法有判斷比較法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、頻譜分析法、動態(tài)關(guān)聯(lián)分析法、靈敏度分析法、時(shí)間序列法，根據(jù)實(shí)際情況發(fā)射車建模與仿真的驗(yàn)證主要以判斷比較方式進(jìn)行。

根據(jù)發(fā)射車試驗(yàn)測試內(nèi)容，對發(fā)射車平順性仿真的驗(yàn)證主要有以下3個(gè)方面：

a）油氣彈簧的傳力驗(yàn)證：油氣彈簧是發(fā)射車輛最關(guān)鍵的載荷傳遞路徑和減振環(huán)節(jié)，因此從仿真結(jié)果中提取出油氣彈簧的力，與試驗(yàn)測試的力進(jìn)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(jié)果正確可信；

b）關(guān)鍵點(diǎn)振動特性驗(yàn)證：針對發(fā)射車輛最關(guān)注的乘員或設(shè)備比較振動加速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果，如果曲線趨勢和峰值一致，則認(rèn)為通過仿真驗(yàn)證；

c）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)證：對柔性體結(jié)構(gòu)點(diǎn)的動應(yīng)力仿真結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比較，判斷趨勢和峰值的一致性。

3.3.3 確認(rèn)內(nèi)容及方法

確認(rèn)內(nèi)容對所有仿真項(xiàng)目通用，根據(jù)建模仿真報(bào)告、校核報(bào)告、驗(yàn)證報(bào)告總結(jié)成確認(rèn)報(bào)告，最后由專家小組根據(jù)報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行綜合評價(jià)，確定仿真的可信度并得出是否確認(rèn)的結(jié)論，或指出改進(jìn)意見重新進(jìn)行建模與仿真和VV&A過程。

4 發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用發(fā)展途徑

4.1 VV&A的建設(shè)要素

針對發(fā)射車產(chǎn)品全生命周期的仿真應(yīng)用，從提高仿真的可信度出發(fā)，遵從研發(fā)模式的發(fā)展趨勢，制訂相應(yīng)的VV&A應(yīng)用和努力方向。在發(fā)射車生存能力仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，發(fā)射車建模與仿真的VV&A需要采取更多的先進(jìn)方法和工具、制定規(guī)范和流程，讓仿真可信度和VV&A的評估由定性向量化轉(zhuǎn)變。

VV&A應(yīng)用的要素如下：

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

b）人力建設(shè)：培養(yǎng)和培訓(xùn)VV&A團(tuán)隊(duì)，將VV&A的知識普及到系統(tǒng)管理人員、設(shè)計(jì)人員、開發(fā)人員、仿真人員和用戶，以保證所有參與人員緊密協(xié)作、互相理解支持；

c）基礎(chǔ)建設(shè)：進(jìn)行 VV&A支撐系統(tǒng)建設(shè)，開發(fā)及運(yùn)行過程中的監(jiān)控、測試、分析、評估工具，精細(xì)實(shí)施 VV&A指標(biāo)的定義、計(jì)算和獲取，形成權(quán)威的VV&A及仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文檔；

d）參數(shù)化建模：這對模型的調(diào)試、校核至關(guān)重要，更有利于模型的自動化校核和驗(yàn)證；

e）校核：開發(fā)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(shí)提高校核的標(biāo)準(zhǔn)和可信度；f）驗(yàn)證：采用直觀判斷、比較方法以外的其他理論工具方法進(jìn)行驗(yàn)證，提高自動化程度，實(shí)現(xiàn)量化指標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型修正的自動化；

g）確認(rèn)：實(shí)現(xiàn)報(bào)告文檔的自動化，對判斷進(jìn)行量化分析，實(shí)現(xiàn)客觀與主觀相結(jié)合的判斷方式。

4.2 VV&A應(yīng)用提高的措施對發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用提高措施如下：

a）從管理層面和仿真人員強(qiáng)化 VV&A的價(jià)值意識和時(shí)效觀念；

b）培養(yǎng)仿真和專家人才，建立VV&A專業(yè)能力；

c）加強(qiáng)仿真應(yīng)用程序和工具軟件的質(zhì)量評估；

d）加強(qiáng)建模和仿真過程的校驗(yàn)；

e）強(qiáng)化VV&A的獨(dú)立性；

f）逐步建立VV&A的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提高VV&A的工作效率和應(yīng)用實(shí)施的一致性；

g）加強(qiáng)VV&A工具軟件的投入；

h）針對重要仿真項(xiàng)目建立VV&A的固化流程。

5 結(jié)束語

發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用是仿真技術(shù)有效應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期過程的必要步驟，將VV&A的內(nèi)容及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范納入仿真流程中并踏實(shí)執(zhí)行是提高仿真可信度的根本。發(fā)射車建模與仿真的VV&A應(yīng)用雖然存在經(jīng)濟(jì)和人力投入多、組織構(gòu)建復(fù)雜和實(shí)施過程繁瑣等與過去仿真應(yīng)用習(xí)慣及管理方式不適應(yīng)的問題，但是從國內(nèi)外的應(yīng)用發(fā)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(yīng)用的高可信、高效率階段。

VV&A應(yīng)用的發(fā)展趨勢是減少各環(huán)節(jié)的人工工作以避免差錯(cuò)和非一致性，向校驗(yàn)工具集成、文檔自動生成和評價(jià)指標(biāo)量化的方向發(fā)展，進(jìn)一步向VV&A應(yīng)用的智能化發(fā)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(shè)計(jì)師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析和特種車動力學(xué)仿真分析