美军建模和仿真（M&S）的验证、确认和认证（VV&A）流程解读_MBSE_拓扑优化_通用_航空_仿真体系_数字孪生_试验

美军建模和仿真（M&S）的验证、确认和认证（VV&A）流程解读

作者：中国航空综合技术研究所孙成

引言

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2018年6月，美国国防部正式发布了数字工程战略，提出了数字工程战略的5大目标（如图1所示），其中目标1即为：建立开发、集成和使用模型的正式流程。

图1 数字工程战略5大目标

模型可以说是数字工程的基础，在美军装备采办全寿命周期中发挥着不可替代的关键作用，特别是在现代武器装备研制中，基于模型的优化设计优势愈发突出。如美国空军A-10攻击机，其液压板条设计由二维图纸转化为三维模型后，经过CFD计算、外形拓扑优化，使得其结构减重15%，寿命却增加超过8倍。

正式因为模型在装备研制全寿命周期中发挥的重要作用，模型本身的构建质量，构建模型所用的数据质量等也应得到同等程度的重视。美军通过对建模和仿真（M&S）实施验证、确认和认证（VV&A）来确保所构建的模型是“可信”的，能够支持国防部的流程、产品和决策。

VV&A框架

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美国空军指令AFI 16-1001规定的VV&A框架如图2所示。

图2 美国空军VV&A框架

美军的VV&A与M&S具有紧密的关联关系，VV&A的活动就是建立在M&S过程的成果基础上，特别是模型的验证和确认，本身也是建模工作中的一部分（如图2中部灰色框所示）。因此在讨论VV&A框架时，不能够抛开M&S而进行。图2即表明了VV&A在整个M&S寿命周期中的位置。整个M&S流程可以分为以下几个步骤：

1）建立M&S的需求。

2）选择M&S的方法。通常情况下，此步骤会按照：识别M&S需求—查询M&S目录/库—选择M&S方案的流程进行。AFI 16-1001给出了4种可能发生的情形：按原样使用、选择已存在方案作为替代方案、修改已存在的M&S、开发新的M&S。若选择前两种方式，则会大大减少了验证与确认的要求，但仍会有一些认证的要求；若选择后两种方式则会进行较为详细的VV&A流程（如图2底部灰色框所示）。

3）在应用中集成M&S。

4）执行M&S。

5）M&S归档。

图2中的箭头也表明了建模和仿真的V&V工作与VV&A的数据/信息传递关系，表1给出了几份重要文件的章节目录，从一定程度也体现了数据的关联关系。

VV&A流程

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完整的VV&A流程包括以下活动：

1）定义M&S要求，确定可用的人力和资金资源；确定项目约束（成本、进度、性能）；明确使用建模与仿真支持的需求；以及确定相关认证标准。

2）现有M&S评估，评估模型库中的模型是否能够满足使用要求，分析现有模型的差距，对照认证标准改进V&V差距。如果拟议M&S的验证和确认历史文件充分符合指定的认证标准，则可以直接对其进行认证。

3）制定认证计划，美军标MIL-STD-3022提出了认证计划主要内容和要求。

4）制定V&V计划，美军标MIL-STD-3022提出了V&V计划主要内容和要求。

5）V&V技术审查工作组（按需成立）审查，审查已完成的V&V活动，并进行风险评估等。

6）V&V实施，随着模型和数据的不断细化，逐步迭代进行验证和确认。

7）数据V&V，与建模和仿真V&V同步开展，检查数据的选择、来源、转化与应用，确保M&S中涉及的数据是真实有效的。

8）编制V&V报告，美军标MIL-STD-3022提出了V&V报告主要内容和要求。

9）认证评估，认证机关或认证代理机构对照认证标准开展认证评估。

10）编制认证报告，美军标MIL-STD-3022提出了认证报告主要内容和要求。

VV&A功能角色

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VV&A流程中涉及的各功能角色以及相应的职责分配如表2所示。

注：根据任务量，可能会存在角色兼任，但是一般情况下，V&V代理与认证代理应不同。

1）需求机构，通常是主司令部（Major Command）或有M&S需求的组织，如Lead Commands是其武器系统的作战训练M&S需求机构；项目主任或作战试验组织是试验评估（T&E）M&S的需求机构。其主要职责包括：

牵头确定M&S需求；
确定认证机关等；
参与其他VV&A流程活动。

2）认证机关，主管装备方案或研究的总务官（General Officers）或高级管理人员（Senior Executive Service）应为特定M&S的认证机关，或将此权限委托给下级。其主要职责包括：

批准认证准则、认证计划、认证报告等重要VV&A文件；
给出最终的认证决议；
选择或批准参与VV&A活动的人员（如V&V代理、认证代理、领域专家等）；
批准并监督支持认证决策的所有验证和确认活动的实施，并提供资金支持。

3）认证代理，其主要职责包括：

就VV&A问题向认证机关提供建议和专业知识；
牵头制定认证准则、认证计划、认证报告等重要VV&A文件；
执行建模与仿真认证评估；
监督V&V规划和实施，确保满足认证计划要求。

4）V&V主任，其主要职责包括：

与模型主任一起，为模型建立验证和确认状态基线；
批准V&V计划、V&V实施、数据V&V、V&V报告等重要V&V文件；
维护特定M&S的所有当前和历史V&V信息的存储库，并提供V&V状态更新。

5）V&V代理，其主要职责包括：

为认证机关、认证代理和V&V主任提供有关V&V问题的建议和专业知识；
牵头制定V&V计划、V&V报告，牵头V&V实施、数据V&V。

6）项目主任/发起者，其主要职责是为V&V（包括计划、实施、数据和报告）提供资金，并在各个步骤中协助其他职能部门。

总结

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本文介绍了美军关于建模和仿真的VV&A流程以及流程中涉及到的功能角色的职责划分。总结美军在M&S与VV&A中的特点如下：

1）建立了通用的建模仿真模型库，模型库的作用不局限于提供已有的解决方案或基础，也为VV&A的实施提供基础和参考；

2）建立了成熟的VV&A流程，并且发布并实施了一系列的相关法规、标准和指南指导VV&A实施；

3）采用“第三方”参与的方式保证VV&A工作充分且客观，设置“认证代理”、“V&V代理”这样的第三方评价机构或组织进行工作支持。

来源：安怀信正向设计研发港