系統級產品“虛擬交裝”研製模式探討_風聞

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隨着數字化設計、計算機仿真等技術的快速發展，產品設計人員通過“虛擬樣機/虛擬原型”（Virtual Prototyping）實現了所設計產品的快速構建，對未來真實產品進行預感知、預實踐，大幅提升產品的設計質量、設計效率，在工業工程研製領域中越來越普及、深化。該技術方法不僅適用於大型機電系統的研製，如早些年前的波音777飛機、近年來的福特級航母等大型產品，其研製過程實現了虛擬化、無圖紙；其實，也更適合於大型分佈式信息化指揮控制系統的研製，如大型樞紐機場的航空管制系統、軍事C4ISR系統等，因為其虛擬樣機與真實產品形態更為接近。對於軍工領域的裝備研製，由於武器裝備的真實應用場合是戰爭，裝備設計人員在科研過程中無法通過實戰來驗證設計，只能通過作戰仿真檢驗裝備設計的優劣，因此，武器裝備的研製更需採用這種“虛擬樣機”的技術途徑。

採用“虛擬樣機”的科研模式，不僅僅是科研人員設計、製造方式的革新和升級，整個產品研製週期的科研流程、項目管理方式等也將發生較大的變化，可以籠統地稱其為“虛擬交裝”研製模式。本文結合多年來在艦載複雜系統研製、企業研發體系和研發能力建設等方面的實踐，以及對建模仿真技術的研究和實踐，初步總結了對“虛擬交裝”技術和方法的認識。

1.虛擬交裝內涵及意義

虛擬交裝是在產品研製的全壽期，利用建模與仿真技術，跟隨於科研各階段的產品設計方案，進行相應的仿真建模，構建產品的仿真原型（最終集成為完整產品的虛擬樣機），並開發產品運行所需的模擬環境，開展虛擬產品仿真運行實驗，通過實驗以驗證設計的優劣、查找問題和不足，以及挖掘該產品潛在的需求，從而優化設計，如此反覆迭代，逐步推進科研進度，完善產品設計。在產品設計結束時，仿真原型已逐步沉澱完善為一套產品的虛擬樣機。在以上研製過程的各階段，以及轉階段，產品管理機構、管理人員可以通過對仿真原型及其動態實驗進行直觀評價。在產品設計結束時，產品的各利益相關者，尤其是最終客户，可以通過虛擬樣機及其動態驗證實驗，評價、評審產品的設計。通過後，即可轉入真實樣機或產品的生產了。

傳統的基於“文檔”的系統級產品設計模式，主要存在以下弊端：

**1）需求挖掘不足。**系統級產品一般規模龐大，研製週期長，應用較複雜，其產品需求不可能在設計初期全部明確，而需要在研製過程中不斷挖掘、完善。傳統模式下，一般都是在產品設計結束後，才生產物理樣機，進而進行全面的測試、試驗。面對真實、完整的產品，還會暴露出大量的需求，進而再重新優化設計，導致研製週期、成本大幅升高。

**2) 設計驗證不足。**傳統模式下，在物理樣機生產出來之前，設計人員、產品管理人員、用户等，主要是通過設計文檔和圖紙來評價設計的優劣。這種憑籍專家腦力、思考的檢查、驗證方式，其深度、廣度是不足的。而只有在設計結束，生產出物理樣機後，才能進行大量的測試、試驗，期間，會發現大量的設計缺陷，進而返工優化設計，導致研製週期和成本的上升。

而採用虛擬交裝的研製模式，恰能很好地解決以上問題。在這種模式下，研製過程中會針對仿真原型，大量、頻繁、深入、便捷地開展仿真實驗，且邀請到軍方用户、相關協作工業部門等介入實驗、討論，顯然，會極大提高深入挖掘需求的效果，也會及時深入地發現問題。因此，虛擬交裝模式，也恰是“設計需求”的有效實踐途徑！

除了以上在複雜產品研製中的具體作用，虛擬交裝模式下所構建的虛擬樣機、仿真環境等，一方面，構成了企業的研發平台，為後續新產品的研製提供了有力的條件；再者，也可派生特定產品的模擬訓練系統，提供給用户使用。因此，虛擬交裝同時解決了研發企業的“產品研製——條件建設——產品訓練”等系列問題。

2.虛擬交裝方法

在產品論證階段，按照預期產品的規劃、設想，主要利用視景仿真技術等，編制仿真想定，對預立項研製產品的目標圖像進行逼真、動態的三維演示，包括產品的使命、功能、組成、使用流程、應用價值等等，輔助人員分析決策。對於那些在已有版本上升級的產品，甚至可以在以往產品開發時生成的虛擬樣機環境中，快速搭出立項新版本產品的初步仿真原型，供論證人員深入分析。

在產品方案設計階段，依據方案設計初稿，利用分佈交互仿真技術，構建出對應於研製產品的仿真原型，如對於以顯控台為載體的指控系統類產品，顯控台仿真原型的功能、界面、流程、內部模型、內外接口等等方面，與真實產品是高度一致的；同步構建該產品運行所依賴的外部環境的模擬系統；進而開展動態仿真實驗，檢驗產品方案設計的優劣，提出優化要求和建議。隨着方案設計的深入、完善，以上仿真原型、仿真環境都同步調整、完善。產品方案設計階段結束時，傳統方式下，只對方案設計報告進行評審；虛擬交裝模式下，更要藉助於產品仿真原型進行評審，直觀評判產品設計方案設計的優劣。相比傳統方式，審查的深度、廣度、粒度顯然高多了。

在產品技術設計階段，類似於方案階段，只是設計工作和仿真原型越來越深入了，依託於仿真原型、仿真實驗，更加全面、深入地發現設計不足和缺陷，並深入地挖掘出產品的各類工況應用需求。技術設計階段結束時，也要在轉階段評審時，增加對仿真原型的評審。此時，仿真原型已非常接近實際產品了，仿真環境也足夠完善了，將其轉換為模擬訓練系統，也是水到渠成的。

在樣機測試階段，測試的對象是真實產品（或物理樣機），顯然，之前階段的運行環境仿真系統可直接作為測試的支撐環境。此階段發現的一些較大的產品修改工作，可在仿真原型上先行試改試驗，從而加快樣機修改工作。測試工作結束後，產品的最終狀態，同步在仿真原型中修改。

在產品技術支持階段，仿真原型及仿真環境仍然具有重要支撐作用：

1）用户在使用、訓練中發現的產品問題，研製部門可以依託內場的仿真原型系統，進行問題復現、問題分析、問題修改等，提升支撐用户的能力和效率；

2）仿真原型及運行環境，構成模擬訓練產品，交付用户專門開展訓練；

3）仿真原型及運行環境，部署在研製部門實驗室，是研發新技術、新產品的重要平台。 

總之，採用以上虛擬交裝方法，其方法本質及優點可概括為：

1) 仿真原型、開發快捷、所見即所得、動態逼真實驗驗證、快速迭代修改，這是實裝開發遠遠不能做到的。正是通過仿真原型，使得設計人員能夠快捷、直觀地驗證，面向未來各種使用工況深度地設計產品，以及充分地挖掘了潛在產品需求。

2) 裝備設計人員和仿真人員，裝備設計工作和仿真實驗工作緊密地融合在一起，形成了科研合力。（換言之，科研辦公網的工作和實驗網的工作完全融合在一起了，解決了科研一線和仿真工作兩張皮的問題。）

3.關鍵技術和難點問題

1）標準與規範

首先是技術方面的標準和規範。系統級產品，由於規模大、涉及專業多，其虛擬樣機各組成部分，在各個研製階段，需要開展相應的設計、建模、仿真、實驗等工作，並逐步集成為完整的產品，進行聯合仿真。因此，為確保產品同級系統之間，以及產品上下游的有機銜接，需要制定統一的設計、建模、仿真、實驗等規範和標準，確保各子系統的研發有序開展，並適時便捷集成。一般而言，在子系統研製階段，各研製單位可以使用成熟的專業數字化設計工具開展產品設計；在系統集成仿真時，需將專業設計工具生成的模型進行適配轉化，按統一標準修改或重構模型。例如，基於MATLAB設計的某控制模型，改寫成符合HLA規範的一個聯邦成員，與其他成員進行實時動態交互。

其次是管理方面的標準和規範。在產品研製過程中，針對虛擬交裝的特點，其科研管理工作也需制定適宜的規範或標準，如科研階段的劃分，各階段的管理要求、交付物要求、檢驗方式和要求等。

2）虛擬樣機技術

系統級的產品，又包括複雜機電產品、複雜信息系統等多種類型，甚至是多種類型的綜合，其虛擬樣機系統顯然會非常複雜。除了產品本身的虛擬樣機系統以外，還需構建產品運行環境的模擬系統，以及仿真管理和評估系統等等，以支撐仿真實驗的開展。因此，如何構建各種類型產品的虛擬樣機及其虛擬運行環境，是實施虛擬交裝的關鍵技術問題。

虛擬樣機、仿真支撐環境是對不同專業對象的模擬，而在仿真實驗時，各個仿真節點將進行深度地數據通信和行為交互，如何將它們無縫地連接集成起來，又是系統整體架構設計中的核心問題。並且，隨着工程設計的深入，各仿真節點需要不斷地修改、細化，如何保證仿真系統及其各節點柔性化、可擴展，是另一個重要問題。

因此，可採用統一、適宜的分佈交互仿真技術和標準搭建整體系統框架，確保“可重用、互操作”的實現。首先，複雜產品的各子系統、部件基於特定的專業工具進行設計，生成其在專業環境下模型或虛擬樣機，如利用CATIA進行外形設計、強度分析。當各子系統設計相對固化時，根據各子系統方案，並遵循統一建模與仿真規範開發仿真原型，集成為綜合系統，通過仿真實驗評價多個子系統綜合後的動態特性。

在實際應用中，由於某些實體無法用數字方法精確建模或實時仿真，需採用物理效應設備模擬。因此統一仿真框架需兼容半實物仿真的模式。例如，對於採用HLA的統一規範，可開發適配器跨接於HLA聯邦與物理仿真設備之中，以現場總線、反射內存等方式實現物理設備與現適配之間的高速通訊，以HLA規則實現適配器與聯邦之間的通信。

當新增物理效應設備，構建虛實結合的仿真系統時，時間同步也經常會成為一個難點。一般而言，分佈式虛擬樣機在構建之初就配置了專門的時統設備，可將其時間同步信號和時間碼直接以串口、以太網絡等形式傳遞給物理設備，檢驗、同步時間。由於數字化系統的實時性差、精準度低，可能無法滿足實物設備的高實時性要求，可採用適宜的插值方法在一個時統信號之間插入更小的時間步長。

3）管理問題

傳統的科研模式下，各行業都有其成熟的系統級產品研製程序和管理制度。而虛擬交裝的科研模式，是生產力的變革，相應的產品科研程序、管理制度需進行相應的調整，甚至是變革，主要包括以下幾個方面：

 （1）產品研製上下游之間的貫通。傳統研製模式下，上級系統單位主要通過審查文檔、圖紙等方式，監督檢查下級單位的設計工作，在科研末期通過物理樣機集成測試的方式，檢查產品是否能夠集成、是否滿足設計和研製要求。而在虛擬樣機研製模式下，需要在研製程序中強制規定，在科研各階段增加仿真原型的開發。因此，上級單位對下級單位的設計審查，增加了對其仿真原型的直觀檢查評價；上級單位對下級單位產品的集成，增加了仿真原型之間的集成和實驗。

（2）單位內部質量監督檢驗方式的變革。傳統研製模式下，各單位的科研和質量管理部門，對其承研的子系統科研全週期進行監督檢查，主要是轉階段的評審，階段中對設計文檔、圖紙的抽查，以及樣機生產後，出廠前的檢驗等。在虛擬樣機研製模式下，單位的科研和質量管理部門新增了對仿真原型的檢查，包括科研階段過程中的隨機檢查，和轉階段審查時的檢查；而在技術設計結束，物理樣式生產之前，需增加對虛擬樣機的測試和評審（黑盒測試形式，是對產品功能、性能的測試，並非對虛擬樣機本身的測試）。

（3）用户的監督和檢驗方式的變革。傳統研製模式下，用户及其代表也可能會在科研過程中隨機檢查設計的狀態，以及會在重要的里程碑階段進行專門的評審，檢查、評審的對象主要是設計文檔和圖紙。在虛擬樣機研製模式下，用户也可在科研過程中、轉階段評審時，對仿真原型進行審查和評價，特別是在技術設計結束時，對由各子系統仿真原型集成後產品虛擬樣機進行直觀的檢查、檢驗，確保產品滿足設計要求。

4.與精益研發、Dodaf、MBSE、INCOSE系統工程方法的關係

當前，國內工業設計領域的眾多科研單位都在大力開展研發能力的建設和提升，實施了諸如精益研發、MBSE、INCOSE系統工程方法等專項建設。虛擬交裝的科研模式與這些能力建設工作是辯證統一的。

精益研發是許多科研院所正在構建的一種整體研發能力體系架構，其中主要組成包括研發流程、綜合設計、質量管理、底層資源支撐等。在其基礎上，構建虛擬交裝科研模式，是對精益研發的深化和完善，同時，精益研發體系架構也為虛擬交裝的構建奠定了紮實的基礎。首先，精益研發科研流程中需指定虛擬交裝所對應的步驟、內容、要求、準則等等，綜合設計要明確規定其工具、接口、成果等；質量管理要明確規定其監督、檢驗、驗收等要求；底層資源支撐要建設相關數據、模型、工具等資源，等等，不一而足。

MBSE是一種系統工程的方法，強調基於模型來描述對系統的設計。而虛擬交裝全過程的重要特徵就是建模與仿真，顯然是適合系統級產品研製企業業務特徵的MBSE。現當下，IBM的Harmonny MBSE方法核心特徵是使用Raphsody軟件，在單機上開展系統體系結構的設計、建模，而此類工作，在大系統研發的過程中，只適用於論證階段、方案階段的系統總體設計，技術設計階段各專業的詳細設計，還需依賴其他專業設計工具，以及在研製全壽期，還需開展大量的仿真原型的開發、實驗等工作。因此，虛擬交裝是對MBSE方法的延續和完善。

Dodaf、INCOSE系統工程方法是系統工程研發的規範、參考手冊。一方面，在利用Raphsody開展設計時，系統級產品的總體設計單位及各子系統的專業設計人員可以選擇Raphsody軟件中的Dodaf工程模式，從8個視點、52個視圖描述系統架構設計、組成、邏輯等設計；另一方面，系統中軟件設計人員可以選擇SysML工程模式，遵從INCOSE系統工程手冊的指導，利用用例圖、活動圖、順序圖等描述軟件部分的設計 。Dodaf、INCOSE系統工程方法是精益研發體系中相關的系統設計方法。在虛擬交裝的科研模式中，首先需要開展設計工作，因此，Dodaf、INCOSE系統工程方法可看作是虛擬交裝模式的有機組成。

5.實踐案例

在某一項艦載系統的研製中，成功實施了以上的虛擬交裝模式。該系統的功能是探測空中運動物體的位置和運動狀態，進而給出指揮和控制指令。首先，在方案階段早期，利用HLA分佈交互仿真技術，構建了所研製系統的仿真原型（包括若干顯示控制枱設備、探測設備、艦船導航設備、數據通訊設備等），為搭建仿真實驗環境，同步構建了空中運動目標的高精度模擬器、6自由度艦船航行模擬器、氣象水文模擬器等，整體集成為HLA聯邦。產品系統的設計人員、用户人員，以及產品外圍關聯繫統的設計人員等，在科研全過程，多次圍繞此原型系統開展研討、會商，挖掘產品潛在需求，針對產品系統的組成、功能、部署、各工況流程、顯控台人機界面、核心模型等等進行了演示、驗證、研討，並發現了各設計階段的大量設計缺陷和隱患，如工作流程的衝突、接口設計的缺失、控制模型的錯誤與部署不當等等，從而及早糾正、深化了設計。

隨着方案設計的推進、技術設計的推進，產品的仿真原型是逐步細化和完善的，至技術設計結束時，從人機界面、台位功能、指揮關係、工作台內模型等，與實裝是基本一致的。在真實樣機測試時，由於前期消除了大量設計錯誤和隱患，該艦載系統的修改量非常之小，相比傳統研製模式下的其他同類產品，設計質量、效率明顯提高。並且，基於虛擬樣機及運行環境，為用户開展了先期的產品使用培訓工作，也極大提升了用户後續應用工作的效率和質量；同時，該虛擬樣機及運行環境也成為研發單位內研發平台的重要組成。

6.結語

虛擬交裝本質就是開展數字化設計，以仿真輔助設計驗證和優化。對於基於“文檔＋物理樣機”模式的工業設計企業，虛擬交裝可以實現其科研模式質的轉變、提升。

實施虛擬交裝，要從管理、技術兩個維度同時發力，相輔相成。管理上，質量體系中要有強制規定，一是在科研過程中要對仿真原型開發和應用提出總體要求；二是在科研轉階段時要通過仿真原型校驗設計方案是否到位、合格。在科研過程中、轉階段節點上，儘可能邀請用户等外部核心人員方參與。當虛擬交裝的模式成熟時，甚至能夠影響用户，調整其產品研製程序和頂層要求，以適應研發企業的科研模式，為虛擬交裝構建良好的外部環境，同時，也形成了企業的技術門檻。技術上，主要是選好工具、平台，採用、制定適宜的標準、規範，在裝備研製過程中，開展相應的建模、仿真、優化工作。另外，企業實施虛擬交裝，要因地制宜，制定合理的策略。主要策略是：先選擇部分專業、特色項目，結合企業研發體系專項建設工作，開展試行，成熟後，逐步推廣。

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創新體系工程基礎理論和方法

推動系統工程理論再發展