系统级产品“虚拟交装”研制模式探讨

Science_北京

不惧过往，不畏将来！

随着数字化设计、计算机仿真等技术的快速发展，产品设计人员通过“虚拟样机/虚拟原型”（Virtual Prototyping）实现了所设计产品的快速构建，对未来真实产品进行预感知、预实践，大幅提升产品的设计质量、设计效率，在工业工程研制领域中越来越普及、深化。该技术方法不仅适用于大型机电系统的研制，如早些年前的波音777飞机、近年来的福特级航母等大型产品，其研制过程实现了虚拟化、无图纸；其实，也更适合于大型分布式信息化指挥控制系统的研制，如大型枢纽机场的航空管制系统、军事C4ISR系统等，因为其虚拟样机与真实产品形态更为接近。对于军工领域的装备研制，由于武器装备的真实应用场合是战争，装备设计人员在科研过程中无法通过实战来验证设计，只能通过作战仿真检验装备设计的优劣，因此，武器装备的研制更需采用这种“虚拟样机”的技术途径。

采用“虚拟样机”的科研模式，不仅仅是科研人员设计、制造方式的革新和升级，整个产品研制周期的科研流程、项目管理方式等也将发生较大的变化，可以笼统地称其为“虚拟交装”研制模式。本文结合多年来在舰载复杂系统研制、企业研发体系和研发能力建设等方面的实践，以及对建模仿真技术的研究和实践，初步总结了对“虚拟交装”技术和方法的认识。

1.虚拟交装内涵及意义

虚拟交装是在产品研制的全寿期，利用建模与仿真技术，跟随于科研各阶段的产品设计方案，进行相应的仿真建模，构建产品的仿真原型（最终集成为完整产品的虚拟样机），并开发产品运行所需的模拟环境，开展虚拟产品仿真运行实验，通过实验以验证设计的优劣、查找问题和不足，以及挖掘该产品潜在的需求，从而优化设计，如此反复迭代，逐步推进科研进度，完善产品设计。在产品设计结束时，仿真原型已逐步沉淀完善为一套产品的虚拟样机。在以上研制过程的各阶段，以及转阶段，产品管理机构、管理人员可以通过对仿真原型及其动态实验进行直观评价。在产品设计结束时，产品的各利益相关者，尤其是最终客户，可以通过虚拟样机及其动态验证实验，评价、评审产品的设计。通过后，即可转入真实样机或产品的生产了。

传统的基于“文档”的系统级产品设计模式，主要存在以下弊端：

1）需求挖掘不足。系统级产品一般规模庞大，研制周期长，应用较复杂，其产品需求不可能在设计初期全部明确，而需要在研制过程中不断挖掘、完善。传统模式下，一般都是在产品设计结束后，才生产物理样机，进而进行全面的测试、试验。面对真实、完整的产品，还会暴露出大量的需求，进而再重新优化设计，导致研制周期、成本大幅升高。

2) 设计验证不足。传统模式下，在物理样机生产出来之前，设计人员、产品管理人员、用户等，主要是通过设计文档和图纸来评价设计的优劣。这种凭籍专家脑力、思考的检查、验证方式，其深度、广度是不足的。而只有在设计结束，生产出物理样机后，才能进行大量的测试、试验，期间，会发现大量的设计缺陷，进而返工优化设计，导致研制周期和成本的上升。

而采用虚拟交装的研制模式，恰能很好地解决以上问题。在这种模式下，研制过程中会针对仿真原型，大量、频繁、深入、便捷地开展仿真实验，且邀请到军方用户、相关协作工业部门等介入实验、讨论，显然，会极大提高深入挖掘需求的效果，也会及时深入地发现问题。因此，虚拟交装模式，也恰是“设计需求”的有效实践途径！

除了以上在复杂产品研制中的具体作用，虚拟交装模式下所构建的虚拟样机、仿真环境等，一方面，构成了企业的研发平台，为后续新产品的研制提供了有力的条件；再者，也可派生特定产品的模拟训练系统，提供给用户使用。因此，虚拟交装同时解决了研发企业的“产品研制——条件建设——产品训练”等系列问题。

2.虚拟交装方法

在产品论证阶段，按照预期产品的规划、设想，主要利用视景仿真技术等，编制仿真想定，对预立项研制产品的目标图像进行逼真、动态的三维演示，包括产品的使命、功能、组成、使用流程、应用价值等等，辅助人员分析决策。对于那些在已有版本上升级的产品，甚至可以在以往产品开发时生成的虚拟样机环境中，快速搭出立项新版本产品的初步仿真原型，供论证人员深入分析。

在产品方案设计阶段，依据方案设计初稿，利用分布交互仿真技术，构建出对应于研制产品的仿真原型，如对于以显控台为载体的指控系统类产品，显控台仿真原型的功能、界面、流程、内部模型、内外接口等等方面，与真实产品是高度一致的；同步构建该产品运行所依赖的外部环境的模拟系统；进而开展动态仿真实验，检验产品方案设计的优劣，提出优化要求和建议。随着方案设计的深入、完善，以上仿真原型、仿真环境都同步调整、完善。产品方案设计阶段结束时，传统方式下，只对方案设计报告进行评审；虚拟交装模式下，更要借助于产品仿真原型进行评审，直观评判产品设计方案设计的优劣。相比传统方式，审查的深度、广度、粒度显然高多了。

在产品技术设计阶段，类似于方案阶段，只是设计工作和仿真原型越来越深入了，依托于仿真原型、仿真实验，更加全面、深入地发现设计不足和缺陷，并深入地挖掘出产品的各类工况应用需求。技术设计阶段结束时，也要在转阶段评审时，增加对仿真原型的评审。此时，仿真原型已非常接近实际产品了，仿真环境也足够完善了，将其转换为模拟训练系统，也是水到渠成的。

在样机测试阶段，测试的对象是真实产品（或物理样机），显然，之前阶段的运行环境仿真系统可直接作为测试的支撑环境。此阶段发现的一些较大的产品修改工作，可在仿真原型上先行试改试验，从而加快样机修改工作。测试工作结束后，产品的最终状态，同步在仿真原型中修改。

在产品技术支持阶段，仿真原型及仿真环境仍然具有重要支撑作用：

1）用户在使用、训练中发现的产品问题，研制部门可以依托内场的仿真原型系统，进行问题复现、问题分析、问题修改等，提升支撑用户的能力和效率；

2）仿真原型及运行环境，构成模拟训练产品，交付用户专门开展训练；

3）仿真原型及运行环境，部署在研制部门实验室，是研发新技术、新产品的重要平台。 

总之，采用以上虚拟交装方法，其方法本质及优点可概括为：

1) 仿真原型、开发快捷、所见即所得、动态逼真实验验证、快速迭代修改，这是实装开发远远不能做到的。正是通过仿真原型，使得设计人员能够快捷、直观地验证，面向未来各种使用工况深度地设计产品，以及充分地挖掘了潜在产品需求。

2) 装备设计人员和仿真人员，装备设计工作和仿真实验工作紧密地融合在一起，形成了科研合力。（换言之，科研办公网的工作和实验网的工作完全融合在一起了，解决了科研一线和仿真工作两张皮的问题。）

3.关键技术和难点问题

1）标准与规范

首先是技术方面的标准和规范。系统级产品，由于规模大、涉及专业多，其虚拟样机各组成部分，在各个研制阶段，需要开展相应的设计、建模、仿真、实验等工作，并逐步集成为完整的产品，进行联合仿真。因此，为确保产品同级系统之间，以及产品上下游的有机衔接，需要制定统一的设计、建模、仿真、实验等规范和标准，确保各子系统的研发有序开展，并适时便捷集成。一般而言，在子系统研制阶段，各研制单位可以使用成熟的专业数字化设计工具开展产品设计；在系统集成仿真时，需将专业设计工具生成的模型进行适配转化，按统一标准修改或重构模型。例如，基于MATLAB设计的某控制模型，改写成符合HLA规范的一个联邦成员，与其他成员进行实时动态交互。

其次是管理方面的标准和规范。在产品研制过程中，针对虚拟交装的特点，其科研管理工作也需制定适宜的规范或标准，如科研阶段的划分，各阶段的管理要求、交付物要求、检验方式和要求等。

2）虚拟样机技术

系统级的产品，又包括复杂机电产品、复杂信息系统等多种类型，甚至是多种类型的综合，其虚拟样机系统显然会非常复杂。除了产品本身的虚拟样机系统以外，还需构建产品运行环境的模拟系统，以及仿真管理和评估系统等等，以支撑仿真实验的开展。因此，如何构建各种类型产品的虚拟样机及其虚拟运行环境，是实施虚拟交装的关键技术问题。

虚拟样机、仿真支撑环境是对不同专业对象的模拟，而在仿真实验时，各个仿真节点将进行深度地数据通信和行为交互，如何将它们无缝地连接集成起来，又是系统整体架构设计中的核心问题。并且，随着工程设计的深入，各仿真节点需要不断地修改、细化，如何保证仿真系统及其各节点柔性化、可扩展，是另一个重要问题。

因此，可采用统一、适宜的分布交互仿真技术和标准搭建整体系统框架，确保“可重用、互操作”的实现。首先，复杂产品的各子系统、部件基于特定的专业工具进行设计，生成其在专业环境下模型或虚拟样机，如利用CATIA进行外形设计、强度分析。当各子系统设计相对固化时，根据各子系统方案，并遵循统一建模与仿真规范开发仿真原型，集成为综合系统，通过仿真实验评价多个子系统综合后的动态特性。

在实际应用中，由于某些实体无法用数字方法精确建模或实时仿真，需采用物理效应设备模拟。因此统一仿真框架需兼容半实物仿真的模式。例如，对于采用HLA的统一规范，可开发适配器跨接于HLA联邦与物理仿真设备之中，以现场总线、反射内存等方式实现物理设备与现适配之间的高速通讯，以HLA规则实现适配器与联邦之间的通信。

当新增物理效应设备，构建虚实结合的仿真系统时，时间同步也经常会成为一个难点。一般而言，分布式虚拟样机在构建之初就配置了专门的时统设备，可将其时间同步信号和时间码直接以串口、以太网络等形式传递给物理设备，检验、同步时间。由于数字化系统的实时性差、精准度低，可能无法满足实物设备的高实时性要求，可采用适宜的插值方法在一个时统信号之间插入更小的时间步长。

3）管理问题

传统的科研模式下，各行业都有其成熟的系统级产品研制程序和管理制度。而虚拟交装的科研模式，是生产力的变革，相应的产品科研程序、管理制度需进行相应的调整，甚至是变革，主要包括以下几个方面：

 （1）产品研制上下游之间的贯通。传统研制模式下，上级系统单位主要通过审查文档、图纸等方式，监督检查下级单位的设计工作，在科研末期通过物理样机集成测试的方式，检查产品是否能够集成、是否满足设计和研制要求。而在虚拟样机研制模式下，需要在研制程序中强制规定，在科研各阶段增加仿真原型的开发。因此，上级单位对下级单位的设计审查，增加了对其仿真原型的直观检查评价；上级单位对下级单位产品的集成，增加了仿真原型之间的集成和实验。

（2）单位内部质量监督检验方式的变革。传统研制模式下，各单位的科研和质量管理部门，对其承研的子系统科研全周期进行监督检查，主要是转阶段的评审，阶段中对设计文档、图纸的抽查，以及样机生产后，出厂前的检验等。在虚拟样机研制模式下，单位的科研和质量管理部门新增了对仿真原型的检查，包括科研阶段过程中的随机检查，和转阶段审查时的检查；而在技术设计结束，物理样式生产之前，需增加对虚拟样机的测试和评审（黑盒测试形式，是对产品功能、性能的测试，并非对虚拟样机本身的测试）。

（3）用户的监督和检验方式的变革。传统研制模式下，用户及其代表也可能会在科研过程中随机检查设计的状态，以及会在重要的里程碑阶段进行专门的评审，检查、评审的对象主要是设计文档和图纸。在虚拟样机研制模式下，用户也可在科研过程中、转阶段评审时，对仿真原型进行审查和评价，特别是在技术设计结束时，对由各子系统仿真原型集成后产品虚拟样机进行直观的检查、检验，确保产品满足设计要求。

4.与精益研发、Dodaf、MBSE、INCOSE系统工程方法的关系

当前，国内工业设计领域的众多科研单位都在大力开展研发能力的建设和提升，实施了诸如精益研发、MBSE、INCOSE系统工程方法等专项建设。虚拟交装的科研模式与这些能力建设工作是辩证统一的。

精益研发是许多科研院所正在构建的一种整体研发能力体系架构，其中主要组成包括研发流程、综合设计、质量管理、底层资源支撑等。在其基础上，构建虚拟交装科研模式，是对精益研发的深化和完善，同时，精益研发体系架构也为虚拟交装的构建奠定了扎实的基础。首先，精益研发科研流程中需指定虚拟交装所对应的步骤、内容、要求、准则等等，综合设计要明确规定其工具、接口、成果等；质量管理要明确规定其监督、检验、验收等要求；底层资源支撑要建设相关数据、模型、工具等资源，等等，不一而足。

MBSE是一种系统工程的方法，强调基于模型来描述对系统的设计。而虚拟交装全过程的重要特征就是建模与仿真，显然是适合系统级产品研制企业业务特征的MBSE。现当下，IBM的Harmonny MBSE方法核心特征是使用Raphsody软件，在单机上开展系统体系结构的设计、建模，而此类工作，在大系统研发的过程中，只适用于论证阶段、方案阶段的系统总体设计，技术设计阶段各专业的详细设计，还需依赖其他专业设计工具，以及在研制全寿期，还需开展大量的仿真原型的开发、实验等工作。因此，虚拟交装是对MBSE方法的延续和完善。

Dodaf、INCOSE系统工程方法是系统工程研发的规范、参考手册。一方面，在利用Raphsody开展设计时，系统级产品的总体设计单位及各子系统的专业设计人员可以选择Raphsody软件中的Dodaf工程模式，从8个视点、52个视图描述系统架构设计、组成、逻辑等设计；另一方面，系统中软件设计人员可以选择SysML工程模式，遵从INCOSE系统工程手册的指导，利用用例图、活动图、顺序图等描述软件部分的设计 。Dodaf、INCOSE系统工程方法是精益研发体系中相关的系统设计方法。在虚拟交装的科研模式中，首先需要开展设计工作，因此，Dodaf、INCOSE系统工程方法可看作是虚拟交装模式的有机组成。

5.实践案例

在某一项舰载系统的研制中，成功实施了以上的虚拟交装模式。该系统的功能是探测空中运动物体的位置和运动状态，进而给出指挥和控制指令。首先，在方案阶段早期，利用HLA分布交互仿真技术，构建了所研制系统的仿真原型（包括若干显示控制台设备、探测设备、舰船导航设备、数据通讯设备等），为搭建仿真实验环境，同步构建了空中运动目标的高精度模拟器、6自由度舰船航行模拟器、气象水文模拟器等，整体集成为HLA联邦。产品系统的设计人员、用户人员，以及产品外围关联系统的设计人员等，在科研全过程，多次围绕此原型系统开展研讨、会商，挖掘产品潜在需求，针对产品系统的组成、功能、部署、各工况流程、显控台人机界面、核心模型等等进行了演示、验证、研讨，并发现了各设计阶段的大量设计缺陷和隐患，如工作流程的冲突、接口设计的缺失、控制模型的错误与部署不当等等，从而及早纠正、深化了设计。

随着方案设计的推进、技术设计的推进，产品的仿真原型是逐步细化和完善的，至技术设计结束时，从人机界面、台位功能、指挥关系、工作台内模型等，与实装是基本一致的。在真实样机测试时，由于前期消除了大量设计错误和隐患，该舰载系统的修改量非常之小，相比传统研制模式下的其他同类产品，设计质量、效率明显提高。并且，基于虚拟样机及运行环境，为用户开展了先期的产品使用培训工作，也极大提升了用户后续应用工作的效率和质量；同时，该虚拟样机及运行环境也成为研发单位内研发平台的重要组成。

6.结语

虚拟交装本质就是开展数字化设计，以仿真辅助设计验证和优化。对于基于“文档＋物理样机”模式的工业设计企业，虚拟交装可以实现其科研模式质的转变、提升。

实施虚拟交装，要从管理、技术两个维度同时发力，相辅相成。管理上，质量体系中要有强制规定，一是在科研过程中要对仿真原型开发和应用提出总体要求；二是在科研转阶段时要通过仿真原型校验设计方案是否到位、合格。在科研过程中、转阶段节点上，尽可能邀请用户等外部核心人员方参与。当虚拟交装的模式成熟时，甚至能够影响用户，调整其产品研制程序和顶层要求，以适应研发企业的科研模式，为虚拟交装构建良好的外部环境，同时，也形成了企业的技术门槛。技术上，主要是选好工具、平台，采用、制定适宜的标准、规范，在装备研制过程中，开展相应的建模、仿真、优化工作。另外，企业实施虚拟交装，要因地制宜，制定合理的策略。主要策略是：先选择部分专业、特色项目，结合企业研发体系专项建设工作，开展试行，成熟后，逐步推广。