田志剛,邢士勇,趙 凱,徐博寧

(1.北京特種機(jī)電研究所，北京 100012;2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

型號(hào)論證是裝備建設(shè)發(fā)展的重要階段，一般包括綜合論證和研制總要求論證兩個(gè)過(guò)程。虛擬仿真技術(shù)當(dāng)前多用于進(jìn)行裝備操作模擬訓(xùn)練、裝配使用、紅藍(lán)對(duì)抗仿真等方面，但如何應(yīng)用于型號(hào)論證階段是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。筆者主要針對(duì)型號(hào)論證中總體方案論證，即總體布局、戰(zhàn)技指標(biāo)和作戰(zhàn)使用三個(gè)方面展開(kāi)論述。在總體布局方面，重點(diǎn)研究如何將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于型號(hào)論證中；在戰(zhàn)技指標(biāo)論證中，重點(diǎn)論述如何將常用的仿真技術(shù)應(yīng)用于型號(hào)論證過(guò)程中；在作戰(zhàn)使用研究部分，重點(diǎn)對(duì)如何將裝備在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中的使用信息反饋到型號(hào)論證過(guò)程，用于校正某些重點(diǎn)指標(biāo)。最后將以實(shí)例的形式給出簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1 虛擬仿真及虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

在美國(guó)國(guó)防部的定義中，根據(jù)人參與仿真的程度，仿真被分為實(shí)況仿真、構(gòu)造仿真以及虛擬仿真。一般認(rèn)為，將虛擬現(xiàn)實(shí)與系統(tǒng)仿真結(jié)合起來(lái)成為一個(gè)有機(jī)整體，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真就是虛擬仿真。可以認(rèn)為虛擬仿真是一種典型的人在回路仿真。系統(tǒng)仿真是虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，其本質(zhì)是一個(gè)計(jì)算和調(diào)度的過(guò)程；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是虛擬仿真技術(shù)的核心，是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)生成三維虛擬環(huán)境的人機(jī)界面技術(shù)。依據(jù)不同的表現(xiàn)方式，可以認(rèn)為虛擬仿真是可視化仿真、多媒體仿真和視景仿真的發(fā)展?？梢暬抡媸菍⒎抡嬷械臄?shù)字信息轉(zhuǎn)化為更加直觀的、通過(guò)圖形或圖像形式來(lái)表示的且隨著時(shí)間和空間變化的仿真過(guò)程，通過(guò)可視化技術(shù)可以為用戶呈現(xiàn)生動(dòng)形象的仿真。多媒體仿真采用不同媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息，是使人的感官和思維進(jìn)入仿真回路的一種手段。視景仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要表現(xiàn)形式，可以使用戶產(chǎn)生身臨其境的感受到交互式仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自然交互。虛擬仿真技術(shù)在軍事上的應(yīng)用主要有虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和仿真實(shí)體兩個(gè)方面。虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是指某一作戰(zhàn)區(qū)域中除人員與武器裝備以外的客觀環(huán)境，包括地形地貌、氣象以及電磁環(huán)境等。仿真實(shí)體一般包括作戰(zhàn)實(shí)體，如坦克、飛機(jī)、高炮、導(dǎo)彈等[1-2]。

虛擬樣機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要表現(xiàn)在組成關(guān)系復(fù)雜、與外界環(huán)境的交互關(guān)系復(fù)雜、開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜、涉及的仿真類型和學(xué)科眾多、應(yīng)用廣泛等。虛擬樣機(jī)是由分布的、不同工具開(kāi)發(fā)的、甚至異構(gòu)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括CAD模型、產(chǎn)品的外觀表現(xiàn)模型、產(chǎn)品的功能模型和性能仿真模型、產(chǎn)品的各種分析模型(可制造性、可裝配性等)、產(chǎn)品的使用和維護(hù)模型和環(huán)境模型等。虛擬樣機(jī)技術(shù)是以并行工程思想為指導(dǎo)，以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，以協(xié)同仿真技術(shù)為核心的先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，這些數(shù)字化模型就是虛擬樣機(jī)，能從視覺(jué)等多個(gè)方面模擬真實(shí)產(chǎn)品[3-5]。

在工程應(yīng)用上，虛擬仿真技術(shù)多用于裝備體系的對(duì)抗演練，虛擬樣機(jī)技術(shù)多應(yīng)用于設(shè)備的裝配模擬、維修演示等方面。在工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，多將虛擬樣機(jī)應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程，但在武器裝備的論證中(綜合論證和研制總要求論證)中較少用到上述兩種技術(shù)，筆者旨在對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

2 虛擬仿真技術(shù)在型號(hào)論證中的應(yīng)用

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)在裝備總體布局論證中的應(yīng)用

在裝備的綜合論證階段，需要對(duì)武器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析論證，根據(jù)不同的方案，依據(jù)作戰(zhàn)效能和成本情況等因素進(jìn)行取舍。一個(gè)武器系統(tǒng)的構(gòu)成往往包括火力系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等多個(gè)方面，這些不同的系統(tǒng)需要集成在同一底盤上，同時(shí)武器系統(tǒng)的總體質(zhì)量(戰(zhàn)斗全重)又是制約系統(tǒng)構(gòu)成的重要因素，總體的質(zhì)量直接影響到武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能、射擊性能等多個(gè)方面。因此，綜合論證階段上總體布局的論證，是進(jìn)行方案選擇的重要內(nèi)容。在總體布局的論證中，往往需要進(jìn)行對(duì)所用炮塔類型、雷達(dá)系統(tǒng)的形狀(天線形狀、口徑變化等)、光電系統(tǒng)的體積以及各個(gè)系統(tǒng)的安放位置進(jìn)行分析，同時(shí)需要對(duì)炮塔內(nèi)部的供輸彈系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達(dá)與光電設(shè)備操作系統(tǒng)等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析，同時(shí)也可以對(duì)武器系統(tǒng)內(nèi)部的人機(jī)環(huán)情況進(jìn)行分析。論證方案的選擇依據(jù)之一就是外部設(shè)備是否相互之間會(huì)發(fā)生干涉、內(nèi)部設(shè)備的操作是否方便以及是否具備更好的人機(jī)環(huán)條件等。

借助虛擬樣機(jī)技術(shù)可以較好地對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行分析。當(dāng)然，在綜合論證階段，很難將所有因素考慮在內(nèi)，只能在總體指標(biāo)的限定條件下進(jìn)行分析。在本階段上所開(kāi)發(fā)構(gòu)建的裝備虛擬樣機(jī)也較為粗略，這時(shí)的裝備虛擬樣機(jī)是面向論證的而不是面向生產(chǎn)的。通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)中的CAD和CAE等分析建模技術(shù)，可以初步建立裝備的論證虛擬樣機(jī)，在裝備體積、質(zhì)量以及射擊等指標(biāo)的約束之下，可以對(duì)武器系統(tǒng)的總體布局進(jìn)行分析研究。這一階段上主要完成系統(tǒng)三維模型的建立，其過(guò)程可以參考相似裝備的二維圖紙，將之開(kāi)發(fā)為三維模型，進(jìn)而修改為適合本武器系統(tǒng)的三維模型。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在戰(zhàn)技指標(biāo)論證中的應(yīng)用

戰(zhàn)技指標(biāo)的論證是武器系統(tǒng)綜合論證的又一項(xiàng)重要內(nèi)容，可以認(rèn)為戰(zhàn)技指標(biāo)論證的充分與否直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的性能實(shí)現(xiàn)，從而直接決定了武器系統(tǒng)的功能定位。戰(zhàn)技指標(biāo)的論證可以大致分為綜合論證階段上的指標(biāo)論證和研制總要求階段上的指標(biāo)論證兩個(gè)方面。在不同的方面，具體關(guān)注的指標(biāo)不同，即重點(diǎn)論證的指標(biāo)不同，這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)階段，需要支撐的內(nèi)容不同。

在綜合論證階段，所提出和論證的指標(biāo)往往側(cè)重于總體指標(biāo)，即在考慮總體性能實(shí)現(xiàn)的前提下，提出的指標(biāo)是否能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)意圖。此階段重點(diǎn)是對(duì)軍事需求、任務(wù)定位、武器系統(tǒng)組成以及作戰(zhàn)效能等進(jìn)行論證。其中軍事需求的論證往往是重點(diǎn)內(nèi)容，這是因?yàn)榱㈨?xiàng)研制一個(gè)新的武器系統(tǒng)，需要對(duì)其在作戰(zhàn)中的地位作用進(jìn)行首先分析。因此，這一階段上所提出的總體指標(biāo)，主要是圍繞是否可以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)意圖，即軍事需求來(lái)展開(kāi)的。重點(diǎn)對(duì)有效射程、射擊精度、毀殲概率、機(jī)動(dòng)性能、雷達(dá)威力、光電系統(tǒng)精度以及各個(gè)系統(tǒng)之間指標(biāo)的匹配性進(jìn)行分析和研究。

在研制總要求論證階段，是對(duì)綜合論證階段上各項(xiàng)指標(biāo)的細(xì)化和進(jìn)一步論證。這一階段上論證的成果將直接面向裝備的設(shè)計(jì)和研制，同時(shí)也是設(shè)備定型中的法規(guī)性文件，這一階段上確定的指標(biāo)將作為最終要求落實(shí)到裝備的研制和生產(chǎn)中去，為此需要進(jìn)行詳盡的分析和研究。

對(duì)上述兩個(gè)階段上的指標(biāo)論證可以借助虛擬仿真技術(shù)來(lái)完成。通過(guò)具體開(kāi)發(fā)具體系統(tǒng)(分系統(tǒng))的數(shù)字模型，同時(shí)注入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以對(duì)上述兩階段上的具體指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其結(jié)果將直接用于對(duì)指標(biāo)的分析和論證。如前所述，總體布局分析中所開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)，此時(shí)就可以通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相關(guān)系統(tǒng)(分系統(tǒng))的數(shù)字模型對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而可以獲取整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。同時(shí)可以將該樣機(jī)放到所構(gòu)建的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)(包含所對(duì)抗的目標(biāo)等)進(jìn)行綜合分析。

2.3 虛擬仿真技術(shù)在作戰(zhàn)使用研究中的應(yīng)用

當(dāng)前的型號(hào)論證過(guò)程和裝備的作戰(zhàn)使用研究過(guò)程處于不同階段，特別是型號(hào)論證中很難將作戰(zhàn)使用的相關(guān)數(shù)據(jù)有效輸入，很難將作戰(zhàn)使用的信息有效利用；而作戰(zhàn)使用研究階段又往往是在裝備定型后展開(kāi)，從而只能有什么樣的裝備就論證什么樣的使用。這樣論證的結(jié)果帶有一定的不確定性，為將來(lái)裝備部隊(duì)造成不良影響。如何將作戰(zhàn)使用中的有關(guān)信息有效及時(shí)地反映到型號(hào)論證過(guò)程中，是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

借助虛擬仿真技術(shù)可以開(kāi)發(fā)相關(guān)的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，同時(shí)可以將對(duì)抗兵器引入，在盡可能真實(shí)的條件下對(duì)所論證武器系統(tǒng)的性能進(jìn)行考核論證，從而可以進(jìn)一步增強(qiáng)所論證指標(biāo)的可靠性和可信性，同時(shí)也可以為未來(lái)列裝后的部隊(duì)使用提供參考數(shù)據(jù)。借助所開(kāi)發(fā)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，將裝備的虛擬樣機(jī)引入，對(duì)其在典型戰(zhàn)場(chǎng)中的使用情況進(jìn)行研究，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)、信息反饋輸入到虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，探索和總結(jié)一種型號(hào)論證和作戰(zhàn)使用研究并行開(kāi)展的論證模式，從而可提高裝備論證的科學(xué)性。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)一般用于紅藍(lán)對(duì)抗演練，重點(diǎn)在于考察裝備體系或成建制部隊(duì)的效能及作戰(zhàn)效果，但型號(hào)論證中的作戰(zhàn)使用仿真則重點(diǎn)是針對(duì)具體型號(hào)的性能，甚至是具體型號(hào)的具體幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，相比較而言，作戰(zhàn)使用研究更細(xì)致、深化，同時(shí)可為體系研究提供有益參考和輸入。

3 實(shí)例分析

3.1 自行高炮戰(zhàn)車總體布局的論證

在自行高炮武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，高炮自動(dòng)機(jī)的布置與總體的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，一方面，要根據(jù)武器系統(tǒng)高炮自動(dòng)機(jī)的類型或數(shù)量進(jìn)行最合理安排，另一方面，要考慮到總體布局，如火控、供輸彈系統(tǒng)、導(dǎo)彈等的協(xié)調(diào)。最典型的布局有兩種，即高炮自動(dòng)機(jī)中置式與邊置式。筆者研究的目的就是在系統(tǒng)條件一樣的情況下，對(duì)比中置與邊置方案高炮自動(dòng)機(jī)射擊的效果，從而對(duì)高炮自動(dòng)機(jī)布置方案的選擇提出理論參考意見(jiàn)。

在研究中，借助ADAMS軟件來(lái)具體開(kāi)發(fā)動(dòng)力仿真模型，同時(shí)通過(guò)UG來(lái)進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，邊炮配置和中炮配置的三維圖分別如圖1和圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，通過(guò)相關(guān)專業(yè)軟件可以給出詳細(xì)的戰(zhàn)車總體布局圖，可以根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)具體研究各個(gè)分系統(tǒng)之間的布局設(shè)計(jì)，也可以對(duì)全車的質(zhì)心優(yōu)化等進(jìn)行分析。圖2還可以進(jìn)一步分解系統(tǒng)，給出各個(gè)分系統(tǒng)的爆炸圖，同時(shí)還可以演示整車的裝配過(guò)程。

3.2 自行高炮1 000 m立靶密集度指標(biāo)的論證

為了進(jìn)一步研究中炮配置和邊炮配置兩種方案對(duì)射擊效果的影響，對(duì)不同方案中1 000 m立靶密集度指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。兩種方案中，均采取1 000 m距離100發(fā)射彈的條件。兩種方案的立靶密集度仿真結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

在射擊條件相同時(shí)，中炮配置的立靶集密度明顯高于邊炮配置的立靶密集度。其原因是：邊炮射擊由于兩個(gè)自動(dòng)機(jī)的射擊狀態(tài)不可能完全一致，因此，在炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，必然存在一個(gè)強(qiáng)烈交變的回轉(zhuǎn)力矩，雖然可以通過(guò)鎖緊等方式來(lái)減小由此而引起的振動(dòng)，但不可能從根本上消除；而中炮配置時(shí)，這種回轉(zhuǎn)力矩相對(duì)要小很多，因此引起的振動(dòng)較小，射擊的散布比邊炮配置要好得多，特別對(duì)中單自動(dòng)機(jī)的中炮配置，其回轉(zhuǎn)力矩更小，更利于高炮火力系統(tǒng)精度的提高。

3.3 自行高炮戰(zhàn)車作戰(zhàn)使用研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述幾項(xiàng)內(nèi)容的仿真結(jié)果，將某自行高炮放置在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中進(jìn)行整連建制的仿真試驗(yàn)(如圖5所示)。具體而言，在接受上級(jí)情報(bào)系統(tǒng)的預(yù)警指示后，本連指揮車對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、分配，各個(gè)戰(zhàn)車實(shí)施對(duì)目標(biāo)的火力攔截。

通過(guò)作戰(zhàn)使用仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)中的武器系統(tǒng)的通信性能、集火射擊性能進(jìn)行考核，同時(shí)可以對(duì)戰(zhàn)車火力密集度進(jìn)行分析，通過(guò)具體研究毀殲概率情況，可以將相關(guān)仿真結(jié)果直接反饋到指標(biāo)論證中，從而實(shí)現(xiàn)了作戰(zhàn)使用研究對(duì)型號(hào)論證的修訂目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)具體分析虛擬仿真技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)在型號(hào)論證中的應(yīng)用，對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)的可行性和可用性進(jìn)行了探討。通過(guò)探討，進(jìn)一步分析了型號(hào)論證中如何有效利用作戰(zhàn)使用研究的成果來(lái)修訂相關(guān)指標(biāo)?？梢哉J(rèn)為，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于武器系統(tǒng)的型號(hào)論證，將在一定程度上改變傳統(tǒng)的型號(hào)論證模式，為進(jìn)一步提高論證的科學(xué)性帶來(lái)益處。

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