字工程連載（07）數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建)
數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建VV體系為數(shù)字樣機(jī)的可信度“蓋章認(rèn)證”模型是數(shù)字工程的核心資產(chǎn)但模型的可信度直接決定了其應(yīng)用價值。一個精度不達(dá)標(biāo)的仿真模型不僅無法支撐設(shè)計決策還可能導(dǎo)致錯誤的工程判斷。因此建立系統(tǒng)化的模型校核、驗證與確認(rèn)VV體系是數(shù)字樣機(jī)走向工程應(yīng)用和高質(zhì)量交付的必要前提。本文在參考GJB 9226-2017《軍用建模與仿真模型校核、驗證與確認(rèn)通用要求》及GB/T 42383.5-2023《多學(xué)科協(xié)同仿真 第5部分模型驗證與確認(rèn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上深入論述數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系的構(gòu)建方法為裝備研制、鑒定交付提供技術(shù)支撐。PART.01概念框架與標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)1.1VV概念框架在復(fù)雜裝備的系統(tǒng)工程研制體系中VV驗證與確認(rèn)不是研制流程結(jié)束后的附加環(huán)節(jié)而是貫穿裝備從需求論證到運(yùn)維保障全生命周期的核心質(zhì)量保障機(jī)制與研制活動同步規(guī)劃、同步執(zhí)行、同步閉環(huán)。圖1 模型驗證與確認(rèn)VV概念在需求論證階段確認(rèn)Validation活動即已啟動通過需求追溯矩陣和可行性分析驗證作戰(zhàn)需求是否可分解、可量化、可檢驗確?！疤岢龅男枨笫钦_的、可實現(xiàn)的”。這一階段的確認(rèn)活動決定了后續(xù)所有研制工作的方向正確性需求層面的偏差若未能在早期發(fā)現(xiàn)將在后續(xù)階段呈指數(shù)級放大修正成本。在系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計階段驗證Verification活動通過架構(gòu)評審、接口一致性檢查和功能分配分析確保系統(tǒng)架構(gòu)方案能夠完整覆蓋需求條目各子系統(tǒng)之間的接口定義無沖突、無遺漏。此時的驗證是“設(shè)計對需求的符合性檢查”防止設(shè)計偏離需求意圖。在詳細(xì)設(shè)計階段驗證活動深入到部件和零件層級通過三維模型的干涉檢查、公差分析、材料適用性評估等手段確保詳細(xì)設(shè)計滿足系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)約束和性能指標(biāo)。這一階段的驗證密度最高、粒度最細(xì)是控制設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵關(guān)口。在軟硬件集成階段驗證與確認(rèn)活動交匯集成測試既驗證各軟硬件模塊的接口兼容性和功能協(xié)同性Verification又確認(rèn)集成后的系統(tǒng)行為是否符合預(yù)期的使用場景Validation。這是V型底部的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點標(biāo)志著裝備從“分系統(tǒng)各自正確”邁向“系統(tǒng)整體可用”。在系統(tǒng)仿真階段驗證活動通過高保真數(shù)字樣機(jī)在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)裝備的作戰(zhàn)工況將仿真輸出與設(shè)計要求逐項比對量化評估模型的精度水平和置信區(qū)間。這一階段的驗證價值在于在實物樣機(jī)制造之前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷以極低的成本完成多輪設(shè)計迭代優(yōu)化。在系統(tǒng)測試階段確認(rèn)活動通過實物試驗和實測數(shù)據(jù)最終判定裝備是否滿足用戶的作戰(zhàn)需求和使用要求。這是VV鏈條中權(quán)威性最高的環(huán)節(jié)測試結(jié)果直接決定裝備能否通過鑒定驗收、進(jìn)入交付流程。確認(rèn)活動回答的終極問題是“我們構(gòu)建的裝備是否是用戶真正需要的”在系統(tǒng)交付和運(yùn)維保障階段VV活動并未終止交付時的技術(shù)狀態(tài)基線審核、配置審計是對前期所有VV成果的匯總確認(rèn)運(yùn)維階段的性能監(jiān)測、故障分析和改型評估則是持續(xù)性的確認(rèn)活動確保裝備在實際使用環(huán)境中始終保持預(yù)期的性能水平和任務(wù)適用性。1.2VV標(biāo)準(zhǔn)體系隨著數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在國際合作中的廣泛應(yīng)用VV標(biāo)準(zhǔn)的國際化協(xié)調(diào)日益重要。目前NASA的OVMOverview Management框架、美國國防部的DOD-STD-2167A標(biāo)準(zhǔn)、ASME的VV 10/20/40系列標(biāo)準(zhǔn)、AIAA的仿真可信度指南等都在積極推動VV的標(biāo)準(zhǔn)化。我國也在GJB體系中不斷完善VV相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)例如GJB 9226-2017《軍用建模與仿真模型校核、驗證與確認(rèn)通用要求》及GB/T 42383.5-2023《多學(xué)科協(xié)同仿真 第5部分模型驗證與確認(rèn)》中都對數(shù)字樣機(jī)模型的VV提出了明確要求。GJB 9226-2017是我國軍用建模與仿真領(lǐng)域VV活動的頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了VV的組織管理、過程要求、技術(shù)方法和文檔規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)的核心要求包括VV活動應(yīng)貫穿模型全生命周期從概念設(shè)計階段即啟動VV規(guī)劃VV應(yīng)獨立于模型開發(fā)活動由具備資質(zhì)的第三方執(zhí)行VV結(jié)論應(yīng)給出量化的精度指標(biāo)和明確的適用范圍界定而非模糊的定性評價。GB/T 42383.5-2023作為多學(xué)科協(xié)同仿真系列標(biāo)準(zhǔn)的第5部分聚焦于多學(xué)科耦合模型的驗證與確認(rèn)問題。標(biāo)準(zhǔn)針對數(shù)字樣機(jī)中普遍存在的氣動結(jié)構(gòu)耦合、熱力耦合、控制動力學(xué)耦合等多學(xué)科協(xié)同仿真場景規(guī)定了耦合接口驗證、學(xué)科間數(shù)據(jù)一致性檢查、耦合計算收斂性評估等專項驗證要求填補(bǔ)了多學(xué)科模型VV的方法論空白。在數(shù)字化鑒定流程中VV不是可選的“錦上添花”環(huán)節(jié)而是交付合規(guī)的“硬性門檻”。所有交付模型必須經(jīng)過完整的校核、驗證過程提供量化的精度評估報告和可追溯的驗證證據(jù)鏈以便評審專家在驗收數(shù)字樣機(jī)時重點關(guān)注VV文檔的完整性和規(guī)范性包括驗證計劃、驗證方法、驗證報告、精度評估報告、不確定性分析和遺留問題清單。PART.02VV過程管理與方法VV模型驗證與確認(rèn)是數(shù)字樣機(jī)從“可用”走向“可信”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)其核心目標(biāo)是在模型投入工程應(yīng)用之前通過系統(tǒng)化的比對分析和量化評估為模型的可信度提供客觀、可追溯的證據(jù)支撐。整體流程以“數(shù)據(jù)驅(qū)動、算法支撐、閉環(huán)迭代”為基本原則將仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)在統(tǒng)一條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比對依托DOE試驗設(shè)計、靈敏度分析、參數(shù)修正、不確定性量化等科學(xué)驗證方法對模型的精度水平和適用范圍做出量化判定并通過“驗證反饋修正再驗證”的迭代機(jī)制持續(xù)優(yōu)化模型質(zhì)量最終形成包含精度指標(biāo)、置信區(qū)間和改進(jìn)建議的驗證報告為數(shù)字樣機(jī)的發(fā)布入庫和交付應(yīng)用提供權(quán)威的可信度認(rèn)證。圖2 模型驗證工作流程示意圖2.1驗證任務(wù)管理驗證任務(wù)管理功能是模型校驗的業(yè)務(wù)驅(qū)動環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)驗證任務(wù)的全生命周期管理包括任務(wù)創(chuàng)建、參數(shù)配置、執(zhí)行調(diào)度、進(jìn)度跟蹤和結(jié)果歸檔。系統(tǒng)以裝備典型部件為驗證對象支持按型號、部件、驗證類型CAE仿真/試驗對標(biāo)/多模型對比/靈敏度分析/不確定性分析等進(jìn)行多維度篩選和分類管理。每個驗證任務(wù)包含任務(wù)編號、任務(wù)名稱、任務(wù)類型、關(guān)聯(lián)發(fā)動機(jī)型號、目標(biāo)模型類型、驗證方法、驗證狀態(tài)、通過率、負(fù)責(zé)人和計劃完成日期等完整元數(shù)據(jù)。任務(wù)狀態(tài)包括“已完成”“執(zhí)行中”“待執(zhí)行”和“待修復(fù)”四種支持按優(yōu)先級自動調(diào)度和手動調(diào)整。圖3 模型驗證任務(wù)管理2.2驗證方法庫驗證方法庫是模型校驗功能的方法論基礎(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)置了多種經(jīng)過工程實踐驗證的標(biāo)準(zhǔn)化驗證方法如下表所示。每種方法均定義了方法編號、版本號、適用模型類型、算法流程描述和典型應(yīng)用場景支持方法的版本管理、參數(shù)配置和組合調(diào)用。驗證方法庫的設(shè)計理念是“一次定義、多次復(fù)用”驗證人員在創(chuàng)建驗證任務(wù)時可直接引用方法庫中的標(biāo)準(zhǔn)方法無需重復(fù)配置驗證參數(shù)顯著提升驗證效率。圖4 驗證方法庫管理界面2.3驗證指標(biāo)庫驗證指標(biāo)庫針對不同學(xué)科領(lǐng)域和模型類型建立了參數(shù)化的驗證指標(biāo)體系。每項指標(biāo)均定義了指標(biāo)編號、驗證維度、核心參數(shù)名稱、具體指標(biāo)描述、允許誤差范圍、精度閾值和數(shù)據(jù)來源為驗證結(jié)果的量化評判提供客觀標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)庫分為算法模型驗證指標(biāo)和邏輯模型評價指標(biāo)兩大類。圖5 驗證指標(biāo)庫示例界面針對帶算法類的模型驗證提供指標(biāo)參數(shù)的定義和維護(hù)設(shè)定參數(shù)范圍后根據(jù)仿真和試驗的結(jié)果進(jìn)行模型置信度評估和分析以航空發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合動力學(xué)驗證為例系統(tǒng)定義了多動力學(xué)模型驗證指標(biāo)參數(shù)覆蓋轉(zhuǎn)子模態(tài)、臨界轉(zhuǎn)速、軸承剛度、機(jī)匣變形、葉片頻率、振動響應(yīng)、轉(zhuǎn)子平衡和機(jī)電耦合等關(guān)鍵驗證維度。每項指標(biāo)均明確了具體的誤差允許范圍和精度閾值要求確保驗證結(jié)論的科學(xué)性和可操作性。圖6 模型精度評估指標(biāo)示例針對不帶算法的邏輯模型可以由用戶自定義各類邏輯模型的評價方法和評價指標(biāo)、定義驗證范圍和評價計算的標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)針對這類模型通過驗證任務(wù)和流程驅(qū)動模型的評價結(jié)果。如下表所示是針對某發(fā)動機(jī)幾何模型完整性和尺寸參數(shù)完整性等指標(biāo)的評價方法和閾值定義參考示例。2.4驗證算法庫針對各類仿真模型和性能模型等待算法的模型驗證系統(tǒng)提供了市場上通用的各類算法作為選擇用戶可以選擇對應(yīng)的算法進(jìn)行仿真模型精度的計算和評估驗證。平臺內(nèi)置專業(yè)化、可擴(kuò)展的仿真驗證算法庫是實現(xiàn)仿真模型精度校核、結(jié)果對標(biāo)驗證、仿真可信度評估的核心支撐組件面向多學(xué)科仿真模型、降階代理模型、實物試驗數(shù)據(jù)提供標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的驗證校核能力打通仿真建模、求解計算、精度驗證的全業(yè)務(wù)閉環(huán)。算法庫集成全套工業(yè)級仿真驗證校核算法涵蓋誤差分析、相關(guān)性校驗、擬合度評估、顯著性分析、精度對標(biāo)五大類核心驗證能力無需依托第三方工具可在平臺內(nèi)部完成仿真結(jié)果全方位、量化化、標(biāo)準(zhǔn)化的合規(guī)驗證。圖7 驗證算法庫2.5驗證結(jié)果與報告模型精度驗證結(jié)果是將計算得出的精度指標(biāo)與預(yù)設(shè)的預(yù)期要求對比判斷模型是否滿足精度標(biāo)準(zhǔn)形成 “通過”“有條件通過”或“未通過”的結(jié)論未通過時需深入分析誤差來源。圖8 模型精度驗證結(jié)果可視化驗證結(jié)果與報告管理功能實現(xiàn)驗證成果的統(tǒng)一管理和輸出包括驗證結(jié)果記錄歸檔、驗證報告自動生成、報告版本管理和驗證成果應(yīng)用追蹤。每一次驗證任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果均被完整記錄形成可追溯的驗證履歷支撐型號鑒定審查和設(shè)計定型決策。圖9 驗證報告自動生成與預(yù)覽界面系統(tǒng)支持基于驗證結(jié)果自動生成結(jié)構(gòu)化的驗證分析報告。報告內(nèi)容包括報告元數(shù)據(jù)、引言、驗證模型概述、驗證指標(biāo)體系表、仿真試驗對比分析曲線圖誤差表、驗證結(jié)論與改進(jìn)建議。校驗報告的詳細(xì)內(nèi)容包括校驗概覽、校驗結(jié)果統(tǒng)計、錯誤詳情、警告詳情、校驗通過項目列表、質(zhì)量評分。PART.03多層級VV體系架構(gòu)依據(jù)GJB 9226-2017標(biāo)準(zhǔn)的分層驗證思想結(jié)合數(shù)字樣機(jī)1.0/2.0/3.0的模型體系特征數(shù)字樣機(jī)的VV體系按照驗證對象的層級和復(fù)雜度分為三個層次算法模型校核、邏輯模型驗證和系統(tǒng)級確認(rèn)。3.1算法模型校核算法模型校核關(guān)注底層計算模型的數(shù)學(xué)正確性和數(shù)值精度對應(yīng)GJB 9226-2017中“計算模型校核”的要求面向含有數(shù)值仿真計算邏輯的性能模型L提供標(biāo)準(zhǔn)化的7步驗證流程模型加載→參數(shù)設(shè)置→仿真計算→后處理→模型驗證→參數(shù)修正優(yōu)化→報告輸出。驗證流程中每一步均設(shè)有前置檢查和狀態(tài)標(biāo)記確保驗證過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和可追溯性。圖10 算法模型驗證7步流程進(jìn)度條模型加載階段系統(tǒng)從樣機(jī)模型庫中加載待驗證的算法模型及其關(guān)聯(lián)的元模型定義自動檢查模型版本和依賴關(guān)系參數(shù)設(shè)置階段根據(jù)驗證指標(biāo)庫中定義的參數(shù)要求配置輸入?yún)?shù)范圍、采樣策略和邊界條件仿真計算階段調(diào)用集成的CAE仿真引擎或自研求解器執(zhí)行數(shù)值仿真計算自動記錄計算過程日志和中間結(jié)果后處理階段對仿真輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化、歸一化和統(tǒng)計分析處理模型驗證階段將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度比對分析計算誤差指標(biāo)并做出通過/不通過判定參數(shù)修正優(yōu)化階段對于未通過的驗證項基于靈敏度分析和參數(shù)優(yōu)化方法自動調(diào)整模型參數(shù)并重新驗證報告輸出階段自動生成包含驗證結(jié)論、誤差分析、改進(jìn)建議的驗證報告。圖11 DOE試驗設(shè)計及分析結(jié)果平臺集成標(biāo)準(zhǔn)化DOE試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析能力支持面向多變量、多工況仿真場景開展系統(tǒng)化試驗規(guī)劃、樣本空間構(gòu)建與數(shù)據(jù)規(guī)律分析解決傳統(tǒng)單因素試算、經(jīng)驗選點、樣本覆蓋不全、試驗效率低、參數(shù)影響機(jī)理不清晰等業(yè)務(wù)痛點為模型訓(xùn)練、參數(shù)標(biāo)定、性能優(yōu)化、降階建模提供科學(xué)、均勻、完備的樣本支撐體系。平臺內(nèi)置多種經(jīng)典及優(yōu)化試驗設(shè)計算法包含拉丁超立方、最優(yōu)拉丁超立方、全因子設(shè)計、部分因子設(shè)計、中心復(fù)合設(shè)計等可根據(jù)變量維度、工況區(qū)間、仿真成本自動適配最優(yōu)DOE采樣方案實現(xiàn)設(shè)計空間均勻覆蓋、邊界工況加密、樣本冗余度最小化大幅提升試驗與仿真樣本有效性。圖12 仿真與試驗結(jié)果比對分析平臺具備完備的仿真數(shù)據(jù)與實物試驗數(shù)據(jù)自動化比對分析能力支持全維度、全時序、全工況的仿真試驗對標(biāo)校驗實現(xiàn)仿真模型可信度量化評估與模型偏差閉環(huán)修正是實現(xiàn)“仿真對標(biāo)試驗、試驗校準(zhǔn)模型”正向迭代的核心業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)支持批量導(dǎo)入整機(jī)試車、部件臺架、試飛實測等多源試驗時序數(shù)據(jù)自動完成試驗數(shù)據(jù)清洗、異常值剔除、時間對齊、工況匹配、單位歸一、語義對齊實現(xiàn)試驗真值與仿真計算結(jié)果的自動關(guān)聯(lián)配對解決傳統(tǒng)對標(biāo)人工整理、數(shù)據(jù)散亂、對標(biāo)維度單一、無法批量校核的問題。圖13 仿真試驗誤差分析曲線與參數(shù)樣本散點圖系統(tǒng)通過對比仿真曲線與試驗曲線計算多項誤差量化指標(biāo)最大相對誤差、均方根誤差RMSE、決定系數(shù)R2和穩(wěn)定裕度。通過散點圖展示各輸入?yún)?shù)如葉片安裝角R、弦長L、最大厚度T、進(jìn)口速度U1等在參數(shù)空間中的分布情況輔助驗證人員判斷采樣覆蓋度和參數(shù)敏感性。對于高維參數(shù)空間系統(tǒng)自動采用拉丁超立方采樣或Sobol序列采樣確保參數(shù)空間的均勻覆蓋。3.2邏輯模型驗證邏輯模型驗證關(guān)注模型的業(yè)務(wù)邏輯正確性和數(shù)據(jù)完整性對應(yīng)GJB 9226-2017中“概念模型驗證”的要求。系統(tǒng)支持自定義評價指標(biāo)體系可以根據(jù)模型本身在完整性方面的指標(biāo)進(jìn)行分解并支持分解指標(biāo)的實際打分、權(quán)重和評價說明等。如下圖示例在本示例中我們建立了5維完整性評價指標(biāo)體系覆蓋幾何完整性、尺寸參數(shù)完整性、材料屬性完整性、網(wǎng)格數(shù)據(jù)完整性和文檔關(guān)聯(lián)完整性。每項指標(biāo)均支持“已完成”“部分完成”“未完成”三級完成度評價并配合0-100分的量化評分。系統(tǒng)根據(jù)各維度評分和權(quán)重自動計算綜合評分綜合評價結(jié)果包含各維度詳細(xì)評分、加權(quán)計算過程、薄弱項識別和改進(jìn)建議。系統(tǒng)支持一鍵生成邏輯模型評價報告報告內(nèi)容包括模型基本信息、完整性評價詳情、佐證材料清單關(guān)聯(lián)的設(shè)計文檔、試驗記錄等、綜合評價結(jié)論和后續(xù)改進(jìn)計劃。圖14 邏輯模型驗證完整性評價與評分邏輯模型驗證還提供子標(biāo)簽頁式的詳細(xì)信息瀏覽包括基本信息模型編號、所屬階段、創(chuàng)建者、版本、更新時間、完整性評價各維度評分明細(xì)、佐證材料關(guān)聯(lián)文檔和記錄列表、綜合評價加權(quán)計算過程和結(jié)論、報告生成支持預(yù)覽和導(dǎo)出PDF/Word格式為模型質(zhì)量管控提供全面的決策支持。3.3系統(tǒng)級確認(rèn)系統(tǒng)級確認(rèn)是最高層級的VV活動關(guān)注完整數(shù)字樣機(jī)系統(tǒng)在典型使用場景下的綜合表現(xiàn)和決策適用性對應(yīng)GJB 9226-2017中“系統(tǒng)級確認(rèn)”的要求。系統(tǒng)級確認(rèn)通常采用端到端的仿真場景給定完整的輸入條件飛行剖面、環(huán)境條件、控制策略等評估數(shù)字樣機(jī)的輸出結(jié)果性能包線、載荷譜、壽命預(yù)測等與飛行試驗數(shù)據(jù)或高置信度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一致性。系統(tǒng)級確認(rèn)的難點在于不確定性量化UQUncertainty Quantification。仿真模型的輸入?yún)?shù)存在不確定性材料屬性的分散性、加工公差的隨機(jī)性、邊界條件的近似性等這些不確定性通過模型傳播到輸出結(jié)果中。UQ分析通過蒙特卡洛模擬、多項式混沌展開PCE等方法量化輸出結(jié)果的置信區(qū)間為決策者提供“不僅知道結(jié)果是多少還知道結(jié)果的可信范圍”的信息。圖15 MDO多學(xué)科耦合分析驗證此外依據(jù)GB/T 42383.5-2023的要求系統(tǒng)級確認(rèn)還需關(guān)注多學(xué)科耦合模型的協(xié)同驗證耦合接口的數(shù)據(jù)傳遞是否正確如氣動載荷向結(jié)構(gòu)模型的映射精度、學(xué)科間迭代計算的收斂性是否滿足要求如氣動-結(jié)構(gòu)耦合的殘差收斂曲線、耦合模型的整體預(yù)測精度是否優(yōu)于單學(xué)科模型的簡單疊加。PART.04AI賦能與多學(xué)科協(xié)同驗證前文建立的三層級VV體系為數(shù)字樣機(jī)可信度評估奠定了方法論基礎(chǔ)但面對裝備研制復(fù)雜度持續(xù)提升帶來的驗證效率瓶頸和多學(xué)科耦合模型的跨域驗證挑戰(zhàn)人工智能技術(shù)與多學(xué)科協(xié)同驗證方法成為關(guān)鍵突破路徑AI通過機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜和大模型能力將VV從“人工驅(qū)動”升級為“智能驅(qū)動”在方案推薦、異常檢測、參數(shù)校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)實現(xiàn)效率與質(zhì)量的雙重提升多學(xué)科協(xié)同驗證則依據(jù)GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)針對耦合接口、耦合收斂性和跨學(xué)科一致性提供專項驗證方法兩者結(jié)合推動VV體系從單學(xué)科、人工化的傳統(tǒng)模式邁向智能化、協(xié)同化的新一代驗證范式。4.1AI賦能的智能VV人工智能技術(shù)正在革新傳統(tǒng)的VV工作方式通過AI技術(shù)的引入利用機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜、貝葉斯推斷和大模型等能力在驗證方案推薦、異常檢測、參數(shù)校準(zhǔn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化和智能化使VV活動從“人找問題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題、人工確認(rèn)處置”顯著提升驗證效率和結(jié)果的一致性。具體體現(xiàn)在以下三個方面智能驗證方案推薦基于歷史驗證數(shù)據(jù)和知識圖譜系統(tǒng)自動為新模型推薦最優(yōu)的驗證方案包括驗證方法選擇、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)匹配、驗證樣本數(shù)量設(shè)定等。推薦方案綜合考慮模型類型、精度要求、計算成本等多維因素使驗證資源的配置更加精準(zhǔn)高效。智能異常檢測基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動識別仿真結(jié)果中的異常模式網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的數(shù)值振蕩、物理不合理的結(jié)果跳變、參數(shù)敏感性異常等。這些異常在傳統(tǒng)人工審查中容易被忽略但對模型精度可能產(chǎn)生重大影響。智能參數(shù)校準(zhǔn)基于貝葉斯推斷和遷移學(xué)習(xí)技術(shù)利用有限的試驗數(shù)據(jù)自動校準(zhǔn)仿真模型的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)依賴工程師的經(jīng)驗和反復(fù)試湊智能校準(zhǔn)方法可以在更少的迭代次數(shù)內(nèi)找到最優(yōu)參數(shù)組合顯著提升模型精度。展望未來基于大模型的“虛擬評審專家”可以自動審查模型的合理性提出改進(jìn)建議甚至自動生成驗證代碼和測試用例。結(jié)合知識圖譜技術(shù)虛擬評審專家還可以借鑒歷史型號的驗證經(jīng)驗為新模型的驗證策略提供參考。4.2多學(xué)科協(xié)同驗證依據(jù)GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)的要求數(shù)字樣機(jī)中多學(xué)科耦合模型的驗證需要專項方法支撐。耦合模型驗證面臨三個核心挑戰(zhàn)耦合接口驗證多學(xué)科模型之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換如氣動模型向結(jié)構(gòu)模型傳遞壓力載荷、結(jié)構(gòu)模型向氣動模型傳遞變形位移接口的數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、時間同步必須經(jīng)過嚴(yán)格驗證確保數(shù)據(jù)傳遞不丟失、不失真。耦合收斂性驗證多學(xué)科耦合計算通常采用迭代方式求解如氣動結(jié)構(gòu)耦合需要反復(fù)迭代直至載荷和變形收斂需要驗證耦合迭代的收斂性收斂速度是否滿足要求、收斂結(jié)果是否唯一、是否存在數(shù)值振蕩?？鐚W(xué)科一致性驗證在數(shù)字樣機(jī)1.0→2.0→3.0的模型傳遞鏈路中不同階段的模型涉及不同學(xué)科的關(guān)注點?？鐚W(xué)科一致性驗證確保數(shù)據(jù)在跨階段傳遞過程中保持語義一致。如1.0階段的葉片設(shè)計參數(shù)變更時系統(tǒng)自動檢查2.0階段的工藝模型是否已同步更新、3.0階段的交付模型是否受到影響。通力有限公司正在開發(fā)的Ablaze AI Prism智能體平臺未來將逐步支持跨學(xué)科驗證任務(wù)的編排和管理提供耦合接口自動檢查、耦合收斂性自動監(jiān)控、跨階段模型一致性自動比對等專項能力確保多學(xué)科耦合模型的全面驗證。PART.05小結(jié)與展望本文系統(tǒng)論述了基于GJB 9226-2017和GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建方法。校核、驗證、確認(rèn)三者構(gòu)成遞進(jìn)式質(zhì)量保障鏈條校核確保“模型算得對”驗證確?！澳Ｐ退愕脺?zhǔn)”確認(rèn)確保“模型用得對”。體系圍繞驗證任務(wù)管理、方法庫、指標(biāo)庫和算法庫四大基礎(chǔ)能力構(gòu)建算法校核、邏輯驗證、系統(tǒng)確認(rèn)三層級VV架構(gòu)覆蓋從底層計算精度到系統(tǒng)級綜合表現(xiàn)的全方位驗證需求配合可信度分級管理和驗證域界定實現(xiàn)驗證資源的精準(zhǔn)配置。AI賦能的智能VV和多學(xué)科協(xié)同驗證代表了技術(shù)演進(jìn)方向使VV從依賴人工經(jīng)驗的離散檢查升級為數(shù)據(jù)驅(qū)動的連續(xù)質(zhì)量保障體系。展望未來VV體系將在三個方向持續(xù)深化一是自動化驗證全覆蓋實現(xiàn)驗證腳本自動生成、數(shù)據(jù)自動采集、報告自動撰寫使VV從稀缺能力轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_化標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)二是數(shù)字孿生驅(qū)動的實時驗證利用IoT數(shù)據(jù)持續(xù)校準(zhǔn)模型實現(xiàn)“模型運(yùn)行即驗證”三是AI大模型賦能的虛擬評審自動審查模型合理性、生成驗證方案、借鑒歷史經(jīng)驗大幅降低VV的人力成本和技術(shù)門檻。VV體系是數(shù)字樣機(jī)從“能用”到“可信”的關(guān)鍵跨越當(dāng)每一個交付模型都經(jīng)過嚴(yán)格的校核、驗證和確認(rèn)數(shù)字樣機(jī)才能真正成為裝備研制決策的可靠依據(jù)。下期預(yù)告《數(shù)字樣機(jī)模型運(yùn)行與交付體系構(gòu)建》系列收官之作解析數(shù)字樣機(jī)交付數(shù)據(jù)包的完整構(gòu)建與離線運(yùn)用。 數(shù)字工程連載（07）數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建
數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建VV體系為數(shù)字樣機(jī)的可信度“蓋章認(rèn)證”模型是數(shù)字工程的核心資產(chǎn)但模型的可信度直接決定了其應(yīng)用價值。一個精度不達(dá)標(biāo)的仿真模型不僅無法支撐設(shè)計決策還可能導(dǎo)致錯誤的工程判斷。因此建立系統(tǒng)化的模型校核、驗證與確認(rèn)VV體系是數(shù)字樣機(jī)走向工程應(yīng)用和高質(zhì)量交付的必要前提。本文在參考GJB 9226-2017《軍用建模與仿真模型校核、驗證與確認(rèn)通用要求》及GB/T 42383.5-2023《多學(xué)科協(xié)同仿真 第5部分模型驗證與確認(rèn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上深入論述數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系的構(gòu)建方法為裝備研制、鑒定交付提供技術(shù)支撐。PART.01概念框架與標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)1.1VV概念框架在復(fù)雜裝備的系統(tǒng)工程研制體系中VV驗證與確認(rèn)不是研制流程結(jié)束后的附加環(huán)節(jié)而是貫穿裝備從需求論證到運(yùn)維保障全生命周期的核心質(zhì)量保障機(jī)制與研制活動同步規(guī)劃、同步執(zhí)行、同步閉環(huán)。圖1 模型驗證與確認(rèn)VV概念在需求論證階段確認(rèn)Validation活動即已啟動通過需求追溯矩陣和可行性分析驗證作戰(zhàn)需求是否可分解、可量化、可檢驗確?！疤岢龅男枨笫钦_的、可實現(xiàn)的”。這一階段的確認(rèn)活動決定了后續(xù)所有研制工作的方向正確性需求層面的偏差若未能在早期發(fā)現(xiàn)將在后續(xù)階段呈指數(shù)級放大修正成本。在系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計階段驗證Verification活動通過架構(gòu)評審、接口一致性檢查和功能分配分析確保系統(tǒng)架構(gòu)方案能夠完整覆蓋需求條目各子系統(tǒng)之間的接口定義無沖突、無遺漏。此時的驗證是“設(shè)計對需求的符合性檢查”防止設(shè)計偏離需求意圖。在詳細(xì)設(shè)計階段驗證活動深入到部件和零件層級通過三維模型的干涉檢查、公差分析、材料適用性評估等手段確保詳細(xì)設(shè)計滿足系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)約束和性能指標(biāo)。這一階段的驗證密度最高、粒度最細(xì)是控制設(shè)計質(zhì)量的關(guān)鍵關(guān)口。在軟硬件集成階段驗證與確認(rèn)活動交匯集成測試既驗證各軟硬件模塊的接口兼容性和功能協(xié)同性Verification又確認(rèn)集成后的系統(tǒng)行為是否符合預(yù)期的使用場景Validation。這是V型底部的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點標(biāo)志著裝備從“分系統(tǒng)各自正確”邁向“系統(tǒng)整體可用”。在系統(tǒng)仿真階段驗證活動通過高保真數(shù)字樣機(jī)在虛擬環(huán)境中復(fù)現(xiàn)裝備的作戰(zhàn)工況將仿真輸出與設(shè)計要求逐項比對量化評估模型的精度水平和置信區(qū)間。這一階段的驗證價值在于在實物樣機(jī)制造之前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷以極低的成本完成多輪設(shè)計迭代優(yōu)化。在系統(tǒng)測試階段確認(rèn)活動通過實物試驗和實測數(shù)據(jù)最終判定裝備是否滿足用戶的作戰(zhàn)需求和使用要求。這是VV鏈條中權(quán)威性最高的環(huán)節(jié)測試結(jié)果直接決定裝備能否通過鑒定驗收、進(jìn)入交付流程。確認(rèn)活動回答的終極問題是“我們構(gòu)建的裝備是否是用戶真正需要的”在系統(tǒng)交付和運(yùn)維保障階段VV活動并未終止交付時的技術(shù)狀態(tài)基線審核、配置審計是對前期所有VV成果的匯總確認(rèn)運(yùn)維階段的性能監(jiān)測、故障分析和改型評估則是持續(xù)性的確認(rèn)活動確保裝備在實際使用環(huán)境中始終保持預(yù)期的性能水平和任務(wù)適用性。1.2VV標(biāo)準(zhǔn)體系隨著數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在國際合作中的廣泛應(yīng)用VV標(biāo)準(zhǔn)的國際化協(xié)調(diào)日益重要。目前NASA的OVMOverview Management框架、美國國防部的DOD-STD-2167A標(biāo)準(zhǔn)、ASME的VV 10/20/40系列標(biāo)準(zhǔn)、AIAA的仿真可信度指南等都在積極推動VV的標(biāo)準(zhǔn)化。我國也在GJB體系中不斷完善VV相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)例如GJB 9226-2017《軍用建模與仿真模型校核、驗證與確認(rèn)通用要求》及GB/T 42383.5-2023《多學(xué)科協(xié)同仿真 第5部分模型驗證與確認(rèn)》中都對數(shù)字樣機(jī)模型的VV提出了明確要求。GJB 9226-2017是我國軍用建模與仿真領(lǐng)域VV活動的頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了VV的組織管理、過程要求、技術(shù)方法和文檔規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)的核心要求包括VV活動應(yīng)貫穿模型全生命周期從概念設(shè)計階段即啟動VV規(guī)劃VV應(yīng)獨立于模型開發(fā)活動由具備資質(zhì)的第三方執(zhí)行VV結(jié)論應(yīng)給出量化的精度指標(biāo)和明確的適用范圍界定而非模糊的定性評價。GB/T 42383.5-2023作為多學(xué)科協(xié)同仿真系列標(biāo)準(zhǔn)的第5部分聚焦于多學(xué)科耦合模型的驗證與確認(rèn)問題。標(biāo)準(zhǔn)針對數(shù)字樣機(jī)中普遍存在的氣動結(jié)構(gòu)耦合、熱力耦合、控制動力學(xué)耦合等多學(xué)科協(xié)同仿真場景規(guī)定了耦合接口驗證、學(xué)科間數(shù)據(jù)一致性檢查、耦合計算收斂性評估等專項驗證要求填補(bǔ)了多學(xué)科模型VV的方法論空白。在數(shù)字化鑒定流程中VV不是可選的“錦上添花”環(huán)節(jié)而是交付合規(guī)的“硬性門檻”。所有交付模型必須經(jīng)過完整的校核、驗證過程提供量化的精度評估報告和可追溯的驗證證據(jù)鏈以便評審專家在驗收數(shù)字樣機(jī)時重點關(guān)注VV文檔的完整性和規(guī)范性包括驗證計劃、驗證方法、驗證報告、精度評估報告、不確定性分析和遺留問題清單。PART.02VV過程管理與方法VV模型驗證與確認(rèn)是數(shù)字樣機(jī)從“可用”走向“可信”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)其核心目標(biāo)是在模型投入工程應(yīng)用之前通過系統(tǒng)化的比對分析和量化評估為模型的可信度提供客觀、可追溯的證據(jù)支撐。整體流程以“數(shù)據(jù)驅(qū)動、算法支撐、閉環(huán)迭代”為基本原則將仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)在統(tǒng)一條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比對依托DOE試驗設(shè)計、靈敏度分析、參數(shù)修正、不確定性量化等科學(xué)驗證方法對模型的精度水平和適用范圍做出量化判定并通過“驗證反饋修正再驗證”的迭代機(jī)制持續(xù)優(yōu)化模型質(zhì)量最終形成包含精度指標(biāo)、置信區(qū)間和改進(jìn)建議的驗證報告為數(shù)字樣機(jī)的發(fā)布入庫和交付應(yīng)用提供權(quán)威的可信度認(rèn)證。圖2 模型驗證工作流程示意圖2.1驗證任務(wù)管理驗證任務(wù)管理功能是模型校驗的業(yè)務(wù)驅(qū)動環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)驗證任務(wù)的全生命周期管理包括任務(wù)創(chuàng)建、參數(shù)配置、執(zhí)行調(diào)度、進(jìn)度跟蹤和結(jié)果歸檔。系統(tǒng)以裝備典型部件為驗證對象支持按型號、部件、驗證類型CAE仿真/試驗對標(biāo)/多模型對比/靈敏度分析/不確定性分析等進(jìn)行多維度篩選和分類管理。每個驗證任務(wù)包含任務(wù)編號、任務(wù)名稱、任務(wù)類型、關(guān)聯(lián)發(fā)動機(jī)型號、目標(biāo)模型類型、驗證方法、驗證狀態(tài)、通過率、負(fù)責(zé)人和計劃完成日期等完整元數(shù)據(jù)。任務(wù)狀態(tài)包括“已完成”“執(zhí)行中”“待執(zhí)行”和“待修復(fù)”四種支持按優(yōu)先級自動調(diào)度和手動調(diào)整。圖3 模型驗證任務(wù)管理2.2驗證方法庫驗證方法庫是模型校驗功能的方法論基礎(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)置了多種經(jīng)過工程實踐驗證的標(biāo)準(zhǔn)化驗證方法如下表所示。每種方法均定義了方法編號、版本號、適用模型類型、算法流程描述和典型應(yīng)用場景支持方法的版本管理、參數(shù)配置和組合調(diào)用。驗證方法庫的設(shè)計理念是“一次定義、多次復(fù)用”驗證人員在創(chuàng)建驗證任務(wù)時可直接引用方法庫中的標(biāo)準(zhǔn)方法無需重復(fù)配置驗證參數(shù)顯著提升驗證效率。圖4 驗證方法庫管理界面2.3驗證指標(biāo)庫驗證指標(biāo)庫針對不同學(xué)科領(lǐng)域和模型類型建立了參數(shù)化的驗證指標(biāo)體系。每項指標(biāo)均定義了指標(biāo)編號、驗證維度、核心參數(shù)名稱、具體指標(biāo)描述、允許誤差范圍、精度閾值和數(shù)據(jù)來源為驗證結(jié)果的量化評判提供客觀標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)庫分為算法模型驗證指標(biāo)和邏輯模型評價指標(biāo)兩大類。圖5 驗證指標(biāo)庫示例界面針對帶算法類的模型驗證提供指標(biāo)參數(shù)的定義和維護(hù)設(shè)定參數(shù)范圍后根據(jù)仿真和試驗的結(jié)果進(jìn)行模型置信度評估和分析以航空發(fā)動機(jī)整機(jī)耦合動力學(xué)驗證為例系統(tǒng)定義了多動力學(xué)模型驗證指標(biāo)參數(shù)覆蓋轉(zhuǎn)子模態(tài)、臨界轉(zhuǎn)速、軸承剛度、機(jī)匣變形、葉片頻率、振動響應(yīng)、轉(zhuǎn)子平衡和機(jī)電耦合等關(guān)鍵驗證維度。每項指標(biāo)均明確了具體的誤差允許范圍和精度閾值要求確保驗證結(jié)論的科學(xué)性和可操作性。圖6 模型精度評估指標(biāo)示例針對不帶算法的邏輯模型可以由用戶自定義各類邏輯模型的評價方法和評價指標(biāo)、定義驗證范圍和評價計算的標(biāo)準(zhǔn)后續(xù)針對這類模型通過驗證任務(wù)和流程驅(qū)動模型的評價結(jié)果。如下表所示是針對某發(fā)動機(jī)幾何模型完整性和尺寸參數(shù)完整性等指標(biāo)的評價方法和閾值定義參考示例。2.4驗證算法庫針對各類仿真模型和性能模型等待算法的模型驗證系統(tǒng)提供了市場上通用的各類算法作為選擇用戶可以選擇對應(yīng)的算法進(jìn)行仿真模型精度的計算和評估驗證。平臺內(nèi)置專業(yè)化、可擴(kuò)展的仿真驗證算法庫是實現(xiàn)仿真模型精度校核、結(jié)果對標(biāo)驗證、仿真可信度評估的核心支撐組件面向多學(xué)科仿真模型、降階代理模型、實物試驗數(shù)據(jù)提供標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的驗證校核能力打通仿真建模、求解計算、精度驗證的全業(yè)務(wù)閉環(huán)。算法庫集成全套工業(yè)級仿真驗證校核算法涵蓋誤差分析、相關(guān)性校驗、擬合度評估、顯著性分析、精度對標(biāo)五大類核心驗證能力無需依托第三方工具可在平臺內(nèi)部完成仿真結(jié)果全方位、量化化、標(biāo)準(zhǔn)化的合規(guī)驗證。圖7 驗證算法庫2.5驗證結(jié)果與報告模型精度驗證結(jié)果是將計算得出的精度指標(biāo)與預(yù)設(shè)的預(yù)期要求對比判斷模型是否滿足精度標(biāo)準(zhǔn)形成 “通過”“有條件通過”或“未通過”的結(jié)論未通過時需深入分析誤差來源。圖8 模型精度驗證結(jié)果可視化驗證結(jié)果與報告管理功能實現(xiàn)驗證成果的統(tǒng)一管理和輸出包括驗證結(jié)果記錄歸檔、驗證報告自動生成、報告版本管理和驗證成果應(yīng)用追蹤。每一次驗證任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果均被完整記錄形成可追溯的驗證履歷支撐型號鑒定審查和設(shè)計定型決策。圖9 驗證報告自動生成與預(yù)覽界面系統(tǒng)支持基于驗證結(jié)果自動生成結(jié)構(gòu)化的驗證分析報告。報告內(nèi)容包括報告元數(shù)據(jù)、引言、驗證模型概述、驗證指標(biāo)體系表、仿真試驗對比分析曲線圖誤差表、驗證結(jié)論與改進(jìn)建議。校驗報告的詳細(xì)內(nèi)容包括校驗概覽、校驗結(jié)果統(tǒng)計、錯誤詳情、警告詳情、校驗通過項目列表、質(zhì)量評分。PART.03多層級VV體系架構(gòu)依據(jù)GJB 9226-2017標(biāo)準(zhǔn)的分層驗證思想結(jié)合數(shù)字樣機(jī)1.0/2.0/3.0的模型體系特征數(shù)字樣機(jī)的VV體系按照驗證對象的層級和復(fù)雜度分為三個層次算法模型校核、邏輯模型驗證和系統(tǒng)級確認(rèn)。3.1算法模型校核算法模型校核關(guān)注底層計算模型的數(shù)學(xué)正確性和數(shù)值精度對應(yīng)GJB 9226-2017中“計算模型校核”的要求面向含有數(shù)值仿真計算邏輯的性能模型L提供標(biāo)準(zhǔn)化的7步驗證流程模型加載→參數(shù)設(shè)置→仿真計算→后處理→模型驗證→參數(shù)修正優(yōu)化→報告輸出。驗證流程中每一步均設(shè)有前置檢查和狀態(tài)標(biāo)記確保驗證過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和可追溯性。圖10 算法模型驗證7步流程進(jìn)度條模型加載階段系統(tǒng)從樣機(jī)模型庫中加載待驗證的算法模型及其關(guān)聯(lián)的元模型定義自動檢查模型版本和依賴關(guān)系參數(shù)設(shè)置階段根據(jù)驗證指標(biāo)庫中定義的參數(shù)要求配置輸入?yún)?shù)范圍、采樣策略和邊界條件仿真計算階段調(diào)用集成的CAE仿真引擎或自研求解器執(zhí)行數(shù)值仿真計算自動記錄計算過程日志和中間結(jié)果后處理階段對仿真輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化、歸一化和統(tǒng)計分析處理模型驗證階段將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度比對分析計算誤差指標(biāo)并做出通過/不通過判定參數(shù)修正優(yōu)化階段對于未通過的驗證項基于靈敏度分析和參數(shù)優(yōu)化方法自動調(diào)整模型參數(shù)并重新驗證報告輸出階段自動生成包含驗證結(jié)論、誤差分析、改進(jìn)建議的驗證報告。圖11 DOE試驗設(shè)計及分析結(jié)果平臺集成標(biāo)準(zhǔn)化DOE試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析能力支持面向多變量、多工況仿真場景開展系統(tǒng)化試驗規(guī)劃、樣本空間構(gòu)建與數(shù)據(jù)規(guī)律分析解決傳統(tǒng)單因素試算、經(jīng)驗選點、樣本覆蓋不全、試驗效率低、參數(shù)影響機(jī)理不清晰等業(yè)務(wù)痛點為模型訓(xùn)練、參數(shù)標(biāo)定、性能優(yōu)化、降階建模提供科學(xué)、均勻、完備的樣本支撐體系。平臺內(nèi)置多種經(jīng)典及優(yōu)化試驗設(shè)計算法包含拉丁超立方、最優(yōu)拉丁超立方、全因子設(shè)計、部分因子設(shè)計、中心復(fù)合設(shè)計等可根據(jù)變量維度、工況區(qū)間、仿真成本自動適配最優(yōu)DOE采樣方案實現(xiàn)設(shè)計空間均勻覆蓋、邊界工況加密、樣本冗余度最小化大幅提升試驗與仿真樣本有效性。圖12 仿真與試驗結(jié)果比對分析平臺具備完備的仿真數(shù)據(jù)與實物試驗數(shù)據(jù)自動化比對分析能力支持全維度、全時序、全工況的仿真試驗對標(biāo)校驗實現(xiàn)仿真模型可信度量化評估與模型偏差閉環(huán)修正是實現(xiàn)“仿真對標(biāo)試驗、試驗校準(zhǔn)模型”正向迭代的核心業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)支持批量導(dǎo)入整機(jī)試車、部件臺架、試飛實測等多源試驗時序數(shù)據(jù)自動完成試驗數(shù)據(jù)清洗、異常值剔除、時間對齊、工況匹配、單位歸一、語義對齊實現(xiàn)試驗真值與仿真計算結(jié)果的自動關(guān)聯(lián)配對解決傳統(tǒng)對標(biāo)人工整理、數(shù)據(jù)散亂、對標(biāo)維度單一、無法批量校核的問題。圖13 仿真試驗誤差分析曲線與參數(shù)樣本散點圖系統(tǒng)通過對比仿真曲線與試驗曲線計算多項誤差量化指標(biāo)最大相對誤差、均方根誤差RMSE、決定系數(shù)R2和穩(wěn)定裕度。通過散點圖展示各輸入?yún)?shù)如葉片安裝角R、弦長L、最大厚度T、進(jìn)口速度U1等在參數(shù)空間中的分布情況輔助驗證人員判斷采樣覆蓋度和參數(shù)敏感性。對于高維參數(shù)空間系統(tǒng)自動采用拉丁超立方采樣或Sobol序列采樣確保參數(shù)空間的均勻覆蓋。3.2邏輯模型驗證邏輯模型驗證關(guān)注模型的業(yè)務(wù)邏輯正確性和數(shù)據(jù)完整性對應(yīng)GJB 9226-2017中“概念模型驗證”的要求。系統(tǒng)支持自定義評價指標(biāo)體系可以根據(jù)模型本身在完整性方面的指標(biāo)進(jìn)行分解并支持分解指標(biāo)的實際打分、權(quán)重和評價說明等。如下圖示例在本示例中我們建立了5維完整性評價指標(biāo)體系覆蓋幾何完整性、尺寸參數(shù)完整性、材料屬性完整性、網(wǎng)格數(shù)據(jù)完整性和文檔關(guān)聯(lián)完整性。每項指標(biāo)均支持“已完成”“部分完成”“未完成”三級完成度評價并配合0-100分的量化評分。系統(tǒng)根據(jù)各維度評分和權(quán)重自動計算綜合評分綜合評價結(jié)果包含各維度詳細(xì)評分、加權(quán)計算過程、薄弱項識別和改進(jìn)建議。系統(tǒng)支持一鍵生成邏輯模型評價報告報告內(nèi)容包括模型基本信息、完整性評價詳情、佐證材料清單關(guān)聯(lián)的設(shè)計文檔、試驗記錄等、綜合評價結(jié)論和后續(xù)改進(jìn)計劃。圖14 邏輯模型驗證完整性評價與評分邏輯模型驗證還提供子標(biāo)簽頁式的詳細(xì)信息瀏覽包括基本信息模型編號、所屬階段、創(chuàng)建者、版本、更新時間、完整性評價各維度評分明細(xì)、佐證材料關(guān)聯(lián)文檔和記錄列表、綜合評價加權(quán)計算過程和結(jié)論、報告生成支持預(yù)覽和導(dǎo)出PDF/Word格式為模型質(zhì)量管控提供全面的決策支持。3.3系統(tǒng)級確認(rèn)系統(tǒng)級確認(rèn)是最高層級的VV活動關(guān)注完整數(shù)字樣機(jī)系統(tǒng)在典型使用場景下的綜合表現(xiàn)和決策適用性對應(yīng)GJB 9226-2017中“系統(tǒng)級確認(rèn)”的要求。系統(tǒng)級確認(rèn)通常采用端到端的仿真場景給定完整的輸入條件飛行剖面、環(huán)境條件、控制策略等評估數(shù)字樣機(jī)的輸出結(jié)果性能包線、載荷譜、壽命預(yù)測等與飛行試驗數(shù)據(jù)或高置信度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一致性。系統(tǒng)級確認(rèn)的難點在于不確定性量化UQUncertainty Quantification。仿真模型的輸入?yún)?shù)存在不確定性材料屬性的分散性、加工公差的隨機(jī)性、邊界條件的近似性等這些不確定性通過模型傳播到輸出結(jié)果中。UQ分析通過蒙特卡洛模擬、多項式混沌展開PCE等方法量化輸出結(jié)果的置信區(qū)間為決策者提供“不僅知道結(jié)果是多少還知道結(jié)果的可信范圍”的信息。圖15 MDO多學(xué)科耦合分析驗證此外依據(jù)GB/T 42383.5-2023的要求系統(tǒng)級確認(rèn)還需關(guān)注多學(xué)科耦合模型的協(xié)同驗證耦合接口的數(shù)據(jù)傳遞是否正確如氣動載荷向結(jié)構(gòu)模型的映射精度、學(xué)科間迭代計算的收斂性是否滿足要求如氣動-結(jié)構(gòu)耦合的殘差收斂曲線、耦合模型的整體預(yù)測精度是否優(yōu)于單學(xué)科模型的簡單疊加。PART.04AI賦能與多學(xué)科協(xié)同驗證前文建立的三層級VV體系為數(shù)字樣機(jī)可信度評估奠定了方法論基礎(chǔ)但面對裝備研制復(fù)雜度持續(xù)提升帶來的驗證效率瓶頸和多學(xué)科耦合模型的跨域驗證挑戰(zhàn)人工智能技術(shù)與多學(xué)科協(xié)同驗證方法成為關(guān)鍵突破路徑AI通過機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜和大模型能力將VV從“人工驅(qū)動”升級為“智能驅(qū)動”在方案推薦、異常檢測、參數(shù)校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)實現(xiàn)效率與質(zhì)量的雙重提升多學(xué)科協(xié)同驗證則依據(jù)GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)針對耦合接口、耦合收斂性和跨學(xué)科一致性提供專項驗證方法兩者結(jié)合推動VV體系從單學(xué)科、人工化的傳統(tǒng)模式邁向智能化、協(xié)同化的新一代驗證范式。4.1AI賦能的智能VV人工智能技術(shù)正在革新傳統(tǒng)的VV工作方式通過AI技術(shù)的引入利用機(jī)器學(xué)習(xí)、知識圖譜、貝葉斯推斷和大模型等能力在驗證方案推薦、異常檢測、參數(shù)校準(zhǔn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化和智能化使VV活動從“人找問題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋到y(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題、人工確認(rèn)處置”顯著提升驗證效率和結(jié)果的一致性。具體體現(xiàn)在以下三個方面智能驗證方案推薦基于歷史驗證數(shù)據(jù)和知識圖譜系統(tǒng)自動為新模型推薦最優(yōu)的驗證方案包括驗證方法選擇、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)匹配、驗證樣本數(shù)量設(shè)定等。推薦方案綜合考慮模型類型、精度要求、計算成本等多維因素使驗證資源的配置更加精準(zhǔn)高效。智能異常檢測基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動識別仿真結(jié)果中的異常模式網(wǎng)格畸變導(dǎo)致的數(shù)值振蕩、物理不合理的結(jié)果跳變、參數(shù)敏感性異常等。這些異常在傳統(tǒng)人工審查中容易被忽略但對模型精度可能產(chǎn)生重大影響。智能參數(shù)校準(zhǔn)基于貝葉斯推斷和遷移學(xué)習(xí)技術(shù)利用有限的試驗數(shù)據(jù)自動校準(zhǔn)仿真模型的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)參數(shù)校準(zhǔn)依賴工程師的經(jīng)驗和反復(fù)試湊智能校準(zhǔn)方法可以在更少的迭代次數(shù)內(nèi)找到最優(yōu)參數(shù)組合顯著提升模型精度。展望未來基于大模型的“虛擬評審專家”可以自動審查模型的合理性提出改進(jìn)建議甚至自動生成驗證代碼和測試用例。結(jié)合知識圖譜技術(shù)虛擬評審專家還可以借鑒歷史型號的驗證經(jīng)驗為新模型的驗證策略提供參考。4.2多學(xué)科協(xié)同驗證依據(jù)GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)的要求數(shù)字樣機(jī)中多學(xué)科耦合模型的驗證需要專項方法支撐。耦合模型驗證面臨三個核心挑戰(zhàn)耦合接口驗證多學(xué)科模型之間通過接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換如氣動模型向結(jié)構(gòu)模型傳遞壓力載荷、結(jié)構(gòu)模型向氣動模型傳遞變形位移接口的數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、時間同步必須經(jīng)過嚴(yán)格驗證確保數(shù)據(jù)傳遞不丟失、不失真。耦合收斂性驗證多學(xué)科耦合計算通常采用迭代方式求解如氣動結(jié)構(gòu)耦合需要反復(fù)迭代直至載荷和變形收斂需要驗證耦合迭代的收斂性收斂速度是否滿足要求、收斂結(jié)果是否唯一、是否存在數(shù)值振蕩?？鐚W(xué)科一致性驗證在數(shù)字樣機(jī)1.0→2.0→3.0的模型傳遞鏈路中不同階段的模型涉及不同學(xué)科的關(guān)注點?？鐚W(xué)科一致性驗證確保數(shù)據(jù)在跨階段傳遞過程中保持語義一致。如1.0階段的葉片設(shè)計參數(shù)變更時系統(tǒng)自動檢查2.0階段的工藝模型是否已同步更新、3.0階段的交付模型是否受到影響。通力有限公司正在開發(fā)的Ablaze AI Prism智能體平臺未來將逐步支持跨學(xué)科驗證任務(wù)的編排和管理提供耦合接口自動檢查、耦合收斂性自動監(jiān)控、跨階段模型一致性自動比對等專項能力確保多學(xué)科耦合模型的全面驗證。PART.05小結(jié)與展望本文系統(tǒng)論述了基于GJB 9226-2017和GB/T 42383.5-2023標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字樣機(jī)模型精度評估與驗證體系構(gòu)建方法。校核、驗證、確認(rèn)三者構(gòu)成遞進(jìn)式質(zhì)量保障鏈條校核確保“模型算得對”驗證確?！澳Ｐ退愕脺?zhǔn)”確認(rèn)確保“模型用得對”。體系圍繞驗證任務(wù)管理、方法庫、指標(biāo)庫和算法庫四大基礎(chǔ)能力構(gòu)建算法校核、邏輯驗證、系統(tǒng)確認(rèn)三層級VV架構(gòu)覆蓋從底層計算精度到系統(tǒng)級綜合表現(xiàn)的全方位驗證需求配合可信度分級管理和驗證域界定實現(xiàn)驗證資源的精準(zhǔn)配置。AI賦能的智能VV和多學(xué)科協(xié)同驗證代表了技術(shù)演進(jìn)方向使VV從依賴人工經(jīng)驗的離散檢查升級為數(shù)據(jù)驅(qū)動的連續(xù)質(zhì)量保障體系。展望未來VV體系將在三個方向持續(xù)深化一是自動化驗證全覆蓋實現(xiàn)驗證腳本自動生成、數(shù)據(jù)自動采集、報告自動撰寫使VV從稀缺能力轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_化標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)二是數(shù)字孿生驅(qū)動的實時驗證利用IoT數(shù)據(jù)持續(xù)校準(zhǔn)模型實現(xiàn)“模型運(yùn)行即驗證”三是AI大模型賦能的虛擬評審自動審查模型合理性、生成驗證方案、借鑒歷史經(jīng)驗大幅降低VV的人力成本和技術(shù)門檻。VV體系是數(shù)字樣機(jī)從“能用”到“可信”的關(guān)鍵跨越當(dāng)每一個交付模型都經(jīng)過嚴(yán)格的校核、驗證和確認(rèn)數(shù)字樣機(jī)才能真正成為裝備研制決策的可靠依據(jù)。下期預(yù)告《數(shù)字樣機(jī)模型運(yùn)行與交付體系構(gòu)建》系列收官之作解析數(shù)字樣機(jī)交付數(shù)據(jù)包的完整構(gòu)建與離線運(yùn)用。