更多美国公司依靠建模和仿真降低新装备研制成本

由于美国军费预算的不断压缩，遵循压力传递规律，五角大楼也在装备研制和持续保障流程中不断转嫁投资风险和挤压各装备制造商的研制成本。为此，美国的大型装备公司开始越来越多地依赖建模和仿真技术来精炼设计方案、探查潜在的问题，以尽量减少物理样机研制尤其是返工所造成的昂贵成本。雷神集成防务公司先进技术部副总裁Paul Ferraro认为，“评估现有方案以及这些方案的保真度和落实能力的速度越快，则我们在其基础上迭代和改进的速度就越快。这正是建模和仿真工作巨大价值之所在。”诺格公司全球后勤与作战保障部的作战与战略处主任Mike Kelly指出，“随着军种预算受到挤压，我认为各军种会花很大的精力开展风险管理工作，并尽一切努力来评估任何稍大一点项目的财务风险问题。因此，他们在后勤领域开展建模和仿真的欲望会越来越强。”

采用建模与仿真策略的最大好处是在实际产品正式诞生之前，承包商就能让用户通过视觉接触到研制中的产品，从而及时得到用户的反馈，并根据用户的意见尽快对研制工作作出调整。据洛马公司创新中心副主席Jim McArthur透露，洛马公司已在弗吉尼亚州的诺福克市建立了完整的仿真设施，并期望与利益相关者共同使用这些设施。在该被人称为“灯塔”的仿真中心内，研究人员可以借助建模与仿真工作开展作战演习或开展其他实验。洛马公司建设该中心的目的，是为了创造一种能够理解用户真正需求所在的环境，并为现有或将来可能遇到的问题提供试验解决方案。McArthur透露，“我们是在帮助政府部门弄清楚如何才能充分利用这些平台的潜能。”比如，洛马公司已经通过这些设备向有关人员演示了如何做才能使F-35与“宙斯盾”级巡洋舰和驱逐舰达到更完美的配合。“我们已经开发出一些新技术适配于F-35的通信系统。”该系统名为“多功能先进数据链”，功能就像一个适配器一样，能使“宙斯盾”与F-35交换信息。“该技术还没有完全成熟，现在只是在虚拟环境中当作技术翻译器使用。”

据透露，“灯塔”中心由包括会议室、听众席、教室等在内的40个房间组成，配备有各类高科技沉浸式设备。在今年7月组织的一次媒体开放日中，洛马公司向参观者展示了一种轻型战术车辆的仿真器。

今年秋天，洛马公司还以“F-35在核动力航母上的一天”为主题，组织一系列的培训班，并计划在今年12月与海军作战和采办部门一道举办一次战争演习。据了解，早在2013年，也就是在滨海战斗舰首次部署到新加坡之前，洛马公司就以濒海战斗舰为对象举行过类似的演习。参加演习的有来自美海军项目部、第七舰队、新加坡政府的代表，以及“独立号”的生产厂家“奥斯塔美国公司”。在该次演习中，洛马确定了120个需要关注的问题，其中主要包括待做工作核查单以及在将‘自由号’部署到新加坡之前需要提供的解决方案等。通过该次演习，促使美海军决定将该类型舰艇上的水手从40人增加到50人。

洛马并非是唯一动用自有资金建设建模与仿真设施的国防企业，最近，雷神公司在马萨诸塞州的安多弗也建成了自己的沉浸式设计中心。该中心只设一个直径为24英尺的大房间，房间内配有平板电视。该房间可以同时供20名用户使用。用户借助谷歌3D眼镜，可与投射到房间内的雷神产品的虚拟模型进行互动。

据雷神集成防务公司先进技术部副总裁Paul Ferraro透露，实际上，只是到了最近这几年建模与仿真技术才成熟到足以替代复杂的物理样机的程度。“我们已经在软件开发和使用方面取得了很大的进步，快速原型技术缩短了循环周期。”由于实际制成一个硬件需要时间，开展试验与评估也需要时间，因此“硬件研制常常要滞后好多年”。“而拥有了我们现在具备的保真的建模与仿真工具，我们就能将这些敏捷的技术应用到硬件的设计之中。”

Paul Ferraro还透露，尽管该中心本来是为开展硬件研制而打造的，但它也可以用于其他目的，如开展培训、战争演习和进行系统分析等。“它是一大笔投入，但相比于所能带来的能力，它又是一笔适度的投入。”由于该中心目前只运行了4个月的时间，还无法去估算其投入产出值，但Paul Ferraro相信，该中心将能大大缩短设计以及制成硬件样机的时间。“我们已经在一些重大项目中数次将其用于设计评审、设计循环，从中获得的益处是显而易见的。”例如，雷神公司曾为扫雷舰“爱国者”上的舰对空导弹系统控制站掩体打造了一个3D模型，内部配备有计算、通信和其他设备。导弹系统操作手和维修人员可以借助该虚拟掩体与装备进行互动，这样就可以将寻找或修理某个部件是否容易的信息很方便地反馈给设计人员。“这已不是单纯地依赖或遵从传统布局的问题了，它确实使得团队成员几乎可以全身心地沉浸到各种解决方案之中，以便真切地弄懂我们会对‘爱国者’的保护罩进行怎样的设计和布局。”互动中，人们可以通过操纵杆用虚拟的手将设备的部件卸下来，并可以三维的方式观察、旋转该部件，看看该部件到底是怎样安装的，最后还能将该部件重新安装上去。

波音公司也采用类似的技术建成自己的沉浸式协作中心。这类中心配备了高端计算机和显示器，用户可以通过仿真办法对从产品设计到新的维修构想等各个方面进行测试。据悉，波音公司在其各大工厂设施中都设有类似的协作中心。波音公司项目经理Dan Sea 透露，“我们将来会将用户整合进我们的设计过程，给他们看设计展开的过程。用户可以提问，而且由于模型就在现场，所以，我们也能够当场解答这些提问。”

波音公司的一些协作中心还配备了活动跟踪摄像头，以便对设计开展人体工效学分析。Dan Sea 透露，“我们给维修人员穿戴上相关设备，这样，维修人员就可以与尚未研制出来的虚拟产品进行实际交互。”这时，波音的分析人员就可以收集到修理单个部件所需要的时间与此前预计的维修时间是否匹配，以及维修人员的身高和体重是否影响维修工作的进行等信息。据悉，波音已经利用动作捕捉数据对V-22“鱼鹰”旋翼机和“支努干”直升机的维修动作进行了分析，并首次利用沉浸式开发环境对交付给沙特的F-15的中机身前端设计做了改进。 由于工程师、分析师以及飞机制造人员都对更改该设计提出了意见，这些意见就可以通过仿真得到更深入的讨论并立即得到落实。Seal认为，“我们因此节省了大笔的费用，因为传统的研制部分通常会产生大量的重新设计和返工的现象。”但他拒绝透露与传统的设计方法相比，新方法到底给波音省了多少钱。

诺格公司也已将建模和仿真融入到飞机的整个寿命周期当中。在产品研制的第一个阶段采用建模方式，有利于公司权衡不同备选方案的利弊。诺格公司全球后勤与作战保障部的作战与战略处主任Mike Kelly指出，“采购武器系统只是总支出的一小部分”，使用和持续保障则会占到总费用的70% 。“在前期采购与寿命周期成本之间存在着权衡问题。比如，你可以将飞机打造得更可靠，这样由于发生的故障少所以需要的零配件就少。但是，制造更可靠的飞机的成本肯定高，这又会推高单架飞机的价格。”

所有这些因素如维修费用、供应链情况以及预计的单机价格，都可以放进一个模型中，用以预测将来的成本、可用性和可靠性趋势。诺格公司会将这些信息提交给军方，以便军种判断所研制的产品是否符合其需要，或者需要在哪些方面需要做出调整。

诺格公司还会利用这些模型为军方已经部署的装备提供分析服务。比如，对于“火力侦察兵”无人直升机（MQ-8C Fire Scout）是否适合搭载在某型号导弹驱逐舰的机库内，诺格公司曾通过虚拟测试的方式提供过测试。“我们的测试表明，虽说一侧的机库不能同时容纳两架‘火力侦察兵’，另一个机库却在留有适当的安全边界之后仍能装下两架‘火力侦察兵’。”此次测试提供的数字化验证结果使得诺格公司以及该导弹驱逐舰项目办公室确信，他们已经找到了“舰不进港、货不卸载”解决方案。

#The End #

文章来源：美国《国防》杂志2014年12期

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