【新挑战】面向航天工程应用的仿真标准体系架构研究

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前言

目前，仿真技术及其应用已成为航天型号产品研制过程中不可或缺的重要手段。仿真能力体系的构建面向弹、箭、星、船、器等各主要领域，紧密围绕型号研制全生命周期，包括立项论证、方案设计、详细设计、试验验证、生产制造、定型评估、服务保障等各阶段，对标型号在领域创新拓展、研制效率提升、先进制造和产品服务等方面对仿真能力的建设需求。

仿真能力体系可进一步分解为装备论证仿真、产品设计与试验仿真、生产制造仿真、服务保障仿真等多个方面。在型号研制内在需求和仿真技术外在牵引的双重作用下，仿真技术的应用规模不论从深度还是从广度上看，都呈现出跨越式发展的趋势。可以预见，后续将有越来越多的仿真应用进入到型号研制流程的各个环节中，这已经成为航天型号研制模式转变的一个重要趋势。

然而，在仿真技术的应用过程中，无论在技术层面还是在管理层面都尚未形成统一的标准体系。在规划、研制、集成、数据共享和管理等方面均存在 “孤岛” 现象，各单位没有形成合力，缺乏对开展基于多部门的仿真综合试验工作的规范指导。因此，迫切需要尽快开展航天仿真工程应用标准体系的研究，从顶层策划的角度研究制定相关标准体系的布局，对仿真建模、仿真试验操作、仿真评估与鉴定、仿真数据管理、仿真产品研发、仿真工作流程等诸多方面进行统一化规定，以促进先进仿真技术的推广和应用，并避免仿真系统无序建设、资源不能共享、系统互不兼容、仿真工作开展无据可依的问题。开展面向型号研制的航天仿真工程应用标准体系研究是一项必不可少的基础性工作。

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建议航天仿真工程应用标准体系的必要性

未来5到10年，我国航天仿真工程建设将以能力提升为先导，以仿真融入型号研制流程为核心，以覆盖型号全生命周期为目标，以总体和分系统联合仿真为重点，构建我国航天仿真能力体系架构，支撑航天装备数字化科研生产体系的建设。尤其在新领域、新型号的论证和关键技术攻关中，必须大力发展和应用航天仿真技术，解决论证评估手段不足、实物试验子样少、研制周期和科研经费紧张等问题，达到快速优选方案、降低研制风险、提高研制效率、保证产品质量的作用。

为保证仿真体系中各平台、应用系统和模型间的互操作性，仿真建设必须遵循特定的规范、标准和协议。从全局视角出发，对仿真工作所涉及到的标准/规范及协议进行系统性地规划和梳理是十分必要的。

通过对国内外典型航天及防务领域仿真工程应用标准建设的相关调研发现，国内外典型组织机构的标准体系差别较大，这主要是由于不同组织机构所承担的使命任务以及它们开展相关标准体系建设的目的有所不同。

在美国国家航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）的标准体系中，“仿真” 都不作为一个独立分类而存在，其具体内容被分散在其它不同的分类体系下。在我国，为了促进数字化与仿真技术的快速发展和应用，各行业及部门倾向于建立独立的仿真类别并加以发展和管理。在军用领域，2007 年，总装备部成立了军用建模与仿真标准化技术委员会，负责开展军用 M&S （仿真与建模）领域的标准化技术工作。

2009年，总装备部开展了新版 “军用标准体系”的编制工作，其中的 “军用 M&S 标准体系” 由基础标准和应用标准两大部分组成。“基础标准” 是军用建模与仿真各应用领域共同遵循的标准， “应用标准” 是军用建模与仿真各应用领域应遵循的专用标准。在工业部门，2005年国防科技工业标准化研究中心在2002年制定的“国防科技工业信息技术标准体系” 的基础上，形成了 “国防科技工业信息技术应用标准体系” 。在该体系中，仿真标准属于其中的 “数字化仿真与试验标准”。该分支又进一步细分为 “专业技术仿真与试验标准”、“系统仿真与试验标准”、“仿真与试验的评价与标准” 和 “其它标准” 4 个分支，此后并无进一步的分类与细化。

2004年，航天科技集团开展了信息化标准体系研究，该体系并未明确提出“仿真标准”这一分类，但提出了与仿真标准内涵相近的“数字化试验与评价标准”，该分支与 “数字化设计”、 “数字化制造”、“系统集成”、“AVIDM过程实施及相关标准” 等分支并列，包含在 “工程应用标准” 分支下且不再细化。

从上述调研结果不难看出，在国外由于 NASA、ESA等机构的科研管理性质所决定，其并未建立独立的仿真标准体系。而波音、雷神、洛马等工程研制实体单位的相关信息未见公开报道；在国内，虽然我国 “军用标准体系”、 “国防科技工业信息技术应用标准体系”、 “航天科技集团信息化标准体系” 等均对仿真部分内容有所涉及，但普遍存在分类过粗、指导性不强等问题。

在这些标准体系中，仿真标准实际上未能形成一个相对独立与完善的整体，对仿真标准化工作的牵引作用明显不足。

由于航天型号研制是一项十分庞杂的系统工程，而仿真作为一种独特的技术手段也已经深度融入其中。因此，开展航天仿真工程应用标准体系建设也必须从仿真技术在航天工程领域应用和发展的实际出发，合理确定标准体系的结构层次和标准的组织分类方式，不能简单借用其他组织机构的相关标准体系。

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航天仿真标准体系的编制原则

航天仿真工程应用标准体系（以下简称标准体系）可为实施航天工程领域仿真应用标准化提供参考依据。

一方面，该标准体系可用于系统梳理相关的已有仿真标准和待制定的仿真标准，以利于管理者分析和把握仿真标准的发展现状与方向，以便统一规划和协调仿真标准的制定与实施。

另一方面，该标准体系可用于航天仿真工程应用标准的分类管理，以便于使用者了解和检索相关仿真标准，使相关工作有章可循、科学高效。由于航天仿真工程应用标准体系的研究尚处于起步阶段，因此必须明确标准体系的建立方法和指导原则，做到体系架构科学、合理，才能有效促进先进仿真技术在航天产品研制过程中的应用，并逐步实现仿真应用工作的规范化。

其主要编制原则包括以下几个方面。应围绕我国主要航天产品研制全生命周期中应用的各类数字仿真和半实物仿真的需求，将相关标准条目纳入标准体系，构成一个完整的、全面的有机整体。以系统工程思想为指导，一方面，合理设计标准体系架构，以正确反映不同标准分类之间的内在联系；另一方面，合理确定分类，以保证性质和特点相同的标准可以相对集中，并避免在不同分类下出现标准重复。标准体系中的标准条目应具有一定的时效性，不纳入当前已不适用的标准条目，并对标准体系中的标准条目进行动态更新、补充和淘汰。标准体系架构应便于根据标准的发展进行扩展，对标准的分类应考虑未来发展的需要，不能只局限于满足对现有标准的分类需要。

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航天仿真标准体系的分类维度研究

标准体系的维度是用来反映标准的一类属性，按照不同维度进行分类有着各自的优缺点。理想情况下，标准体系的分类维度应使每项标准在标准体系中的位置都是唯一的。

但通过分析国内外仿真技术的发展、仿真技术在航天工程领域的应用等可以发现，一方面，仿真技术自成体系，具有相当的复杂度；另一方面，仿真技术可以应用于不同领域、不同专业，而且应用颗粒度差别大，国内外相关标准体系的分类维度都无法保证标准体系中没有重复标准。因此，在建立仿真标准体系框架之前，有必要对各种可能的基本分类维度加以研究分析，明确各自的优劣，为后续的体系框架设计建立牢固基础。

4.1 维度一：按照是否为共性基础分类

仿真是一项综合性的应用技术，它以数学、计算机科学等基础科学为依托，初步建立了自身的基本理论和方法，可以说所有的仿真系统都具有共性的一面；同时仿真又是一项应用技术，它离不开相关的应用领域，在具体的应用领域中各具特色。因此，把相关的仿真标准/规范分割为共性基础部分与非共性基础部分具有天然的合理性，“是否为共性基础” 可以作为仿真标准/规范的分类维度之一，如图 1 所示。

优点：具有天然合理性，且与大多数单位仿真能力建设与仿真工程应用并存的实际状况相一致。缺点：是否为共性基础的程度和范围不易确定，导致分类存在一定的模糊性。

3.2 维度二：按照应用对象分类

所有仿真技术都有具体的应用对象，因此可将我国航天领域的主要产品作为分类维度，对仿真标准/规范加以分类，如图 2 所示。

优点：反映了行业特点，一般工程技术人员较易接受。缺点：不符合仿真技术自身的特点和规律，不能体现仿真技术具有共性的一面，不利于推动仿真技术的应用和发展，后续标准的制定与分类重复度大，指导性不强。

3.3 维度三：按照覆盖的基础专业分类

仿真技术通常都面向具体的专业背景，因此可将主流基础专业作为分类维度，对仿真标准/规范加以分类，如图 3 所示。

优点：反映了专业共性的特点，一般工程技术人员较易接受。缺点：不符合仿真技术自身的特点和规律，关注面过于基础，不利于推动大型联合仿真技术的应用和发展；不能反应航天领域特色，且覆盖面不全，工程应用指导性不强。

3.4 维度四：按照应用层级分类

航天产品的研制过程漫长而复杂，面向航天工程应用的仿真技术具有明显的层次感。小到一个机构、零件、具体电路的设计与验证；中到分系统、单机的设计验证；大到整个航天型号装备整体的装配验证与性能效能分析，以至于跨装备的体系级设计验证与效能评估，无处不见仿真技术的身影。因此，可将仿真技术在航天装备研制过程中的应用层级作为分类维度，对仿真标准/规范加以分类，如图 4 所示。

优点：静态地反映了航天工程应用领域的特点，一定程度上体现了仿真技术应用层级广的特点，一般工程技术人员较易接受。缺点：不能直接反映仿真专业自身的技术特点；在具体的调研和标准分类过程中发现 “系统” 与 “专业” 的分类界面不够清晰，重叠度大，并且不同院所的设计人员对于 “系统” 的定义存在争议，不易取得共识。

3.5 维度五：按照型号研制的生命周期分类

所有航天型号产品都要经历立项论证、工程研制、运行服役与退役等生命周期阶段，除去退役不讨论外，在其它三个阶段中对仿真技术的应用需求存在着明显的不同。因此，可以将航天型号产品所处的不同生命周期阶段作为分类维度，对仿真标准/规范加以分类，如图 5 所示。

优点：动态地反映了复杂装备工程研制应用领域的特点，一定程度上体现了仿真技术应用并服务于产品研制全生命周期的特点，分类界面清晰，一般工程技术人员较易接受。缺点：不能直接反映仿真专业自身的技术特点；不直接体现不同航天型号产品的具体特点。

3.6 维度六：按照仿真专业自身特点分类

仿真自身就是一个专业，它服务于其它各行各业。仿真具有自己的理论基础和技术体系，任何一个数字化仿真系统从其组成来看，大致都可划分为建模与验模、仿真平台架构与系统集成、仿真试验方法、仿真数据分析及管理、可视化等内容。讨论仿真标准体系，不可不考虑仿真技术自身的特点。因此，可以将仿真系统的技术组成作为分类维度，对仿真标准/规范加以分类，如图 6 所示。

优点：充分反映了仿真专业自身的技术特点，分类界面清晰，有利于推动仿真技术自身的应用与发展，有利于规范各单位仿真系统、平台等的建设与实施行为。缺点：不能体现航天工程应用领域的具体特点。

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航天仿真标准体系架构设计

从以上分析不难发现，可用于航天仿真工程应用标准体系架构设计的分类维度是很多的，但每一个单独的分类维度都存在各自的优势和缺陷，必须综合考虑有所取舍。

对于第一分类层级选用什么维度显得尤为重要，仿真技术自身特色与应用领域特点必须平衡考虑，且相互交叉内容要尽可能的少。因此，我们建议将维度一“是否为共性” 作为航天仿真工程应用标准体系第一层级的分类维度。在第二层级架构设计中，共性部分将专注于仿真技术自身的组成特点，采用维度六 “仿真专业自身特点” 进一步展开；“非共性部分” 中选用可以体现复杂装备全生命周期研制特色的维度五进一步展开，并将 “非共性部分” 加以替换以减少标准体系的整体层级。其中，“预研论证仿真应用标准” 的下一级按照维度四 “应用层级” 进一步分解为“航天装备体系化论证与评估仿真”与“单装备预研论证仿真” 两部分内容；在“设计与试验仿真应用标准” 部分中，在该阶段总体进行总体方案设计，开展总体级、多学科仿真，分解对分系统的指标要求；分系统进行分系统方案设计，开展系统级仿真，分解对单机的指标要求。此外，还包含单机方案设计和单机级、专业级仿真。

因此，在设计与试验阶段，总体级仿真、系统级仿真和专业级仿真是交织进行的。同时，鉴于不易划分系统级仿真和专业级仿真的分界面，故将总体级仿真和能达成共识的专业级仿真分别作为独立子类，将其他尚不能达成共识的仿真按其所属系统进行分类，基本按照维度四 “应用层级” 的分类原则形成总体级仿真，各系统级仿真和各专业级仿真并列作为 “设计与试验仿真应用标准” 的下级分类。在 “生产制造仿真应用标准” 与 “服务保障仿真应用标准” 分类的下一层级基本按照维度三 “覆盖的基础专业” 进行展开，但不要求在应用对象、类型规模等方面进行严格的对等区分。

由此，一种基于混合维度思想的航天仿真标准体系架构设计如图 7 所示。本文所建立的基于混合维度思想的航天仿真标准体系架构共包含两个层级，其中：第一层级总共包含 5 个子类别；第二层级总共包含了 30 个子类别，基本涵盖了仿真技术在航天型号研制过程中的主要应用领域和应用方向。

在合理分析的基础上，首次较为详尽地对航天仿真类标准规范加以分类展示，对后续相关标准项目的建设具有较强的指导意义。但必须指出的是，由于仿真技术及其具体应用的复杂性，并不存在绝对正确或唯一合理的航天仿真标准体系架构。建立仿真标准规范体系是一项综合性很强的工作，需要对仿真技术、仿真应用需求以及型号工程实践均有比较深刻、全面的理解。因此，仿真标准体系的建设任务必然复杂而艰巨。

目前应根据航天仿真发展和应用的特点，立足高起点，做好仿真标准化总体规划和顶层设计。在此基础上，瞄准当今国内外仿真前沿，在技术基础层面做到与当前仿真界主流标准兼容，并按照急用先行的原则，着手制定急需的标准、协议和规范。同时，应注重标准的先进性、成熟性、稳定性与实用性，不断完善仿真标准体系，在借鉴与继承中实现航天仿真标准体系的不断发展与创新。