美國公司依靠建模和仿真降低新裝備研制成本

　　據美《國防》雜志2014年第12期報道]由于美國軍費預算的不斷壓縮，遵循壓力傳遞規律，五角大樓也在裝備研制和持續保障流程中不斷轉嫁投資風險和擠壓各裝備制造商的研制成本。為此，美國的大型裝備公司開始越來越多地依賴建模和仿真技術來精煉設計方案、探查潛在的問題，以盡量減少物理樣機研制尤其是返工所造成的昂貴成本。雷神集成防務公司先進技術部副總裁Paul Ferraro認為，“評估現有方案以及這些方案的保真度和落實能力的速度越快，則我們在其基礎上迭代和改進的速度就越快。這正是建模和仿真工作巨大價值之所在。”諾格公司全球后勤與作戰保障部的作戰與戰略處主任Mike Kelly指出，“隨著軍種預算受到擠壓，我認為各軍種會花很大的精力開展風險管理工作，并盡一切努力來評估任何稍大一點項目的財務風險問題。因此，他們在后勤領域開展建模和仿真的欲望會越來越強。”

　　采用建模與仿真策略的最大好處是在實際產品正式誕生之前，承包商就能讓用戶通過視覺接觸到研制中的產品，從而及時得到用戶的反饋，并根據用戶的意見盡快對研制工作作出調整。據洛馬公司創新中心副主席Jim McArthur透露，洛馬公司已在弗吉尼亞州的諾福克市建立了完整的仿真設施，并期望與利益相關者共同使用這些設施。在該被人稱為“燈塔”的仿真中心內，研究人員可以借助建模與仿真工作開展作戰演習或開展其他實驗。洛馬公司建設該中心的目的，是為了創造一種能夠理解用戶真正需求所在的環境，并為現有或將來可能遇到的問題提供試驗解決方案。McArthur透露，“我們是在幫助政府部門弄清楚如何才能充分利用這些平臺的潛能。”比如，洛馬公司已經通過這些設備向有關人員演示了如何做才能使F-35與“宙斯盾”級巡洋艦和驅逐艦達到更完美的配合。“我們已經開發出一些新技術適配于F-35的通信系統。”該系統名為“多功能先進數據鏈”，功能就像一個適配器一樣，能使“宙斯盾”與F-35交換信息。“該技術還沒有完全成熟，現在只是在虛擬環境中當作技術翻譯器使用。”

　　據透露，“燈塔”中心由包括會議室、聽眾席、教室等在內的40個房間組成，配備有各類高科技沉浸式設備。在今年7月組織的一次媒體開放日中，洛馬公司向參觀者展示了一種輕型戰術車輛的仿真器。

　　今年秋天，洛馬公司還以“F-35在核動力航母上的一天”為主題，組織一系列的培訓班，并計劃在今年12月與海軍作戰和采辦部門一道舉辦一次戰爭演習。據了解，早在2013年，也就是在濱海戰斗艦首次部署到新加坡之前，洛馬公司就以瀕海戰斗艦為對象舉行過類似的演習。參加演習的有來自美海軍項目部、第七艦隊、新加坡政府的代表，以及“獨立號”的生產廠家“奧斯塔美國公司”。在該次演習中，洛馬確定了120個需要關注的問題，其中主要包括待做工作核查單以及在將"自由號"部署到新加坡之前需要提供的解決方案等。通過該次演習，促使美海軍決定將該類型艦艇上的水手從40人增加到50人。

　　洛馬并非是唯一動用自有資金建設建模與仿真設施的國防企業，最近，雷神公司在馬薩諸塞州的安多弗也建成了自己的沉浸式設計中心。該中心只設一個直徑為24英尺的大房間，房間內配有平板電視。該房間可以同時供20名用戶使用。用戶借助谷歌3D眼鏡，可與投射到房間內的雷神產品的虛擬模型進行互動。

　　據雷神集成防務公司先進技術部副總裁Paul Ferraro透露，實際上，只是到了最近這幾年建模與仿真技術才成熟到足以替代復雜的物理樣機的程度。“我們已經在軟件開發和使用方面取得了很大的進步，快速原型技術縮短了循環周期。”由于實際制成一個硬件需要時間，開展試驗與評估也需要時間，因此“硬件研制常常要滯后好多年”。“而擁有了我們現在具備的保真的建模與仿真工具，我們就能將這些敏捷的技術應用到硬件的設計之中。”

　　Paul Ferraro還透露，盡管該中心本來是為開展硬件研制而打造的，但它也可以用于其他目的，如開展培訓、戰爭演習和進行系統分析等。“它是一大筆投入，但相比于所能帶來的能力，它又是一筆適度的投入。”由于該中心目前只運行了4個月的時間，還無法去估算其投入產出值，但Paul Ferraro相信，該中心將能大大縮短設計以及制成硬件樣機的時間。“我們已經在一些重大項目中數次將其用于設計評審、設計循環，從中獲得的益處是顯而易見的。”例如，雷神公司曾為掃雷艦“愛國者”上的艦對空導彈系統控制站掩體打造了一個3D模型，內部配備有計算、通信和其他設備。導彈系統操作手和維修人員可以借助該虛擬掩體與裝備進行互動，這樣就可以將尋找或修理某個部件是否容易的信息很方便地反饋給設計人員。“這已不是單純地依賴或遵從傳統布局的問題了，它確實使得團隊成員幾乎可以全身心地沉浸到各種解決方案之中，以便真切地弄懂我們會對"愛國者"的保護罩進行怎樣的設計和布局。”互動中，人們可以通過操縱桿用虛擬的手將設備的部件卸下來，并可以三維的方式觀察、旋轉該部件，看看該部件到底是怎樣安裝的，最后還能將該部件重新安裝上去。

　　波音公司也采用類似的技術建成自己的沉浸式協作中心。這類中心配備了高端計算機和顯示器，用戶可以通過仿真辦法對從產品設計到新的維修構想等各個方面進行測試。據悉，波音公司在其各大工廠設施中都設有類似的協作中心。波音公司項目經理Dan Sea 透露，“我們將來會將用戶整合進我們的設計過程，給他們看設計展開的過程。用戶可以提問，而且由于模型就在現場，所以，我們也能夠當場解答這些提問。”

　　波音公司的一些協作中心還配備了活動跟蹤攝像頭，以便對設計開展人體工效學分析。Dan Sea 透露，“我們給維修人員穿戴上相關設備，這樣，維修人員就可以與尚未研制出來的虛擬產品進行實際交互。”這時，波音的分析人員就可以收集到修理單個部件所需要的時間與此前預計的維修時間是否匹配，以及維修人員的身高和體重是否影響維修工作的進行等信息。據悉，波音已經利用動作捕捉數據對V-22“魚鷹”旋翼機和“支努干”直升機的維修動作進行了分析，并首次利用沉浸式開發環境對交付給沙特的F-15的中機身前端設計做了改進。 由于工程師、分析師以及飛機制造人員都對更改該設計提出了意見，這些意見就可以通過仿真得到更深入的討論并立即得到落實。Seal認為，“我們因此節省了大筆的費用，因為傳統的研制部分通常會產生大量的重新設計和返工的現象。”但他拒絕透露與傳統的設計方法相比，新方法到底給波音省了多少錢。

　　諾格公司也已將建模和仿真融入到飛機的整個壽命周期當中。在產品研制的第一個階段采用建模方式，有利于公司權衡不同備選方案的利弊。諾格公司全球后勤與作戰保障部的作戰與戰略處主任Mike Kelly指出，“采購武器系統只是總支出的一小部分”，使用和持續保障則會占到總費用的70% 。“在前期采購與壽命周期成本之間存在著權衡問題。比如，你可以將飛機打造得更可靠，這樣由于發生的故障少所以需要的零配件就少。但是，制造更可靠的飛機的成本肯定高，這又會推高單架飛機的價格。”

　　所有這些因素如維修費用、供應鏈情況以及預計的單機價格，都可以放進一個模型中，用以預測將來的成本、可用性和可靠性趨勢。諾格公司會將這些信息提交給軍方，以便軍種判斷所研制的產品是否符合其需要，或者需要在哪些方面需要做出調整。

　　諾格公司還會利用這些模型為軍方已經部署的裝備提供分析服務。比如，對于“火力偵察兵”無人直升機（MQ-8C Fire Scout）是否適合搭載在某型號導彈驅逐艦的機庫內，諾格公司曾通過虛擬測試的方式提供過測試。“我們的測試表明，雖說一側的機庫不能同時容納兩架"火力偵察兵"，另一個機庫卻在留有適當的安全邊界之后仍能裝下兩架"火力偵察兵"。”此次測試提供的數字化驗證結果使得諾格公司以及該導彈驅逐艦項目辦公室確信，他們已經找到了“艦不進港、貨不卸載”解決方案。（中國航空工業發展研究中心 張寶珍）