虚拟仿真技术在装备型号论证中的应用

田志刚,邢士勇,赵 凯,徐博宁

(1.北京特种机电研究所，北京 100012;2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

型号论证是装备建设发展的重要阶段，一般包括综合论证和研制总要求论证两个过程。虚拟仿真技术当前多用于进行装备操作模拟训练、装配使用、红蓝对抗仿真等方面，但如何应用于型号论证阶段是一个值得研究的问题。笔者主要针对型号论证中总体方案论证，即总体布局、战技指标和作战使用三个方面展开论述。在总体布局方面，重点研究如何将虚拟样机技术应用于型号论证中；在战技指标论证中，重点论述如何将常用的仿真技术应用于型号论证过程中；在作战使用研究部分，重点对如何将装备在虚拟战场中的使用信息反馈到型号论证过程，用于校正某些重点指标。最后将以实例的形式给出简单说明。

1 虚拟仿真及虚拟样机技术概述

在美国国防部的定义中，根据人参与仿真的程度，仿真被分为实况仿真、构造仿真以及虚拟仿真。一般认为，将虚拟现实与系统仿真结合起来成为一个有机整体，利用虚拟现实技术来对系统进行仿真就是虚拟仿真。可以认为虚拟仿真是一种典型的人在回路仿真。系统仿真是虚拟仿真技术的基础，其本质是一个计算和调度的过程；虚拟现实技术则是虚拟仿真技术的核心，是一种运用计算机硬、软件技术生成三维虚拟环境的人机界面技术。依据不同的表现方式，可以认为虚拟仿真是可视化仿真、多媒体仿真和视景仿真的发展。可视化仿真是将仿真中的数字信息转化为更加直观的、通过图形或图像形式来表示的且随着时间和空间变化的仿真过程，通过可视化技术可以为用户呈现生动形象的仿真。多媒体仿真采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息，是使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。视景仿真是虚拟现实技术的重要表现形式，可以使用户产生身临其境的感受到交互式仿真环境，实现自然交互。虚拟仿真技术在军事上的应用主要有虚拟战场和仿真实体两个方面。虚拟战场环境是指某一作战区域中除人员与武器装备以外的客观环境，包括地形地貌、气象以及电磁环境等。仿真实体一般包括作战实体，如坦克、飞机、高炮、导弹等[1-2]。

虚拟样机是一个复杂的系统，主要表现在组成关系复杂、与外界环境的交互关系复杂、开发过程复杂、涉及的仿真类型和学科众多、应用广泛等。虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体，主要包括CAD模型、产品的外观表现模型、产品的功能模型和性能仿真模型、产品的各种分析模型(可制造性、可装配性等)、产品的使用和维护模型和环境模型等。虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，以CAX/DFX技术为基础，以协同仿真技术为核心的先进的数字化设计方法，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字化模型就是虚拟样机，能从视觉等多个方面模拟真实产品[3-5]。

在工程应用上，虚拟仿真技术多用于装备体系的对抗演练，虚拟样机技术多应用于设备的装配模拟、维修演示等方面。在工业产品的设计生产中，多将虚拟样机应用于整个产品的开发与生产过程，但在武器装备的论证中(综合论证和研制总要求论证)中较少用到上述两种技术，笔者旨在对这两个方面进行讨论。

2 虚拟仿真技术在型号论证中的应用

2.1 虚拟样机技术在装备总体布局论证中的应用

在装备的综合论证阶段，需要对武器系统的总体设计方案进行分析论证，根据不同的方案，依据作战效能和成本情况等因素进行取舍。一个武器系统的构成往往包括火力系统、雷达系统、光电系统和通信系统等多个方面，这些不同的系统需要集成在同一底盘上，同时武器系统的总体质量(战斗全重)又是制约系统构成的重要因素，总体的质量直接影响到武器系统的机动性能、射击性能等多个方面。因此，综合论证阶段上总体布局的论证，是进行方案选择的重要内容。在总体布局的论证中，往往需要进行对所用炮塔类型、雷达系统的形状(天线形状、口径变化等)、光电系统的体积以及各个系统的安放位置进行分析，同时需要对炮塔内部的供输弹系统、通信系统、雷达与光电设备操作系统等内容进行详细的分析，同时也可以对武器系统内部的人机环情况进行分析。论证方案的选择依据之一就是外部设备是否相互之间会发生干涉、内部设备的操作是否方便以及是否具备更好的人机环条件等。

借助虚拟样机技术可以较好地对上述内容进行分析。当然，在综合论证阶段，很难将所有因素考虑在内，只能在总体指标的限定条件下进行分析。在本阶段上所开发构建的装备虚拟样机也较为粗略，这时的装备虚拟样机是面向论证的而不是面向生产的。通过虚拟样机技术中的CAD和CAE等分析建模技术，可以初步建立装备的论证虚拟样机，在装备体积、质量以及射击等指标的约束之下，可以对武器系统的总体布局进行分析研究。这一阶段上主要完成系统三维模型的建立，其过程可以参考相似装备的二维图纸，将之开发为三维模型，进而修改为适合本武器系统的三维模型。

2.2 虚拟仿真技术在战技指标论证中的应用

战技指标的论证是武器系统综合论证的又一项重要内容，可以认为战技指标论证的充分与否直接关系到武器系统的性能实现，从而直接决定了武器系统的功能定位。战技指标的论证可以大致分为综合论证阶段上的指标论证和研制总要求阶段上的指标论证两个方面。在不同的方面，具体关注的指标不同，即重点论证的指标不同，这是因为在这两个阶段，需要支撑的内容不同。

在综合论证阶段，所提出和论证的指标往往侧重于总体指标，即在考虑总体性能实现的前提下，提出的指标是否能够实现作战意图。此阶段重点是对军事需求、任务定位、武器系统组成以及作战效能等进行论证。其中军事需求的论证往往是重点内容，这是因为立项研制一个新的武器系统，需要对其在作战中的地位作用进行首先分析。因此，这一阶段上所提出的总体指标，主要是围绕是否可以实现作战意图，即军事需求来展开的。重点对有效射程、射击精度、毁歼概率、机动性能、雷达威力、光电系统精度以及各个系统之间指标的匹配性进行分析和研究。

在研制总要求论证阶段，是对综合论证阶段上各项指标的细化和进一步论证。这一阶段上论证的成果将直接面向装备的设计和研制，同时也是设备定型中的法规性文件，这一阶段上确定的指标将作为最终要求落实到装备的研制和生产中去，为此需要进行详尽的分析和研究。

对上述两个阶段上的指标论证可以借助虚拟仿真技术来完成。通过具体开发具体系统(分系统)的数字模型，同时注入相关数据，可以对上述两阶段上的具体指标进行仿真试验，其结果将直接用于对指标的分析和论证。如前所述，总体布局分析中所开发的虚拟样机，此时就可以通过进一步开发相关系统(分系统)的数字模型对虚拟样机进行模型驱动，进而可以获取整个系统的各项指标。同时可以将该样机放到所构建的虚拟战场(包含所对抗的目标等)进行综合分析。

2.3 虚拟仿真技术在作战使用研究中的应用

当前的型号论证过程和装备的作战使用研究过程处于不同阶段，特别是型号论证中很难将作战使用的相关数据有效输入，很难将作战使用的信息有效利用；而作战使用研究阶段又往往是在装备定型后展开，从而只能有什么样的装备就论证什么样的使用。这样论证的结果带有一定的不确定性，为将来装备部队造成不良影响。如何将作战使用中的有关信息有效及时地反映到型号论证过程中，是一个值得研究的问题。

借助虚拟仿真技术可以开发相关的虚拟战场，同时可以将对抗兵器引入，在尽可能真实的条件下对所论证武器系统的性能进行考核论证，从而可以进一步增强所论证指标的可靠性和可信性，同时也可以为未来列装后的部队使用提供参考数据。借助所开发虚拟战场，将装备的虚拟样机引入，对其在典型战场中的使用情况进行研究，同时将这些数据、信息反馈输入到虚拟样机的开发过程，探索和总结一种型号论证和作战使用研究并行开展的论证模式，从而可提高装备论证的科学性。

需要说明的是，当前虚拟仿真技术一般用于红蓝对抗演练，重点在于考察装备体系或成建制部队的效能及作战效果，但型号论证中的作战使用仿真则重点是针对具体型号的性能，甚至是具体型号的具体几个指标进行仿真试验，相比较而言，作战使用研究更细致、深化，同时可为体系研究提供有益参考和输入。

3 实例分析

3.1 自行高炮战车总体布局的论证

在自行高炮武器系统设计过程中，高炮自动机的布置与总体的设计密切相关，一方面，要根据武器系统高炮自动机的类型或数量进行最合理安排，另一方面，要考虑到总体布局，如火控、供输弹系统、导弹等的协调。最典型的布局有两种，即高炮自动机中置式与边置式。笔者研究的目的就是在系统条件一样的情况下，对比中置与边置方案高炮自动机射击的效果，从而对高炮自动机布置方案的选择提出理论参考意见。

在研究中，借助ADAMS软件来具体开发动力仿真模型，同时通过UG来进行三维模型设计，边炮配置和中炮配置的三维图分别如图1和图2所示。

由图2可见，通过相关专业软件可以给出详细的战车总体布局图，可以根据系统动力学模型来具体研究各个分系统之间的布局设计，也可以对全车的质心优化等进行分析。图2还可以进一步分解系统，给出各个分系统的爆炸图，同时还可以演示整车的装配过程。

3.2 自行高炮1 000 m立靶密集度指标的论证

为了进一步研究中炮配置和边炮配置两种方案对射击效果的影响，对不同方案中1 000 m立靶密集度指标进行仿真试验。两种方案中，均采取1 000 m距离100发射弹的条件。两种方案的立靶密集度仿真结果分别如图3和图4所示。

在射击条件相同时，中炮配置的立靶集密度明显高于边炮配置的立靶密集度。其原因是：边炮射击由于两个自动机的射击状态不可能完全一致，因此，在炮塔转动方向上，必然存在一个强烈交变的回转力矩，虽然可以通过锁紧等方式来减小由此而引起的振动，但不可能从根本上消除；而中炮配置时，这种回转力矩相对要小很多，因此引起的振动较小，射击的散布比边炮配置要好得多，特别对中单自动机的中炮配置，其回转力矩更小，更利于高炮火力系统精度的提高。

3.3 自行高炮战车作战使用研究

为进一步验证上述几项内容的仿真结果，将某自行高炮放置在虚拟战场中进行整连建制的仿真试验(如图5所示)。具体而言，在接受上级情报系统的预警指示后，本连指挥车对目标进行搜索、分配，各个战车实施对目标的火力拦截。

通过作战使用仿真试验，进一步对虚拟战场中的武器系统的通信性能、集火射击性能进行考核，同时可以对战车火力密集度进行分析，通过具体研究毁歼概率情况，可以将相关仿真结果直接反馈到指标论证中，从而实现了作战使用研究对型号论证的修订目的。

4 结束语

笔者通过具体分析虚拟仿真技术和虚拟样机技术在型号论证中的应用，对这两项技术的可行性和可用性进行了探讨。通过探讨，进一步分析了型号论证中如何有效利用作战使用研究的成果来修订相关指标。可以认为，将虚拟仿真技术应用于武器系统的型号论证，将在一定程度上改变传统的型号论证模式，为进一步提高论证的科学性带来益处。

参考文献(References)

[1] 熊光楞.协同仿真与虚拟样机技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

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