舰艇作战系统数字孪生的内涵与特征研究.pdf
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1、第4 5 卷第1 8 期2023年9 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.18Sep.,2023舰艇作战系统数字李生的内涵与特征研究闫仲秋,贾坚强,闫浩宇,崔洪坤,庞浩,王于(中国船舶集团有限公司第七一六研究所,江苏连云港2 2 2 0 6 1)摘要:数字李生作为一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、增强物理世界的重要技术,有望给舰艇作战系统等武器装备的发展带来重大变革。本文分析舰艇作战系统在全生命周期存在的主要问题,提出舰艇作战系统数字李生的基本内涵以及对应数字李生体的总体架构,总结舰艇作战系统数字李生在系统顶层架构、虚实互动
2、机制、综合运用流程等三大能力特征,对指导舰艇作战系统数字李生的应用具有重要意义。关键词:作战系统;数字李生;虚实互动;仿真建模;数据管理.中图分类号:E917文章编号:1 6 7 2-7 6 4 9(2 0 2 3)1 8-0 1 4 7-0 7Research on the connotation and characteristics of digital twin of combat systemYAN Zhong-qiu,JIA Jian-qiang,YAN Hao-yu,CUI Hong-kun,PANG Hao,WANG Yu(The 716 Research Institute
3、of CSSC,Lianyungang 222061,China)Abstract:The research and product of military equipment is a typical complex systems engineering,under the contextof rapid change in military theory and operation demand,military industry faces many problems,such as complex manage-ment methods,the lack of digital des
4、ign capacity,mismatch of capabilities and requirements,equipment maintenance andsupport difficulties.Digital systems engineering plays an important role in weaponry analysis,research,service and mainten-ance.So,its necessary to carry out relative research about the methods of weaponry digital develo
5、pment from promotionmechanism of digital system engineering,requirement analysis of equipment digital capability,construction standard of di-gital twin system,which has important meanings to the digital development of military industry.Key words:systems engineering;military equipment;digital transfo
6、rmation;equipment development;digital twin0引言以数字化为主要特征的第四次工业革命,正在推动武器装备和战场环境进入数字化时代,利用数字化技术将武器装备各类实体、行为映射到数字空间,借助数字空间数据高速流动、零成本试错等优势,通过“反复迭代、数字寻优”化解复杂系统的不确定性,从而实现资源高效配置、体系赋能增效,已成为全域作战环境下武器装备论证、研制和运用等全生命周期转型发展的重要手段!。舰艇作战系统是指水面舰艇或潜艇平台上执行侦察预警、跟踪识别、信息融合、控制决策及火力打击等任务,完成对敌独立或协同作战的各要素及人员的综合体 2 。通过构建基于数字李生的
7、虚拟舰艇作战系统,可为舰艇作战系统新概念战收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 9作者简介:闫仲秋(1 9 9 4),男,硕士,工程师,研究方向为作战系统、水下攻防。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.18.026法创新研究、新技术新功能集成验证、新架构设计与流程优化验证、集成效能验证等提供低成本、高效率的开发、集成、验证和展示环境。一是可运行于实验室环境,为后续作战系统架构设计、顶层设计与能力验证、新技术成果集成验证提供研发测试平台;二是可在实艇上实装试用,通过特殊协议从舰艇获取实战数据,用于测试“虚拟系统”新技术,缩短新技术战斗力生成转化周期;
8、三是可部署于训练中心,用于艇员训练。通过“虚拟系统”在实验室、实艇平台以及训练中心的建设和应用,实现虚拟平行系统与实装系统间的迭代牵引发展,缩短作战系统能力升级周期。总的来说,开展舰艇作战系统数字李生的应用研究,可为舰艇作战系统科学设计、全集研制、能力提升和基线发展提供科学决策的依据和思路。1481舰艇作战系统数字李生需求分析舰艇作战系统体系结构复杂、装备规模大,包含声呐、光电、雷达、武器、控制、计算机、网络、通信等多个专业领域,涉及作战概念分析、使命任务分析、功能性能分析、系统设计、人因工程设计、软件设计、硬件设计、机械设计、算法仿真、系统集成验证、通用质量特性等多个专业方向,多家配套科研院
9、厂所协同设计,一般包含设备、二级系统、一级系统3个级别的集成和验证,是一项涉及多个系统/设备、多个学科领域、多个专业方向、多个协作单位、多层次集成的复杂系统工程。从舰艇作战系统的研制特点上来说,舰艇作战系统的全生命周期可划分为装备论证阶段、装备研制阶段、装备保障阶段 3-4 。1.1装备论证阶段需求论证迭代评估牵引不足、难以实现军事需求与装备能力闭合。舰艇作战系统总体论证是对舰艇作战系统功能、性能、组成、关键技术、试验方案等各方面总体工作进行初步设计和论证的阶段,需进行跨学科、跨专业、跨系统的反复权衡、迭代与论证。因此,急需构建自上而下、完整闭合的需求条目,提升需求闭合、数据利用、系统协同以及
10、需求追溯检查能力,进而完成舰艇作战系统总体论证与装备研制流程的对接,实现需求的可覆盖性和可追溯性。1.2装备研制阶段需求数字模型体系牵引不足、难以开展联合仿真设计与验证。从系统工程的发展特点来看,舰艇作战系统设计一般采用基于文档的设计模式,存在缺乏科学工具和方法、自底向上堆叠、设计成果验证困难等问题,并缺乏系统层面的架构模型、功能模型、性能模型、行为模型、接口模型以及统一的建模规范和标准,导致各分系统/设备数字模型发展路线不一、进度不一,难以进行从系统层面开展数字模型集成,无法有效开展跨专业的联合仿真设计与验证,存在分系统/设备无法满足作战系统要求的风险 5 。因此急需推进舰艇作战系统设计的模
11、型化、数字化、信息化,促进系统设计能满足更多系统需求、实现更短的研制周期、响应更快的型号迭代。设计风险释放能力不足、难以控制试验成本与进度风险。系统在研制过程中通过组织各种联调试验,验证作战系统内部软硬件集成、软件部署和系统工作协调性,验证技术、暴露问题,消除技术风险。由于前期设计过程中,缺乏有效的全系统验证手段,设计阶段风险无法充分释放,试验过程中因接口设计、流舰船科学技术程设计不准确、理解不一致导致的问题过多,导致试验周期长、成本高。随着武器装备研制周期缩减、以及装备快速迭代的需求,对联调试验的数字化、快速化、批量化等都提出了更高要求。因此迫切需要借助信息物理融合手段建立数字样机的仿真验证
12、环境,控制试验成本与进度风险。1.3装备保障阶段需求全寿命保障能力不足、难以及时处理外场装备质量问题。大型武器装备的维护方式主要分为恢复性维护和预防性维护2 种方式,2 种维护方式都缺少对装备的健康状态实时感知和预测能力,舰艇作战系统外场装备质量问题出现的风险无法进一步下降,且复杂武器装备带来的技术质量问题责任不清晰、处理维修条件要求高、供应链保障能力不足、局部对整体的影响评估困难等问题突出,导致了舰艇作战系统外场装备质量问题处理难度进一步增大。因此,急需增强舰艇作战系统数字化综合保障能力,实现对在役系统装备实时状态进行全面一致的描述,从而支持舰艇作战系统故障预测、健康管理以及远程有效管控。仿
13、真验证环境能力不足、难以支撑系统能力渐进式提升。一方面,在系统联调试验和总装集成结束后,技术状态基本固化,新能力提升缺乏完整固定的陆上集成验证环境,未能形成虚拟数字仿真验证环境,难以支撑后续新技术反复迭代测试优化 6 ;另一方面,新设备、新软件、新算法、新技术的集成应用,仍需先在实验室进行测试,满足成熟度要求后再转入实艇作战测试阶段,待舰艇返航后工业部门再根据测试数据进行下一轮修改测试,直到满足要求。因此,急需提升舰艇作战系统快速集成能力,支持各种成熟产品的快速植入,支持功能即插即用、应用灵活增减、要素动态集成,促进系统能力不断渐进提升,构建作战系统的测试分析和认证环境,缩短关键测试完成时间、
14、提升测试分析速度,从而加速舰艇作战系统的基线式发展。2舰艇作战系统数字李生基本内涵舰艇作战系统数字李生是指对舰艇作战系统物理实体在虚拟空间的全要素重建及映射,旨在构建一个集成的多物理、多尺度、超写实、动态概率仿真模型,基于模型与数据对舰艇作战系统物理实体进行实时的模拟、映射,并借助智能算法、管理方法、专家知识等对舰艇作战系统进行评估、预测和优化 7 。舰艇作战系统数字李生的3大要素是物理空间、虚拟空第4 5 卷第4 5 卷间以及2 个空间之间的链接。其中,物理空间指的是舰艇作战系统物理实体,虚拟空间包含了物理空间的所有信息,两者之间的连接是指物理空间向虚拟空间输人实时数据以及虚拟空间向物理空间
15、反馈信息 8 。从舰艇作战系统数字李生的发展阶段和各阶段成果出发,将舰艇作战系统数字李生的基本内涵分为3个层次:第1 层为支撑舰艇作战系统论证阶段的李生胚胎体,第2 层为支撑舰艇作战系统研制阶段的李生映射体,第3层为支撑舰艇作战系统保障阶段的李生共生体 例。2.1装备论证阶段的李生胚胎体舰艇作战系统李生胚胎体是对舰艇作战系统物理实体进行物理属性和功能属性认知后的一种理想化表达。这种理想化的表达会先于作战系统物理实体存在,并持续于舰艇作战系统物理实体和数字李生体的整个生命周期。舰艇作战系统李生胚胎体是在各领域的科研样机或原型系统基础上,针对系统的主要功能性能以及关键技术等验证需求,集成相应信息总
16、线和模拟器而构建的舰艇作战系统原型系统。舰艇作战系统李生胚胎体将表达物理实体的静态文本或数据信息,上升到能初步反映物理实体主要功能、体系架构、作战流程、关键技术的动态领域,并经过不断设计修改后高度逼近舰艇作战系统真实物理实体。虽还会和未来实现的物理实体有差距,但可指导其实现过程。2.2装备研制阶段的李生映射体舰艇作战系统李生映射体通过对舰艇作战系统物装备运用作战环境装备运用用1潜选代优化设计艇作战系统物理实体装备研制装备论证Fig.1 Ship combat system digital twin development stage division闫仲秋,等:舰艇作战系统数字李生的内涵与特征
17、研究战场实体实体对象实现设计科研仿真方案样机环境设计实体对象选代优化实现物理属性能力装备原型需求概念系统功能属性图1 舰艇作战系统数字李生体发展阶段划分149理实体进行多层级数字化映射,建立面向舰艇作战系统物理实体组成、功能特性、行为逻辑、运行流程的数据驱动模型。李生数据是李生映射体的基础,可实现舰艇作战系统物理实体和李生映射体之间的映射,这种映射会随着物理实体的变化而自动做出相应的变化,并实时在虚拟空间里呈现舰艇作战系统物理实体的真实状况,实现全面展示、精确描述和动态监控 1 0 。舰艇作战系统李生映射体作为模型和数据存储平台,采集各类原始数据并将数据进行融合处理后,可通过模型定义、数据绑定
18、、可视化等手段动态驱动对象状态变化,从而真实描述舰艇作战系统物理实体的状态和行为。同时,舰艇作战系统李生映射体可先于物理实体在虚拟空间内开展数字模型、数字样机的集成,从而在装备研制阶段实现虚拟空间内的协同设计、仿真验证与联调试验,并持续牵引物理实体的研制工作,实现在研制阶段的循环迭代验证。此外,通过舰艇作战系统的虚拟交装,可有效缩短全艇建造周期、降低全艇总装风险,并结合作战仿真推演系统,开展红蓝对抗试验,提前开展作战系统改进验证。2.3装备保障阶段的李生共生体舰艇作战系统李生共生体是舰艇作战系统数字李生体的最终目标,李生共生体继承了李生胚胎体、李生映射体的数据、模型和功能。同时根据物理实体的运
19、行机理和服务需求,建立由机理和数据驱动演化的舰艇作战系统智能模型,能够精准控制舰艇作战系统物理实体。舰艇作战系统李生共生体一方面是根据舰实时李生共生体数据智慧状态模拟预测唯一模型实时李生映射体数据镜像状态模拟反馈基础定义李生胚胎体动态反馈潜艇作战系统数字李生体静态反馈150艇作战系统物理实体行为流程、内部机理等建立起来的精确数学模型,另一方面是通过对系统采集的大量观测数据运用机器学习和统计学等理论进行充分分析后,建立以数据为基础的系统模型!。因此,舰艇作战系统李生共生体可基于物理实体的先验知识、实际经验和运行机理,并对物理实体反馈的信息历史数据进行深度学习、精确模拟及分析预测,最终实现对舰艇作
20、战系统物理实体状态评估、问题诊断以及健康预测。此外,舰艇作战系统李生共生体在物理实体交装后,为各类新技术的开发、测试、验证和植人提供了虚拟集成平台,确保将新能力持续引入舰艇作战系统的能力提升过程中。3舰艇作战系统数字李生总体架构3.1舰艇作战系统数字李生应用架构舰艇作战系统数字李生体的具体应用是用户操作空间、数字李生空间、现实物理空间的综合运用和集成联动,服务管理、数据管理、模型管理、标准管理等功能活动贯穿于舰艇作战系统不同空间内并驱动舰艇作战系统各阶段数字李生的运行迭代。通过物理与虚拟接口的交叉连接、数据的深人集成挖掘和分析、全生命能力交付数字化信息化智能化Fig.2Warship comb
21、at system digital twin full life cycle application architecture舰船科学技术模型的服务化集成与封装,在数字李生空间构建舰艇作战系统的功能模型、性能模型、机理模型和智能模型,实现对舰艇作战系统各类实体及功能活动在数字空间的映射、反馈、分析与预测,为用户提供需求分析、系统设计、虚拟验证、健康预测、平行仿真和在线评估等操作手段,面向舰艇作战系统全生命周期交付数字化、信息化、智能化能力。3.2舰艇作战系统数字李生系统架构舰艇作战系统数字李生充分利用已有舰艇作战系统行业积累的各种历史数据、产品、模型以及计算机辅助软件等信息化建设成果。在各类开
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