航天产品性能样机VV&A过程研究

高 山，薛惠锋，张 普，左 轩

(西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710129)

1 引言

航天产品的性能评估是一项复杂的系统工程，通常需要通过飞行试验来完成，数字样机技术是复杂产品开发的有效手段之一。为了缩短产品开发的周期，降低开发成本，有必要在航天产品设计开发的早期构建数字化性能样机，对产品进行仿真建模、测试与分析。

近年来，我国科研工作者围绕航天产品性能样机做了大量研究，大都围绕性能样机的建模理论和建模方法，如文献[1]中介绍了一种多学科协同优化建模方法，文献[2]中介绍了一种基于本体的协同建模方法，文献[3]中介绍了一种混合建模方法。性能样机的建模方法固然重要，但性能样机的可信度也非常重要。没有经过可信度评估的仿真模型是不可靠的，脱离可信度讨论仿真模型也是没有意义的。航天产品性能样机的核心是在计算机仿真环境中构建的仿真模型，因此，仿真模型的可信性就代表了性能样机的可信性。如果不对性能样机进行可信度评估，那么就有可能造成性能样机仿真结果的错误，增大性能样机产品开发失败的风险，甚至给实际系统的开发和生产带来不可估量的经济损失。因此，对航天产品性能样机进行可信度评估是非常必要的。所以本文从确保航天产品性能样机可靠性和可信度的角度出发，对性能样机的VV&A进行初步的研究。

2 航天产品性能样机的定义和VV&A介绍

2.1 航天产品性能样机定义研究

国标GB/T26100-2010《机械产品数字样机通用要求》中对数字样机的定义为：对产品功能独立的子系统或整机进行数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能[4]。数字样机是计算机设计与计算机仿真技术发展的产物，对比传统的物理样机，数字样机是在虚拟环境中以计算机技术实现的数字化仿真模型，且同物理样机一样可以展示产品的外观、结构、功能、性能、行为等特性。

数字样机按照用途或使用目的进行分类可分为几何样机、功能样机、和性能样机。几何样机侧重于产品的几何描述，功能样机侧重于产品的功能描述，性能样机侧重于产品的性能描述。几何样机、功能样机和性能样机的主要区别如图1所示[5]。

图1 数字样机按照用途分类

目前国内对航天产品性能样机的定义还没有统一的标准。本文在现有研究的基础上，对航天产品性能样机定义为：以CAE/CFD技术为核心，在几何样机和功能样机基础上，依据航天产品性能指标要求，利用相关专业软件、工具、平台等对航天产品研制各阶段的性能指标进行分析、验证与优化，所形成的仿真模型、虚拟环境和仿真数据结果的集合。

性能样机研发的主要目的是用来替代物理样机，利用计算机环境模拟和计算航天器在飞行过程中的形态、结构、气动力等性能参数，从而对航天器不同飞行工况下的性能表现做出分析与评估。

2.2 VV&A和可信度评估的概念

VV&A是校核、验证与确认(Verification，Validation，and Accreditation)的缩写，是一系列检验仿真模型可靠性与可信度的活动的总称，它贯穿于模型开发的整个生命周期。其中，“校核”解决“是否正确地建立了模型”的问题，即检验模型从一种形式到另一种形式的转变过程是否正确。例如由需求文档向概念模型的转变过程，或由概念模型向计算机模型的转变过程。“验证”解决“建立的模型是否正确”的问题，即仿真模型在其适用的范围内，是否符合该仿真模型建立的目的，是否符合该仿真模型应用的目标；确认是仿真模型可用于特定用途的官方证明[6]。

可信度就是由仿真系统与原型系统之间相似性决定的，仿真系统与仿真目的相适应的程度[7]。仿真可信度是衡量仿真模型的可靠度，并决定该模型是否可以被接受和应用的重要指标。可信度评估可以通过VV&A来实现，或者从某种意义上来说，VV&A就是可信度评估。VV&A本质上不止是一个活动，它更是一个过程，并贯穿于仿真系统全生命周期中。VV&A的目的是提高仿真系统的可信度，在仿真系统的全生命周期开展VV&A活动可以有效地保证仿真系统的可信度。

3 基于航天产品性能样机的VV&A方案研究

航天产品性能样机的开发涉及多个学科，包含多个子系统及它们的集成与协同应用，是一项复杂的工作。从整体和系统的角度出发，可以将性能样机的研制过程划分为需求分析、概念模型建模、样机设计、样机实现、仿真结果输出以及样机验收这六个步骤，如图2所示。VV&A活动贯穿于性能样机的整个生命周期，对应性能样机的研制过程，VV&A活动可划分为七个步骤，这七个步骤分别是与需求分析阶段对应的需求V&V(Verification and Validation，校核与验证)与VV&A计划、与概念模型建模阶段对应的概念模型V&V、与样机设计阶段对应的设计校核、与样机实现阶段对应的实现校核、与仿真结果输出阶段对应的仿真结果验证、与样机验收阶段对应的可信度评估，以及最后的确认。

从图2中可以看出，在性能样机的研制过程中，每一个步骤都需要进行与之对应的V&V活动。如果在某一步的V&V过程中发现了缺陷或错误，就需要返回上一个步骤进行修改，然后再重新进行该步骤的V&V，直到V&V通过再进行下一步骤。所以整个性能样机的开发过程是一个反复迭代的过程，不断进行修改和优化，直到达到预期的要求。在所有V&V过程中，都需要生成对应的报告和文档记录，以作为系统最终确认的附加信息和有效参考。只有系统通过了最终的确认，才能认为系统符合应用的需求，达到了验收的标准。

下面将分步对这七个VV&A步骤进行介绍。

图2 性能样机的VV&A过程

3.1 性能样机需求V&V与VV&A计划

需求定义是整个性能样机开发的第一步，其后所有的开发工作都以需求定义中描述的需求为标准和基础。如果需求定义表达模糊、有歧义或难以理解，会给后期的工作带来巨大的难度；如果需求定义的描述与实际系统不符，则后期构建的模型不可能达到预期的应用目标。所以在需求分析阶段对需求分析报告进行校核与验证是十分必要的，需求V&V也是整个VV&A过程中举足轻重的一环。

需求V&V的内容主要是对性能样机的需求分析阶段产生的需求分析报告进行检查与审核，检查的内容包括需求描述的完整性、准确性，需求描述语言的清晰性、无二义性，以及需求模型的可追溯性与可测试性等。同时还应该明确性能样机的预期应用目标、模型逼真度的可接受性指标、风险评估、配置管理等。在需求V&V的过程中，需要对所有相关的工作和结果进行记录，在需求V&V完成时生成需求V&V报告[8]。

需求V&V的方法有静态方法和动态方法两类。静态方法是按照一定的标准，以审查的方式对需求分析报告的文字描述内容进行检查与审核。动态方法是利用仿真执行工具对需求模型进行仿真执行来直观地分析其准确性和可行性等。通过模型的仿真执行，分析人员可以直观了解需求模型对于系统的结构、功能、性能等的描述是否符合预期的目标[9]。

与需求V&V同时进行的一项重要活动是制订VV&A计划。首先要根据预期的应用目标制定确认计划，内容包括系统总体情况、系统开发的基本方案、确认代理、主要模型及其关键数据、可接受性标准等。随后制定详细的VV&A计划，内容包括VV&A工作步骤及时间安排、VV&A各阶段的主要任务、主要的V&V对象以及所使用的技术方法、V&V人员的组织架构及具体分工、VV&A所需的资源和准备工作等。VV&A计划可以保证VV&A人员在后续的VV&A过程中合理分配V&V工作，有效利用V&V资源，明确VV&A参与者的分工和职责，也使得VV&A的执行过程能够得到有效的监督和管理。

3.2 性能样机概念模型V&V

概念模型作为真实系统向性能样机转换的第一个阶段，在性能样机的开发中发挥着极其重要的作用。概念模型是对真实系统的第一层抽象，是介于真实系统与计算机模型之间的一种模型的表达方式。具体来说，概念模型是通过对现实系统的各种特征信息进行分析与组织，从而形成的一系列可以被相应的数据库识别和存储的数据模型，这些数据模型不是可以被计算机直接执行的仿真模型，而是概念级的模型。由于模型的复杂性，概念模型通常不会由单一的一种表达形式构成，而是根据所抽象内容的不同使用不同的表达形式，包含非形式化语言、形式化语言、公式、表、图等。

性能样机的概念模型应包含顶层的组织架构、外部环境条件、外观及结构、子系统结构、子系统功能、子系统交互行为、子系统性能、整机性能等所有与性能样机相关的定义、名称、图形、数字、数学公式、交互关系、运行流程、标准、算法等数据信息。所构建的概念模型是否符合需求分析阶段所产生的全部需求，能否准确而完整地表达真实系统的外观、结构、功能、行为、性能等特性是进行概念模型建模时需要密切关注的问题，所以需要对概念模型进行校核与验证。只有经过V&V的概念模型才能准确、清晰且完整地代表真实系统，才可以作为计算机模型开发的基础。

概念模型V&V的内容是通过运用特定的方法和工具，对概念模型进行检查和检验，并对发现的问题进行纠正和修改，最终得到满意的概念模型。概念模型V&V的作用是确保在概念模型建模阶段抽象出的概念模型能够达到准确代表真实系统的要求。

根据概念模型V&V的对象不同，可以分别使用非形式化方法、静态方法和形式化方法。对于用非形式化语言描述的概念模型，可以使用非形式化方法进行V&V，包括桌面检查、过程审核、走查法、回顾法等。对于使用严格的数学公式和数学表达式描述的概念模型，可以使用形式化方法进行V&V，包括归纳法、推导法、逻辑推论法、lambda微积分等。对于使用形式化语言或图表如流程图、类图、交互关系图等描述的概念模型，可以使用静态方法进行V&V，包括语法分析、语义分析、结构分析、数据分析、符号评估等[10]。

3.3 性能样机设计校核

性能样机的设计是指将性能样机的需求和概念模型转化成详细的可实施的设计方案的过程，包括外观设计、参数设计、结构设计、子系统设计、功能设计、接口设计等。设计方案要与需求和概念模型保持完全一致，要能够完全转化和表达需求和概念模型的内容和目标。为了确保设计方案与概念模型的一致性及可追溯性，需要对设计方案进行校核。设计校核就是对设计方案文档的正确性、一致性、可追溯性等所作的检查与审核工作，以确保概念模型到详细设计方案转变过程的正确性，从而得到准确的、可追溯的详细设计方案。

根据设计方案的具体内容，设计校核可使用的方法主要为非正式方法和静态方法。这两类方法与3.2章节中介绍的方法基本相同，在此不做赘述。V&V人员可以根据设计方案的具体内容选择合适的校核方法进行校核工作。

3.4 性能样机实现校核

性能样机的实现过程即开发人员根据设计方案，应用计算机辅助工具搭建性能样机仿真模型的过程。常用的辅助建模工具有CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)软件、CFD(Computer Fluid Dynamics，计算流体动力学)软件等。CAE软件主要对性能样机的结构参数进行分析计算，CFD软件主要对性能样机的气动参数进行分析计算。

性能样机实现校核就是对性能样机实现的过程进行校核，即检验开发人员通过应用计算机建模工具，依据详细设计方案所开发出的计算机模型是否正确。由于性能样机的开发涉及多学科交叉且包含多个子系统，所以开发人员需遵循统一的参数标准，先对各子系统进行建模，再通过统一的接口和多学科综合协同集成建模与仿真平台将多个子系统进行集成和协同应用。所以性能样机实现校核的工作相应地也需要分为子系统校核、接口校核、集成应用校核三部分内容，如图3所示。对于不同的校核内容，V&V人员需选取与之相匹配的校核方法。性能样机模型实现的过程是由开发人员编写代码，再通过计算机环境运行代码的过程，所以对性能样机实现过程的校核主要围绕对计算机代码的检查与测试进行，可使用的方法分为静态方法和动态方法两大类。

图3 性能样机实现校核的内容

静态方法指不运行代码，在静态的状态下对代码进行分析和检查，寻找存在的缺陷和错误。静态方法通常由人工进行，也可以借助软件工具进行，可以由程序员进行代码自查，也可以组织审查小组进行代码会审。校核的内容主要针对代码和设计方案的一致性，代码本身的准确性和可读性，代码逻辑的正确性，代码结构的合理性等。动态方法指通过运行代码来检查运行的结果是否符合预期的方法，一般分为构建测试用例、执行测试程序、分析测试结果三个步骤，常用的动态方法有运行测试、模块测试、接口测试、单元测试、集成测试等。

3.5 性能样机仿真结果验证

性能样机的仿真结果是指在设置一定的仿真运行环境与样机自身参数的前提下，经过对仿真模型的运行和相应的性能参数的计算而得到的一系列性能参数的数值。仿真结果验证就是应用科学的验证方法，将仿真计算得到的数值与真实系统试验得到的数值，或与理论中的理想数值进行比较，从而判断性能样机模型系统是否与真实系统相匹配，是否可以代替真实系统进行试验和分析，是否能够达到预期的应用目标。

性能样机的仿真结果验证是整个性能样机VV&A中最重要的一环，因为仿真数据与真实/理想数据相符合的程度是性能样机可靠性最直观的表现。从数据对比的结果以及数据相符合的程度可以直接判断性能样机是否达到可以替代真实系统的标准，是否满足预期的应用目标。

性能样机的仿真结果数据依据性能评估的指标分为静态性能参数和动态性能参数两类。静态性能是指不随时间变化的静态输出量，动态性能是指随时间变化的动态输出量。对航天产品来说，大部分性能参数都是动态性能参数，如飞行过程中的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等。

在仿真结果验证中，对静态性能参数通常采用静态验证方法，相应的，对动态性能参数通常采用动态验证方法。静态性能验证方法就是检验仿真数据和真实/理想数据在统计意义下是否具有相同的分布特征，也就是检验两组数据总体分布的一致性。目前常用的静态性能验证方法主要分为假设检验法和参数估计法两类。动态验证方法是检验相同的时间序列内仿真数据与真实/理想数据的总体一致性。动态验证方法分为时域和频域两种，常用的时域方法有主观判断比较法、灰色关联分析法、Theil不等式系数法、误差分析法、灵敏度分析法等。频域分析方法是依据数据的频谱特性与数据的概率分布表现相同的特性，利用数据的频谱特性来反推数据序列的一致性的方法[10]。

3.6 性能样机可信度评估

可信度评估是求取性能样机的可信度的过程。相对于前面的V&V步骤而言，可信度评估可以看成是一个总结和提炼的过程。如果上述的V&V步骤都得到了严格且有效的执行，设计开发过程中的错误都已被纠正，潜在危险都已被排除，验证结果的误差也已被修正，那么可以说，所开发的性能样机具有较高的可靠性。但这个可靠性如何度量，可靠的程度如何还需要用具体且直观的方式来呈现，可信度评估就是这样一个过程。在可信度评估的过程中，评估人员根据验收的标准制定一套得分制度及评估标准，并应用科学的方法对性能样机的可靠性进行评估，最终得出具体且直观的评估结果。

对性能样机进行可信度评估，首先应该明确评估的内容，确定可信度评估方式。性能样机的可信度评估方式可分为两种，一种是按照性能样机研制的阶段进行评估，另一种是按照组成性能样机的各子系统进行评估。其次需要针对性能样机建立一套完整的可信度评估指标体系。建立的可信度评估体系，需要具备科学性、相关性、完整性、有限性、可测量性等特点。最后根据性能样机的特点，选择可以适用的可信度评估方法。对于有具体的输出结果和参考数据的指标，通常采用定量的评估方法，常用的方法有置信度评估法、相似度评判法、人工神经网络法等。对于没有具体的输出结果和参考数据的指标，可以采用定性与定量相结合的方法，常用的方法有模糊综合评价法、层次分析法、灰色综合评估法等[10]。

3.7 性能样机确认

确认是VV&A活动的最后一个步骤，是官方对于性能样机是否可以投入应用所下的结论。确认过程的完成代表着性能样机开发完成及VV&A活动结束。确认人员(权威机构、领域专家等)对可信度评估报告进行复审，同时参考各VV&A步骤产生的V&V报告、样机开发和使用过程的记录文档、样机运行环境及配置管理文档等所有相关文档，最终得出性能样机是否符合预期应用目标的结论，并提交确认报告[11]。

值得注意的是，确认的目的是判断样机模型是否符合预期的应用目标，所以确认的标准必须与系统最初的需求保持一致，不能凭空增减或随意更改，故而确认计划和确认标准应该在需求校核阶段就制定好，而不是等到V&V工作完成之后才着手制定。

4 结束语

本文提出了一套针对航天产品数字化性能样机的VV&A过程，为性能样机的可信度评估提供了一套初步的VV&A方案。VV&A活动应贯穿整个性能样机的设计及开发过程，才能保证最终的仿真结果具有较高的可信度。本文仅从宏观和整体的角度研究了性能样机的VV&A方案，下一步还需对VV&A各个步骤的具体执行内容和可使用的方法进行更深入的研究。