仿真验证与确认技术在航天研发中的应用

仿真技术作为解决工程问题的一种重要手段，被广泛应用于航天、航空、机械、电力、通信等诸多领域。本文讨论在仿真建模中验证与确认 ( Verification and Validation，V＆V) 技术的相关概念、术语、规范、基本建设流程和应用等方面的发展和研究，概括仿真技术中 V＆V的几个关键问题，明确其在解决工程问题中的重要性，为V＆V技术在工业生产设计领域发挥更大的作用提供参考。

仿真技术是一门多学科的综合性技术。由于仿真技术在工程及科研应用上的经济性、安全性、可重复性等优点，它被广泛应用于航天、航空、航海、电力、化工、核能、通信等诸多领域，并取得了良好的实际效果。但由于仿真技术使用过程中，对象的复杂性、仿真开发人员对相关知识获取的不完整性，同时其自身固有的局限性，这些限制性因素导致仿真过程存在一个可信度问题，即仿真系统在特定的仿真目的下能否真实有效地反映所仿真的对象。缺乏足够可信度的仿真系统是没有应用价值的，其仿真结果甚至会对决策者产生误导，最终导致潜在的经济损失。与此同时，人们对仿真系统的可信性与正确性提出的要求越来越高。因此，开展针对仿真可信度评估问题的研究工作更加迫切，使其具有非常重要的实际意义和工程价值。

为了促进并确保所开发的仿真系统达到足够的可信度，人们在仿真与建模（Simulation&Modeling，M&S）的理论研究及工程应用中提出并逐步发展出了一套VV&A理论。它包括一系列原则、规范和技术，并贯穿于M&S的立项、设计、开发、调试、应用、维护等阶段构成的整个生命周期中,V&V工作的核心就是要通过规范M&S的开发过程来保证仿真系统的可信度。VV&A的定义如同M&S中其它术语的定义一样，也是一个发展和完善的过程，当前M&S领域特别是军事M&S领域多采用美国国防部5000．59计划中对VV&A所下的定义：

验证 (Verification)：确定M&S是否准确反映开发者的概念描述和技术规范的过程。确认(Validation)：从预期应用角度确定M&S再现真实世界的准确程度的过程。发布(Accreditation)：权威机构认证M&S相对于预期应用来说是否可接受的过程。

研究VV&A工作的重大意义在于可以有效地提高M&S及其试验结果的可信度，减少产品设计研发前期错误发生的概率，同时增强了M&S未来的可重用性。基于仿真验证与确认技术为M&S所带来的价值，VV&A的重要性已经为仿真系统用户和产品研发者所认识，并成为仿真系统研究和应用中的关键性基础技术。本文探索了VV&A 发展过程中的现状，提出一套VV&A实施的方案流程，并讨论如何把该技术应用到航天产品的研发过程，为推动我国仿真系统VV&A技术发展提出一些帮助。

近年来，数值模拟在工业设计、产品性能分析和优化设计中的地位日显重要，国外尤其是美国非常重视仿真建模中V＆V的概念、术语、规范、可信度评估方法和应用等的研究。

早在20世纪六七十年代，美国计算机仿真学会(Society for Computer Simulation，SCS) 成立模型可信性技术委员会 (Technical Committee on Model Credibility，TCMC)，专门进行与置信度评估相关的V＆V方法的概念、术语和规范的研究。自1984年美国电器与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)出版V＆V相关术语至今，V＆V相关概念、术语、规范一直都在完善。这些术语随后被美国核科学协会(American Nuclear Society，ANS)和国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)采用，建立各自领域的标准。1996年，美国国防部(Department of Defense，DoD )的国防建模与仿真办公室(Defense Modeling Simulation Office，DMSO)成立军用仿真V＆V工作技术支持小组，专门制定验证、确认和认证(Verification，Validation and Accreditation，VV＆A) 技术发展的政策与规范，并逐渐形成系统仿真领域的VV＆A 体系。1998年，美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers，ASME )成立协调小组，并逐步编写和颁布系列V＆V标准: 2006年颁布关于“计算固体力学V＆V的指南”，即ASME V＆V 10-2006 Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics；2009年颁布“计算流体力学和传热学的V＆V标准”，即ASME V＆V20-2009 Standard for Verification and Validation in Computational Fluid Dynamics and Heat Transfer； 2012 年颁布“计算固体力学V＆V概念的案例说明”，即ASME V＆V10.1-2012 An Illustration of the Concepts of Verification and Validation in Computational Solid Mechanics。总体来说，ASME 经过二十几年的发展，在工程问题仿真建模的V＆V的概念和方法上取得显著成果。

国内在应用仿真建模领域也开展大量关于VV＆A的工作，并取得一系列成果。但总体来说，我国对V＆V的研究仍处于起步阶段，表现为研究工作比较分散、缺乏规模，大量工作都是结合调研开展的前期研究，尚未建立关于仿真建模V＆V的概念体系，对可信度评估理论和方法也没有形成统一的标准。近年来，随着仿真技术在我国的应用领域使用越来越广泛，已经经常被用来解决工业生产过程中的各种问题，因而我国对置信度评估及V＆V的研究已经逐渐重视，渐渐加大了对相关研究工作的支持力度，这种趋势有利于缩短我国与欧美国家在相关领域的差距。

• 验证和确认技术流程实施基本框架

工程问题数值模拟涉及两大重要过程: 一是建模，二是模拟。基于工程系统可靠性的认证及评估的过程见下图。

该图描述了工程系统可靠性认证的3大手段，理论、实验和数值模拟之间的关系及其涉及的M＆S，V＆V及评估和系统可靠性认证之间的关系。系统由内到外分为3个层次:可靠性认证、分层评估和M＆S。其核心层 M＆S 中的左列流程重点关注物理模型和开展确认试验，获取试验结果以及量化不确定度信息；右列流程重点关注数学模型和开展数值模拟，进行代码验证和解法验证的验证，以判断程序是否能正确地求解数学模型，获取模拟结果及其量化数值结果不确定度的信息。 然后，将量化的试验结果与数值结果进行对比，开展确认活动，最终判断物理模型是否准确地反映相应的客观世界，以建立高置信度的分级M＆S，最终形成全系统级的高置信度M＆S及软件平台。

• 基于V&V技术的产品性能虚拟验证体系建设

根据上述V&V技术概念及基本框架，再依据实际工程问题试验需求与研发流程的具体要求，可以设计仿真模型验证过程和具体内容。

流程设计方案需要满足如下基本要求：

• 建模与仿真各阶段都可以开展VV&A活动，发现设计和研发中的缺陷，并不断进行修改和优化，最终满足仿真应用需要；

• V&V过程可以反复迭代，每个子过程将形成用于仿真可接受性评估和确认运用的V&V报告。

• 可融合V&V技术对产品虚拟性能验证模型进行充分的验证和确认，提升整体虚拟性能验证的能力；

• 对模型V&V研究后所得到的模型、知识和规范进行存档，建立性能虚拟验证的知识库。

V&V技术在产品研发各个阶段的应用示意如下图所示。从V&V计划到发布总共有六个步骤，每个步骤都与实际的研发流程相对应。

其中V&V规划是对将要进行的产品虚拟验证进行V&V活动做初步规划，编写V&V的计划书，对问题、优先级、所采用的技术、作为整个研发VV活动的主要控制文件。V&V规划中所涉及到的后续所有的模型验证和确认计划，都应该是完整可用的文档，用于描述研发活动的发展。

方案设计验证是在方案设计阶段根据客户需求来进行产品的构思，对产品进行原理和功能的设计与论证。并对所形成的设计方案进行评估与优化。在该阶段，可以利用CAX工具，对方案设计模型进行验证。根据应用的性能目标和行为需求，评估方案设计模型的完整性、正确性、适应性。

详细设计验证是在详细设计阶段，对最优的方案模型进行细化。对各个子系统、组件进行功能、性能、结构的进一步设计。并利用辅助设计工具与方法，对详细设计模型进行验证。

制造验证是通过制造型号产品的物理样机，可以在实验室条件或者物理工况条件下对所设计的产品进行真实性能验证，看所设计的产品是否满足设计要求。虚拟验证模型确认的目标是确保虚拟验证系统可以对产品在实际工作条件下的性能进行准确的模拟，对真实产品性能的表示足以支撑其预期用途。通过确认试验解决模型的可接受度准则等问题。

接下来需要基于V&V技术实现虚拟试验和物理试验的相互指导，来建立相关的规范，从而实现双方面的统一。在V&V层级试验规划中，一方面，要利用产品虚拟验证的仿真结果对物理试验设计进行指导和预示。另一方面，要通过科学、合理的设计物理试验，利用层级物理试验的数据对仿真模型进行修正，帮助建立高精度的仿真模型。

下一步的工作是建立层级实验数据库。真实模型的物理实验，如风洞试验、热试验，通常需要投入很大的人力、物力和财力。因此，所得到的物理试验数据是非常珍贵的，必须加以充分利用。为了提高物理试验数据的利用价值，可以基于V&V技术，建立起层级试验设计规范。实施层级确认试验，所得到的试验数据，可用于确认和评估对应层级的产品虚拟验证模型结果的精度，对不同层级的确认试验结果进行有效保存，并逐步建立起典型层级对象的确认试验结果数据库，以方便结果数据的追溯和提升试验数据的利用价值。最后通过对虚拟验证基础知识库的搭建，逐步建设基于V&V的虚拟验证应用体系。 

某航天院所产品研发中仿真模型验证和确认系统的可实施方法：

根据上述的V&V搭建流程，结合某所在卫星设计研发过程中，不同系统和学科下的试验数据，可以对不同级别、不同应用环境下的仿真模型进行模型验证技术研究，建立一个基于V&V验模流程模板，通过驱动包括几何、工程假设、材料、边界条件、约束连接关系、网格控制、单元选择、单位制等仿真参数，逐步优化、逼近实物试（实）验结果，满足仿真精度，制定、发布、形成卫星研发过程中的CAE标准流程、模型和模板，实现仿真精度的提高。可开展的工作具体如下：

1) 基于V&V的卫星性能仿真分析

在某所已经建立的卫星性能仿真能力的基础上，引入V&V技术和流程。首先，基于V&V层级规划理论，对卫星不同学科的仿真模型进行层级规划，得到仿真模型层级验证图。分别建立不同层级卫星仿真模型，在仿真环境中进行建模和计算。

利用V&V的仿真和试验结果一致性分析模块，可以在仿真模型的给定位置、方向上布置测点并自动提取结果，与对应的物理试验测点数据进行对比，得到二者的误差分布图等数据。如果误差不满足吻合度要求，进一步利用V&V的仿真模型修正工具模块，基于试验数据对仿真模型进行修正，提升仿真模型的精度。

通过对卫星性能仿真模型进行逐层的验证和确认研究，积累高精度的虚拟样机模型库。

2) 卫星性能仿真基础知识库

开展层级仿真模型的验证和确认研究，将会涉及到某所的基础平台，包括：数值模拟基础，包括物理理论库、计算方法库、专业计算程序、基准测试模型库等；层级试验数据，包括卫星不同层级的试验数据，如单一层级试验数据、基准层级试验数据、子系统层级试验数据和系统层级试验数据等；V&V工具，包括仿真和试验结果一致性分析工具、仿真模板、参数敏感性分析、模型修正工具、仿真模型不确定性分析等； 模型V&V 管理工具，包括流程（如V&V验模流程、模型修正流程）、模型（如层级仿真模型）和数据（如层级试验数据、规范文档等）、任务和工具集成等。

通过卫星性能仿真基础知识库，为仿真模型的V&V研究，提供必要的支撑手段和数据，确保仿真模型V&V研究工作的高效开展。

3)未来此院所仿真能力与水平提高展望

• 具备评估仿真模型精度的方法和工具；通过建设仿真模型Verification工具、Validation工具、试验数据后处理工具，逐步建立完备的仿真模型V&V；

• 能以层级试验数据对层级仿真模型进行精度评估，可以给出仿真和试验之间的吻合度及仿真模型的置信度；

• 逐步建立卫星性能仿真知识库。包括数值模拟库、层级试验数据库、V&V工具库、仿真模型V&V管理工具等，为仿真模型的置信度评估和置信度提升提供更充分的手段和方法。制定卫星性能仿真规范。对卫星不同学科仿真模型进行验证和确认研究的过程，将形成很多的仿真知识和经验，可以对此院所现有的仿真规范进行完善，并重新发布新的仿真规范。

通过以上介绍我们可以发现，当今V&V技术在企业的生产设计流程中已经变得越来越重要，而真正实施好V&V，可以为企业在以下几个工程方向提供帮助： 1） 指导试验， 降低试验成本及周期 ；2）作为试验的补充，完成试验无法获得的数据； 3）准确地校核及优化设计 4）验证和确认过的CAE模型、规范及模板，将被发布出来，成为企业的仿真规范 5）V&V工作是仿真数据管理和试验数据管理的重要核心内容。

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