高性能软件—美国数字工程的关键支撑

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来源：国际航空

作者：崔艳林王巍巍王乐

摘要：

美国国防部于2008年启动“计算研究和工程采办工具与环境项目”，是美军高性能计算现代化设计的子项目。该项目致力于开发和部署基于物理特性的高性能计算软件，用于支撑美军的数字工程建设。

美国国防部为革新国防系统采办理念，并降低采办费用、时间和风险，于2008年正式启动了“计算研究和工程采办工具与环境项目”（CREATE）。该项目是美军高性能计算现代化设计（HPCMP）的子项目，致力于开发和部署基于物理特性的高性能计算软件，用于支撑数字工程。

CREATE包括为武器平台构建和改进数字产品模型、创建和分析国防系统武器装备虚拟原型机以及精确预测系统性能。CREATE工具由政府开发、支持和所属，支持国防部对承包商交付物进行独立评估，同时它也是一套贯穿整个采办流程的工具。

1.CREATE项目组织与管理

CREATE项目团队由近30个不同的机构和组织组成，包含了大约45名国防部工作人员、85名承包商技术和管理人员。2006—2013年间，CREATE项目先后成立了5个子项目团队和9个软件开发团队。每个软件开发团队由10到15人组成，并确定了一名来自国防部客户组织的项目主管。这些项目主管具备跨领域领导能力、项目管理能力和高性能计算专业知识，主要负责项目的协调和监督工作。

CREATE每个子项目都有两类软件产品：

第一类是概念研发工具，利用快速但保真度较低的工具来生成概念设计方案并分析其可行性和性能（也就是DaVinci， RSDE/IHDE 以及SENTRi的一个模块）。
第二类是高保真度的系统性能精确预测工具(Kestrel、Helios、NESM、NavyFoam以及SENTRi)。

表1 CREATE子项目及其对应软件

CREATE项目每年的经费投入大约为3600万美元。该产品于2016年开始实现商用，截止目前，包括美军各军种、国防机构、国防工业部门以及大学等超过180个组织，正在使用CREATE软件评估80多个国防部武器系统和平台。未来，面向高超声速、联合多任务旋翼机技术演示、改进型涡轮发动机项目、服役寿命预测等具体研发项目，CREATE项目还将继续开发和改进。

CREATE项目管理人员除了为每个软件开发团队提供财力、物力和人力以外，还制定了一系列软件项目开发和管理标准，并将这些标准和流程引入各个子项目团队中作为工作指南，既能保证团队在敏捷开发过程中拥有灵活性，又能明晰职责、稳定有序。

此外，为了打通各个团队的技术和沟通壁垒，CREATE项目组还具有带虚拟集群的软件开发环境、带代码和文件库的中心服务器、问题跟踪程序、架构管理服务以及高性能计算机访问权限。

2.浅析CREATE项目

2.1一套全新工具集

在过去几十年里，工程师需要通过制造原型机和开展物理测试来评估系统的性能，以此发现设计缺陷，即在工程设计阶段测试子系统的物理原型机，在投入生产之前测试整个系统原型机，以此获取设计缺陷和性能不足的数据。并始终遵循设计、制造、试验、故障、重新设计这样的迭代周期。

对于简单系统和细小的设计更改，设计师有足够的时间按照这种传统的产品研发方式展开迭代设计。但是对于如今的大型复杂系统，这些现场物理试验开展时间太晚，并且需要大量的时间和费用投入，产品的研发速度也就跟不上快速变化的战场形势。

为解决这一问题，美国国防部决定利用高性能计算工具来生成物理系统的虚拟样机、分析并预测复杂系统的性能，CREATE项目正是基于这样的背景应运而生。

具体而言，利用CREATE工具，工程师可以在任何研发阶段构建虚拟原型样机并分析产品性能，补充物理试验数据。对于新系统的概念设计，可以用基于物理特性的设计方案来取代现有设计的经验推断，从而通过基于物理特性的分析来快速探索权衡空间，并评估设计方案的可行性；对于详细设计，用虚拟样机的高保真度分析来取代物理试验的故障数据，以此来准确预测虚拟样机的性能。这便提供了非常及时的决策数据，使工程师能够及早识别系统的设计缺陷和性能不足，也就能在加工制造之前解决设计问题，并尽量减少由返工导致的进度拖期和成本增长问题。

2.2核心工具—CREATE-AV

CREATE-AV是CREATE项目中使用范围最广、功能最强大的核心工具集。它致力于研发、部署和支持一套多学科、基于物理特性的仿真软件，用于支撑美国数字工程战略及其采办项目。

它能够分析和评估飞行器设计，能更好地理解在试系统，减少风洞试验和飞行试验的数量；还包括完整的有限元结构分析，支持设计和质量管理的快速闭合；还可以通过组件设计特征耐久性和损伤容限的工程分析，建立疲劳裂纹起始和增长的模型，进行设计特征几何迭代直到满足设计寿命指标。

CREATE-AV已得到广泛应用。截至2020年，参与CREATE-AV项目的注册软件用户达到350个，分别来自美国陆海空三军、NASA、工业界与学术界。其中，美国空军针对高性能飞行器静态和动态稳定性和控制特性的确定，利用该工具开发了通过试验设计设置最少的数据点从而缩短整个风洞试验周期的方法，并使用F-22战斗机的数据完成了验证。

表2 CREATE-AV四个软件产品简介

3.CREATE产品信息安全

CREATE项目将为美国国防部带来显著的军事竞争优势，也正因如此，国防部严格控制它的使用权和知悉范围。虽然CREATE代码是非密的，但是被列入了国际武器贸易条例（ITAR）。国防部用户必须在安全的环境下使用CREATE软件并在高性能计算机中访问数据，代码和数据都是加密存储，只能在加密网络中经过双重验证后访问和传输数据。用户在使用前还必须签订软件保密协议，经授权后方可访问。其中，CREATE的源代码只能由开发团队人员访问，他们理想的工作方式是构建软件即服务的模式。

4.CREATE项目对

数字工程的支撑作用

作为数字工程最重要的基础环境之一，CREATE项目将全面支撑美国数字工程战略。

CREATE项目是数字工程战略的基础支撑之一

CREATE项目通过开发、部署和支撑基于物理特性的软件，让美国国防部工程人员快速开发产品模型、迭代设计方案、识别并修正缺陷和不足，极大缩短了采办周期和节省了采办成本。
CREATE项目为数字工程提供了一个统一软件平台，所有利益相关方都基于这个官方平台开展备选方案评估、权衡空间探索以及仿真建模，为获取权威真相源奠定了坚实的基础。
CREATE项目与各军种工程组织通力合作，培训和支持超过180个国防部组织和1400个用户，并且其软件产品正在融入学术研究和大学课程中，有助于推进数字工程文化和人才队伍建设。