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美军武器装备综合试验与评价策略张宝珍摘要：在现代武器装备研制中，为了缩短研制周期、降低成本和减少风险，美英等国正在大力提倡采用一种以知识库为基础的系统开发策略，称之为综合试验与评价策略。本文首先简介了综合试验与评价策略提出的背景，详细讨论了综合试验与评价的内涵，强调了建模与仿真作为综合试验与评价的知识库所起的作用，阐述了综合试验与评价中知识库的运用方法，最后介绍了综合试验与评价在美军武器装备研制中的应用情况。关键词：武器装备，试验与评价，综合，策略一、综合试验与评价策略的提出随着武器系统结构日趋复杂，成本加大，试验费用提高，单独进行某项试验必然增大试验费用。因为采用单一方法既费时费钱又不可靠，而采用综合方法则可弥补单一方法的缺点，发挥群体方法的特长，从而取得最佳效果。所以进入20世纪90年代以后，国外不断改革试验与评价策略、调整试验机构，以适应武器系统采办要求、更好地发挥试验设施的潜力，达到既能节约试验与评价费用，缩短研制周期，降低风险，又能提高试验与评价水平的目的。出于这种考虑，美国国防部提出五项研究课题：军方早期参与试验；有效利用建模与仿真；可能的情况下合并某些试验；在可能的地方综合考虑试验与训练设施的合理使用；应用先期概念和技术验证。美国三军采取了相应的改革举措。比如，美国陆军实施的改革试验与评价政策的重要举措之一就是尽可能将研制试验与使用试验合并进行，实施综合试验与评价，成立综合试验工作组，统一协调试验工作；减少重复试验、强调技术试验的综合性；尽量将技术试验与部队试验结合进行；试验数据共享，就是折中考虑研制试验与使用试验的不同要求，进行一次试验后搜集足以满足研制试验与使用试验所需的数据。做到两种试验一次完成，避免了武器研制阶段进行重复性试验。由于实施以上的管理政策，使“铜斑蛇”激光制导炮弹少发射764发试验弹，节省经费230万美元。海尔法反坦克导弹研制中少发射90发弹，节省费用1.38亿美元，并提前一年装备部队使用。如今，综合试验与评价方法已经成为美国国防部大力提倡的重要策略。二、综合试验与评价的内涵所谓综合试验与评价（IT&E）（亦称综合试验与验证），是一种基于知识的系统研制途径，它综合协同地利用地面试验和分析，数学建模、仿真和分析，飞行试验和分析等多种试验分析方法，以建模与仿真作为试验与评价知识库以及各种地面试验和飞行试验之间反馈的一种工具，使结构仿真、虚拟仿真和实况仿真有机结合，为研制试验与评价（DT&E）和使用试验与评价（OT&E）的更经济有效的综合提供方法和途径。该技术是从传统的试验—改进—试验方法，向建模与仿真—虚拟试验—改进模型的迭代过程的转变。有效地应用综合试验与评价技术，将能在研制项目早期当问题更容易改进且改进费用更低时就能识别问题，能最大程度地减少接受一个有缺陷产品的风险，并促进对缺陷的纠正，因此能够缩短产品研制周期、降低研制费用和减少技术风险。1、综合试验与评价的方案模型IT&E方案是一种系统族观点，旨在为武器装备的研制和采办提供最高附加值的试验与评价（T&E）支持。图1展示的一种多维模型反映的是适合于飞行系统的IT&E方案。IT&E是主要的T&E过程和参与者的虚拟集成，它没有把各种T&E过程看成是一个个独立的任务，而是作为系统整体的有机组成部分。图1综合试验与评价中的多维方案图1所示多维方案中每一维的涵义如下：（1）仿真方法T&E的主要方法是建模与仿真、地面试验和飞行试验。采用系统工程方法可以开发出一种基于仿真的组合方法，它能够以最低费用和最短时间提供最多的有用信息。建模和仿真技术的迅速发展已使其成为一种提供研制信息的实用工具并能在许多场合恰如其分地取代相关试验工作。（2）系统任何一个复杂的武器系统都是由若干个分系统（如飞机的动力系统、飞机机体、机载武器、航空电子、结构等）组成。这些分系统都有相关的专业技术团体（或公司）支持。在它们的开发初期都各自采取了不同的技术方法，很少发生交叉。结果，这些主要分系统并行研制，直到研制过程末期才进行集成。而通过将各个独立系统中每一系统的试验与评价仿真方法相互关联，在研制周期的早期就有可能对整个系统的综合性能做出评价。将整个系统尽早综合，就可能缩短研制周期并使首次飞行中可能发生的综合问题减到最少。（3）采办过程采办周期是从方案与技术研制开始到生产与部署直至投入使用与保障的全过程。通过在研制过程早期规划和利用IT&E方法，可使达到首飞和战备完好性要求的总时间得到显著降低。图1示出的立方体的体积反映出开发整个系统所需要的全部资源支出。IT&E的目标就是要把图1中所示的体积减到最小，即最大程度地减少仿真中所需要的资源、减少系统综合过程中的意外情况和减少采办研制时间。为了实现此目的，需要组织一支包括项目经理、设计人员、建模人员、试验人员和制造人员组成的虚拟综合产品组，利用基于知识的方法共同探索减小立体图中体积的潜在过程。2、建模和仿真作为IT&E的知识库图2显示出在整个采办周期中使用的T&E资源。可以看到，建模和仿真贯穿于系统的整个采办过程。建模与仿真已被视为T&E过程中极为重要的工具，作为T&E基础结构的主要组成部分。利用建模和仿真可以从T&E获取的大量数据中提取出有用的知识，从而减少数据的不确定性。方案探索和定义验证与确认工程与制造研制生产与部署使用与保障建模与仿真测量设施系统综合实验室硬件在回路设施安装的系统试验设施露天飞行试验场图2T&E与采办阶段为促进IT&E过程的实施，首先应构建开放体系结构的建模与仿真知识库，并将其作为T&E基础结构的组成部分，其本质上也是系统在研制和使用过程中的知识库。当试验设施产生的试验结果被集成到建模与仿真体系结构中时，所构建的模型可作为系统本身的档案和数据库。而且，这种数据库为项目办公室、主制造商、试验与评价机构和使用部门通过互联网组成的虚拟综合产品组提供支持，即通过从构建的知识库中采集、分析与传播的知识不断改进产品，搞好服务从而增强竞争地位。构建的建模与仿真知识库的主要属性描述如下。（1）建模及三元组的仿真工具构建的建模与仿真能力支持T&E过程的明显方式之一是，支持可用于以最少的时间和费用提供最佳仿真的三元组工具（结构仿真、虚拟仿真和实况仿真）的集成。建模已成为试验设计和解释试验结果的基本要素。T&E建模与仿真知识库通过提供标准的建模与仿真体系结构，可以在各个项目中都能最佳地利用不同来源的模型，可以使建模与仿真、地面试验和飞行试验实现最佳协作。以这种方式可以识别出最灵验的地面试验和飞行试验，来填补模型的缺陷。好的建模可帮助试验人员深刻地了解各种现象，以及一些试验数据中的异常现象等。而且，用来支持T&E过程的任何模型都对系统研制本身具有持续的使用价值。因此，重要的是在整个T&E过程中识别和构建这些模型。（2）模型的验证、确认和合格鉴定所构建的系统模型与T&E过程之间的另一种自然联系是研制过程中所使用模型的验证、确认和合格鉴定（VV&A）。模型的VV&A是建模与仿真中的一个基本过程。当完成每一种试验时，应利用其结果来验证所构建的系统模型的准确性。这样，随着试验过程中获取数据的增加，模型会变得更可靠，更能代表系统的性能。另外，构建和管理系统模型的过程提供了一种在T&E周期中规划验证/确认过程的框架。通过将VV&A作为T&E过程的一个组成部分进行早期规划，并采用构建的建模与仿真知识库作为管理VV&A过程的框架，则经过全面验证和确认的模型自然会随着系统的成熟获得不断改进。（3）地面试验和飞行试验的反馈建模与仿真知识库的另一有用特征是作为各种地面试验与飞行试验之间的反馈手段。例如在传统的T&E过程中，在一种气动布局的风洞试验与飞行试验之间，并没有构成高度组织化的反馈机制，而通常对地面试验结果与飞行试验结果之间的相关性研究仅仅在特殊情况下即当飞行中出现了重大困难时才进行。因此，地面试验中心要改进其过程以确保获得最好的外推飞行环境是很困难的。有时，由于对地面试验结果与飞行性能之间的相关性研究不够，致使在系统的初始使用能力研制阶段结束后还要对系统作出代价过高的修改。为此，通过加入地面试验与飞行试验数据，对所构建的建模与仿真系统进行更新，将能提供一种很好的反馈机制，便于地面试验机构（和建模机构）改进其技术，更好地模拟实际飞行状况。这样可大大减少开发新飞行系统所需的飞行试验费用。（4）连接结构仿真、虚拟仿真和实况仿真在建模与仿真中通常有三种仿真方式：结构仿真（计算机推演）、虚拟仿真和实况仿真。结构仿真是对系统和人进行仿真的工程工具；虚拟仿真具有模拟的系统与真实的人；而实况仿真则具有真实的人和真实的系统（如实际的飞行试验）。如图3中所示，T&E知识库提供了从结构仿真、虚拟仿真到真实仿真的连续统一体。图3三种仿真方式的关系从结构仿真开始，将利用工程模型如计算流体动力学（CFD）或涡轮发动机模型等来评价系统的空气动力学和动力系统有关的物理现象。这些工程模型可以单独地或与地面试验数据结合后，与集成分系统部件的其它结构模型综合，从而建立能反映整个系统性能的模型。由空气动力学或动力系统结构模型导出的信息构成含人飞行模拟器的系统仿真基础，这样使结构模型与虚拟仿真联系起来。同样，飞行模拟器也能把系统其它组成部分(如航空电子系统等)整合起来。飞行模拟器还可与硬件在回路的电子战仿真与虚拟作战环境(如美国海军空战中心，爱德华空军基地试飞中心)相结合，使战争演习模型也成为合成作战环境能力如美海军空战环境试验与评价设施（ACETEF）的组成部分。如图3所示，进一步将控制系统和航空电子系统的数字模型或试验模型包括进去，在研制阶段早期就可预先查看系统综合性能。结构模型与仿真为含人飞行模拟器(MFS)提供了高保真度的系统模型。由于含人飞行模拟器能够与电子战环境全面综合，也就是说能与虚拟电子战环境直接连接起来，因此也可以把系统组成部分的工程模型与合成系统的作战演习模型直接连接起来。通过这种直接的连接作用，可以把工程模型方面的信息转移到作战演习环境中。同样，来自作战演习环境的信息可以反馈给工程模型，用于显示分系统级的技术变动与整个系统为赢得战争应该具备的能力之间的因果关系。在结构仿真、虚拟仿真与实况仿真之间的潜在联系还为研制试验与评价(DT&E)和使用试验与评价(OT&E)更经济有效地综合提供了机会。例如驾驶员可以通过一种含人飞行模拟器，用手通过油门杆联接到地面试验中心（如AEDC）的涡轮发动机高空试验舱中的真实发动机上。这样，虽然研制项目的评估工作是在地面试验设施上进行的，仍可以初步看到在含人飞行模拟器内执行的操作工作。通过所计划的DT&E和OT&E之间的虚拟交互作用，可以最大限度地减少整个OT&E中所需的飞行资源。（5）知识库的其它效益构建的建模与仿真知识库作为T&E基础结构的关键要素，已为宇航项目的研制带来了巨大效益。除了上述所介绍的外，还有两方面的重要效益。第一，由于它是一种开放式结构，因此每一个新项目都不必为建模再重建基础设施，从而使项目研制经费大为节约；第二，它是以核心专业技术为基础建成的知识库，并且以往项目的经验教训在该知识库内部得到规范，因此可为每个新项目的研制带来益处。任何新项目可以在以往项目及核心专业技术的基础上从一个更高的熟练水平启动。三、IT&E中知识库的运用1、仿真方法的综合建模、地面试验或飞行试验仿真方法进行综合的关键是，将每项仿真任务都作为一种包括输入、仿真过程和输出的系统过程进行分析。一般情况，输出是有关系统性能的知识或者是到另一个仿真过程的输入。过程不是试验过程而是仿真的系统过程。对于飞行系统来说，综合的仿真过程一般是飞行器的飞行性能仿真。仿真过程所需输入的描述应对建模、地面试验或飞行试验这三种仿真方法中的任一种都同等适用，这正是IT&E的效用所在。例如，仿真从飞机上投放非制导炸弹的过程，所要求的输出是有关空投炸弹的安全性、命中目标的精度或者是关于飞机上所用的轰炸算法(即操作飞行程序OFP)系数等信息。仿真过程是炸弹投放和投放后的运动，而仿真弹道所要求的输入则被描述为炸弹的空气动力、飞机附近的流场、炸弹架载荷、发射活动如投射力和力矩或者