第五节
深层应用之三：虚拟试验

虚拟试验是仿真在试验领域更为体系化的应用，是试验仿真的深层次发展。随着现代技术的发展，产品越来越复杂，传统试验方法已无法满足客户对加速装备研制和部署、降低研制风险和成本、提高经济可承受性的需求。于是，在信息技术、仿真技术等飞速发展和广泛应用的推动下，自20世纪80年代起，各国开始寻求产品试验验证技术的变革，虚拟试验技术是其中一项重要策略。

1.虚拟试验概述

虚拟试验是一种贯穿于复杂产品研制全生命周期，涉及关键系统数据产生、获取、分析和评价的系统工程。在产品研制过程中，采用虚拟试验技术可以解决大型试验设施能力不足问题，减少试验投资，缩短研制周期。例如，美国在研制第四代攻击机F-35项目时就提出目标：从设计到飞行试验全面数字化，研制周期较F-22缩短一半，风洞吹风试验减少75%，试飞飞行架次减少40%，定型试验周期缩短30%。

虚拟试验能够减少研制过程的盲目性和不确定因素，增强决策的合理性和科学性。通过构建虚拟试验平台，不仅可以部分取代实物试验，对复杂产品或系统的设计方案进行分析和评估，以减少研制过程的盲目性和不确定，增强了决策的合理性和科学性，而且可以实现产品虚拟样机和实物样机在同一个网络化平台上得到验证、修改及优化。

虚拟试验是计算机仿真技术、科学计算可视化和虚拟现实技术有机结合的产物，是解决仿真、试验、计算结果可视化问题的有效手段。虚拟试验是在长期积累的大量数据、虚拟样机模型、动力学模型以及各种环境等三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、虚拟仿真系统和各种虚拟现实设备，建立能方便进行人机交互操作的环境。在此环境中对虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被测物体的性能及其间的相互关系，并对试验结果进行分析与研究。虚拟试验体系能够把设计验证的模式从传统实物验证转变为“试验建模→仿真与虚拟试验→改进模型→实物验证”的虚实结合模式。

2.体系建设思路

虚拟试验验证技术正朝着规范化、集成化、体系化的方向发展。企业的当务之急是构建虚拟试验支撑软件平台框架，制定出适合高端复杂产品研制试验需求、自顶向下的虚拟试验验证标准规范体系，进而推动产品研制技术的变革。可以考虑从以下几个方面入手进行虚拟试验体系的建设：

1）构建虚拟试验软件支撑平台，搭建虚拟试验环境。在虚拟试验软件支撑平台上，试验者能够将试验产品（虚拟原型）“安装”在虚拟试验环境下进行“试验”。借助仿真技术、交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品运行性能进行评价或体验。

2）通过构建试验模型库及虚拟试验样机管理机制，解决试验模型的统一管理、改进等问题。

3）虚拟试验过程和任务能被统一管理和调度。工程师能够通过交互界面完成虚拟试验的数据监视与执行控制。

4）通过构建试验评估机制，实现虚拟试验结果的分析、评估与参数修正。主要对虚拟试验过程中收集到的数据进行分析，确定试验结果的合理性，分析试验参数的灵敏度。为产品设计和实物试验提供支撑。

5）进行虚拟试验数据的全生命周期管理，获取外部实物试验数据，并进行虚实对比分析。

6）针对高端复杂产品，研究建立完整的虚拟试验验证标准规范体系。

3.体系建设方案

根据建设思路，搭建虚拟试验的信息化支撑系统，同时应建设虚拟试验验证标准规范体系、虚拟试验模型库、高性能计算及基础IT平台、基础仿真工具体系以及信息化平台与外部试验的接口。体系整体框架如图1-21所示。

虚拟试验系统由虚拟试验交互界面、试验环境搭建、试验结果评估、试验模型管理、试验数据管理、仿真工具及调度管理以及试验数据管理（TDM）系统接口等模块组成。如表1-1所示。

虚拟试验验证标准规范体系应包括虚拟模型描述方法、虚拟试验过程的组织管理方法、虚拟试验数据分析方法、虚拟试验模型校验和修正方法等相关标准规范。

4.虚拟试验关键技术

虚拟试验是仿真技术与更多技术结合的综合应用模式，其中大量关键技术需要持续积累、创新和突破，才能逐步形成高可用的支撑体系。

（1）虚拟试验验证体系构建技术

该技术主要研究产品虚拟试验验证体系的描述方法、试验验证体系中多系统的边界描述和状态涌现机制、虚拟试验系统组织规范和接口管理等问题。

（2）虚拟试验中间件技术

该技术主要研究将“虚实结合”起来的通信转换、映射和发布机制，包括实物、半实物、数字模型和系统之间的异构消息映射和状态更新技术研究，以及试验模型的交互性、可重用性和可组合性研究。

（3）虚拟试验过程可视化技术

该技术解决的问题是如何在试验模型的驱动下，运用先进的虚拟现实技术构建一个逼真环境，为进行可视化验证提供技术支撑。

（4）虚拟试验综合环境生成技术

该技术研究包括虚拟试验综合环境数据表示模型、虚拟试验综合环境数据编码规范、空间环境参考模型、综合环境接口规范和传输格式等。

（5）虚拟试验VV&A技术

该技术研究虚拟试验验证过程中试验模型的验证和评价方法，从试验模型的产生到使用过程进行全生命周期的验证和评估，确保虚拟试验验证过程的可信性。

（6）虚实试验数据融合技术

该技术研究在虚拟试验验证过程中不同的信息获取方法，支持实物、半实物和虚拟试验的数据采集，并在此基础上进行数据分析。

（7）虚拟试验样机（Virtual Test Prototype，VTP）技术

VTP是近年来从虚拟样机概念延伸而来的一种新型复杂产品试验验证方法，是一种基于集成化产品和过程开发策略的试验验证手段。VTP将系统建模方法、系统集成分析和验证方法有机地结合起来，构建支持复杂产品虚拟试验验证的模型簇，为产品开发过程中的试验验证提供数字化的模型生成、表现、评估的标准规范，并为在此基础上构建的虚拟试验验证应用系统提供模型和数据来源。VTP技术的研究为虚拟设计样机和试验样机之间的模型映射和数据交换提供了技术基础。

（8）虚拟试验验证分析、评估与参数修正技术

该技术主要对试验过程中收集到的数据进行分析，确定试验结果的合理性，分析试验参数的灵敏度，为产品设计和实物试验提供技术支撑。 KNeQWFdQ3n6bOzwduRjqhh8EWc1eaqI/tmaDH67HWqRdr6aLPfBpxXAcXHx87T1X