國外坦克裝甲車輛以乘員為中心的現代設計方法綜述

劉 川，唐電波，于莎莎，趙媛媛

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

過去，依照傳統的坦克裝甲車輛設計流程，一種新型車輛的開發往往要經過設計-試制-試驗-設計改進-試制-試驗等多次循環，研制周期長，費用高.

隨著科學技術的進步，新的設計方法和手段不斷涌現，為坦克裝甲車輛的設計帶來了根本性變化.產品的設計由靜態設計向動態設計轉變，由校驗型設計向預測型設計轉變，現代設計理論和方法已成為坦克裝甲車輛整車及其子系統提高性能和可靠性、降低研制風險和費用的前提條件，也是產品由粗放型設計向精細化設計轉變的重要環節.利用現代設計理論和方法，逐步建立各類數據庫、專家知識庫、設計規范、設計準則、試驗規范和工藝規范，可形成規范的現代設計體系，實現由“經驗設計”向“預測和創新”設計轉變.圖1為傳統的設計流程示意圖，圖2為基于現代設計理論和方法的設計流程示意圖.

圖1 傳統的設計流程［1］

圖2 基于現代設計理論和方法的設計流程［1］

1 現代先進設計理念

在世界坦克裝甲車輛領域居領先地位的國外公司中，普遍早已采用仿真設計方法.自20世紀90年代，復雜系統仿真應用需求的不斷提高及應用領域的不斷擴展，使得計算機仿真技術從純數字仿真、實物在回路中的半實物仿真，發展到人在回路中的虛擬環境仿真.采用將純數字仿真、實物在回路中的半實物仿真和人在回路中的虛擬環境仿真綜合起來的綜合仿真系統，已在坦克裝甲車輛設計方法的發展中得以充分體現.目前，基于綜合仿真系統，利用虛擬和實際的人和環境來確?！啊猿藛T為中心的設計’貫穿于系統工程開發生命周期”是現代最先進的設計理念，如圖3所示.

圖3 系統工程開發生命周期［2］

現實“以乘員為中心的設計”，其虛擬和實際的人和環境缺一不可，這樣才能確保最佳“以乘員為中心的設計”.使用虛擬建模工具，可在設計過程初期確定設計問題，從而在減少費用的同時提高系統性能.作為系統工程開發生命周期的一個組成部分，借助于人的建模和虛擬環境仿真工具，工程技術人員擁有了一種在計劃初期即嵌入人的成分的在前主動方法，可指導工程技術人員作出決策，而不是在計劃過程的后期再解決人因工程問題，從而實現裝甲車輛作戰效能的最優化設計.

2 現代設計方法示例

在世界坦克裝甲車輛領域，BAE系統公司和通用動力地面系統公司是兩家居領先地位的大型公司.它們所研究的坦克裝甲車輛現代設計方法無疑具有代表性.不論是通用動力地面系統公司的四步驟(Four Step Process)方法［2］還是BAE系統公司的SES(Simulation-Emulation-Stimulation)方法［3］，均體現了“‘以乘員為中心的設計’貫穿于系統工程開發生命周期”這一先進設計理念.

2.1 通用動力地面系統公司

就通用動力地面系統公司的四步驟方法而言，虛擬或實際的人和環境的使用貫穿于系統工程開發生命周期的各個階段，具體視需要而定.圖4為“以乘員為中心的設計”的四個步驟的示意圖.這四個步驟分別是:1)CAD(計算機輔助設計)……虛擬環境-虛擬人;2)CAVE(洞穴自動虛擬環境)……虛擬環境-人;3)Mock-up(實物大小研究用模型)……中逼真度環境-人;4)Vehicle(車輛)……高逼真度環境-人.

圖4 “以乘員為中心的設計”的四個步驟的示意圖

步驟1):采用的建模工具是Jack……，一種3D交互式人體工程和人因CAD組件.在這個階段，Jack人體模型被嵌入CAD環境，進行靜態和動態評估.虛擬環境-虛擬人應用于系統工程開發生命周期的所有階段，益處是:(1)CAD模型可有效地應用于設計過程的初期階段;(2)便于及時和低費用地進行設計方案的交互式分析.圖5為步驟1)的示例.

圖5 虛擬環境-虛擬人的示例

步驟2):采用的建模工具為CAVE.在這個步驟中，車輛的CAD圖像(內部和外部)和外部作戰環境被投影為3D圖像;此外，人的評估器設在3D圖像之內，人的評估器能夠與車輛進行交互 (例如觸及部件、評估內部和外部的觀測能力).虛擬環境-人應用于系統工程開發生命周期的所有階段，益處是:(1)在物理樣機之前，進行有關車輛設計和操作效率的折衷研究;(2)在最終確定工程設計之前將人引入設計.圖6為步驟2)的示例.

步驟3):采用立體表現的硬實物大小模型來代表硬件.軟件通過功能列表頂部快速樣機來提供.中逼真度環境-人應用于系統工程開發生命周期的所有階段，益處是:(1)從部件和子系統級評估轉變到系統級評估;(2)人的評估器可以較好地感覺安裝、感知及操作邏輯.圖7為步驟3)的示例.

圖6 虛擬環境-人的示例

圖7 中逼真度環境-人的示例

步驟4):設計已確定而且最終硬件和軟件已集成到樣車之內，用于最終試驗和評定.高逼真度環境-人應用于系統工程開發生命周期的執行階段，益處是:(1)功能性是主要目標;(2)從部件和子系統級評估轉變到系統級評估;(3)能夠評定單獨的和乘員組級的戰術操作.圖8為步驟4)的示例.

圖8 高逼真度環境-人的示例

“以乘員為中心的設計”是通用動力地面系統公司系統工程團隊貫穿系統工程開發生命周期的目標.通過應用上述4個步驟可實現這個目標.不過，在設計過程中的具體應用是靈活的，并不一定總是需要或遵循上述所有4個步驟.這個過程匹配以適當的設計可視化和分析工作，即能夠產生支持“以乘員為中心的設計”所需要的信息.

2.2 BAE系統公司

BAE系統公司美國作戰系統分公司開發了基于物理的高保真度模擬模型的SES方法，見圖9和圖10.在Simulation階段，是僅利用建模工具，建立車輛各種系統的模型，進行純數字仿真設計、集成和試驗.在Emulation階段，是進行半實物仿真、集成和試驗;在Stimulation階段，是利用實際車輛硬件來無縫隙地取代仿真.

圖9 SES方法示意圖［4］

圖10 SES迭代過程生命周期示意圖［4］

利用SES方法，BAE系統公司美國作戰系統分公司開發了一個SES集成工程環境.它被設計成可模擬車輛各種系統而且可結合戰術軟件使用，產生一個試驗室設置的虛擬車輛，以支持整個工程研制生命周期:要求生成、概念原型生成、工程研制、最初接口和子系統集成、士兵/人-機接口評定、系統集成和試驗室試驗、車輛評定，其流程框圖見圖11.

圖11 SES方法提供產品研制生命周期支持［4］

SES方法和SES集成工程環境具有廣泛的用途，適用于部件級別、子系統級別和整車級別的產品開發以及新技術的研究，例如:3D虛擬樣機生成、乘員站設計評定、MIL-STD-1553框架的電子設備集成以及混合協議系統集成的初步事例研究.

3 人在回路中的實時仿真系統

過去，坦克裝甲車輛的許多設計研究工作都是基于預定的方案(例如車輛加速曲線、地形輪廓、車輛通過路線)，在部件級或子系統級上進行.這些預定的使用情況使工程技術人員能夠:1)通過計算機仿真，進行設計分析;2)研究最終的輸出數據.但是，這些結果缺少整個平臺級的車輛性能.這種方法不僅缺少乘員與車輛性能之間的交互，而且還使工程技術人員不能研究會影響到車輛與地面之間相互作用力的多種地形和不同氣候條件.

隨著技術的發展，具有高適應性、能夠支持全面集成、試驗以及解決復雜問題的柔性設計環境已在坦克裝甲車輛的研制中得到應用.作為必不可少的先進設計方法，將純數字仿真、實物在回路中的半實物仿真和人在回路中的虛擬環境仿真綜合起來的可視化綜合仿真系統可為車輛設計和性能研究以及實現“以乘員為中心的設計”提供一個理想環境.

不論是通用動力地面系統公司的四步驟方法還是BAE系統公司美國作戰系統分公司的SES方法，均采用了人在回路中的可視化實時仿真系統.

以BAE系統公司美國作戰系統分公司開發的一種人在回路中實時仿真系統為例來說，它是多個硬件部件和軟件部件的集成，旨在以解決在不同地形條件、氣候條件和車輛配置情況下乘員與車輛設計和車輛性能分析之間的交互.圖12示出了這種仿真系統的體系結構，其組成包括:1)實現360°圖形景象的合成環境;2)可重新配置的乘員站;3)基于物理的車輛模型;4)地形環境輸入.這種人在回路中實時仿真器的環境實現一種綜合可視化系統，可視化內容包含車輛平臺性能的3D動畫和工程數據的XY曲線圖.

操縱人員利用乘員站實物大小研究用模型，生成指令.例如，從駕駛員站實物大小研究用模型生成節氣門、轉向和制動指令來操縱系統;這些生成的指令，再加上來自地形數據庫的環境輸入，傳送給基于物理的車輛模型，用以預測車輛性能.車輛子系統級和部件級的工程數據傳送給具備更新3D車輛模型和可視化工程數據能力的合成環境，用以顯示車輛設計和性能分析的實時仿真結果.

圖12 人在環路中實時仿真系統的體系結構［5］

可重新配置型乘員站是作為操縱人員與合成環境及基于物理車輛模型之間的媒介，見圖13.乘員站采用模塊化設計，是可重新配置的，不僅體現在乘員站外表的木質或纖維玻璃外殼以及空間要求，還體現在它還含有多種可重新配置的、便于操縱人員交互的部件，例如:觸摸屏顯示器、潛望式觀察鏡、軛形轉向操縱裝置、操縱手柄、腳踏板以及帶有仿真硬件開關的控制面板.

就這種人在回路中實時仿真系統而言，不僅內部觸摸屏顯示合成環境以及仿真傳感器或攝像機所觀察到的景象，而且環繞乘員站實物模型周圍的八邊形3D立體可視化空間也顯示車外景象.因此，在乘員站實物模型內的操縱人員能夠利用安裝的潛望鏡來觀察“窗外”情景.圖14為八邊形3D立體可視化空間在辦公區域的布置示意圖.

圖13 設置在3D可視化虛擬環境中的可重新配置型乘員站［5］

圖14 八邊形的3D立體可視化空間［5］

人在回路中仿真系統的合成環境的部件中包含生成虛擬仿真世界3D的圖形軟件，即圖像生成軟件.虛擬仿真世界中的3D圖形有3D車輛模型、建筑模型以及地形數據庫.合成環境使用被廣泛接受的OpenFlight 3D模型格式，以確保能夠充分利用現有商用車輛模型、地形3D模型和軟件工具.

為了仿真車輛的運動，使用CAD工程模型來輸入車輛特性，其中包括幾何特征、重心、質量和轉動慣量.相同的CAD模型還被用來在合成環境中實現可視化顯示.BAE系統公司擁有1種將CAD模型從Pro-Engineer或Unigraphics格式轉換為OpenFlight格式的方法.最終的結果是3D模型在物理上看上去與實際車輛設計相同，而且提供實時的可視化性能.

4 現代先進設計工具

從現已投入使用的人在回路中可視化實時仿真系統來看，有2種必不可少的關鍵工具.一個是360°沉浸式虛擬環境;另一個是可配置型乘員站.

4.1 360°沉浸式虛擬環境

隨著虛擬現實技術的發展，沉浸式虛擬現實技術的應用已進入裝甲戰車的設計領域.以BAE系統公司美國作戰系統分公司為例，開發了一種應用于裝甲戰車設計的360°沉浸式虛擬環境—— “3D Dome”［6］，參見圖15.它被作為一種實現了3D立體可視化的工程工具，在一個有8個屏幕、引入運動跟蹤系統的360°沉浸式圖形環境中高效地設計和展示新產品的方案.甚至在生產任何實際樣機之前，它即可用來在虛擬環境中向客戶、參觀人員和合作伙伴演示產品及其能力.

圖15 BAE系統公司的沉浸式虛擬環境—— “3D Dome”

BAE系統公司美國作戰系統分公司通過將3D沉浸式環境與建模/仿真和CAD模型結合起來，實現了沉浸的CAD模型的可視化，開發了3D虛擬集成樣機生成技術［6］.這種3D虛擬樣機生成技術已被應用于多種用途，其中包括虛擬車輛設計、車輛性能模擬和作戰場景模擬.圖16為沉浸式虛擬樣機生成與協同的示意框圖.

圖16 沉浸式虛擬樣機生成/協同

4.2 可配置型乘員站

可配置型乘員站實物大小研究用模型提供人在環路中的仿真能力，以支持基于仿真的設計過程.以BAE系統公司美國作戰系統分公司為例，開發了一種可快速重新配置的、設計成支持WMI(士兵-機器接口)功能的乘員站，而且已被用來支持多個作戰車輛計劃.這種乘員站實物大小研究用模型能夠為HFE(人因工程)評定、高保真度工程性能分析以及虛擬子系統的人在環路中試驗提供快速的工程樣機生成能力.

為了支持可快速重新配置的乘員站實物大小研究用模型，BAE系統公司美國作戰系統分公司利用1組20多臺計算機、多個觸摸屏、多個模擬 (或實際)控制面板和多個手站裝置，建立了一個分布式仿真環境.為了提供可快速重新配置的計算機生成的GUI(圖形用戶接口)以支持各種乘員任務 (例如駕駛、射擊、指揮)，采用了1個計算機控制的16×16視頻矩陣開關來將所希望的GUI和模擬的傳感器視頻路由到乘員顯示器，以支持HFE評定.

人/硬件在環路中的乘員站仿真器被用來支持硬件設計和方案評定，例如顯示器硬件、手站、WMI以及乘員在各種任務期間的作戰效率和效能.主要設計要求包括:1)圖形顯示器的高效可重新配置性，需要面向目標的軟件設計和視頻矩陣開關能力;2)高保真度模型來確保評定的正相關，需要集成到模擬系統之中的基于物理的模型;3)易于快速轉換的硬件裝置，需要在設計中實現熱插拔(或至少即插即用)能力.這種乘員站仿真器通過一個可重新配置的環境，提供一個面向車輛工程研究的親身操縱環境.環境的多個方面或能夠被模擬或能夠被代之以真實的在環路中的硬件，以便支持現有的和未來的快速樣機生成和性能評定.圖17為一種人/硬件在環路中的乘員站仿真器的示例.圖18為一種人/硬件在環路中的乘員仿真系統的構架.

圖17 人/硬件在環路中的乘員站仿真器的示例［3］

圖18 人/硬件在環路內的仿真系統構架［3］

5 未來發展趨勢

目前，美國DARPA(防務先進計劃研究局)正在推進一項面向未來的AVM(Adaptive Vehicle Make——自適應車輛制造)計劃［7］，希望通過這項計劃可以徹底改變軍事技術的開發和產業化的繁瑣過程，大大減少“培育”新型軍事系統所需的時間和費用.AVM計劃由幾個子項目組成，旨在利用軟件、電子部件和機械部件，確定一種新的系統設計和制造的方法.AVM計劃的所有研究工作都將以試驗而完結，DARPA希望借此在2014～2015年生產一種以“眾包”為基礎設計的FANG(下一代快速適應型地面)車輛.

AVM計劃包括3個主要子項目:1)META項目，尋求新的工程、集成與試驗方法;2)iFAB(通過Bits實現即刻的鑄造風格的自適應)項目，一種可快速重新配置的鑄造風格的制造能力;3)FANG車輛項目，以“眾包”為基礎進行設計.就META項目而言，它旨在對美國自20世紀50～60年代的Atlas導彈計劃和“阿波羅”空間計劃以來一直使用的系統工程方法類型進行全面的重新考慮.DARPA實施 META項目已大約1年時間.META的一個目標是期望能夠提高在設計過程中的抽象水平，以使人員無需進行基本部件層面的設計.為了擁有更為抽象的設計方法，META必須利用建模虛擬的驗證系統來進行合理化試驗，以驗證部件或系統本身是否結構合理.

6 結束語

坦克裝甲車輛是將多方面的復雜矛盾結合為一體的武器系統，其設計的最終目的是獲得最佳的綜合性能:一方面，要以作戰效能為目標;另一方面，在保證性能的同時，還要綜合考慮質量、成本、工藝及可靠性等因素.通過應用現代先進的設計方法，能夠實現諸多益處:1)實現“以乘員為中心的設計”;2)增強產品設計協同，提高產品的研制效率;3)向客戶傳遞車輛性能信息，實現以用戶為中心的產品;4)降低車輛研制和集成的費用和進度風險性;5)訓練系統可在研制過程中誕生.

［1］閆清東，張連第，趙 芹.坦克構造與設計 ［M］.北京:北京理工大學出版社.

［2］M.Vala，T.Smist，P.Kemph and R.Navarre.Crew Centric Design Methodology Delivers Combat Performance［C］.August 2010.

［3］TC Lin，Kevin Chang，Christopher Johnson，Kasra Naghshineh，Sung Kwon，and His Shang Li.“A Combat System Integration Lab for Engineering Life Cycle Support”［C］.July 2009.

［4］Kevin Chang，Sung Kwon，Kasra Naghshineh.Combat Vehicle Electronics Component Integration with SES Process［C］.January 2009.

［5］Kevin Chang，Christopher Johnson，and James Critchley.Real-time Operator-In-The-Loop Simulation for Vehicle Design［C］.January 2009.

［6］Kevin Chang，Christopher Johnson.Immersive Virtual Prototyping Collaboration［C］.January 2009.

［7］Daniel Wasserbly. DARPA Studies Virtual Build Process to Speed up Production ［J］. Jane’s Internatiaonal Defence Review，2011，(9):5.