閆仲秋，賈堅(jiān)強(qiáng)，閆浩宇，崔洪坤，龐 浩，王 于

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

以數(shù)字化為主要特征的第四次工業(yè)革命，正在推動(dòng)武器裝備和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，利用數(shù)字化技術(shù)將武器裝備各類(lèi)實(shí)體、行為映射到數(shù)字空間，借助數(shù)字空間數(shù)據(jù)高速流動(dòng)、零成本試錯(cuò)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)“反復(fù)迭代、數(shù)字尋優(yōu)”化解復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，從而實(shí)現(xiàn)資源高效配置、體系賦能增效，已成為全域作戰(zhàn)環(huán)境下武器裝備論證、研制和運(yùn)用等全生命周期轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要手段[1]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是指水面艦艇或潛艇平臺(tái)上執(zhí)行偵察預(yù)警、跟蹤識(shí)別、信息融合、控制決策及火力打擊等任務(wù)，完成對(duì)敵獨(dú)立或協(xié)同作戰(zhàn)的各要素及人員的綜合體[2]。通過(guò)構(gòu)建基于數(shù)字孿生的虛擬艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，可為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)新概念戰(zhàn)法創(chuàng)新研究、新技術(shù)新功能集成驗(yàn)證、新架構(gòu)設(shè)計(jì)與流程優(yōu)化驗(yàn)證、集成效能驗(yàn)證等提供低成本、高效率的開(kāi)發(fā)、集成、驗(yàn)證和展示環(huán)境。一是可運(yùn)行于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，為后續(xù)作戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)與能力驗(yàn)證、新技術(shù)成果集成驗(yàn)證提供研發(fā)測(cè)試平臺(tái)；二是可在實(shí)艇上實(shí)裝試用，通過(guò)特殊協(xié)議從艦艇獲取實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)，用于測(cè)試“虛擬系統(tǒng)”新技術(shù)，縮短新技術(shù)戰(zhàn)斗力生成轉(zhuǎn)化周期；三是可部署于訓(xùn)練中心，用于艇員訓(xùn)練。通過(guò)“虛擬系統(tǒng)”在實(shí)驗(yàn)室、實(shí)艇平臺(tái)以及訓(xùn)練中心的建設(shè)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)虛擬平行系統(tǒng)與實(shí)裝系統(tǒng)間的迭代牽引發(fā)展，縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)能力升級(jí)周期?？偟膩?lái)說(shuō)，開(kāi)展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的應(yīng)用研究，可為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)科學(xué)設(shè)計(jì)、全集研制、能力提升和基線發(fā)展提供科學(xué)決策的依據(jù)和思路。

1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生需求分析

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝備規(guī)模大，包含聲吶、光電、雷達(dá)、武器、控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，涉及作戰(zhàn)概念分析、使命任務(wù)分析、功能性能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人因工程設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、算法仿真、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、通用質(zhì)量特性等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，多家配套科研院廠所協(xié)同設(shè)計(jì)，一般包含設(shè)備、二級(jí)系統(tǒng)、一級(jí)系統(tǒng)3 個(gè)級(jí)別的集成和驗(yàn)證，是一項(xiàng)涉及多個(gè)系統(tǒng)/設(shè)備、多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域、多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向、多個(gè)協(xié)作單位、多層次集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程。從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制特點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的全生命周期可劃分為裝備論證階段、裝備研制階段、裝備保障階段[3–4]。

1.1 裝備論證階段需求

論證迭代評(píng)估牽引不足、難以實(shí)現(xiàn)軍事需求與裝備能力閉合。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)總體論證是對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)功能、性能、組成、關(guān)鍵技術(shù)、試驗(yàn)方案等各方面總體工作進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和論證的階段，需進(jìn)行跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)、跨系統(tǒng)的反復(fù)權(quán)衡、迭代與論證。因此，急需構(gòu)建自上而下、完整閉合的需求條目，提升需求閉合、數(shù)據(jù)利用、系統(tǒng)協(xié)同以及需求追溯檢查能力，進(jìn)而完成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)總體論證與裝備研制流程的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)需求的可覆蓋性和可追溯性。

1.2 裝備研制階段需求

數(shù)字模型體系牽引不足、難以開(kāi)展聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。從系統(tǒng)工程的發(fā)展特點(diǎn)來(lái)看，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用基于文檔的設(shè)計(jì)模式，存在缺乏科學(xué)工具和方法、自底向上堆疊、設(shè)計(jì)成果驗(yàn)證困難等問(wèn)題，并缺乏系統(tǒng)層面的架構(gòu)模型、功能模型、性能模型、行為模型、接口模型以及統(tǒng)一的建模規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各分系統(tǒng)/設(shè)備數(shù)字模型發(fā)展路線不一、進(jìn)度不一，難以進(jìn)行從系統(tǒng)層面開(kāi)展數(shù)字模型集成，無(wú)法有效開(kāi)展跨專(zhuān)業(yè)的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，存在分系統(tǒng)/設(shè)備無(wú)法滿足作戰(zhàn)系統(tǒng)要求的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此急需推進(jìn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型化、數(shù)字化、信息化，促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能滿足更多系統(tǒng)需求、實(shí)現(xiàn)更短的研制周期、響應(yīng)更快的型號(hào)迭代。

設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)釋放能力不足、難以控制試驗(yàn)成本與進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)在研制過(guò)程中通過(guò)組織各種聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，驗(yàn)證作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件集成、軟件部署和系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性，驗(yàn)證技術(shù)、暴露問(wèn)題，消除技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，缺乏有效的全系統(tǒng)驗(yàn)證手段，設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法充分釋放，試驗(yàn)過(guò)程中因接口設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)不準(zhǔn)確、理解不一致導(dǎo)致的問(wèn)題過(guò)多，導(dǎo)致試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高。隨著武器裝備研制周期縮減、以及裝備快速迭代的需求，對(duì)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的數(shù)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數(shù)字樣機(jī)的仿真驗(yàn)證環(huán)境，控制試驗(yàn)成本與進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 裝備保障階段需求

全壽命保障能力不足、難以及時(shí)處理外場(chǎng)裝備質(zhì)量問(wèn)題。大型武器裝備的維護(hù)方式主要分為恢復(fù)性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)2 種方式，2 種維護(hù)方式都缺少對(duì)裝備的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)感知和預(yù)測(cè)能力，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)外場(chǎng)裝備質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法進(jìn)一步下降，且復(fù)雜武器裝備帶來(lái)的技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題責(zé)任不清晰、處理維修條件要求高、供應(yīng)鏈保障能力不足、局部對(duì)整體的影響評(píng)估困難等問(wèn)題突出，導(dǎo)致了艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)外場(chǎng)裝備質(zhì)量問(wèn)題處理難度進(jìn)一步增大。因此，急需增強(qiáng)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字化綜合保障能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)在役系統(tǒng)裝備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行全面一致的描述，從而支持艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)、健康管理以及遠(yuǎn)程有效管控。

仿真驗(yàn)證環(huán)境能力不足、難以支撐系統(tǒng)能力漸進(jìn)式提升。一方面，在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和總裝集成結(jié)束后，技術(shù)狀態(tài)基本固化，新能力提升缺乏完整固定的陸上集成驗(yàn)證環(huán)境，未能形成虛擬數(shù)字仿真驗(yàn)證環(huán)境，難以支撐后續(xù)新技術(shù)反復(fù)迭代測(cè)試優(yōu)化[6]；另一方面，新設(shè)備、新軟件、新算法、新技術(shù)的集成應(yīng)用，仍需先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，滿足成熟度要求后再轉(zhuǎn)入實(shí)艇作戰(zhàn)測(cè)試階段，待艦艇返航后工業(yè)部門(mén)再根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行下一輪修改測(cè)試，直到滿足要求。因此，急需提升艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)快速集成能力，支持各種成熟產(chǎn)品的快速植入，支持功能即插即用、應(yīng)用靈活增減、要素動(dòng)態(tài)集成，促進(jìn)系統(tǒng)能力不斷漸進(jìn)提升，構(gòu)建作戰(zhàn)系統(tǒng)的測(cè)試分析和認(rèn)證環(huán)境，縮短關(guān)鍵測(cè)試完成時(shí)間、提升測(cè)試分析速度，從而加速艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的基線式發(fā)展。

2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生基本內(nèi)涵

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生是指對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體在虛擬空間的全要素重建及映射，旨在構(gòu)建一個(gè)集成的多物理、多尺度、超寫(xiě)實(shí)、動(dòng)態(tài)概率仿真模型，基于模型與數(shù)據(jù)對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬、映射，并借助智能算法、管理方法、專(zhuān)家知識(shí)等對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)和優(yōu)化[7]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的3 大要素是物理空間、虛擬空間以及2 個(gè)空間之間的鏈接。其中，物理空間指的是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體，虛擬空間包含了物理空間的所有信息，兩者之間的連接是指物理空間向虛擬空間輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及虛擬空間向物理空間反饋信息[8]。

從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的發(fā)展階段和各階段成果出發(fā)，將艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵分為3 個(gè)層次：第1 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)論證階段的孿生胚胎體，第2 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)研制階段的孿生映射體，第3 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)保障階段的孿生共生體[9]。

2.1 裝備論證階段的孿生胚胎體

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體是對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體進(jìn)行物理屬性和功能屬性認(rèn)知后的一種理想化表達(dá)。這種理想化的表達(dá)會(huì)先于作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體存在，并持續(xù)于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體和數(shù)字孿生體的整個(gè)生命周期。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體是在各領(lǐng)域的科研樣機(jī)或原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)的主要功能性能以及關(guān)鍵技術(shù)等驗(yàn)證需求，集成相應(yīng)信息總線和模擬器而構(gòu)建的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)原型系統(tǒng)。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體將表達(dá)物理實(shí)體的靜態(tài)文本或數(shù)據(jù)信息，上升到能初步反映物理實(shí)體主要功能、體系架構(gòu)、作戰(zhàn)流程、關(guān)鍵技術(shù)的動(dòng)態(tài)領(lǐng)域，并經(jīng)過(guò)不斷設(shè)計(jì)修改后高度逼近艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)真實(shí)物理實(shí)體。雖還會(huì)和未來(lái)實(shí)現(xiàn)的物理實(shí)體有差距，但可指導(dǎo)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.2 裝備研制階段的孿生映射體

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體通過(guò)對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體進(jìn)行多層級(jí)數(shù)字化映射，建立面向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體組成、功能特性、行為邏輯、運(yùn)行流程的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。孿生數(shù)據(jù)是孿生映射體的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體和孿生映射體之間的映射，這種映射會(huì)隨著物理實(shí)體的變化而自動(dòng)做出相應(yīng)的變化，并實(shí)時(shí)在虛擬空間里呈現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體的真實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)全面展示、精確描述和動(dòng)態(tài)監(jiān)控[10]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體作為模型和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)，采集各類(lèi)原始數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理后，可通過(guò)模型定義、數(shù)據(jù)綁定、可視化等手段動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)對(duì)象狀態(tài)變化，從而真實(shí)描述艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體的狀態(tài)和行為。同時(shí)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體可先于物理實(shí)體在虛擬空間內(nèi)開(kāi)展數(shù)字模型、數(shù)字樣機(jī)的集成，從而在裝備研制階段實(shí)現(xiàn)虛擬空間內(nèi)的協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證與聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，并持續(xù)牽引物理實(shí)體的研制工作，實(shí)現(xiàn)在研制階段的循環(huán)迭代驗(yàn)證。此外，通過(guò)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的虛擬交裝，可有效縮短全艇建造周期、降低全艇總裝風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合作戰(zhàn)仿真推演系統(tǒng)，開(kāi)展紅藍(lán)對(duì)抗試驗(yàn)，提前開(kāi)展作戰(zhàn)系統(tǒng)改進(jìn)驗(yàn)證。

2.3 裝備保障階段的孿生共生體

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體的最終目標(biāo)，孿生共生體繼承了孿生胚胎體、孿生映射體的數(shù)據(jù)、模型和功能。同時(shí)根據(jù)物理實(shí)體的運(yùn)行機(jī)理和服務(wù)需求，建立由機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)演化的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)智能模型，能夠精準(zhǔn)控制艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體一方面是根據(jù)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體行為流程、內(nèi)部機(jī)理等建立起來(lái)的精確數(shù)學(xué)模型，另一方面是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)釆集的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等理論進(jìn)行充分分析后，建立以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型[11]。因此，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體可基于物理實(shí)體的先驗(yàn)知識(shí)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行機(jī)理，并對(duì)物理實(shí)體反饋的信息歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、精確模擬及分析預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體狀態(tài)評(píng)估、問(wèn)題診斷以及健康預(yù)測(cè)。此外，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體在物理實(shí)體交裝后，為各類(lèi)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、驗(yàn)證和植入提供了虛擬集成平臺(tái)，確保將新能力持續(xù)引入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的能力提升過(guò)程中。

3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生總體架構(gòu)

3.1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體的具體應(yīng)用是用戶操作空間、數(shù)字孿生空間、現(xiàn)實(shí)物理空間的綜合運(yùn)用和集成聯(lián)動(dòng)，服務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、模型管理、標(biāo)準(zhǔn)管理等功能活動(dòng)貫穿于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)不同空間內(nèi)并驅(qū)動(dòng)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各階段數(shù)字孿生的運(yùn)行迭代。通過(guò)物理與虛擬接口的交叉連接、數(shù)據(jù)的深入集成挖掘和分析、模型的服務(wù)化集成與封裝，在數(shù)字孿生空間構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能模型、性能模型、機(jī)理模型和智能模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各類(lèi)實(shí)體及功能活動(dòng)在數(shù)字空間的映射、反饋、分析與預(yù)測(cè)，為用戶提供需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證、健康預(yù)測(cè)、平行仿真和在線評(píng)估等操作手段，面向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)全生命周期交付數(shù)字化、信息化、智能化能力。

3.2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生充分利用已有艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)行業(yè)積累的各種歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、模型以及計(jì)算機(jī)輔助軟件等信息化建設(shè)成果。在各類(lèi)開(kāi)發(fā)工具的支持下，采用分層與功能模塊集合的方式實(shí)現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生全周期全業(yè)務(wù)全要素的無(wú)縫集成與功能整合，自下而上分為業(yè)務(wù)層、模型層、數(shù)據(jù)層、工具層、基礎(chǔ)層、能力層。

基礎(chǔ)層一方面旨在構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體全生命周期的可信基礎(chǔ)環(huán)境，包括計(jì)算服務(wù)、通信網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)備份、安全防護(hù)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面旨在解決模型開(kāi)發(fā)、模型接口、數(shù)據(jù)交互等的缺乏統(tǒng)一性問(wèn)題，包括模型要素描述規(guī)范、模型接口規(guī)范等數(shù)字孿生通用規(guī)范等。

圖2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生全生命周期應(yīng)用架構(gòu)Fig.2 Warship combat system digital twin full life cycle application architecture

工具層包括匹配專(zhuān)業(yè)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、體系級(jí)以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模需求的專(zhuān)業(yè)建模仿真工具、系統(tǒng)工程建模工具、戰(zhàn)場(chǎng)建模仿真工具、體系模型構(gòu)建工具，以及通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)工具、密級(jí)管理工具等。此外，通過(guò)數(shù)字化協(xié)同研制平臺(tái)打通各應(yīng)用工具以及各級(jí)用戶之間的連接鏈路。

數(shù)據(jù)層包括作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體全生命周期涉及的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息以及歷史數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)、原型驗(yàn)證數(shù)據(jù)、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)、樣機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、總裝集成數(shù)據(jù)、聯(lián)調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、裝備試驗(yàn)數(shù)據(jù)、裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)等。

模型層包括作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體不同類(lèi)型的模型，但每一類(lèi)模型覆蓋作戰(zhàn)系統(tǒng)全生命周期進(jìn)行演化，包括系統(tǒng)架構(gòu)模型、指標(biāo)體系模型、關(guān)鍵機(jī)理模型、信息流程模型、指標(biāo)關(guān)聯(lián)模型、探測(cè)機(jī)理模型、業(yè)務(wù)活動(dòng)模型，綜合評(píng)估模型、毀傷機(jī)理模型、系統(tǒng)組成模型、指標(biāo)集成模型、智能學(xué)習(xí)模型。

業(yè)務(wù)層旨在面向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體裝備用戶和工業(yè)部門(mén)提供的各類(lèi)服務(wù)，包括需求管理服務(wù)、設(shè)計(jì)管理服務(wù)、制造管理服務(wù)、測(cè)試管理服務(wù)、試驗(yàn)管理服務(wù)、運(yùn)行管理服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)、模型管理服務(wù)、效能評(píng)估服務(wù)、仿真分析服務(wù)、對(duì)抗演訓(xùn)服務(wù)等。

能力層在基礎(chǔ)層、工具層、數(shù)據(jù)層、模型層和業(yè)務(wù)層共同支撐下，形成基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、基于模型的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能力、工藝設(shè)計(jì)及智能仿真制造能力、系統(tǒng)及虛擬集成驗(yàn)證能力等。

圖3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生總體系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Ship combat system digital twin overall system architecture

4 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生能力特征

4.1 系統(tǒng)頂層架構(gòu)特征

具備面向新能力測(cè)試驗(yàn)證的服務(wù)開(kāi)放架構(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體可在虛擬空間內(nèi)支持功能即插即用、應(yīng)用靈活增減、要素動(dòng)態(tài)集成，各專(zhuān)業(yè)的樣機(jī)、算法、模型、軟件可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體上進(jìn)行快速集成、驗(yàn)證和評(píng)估，并在不影響實(shí)艇使用的情況下，通過(guò)特殊協(xié)議從艦艇獲取實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)艇部署內(nèi)的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體上進(jìn)行海上試驗(yàn)驗(yàn)證，大幅縮減新技術(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)戰(zhàn)能力的時(shí)間。

具備面向全生命周期互通的數(shù)據(jù)開(kāi)放架構(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體支撐物理實(shí)體在全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)定義、生成、存儲(chǔ)、清洗、關(guān)聯(lián)、挖掘、分析演化、融合等數(shù)據(jù)操作與管理。從階段上來(lái)說(shuō)，包括概念設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、研制設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)、實(shí)艇運(yùn)行數(shù)據(jù)等，從維度上來(lái)說(shuō)，包括虛擬仿真數(shù)據(jù)、數(shù)字樣機(jī)數(shù)據(jù)、物理樣機(jī)數(shù)據(jù)、實(shí)艇運(yùn)行數(shù)據(jù)等，從而支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)孿生體全要素的實(shí)時(shí)感知和全流程的一致存儲(chǔ)。

具備面向多維度集成管理的模型開(kāi)放架構(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體支持不同級(jí)別、不同領(lǐng)域的模型集成，從概念設(shè)計(jì)模型、總體方案模型、數(shù)字樣機(jī)模型到數(shù)字產(chǎn)品模型，從作戰(zhàn)場(chǎng)景模型、信息流程模型、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模型到智能預(yù)測(cè)模型，并支持?jǐn)?shù)字模型與物理樣機(jī)的混合部署與虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)、作戰(zhàn)仿真等工具，能夠分階段支撐不同層次的集成驗(yàn)證試驗(yàn)。

4.2 虛實(shí)互動(dòng)機(jī)制特征

具備面向裝備研制建設(shè)的虛實(shí)互動(dòng)設(shè)計(jì)機(jī)制，從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)得裝備論證、研制和保障共3 個(gè)階段，圍繞裝備實(shí)體建設(shè)和數(shù)字孿生體系動(dòng)態(tài)演進(jìn)2 條主線，從構(gòu)建各專(zhuān)業(yè)實(shí)物、模擬器、數(shù)字樣機(jī)等組成的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)原型驗(yàn)證系統(tǒng)出發(fā)，在全過(guò)程不斷推進(jìn)數(shù)字樣機(jī)的開(kāi)發(fā)集成工作，并在虛擬空間內(nèi)進(jìn)行物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)和迭代優(yōu)化，支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體研制工作。

具備面向作戰(zhàn)指揮決策的虛實(shí)互動(dòng)預(yù)測(cè)機(jī)制，實(shí)艇部署的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，通過(guò)與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，持續(xù)從物理實(shí)體獲取戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息，并通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)體模型的超實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行，不斷對(duì)敵我態(tài)勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)并反饋給物理系統(tǒng)，輔助指揮員形成作戰(zhàn)方案。同時(shí)能夠?qū)ψ鲬?zhàn)方案的預(yù)期效果進(jìn)行仿真推演和評(píng)估[12]。

具備面向裝備運(yùn)用保障的虛實(shí)互動(dòng)管控機(jī)制，實(shí)艇部署的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)對(duì)本艇的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)測(cè)，并能夠基于真實(shí)環(huán)境和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)新技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行海上驗(yàn)證[13]，實(shí)驗(yàn)室部署的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體。通過(guò)離線導(dǎo)入的物理實(shí)體數(shù)據(jù)，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行問(wèn)題診斷、健康預(yù)測(cè)，并在虛擬空間內(nèi)訓(xùn)練形成的智能算法和模型，支持快速集成至艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實(shí)體中。

4.3 綜合運(yùn)用流程特征

支持面向體系運(yùn)用的作戰(zhàn)理論與戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究，適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)立體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，基于作戰(zhàn)仿真推演平臺(tái)以及體系設(shè)計(jì)工具，并結(jié)合作戰(zhàn)對(duì)象、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)字化，集成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，綜合運(yùn)用體系工程、軍事運(yùn)籌理論，在數(shù)字空間內(nèi)開(kāi)展基于體系的艦艇作戰(zhàn)理論與戰(zhàn)法研究，并分析不同系統(tǒng)組成、裝備性能對(duì)艦艇作戰(zhàn)效能和體系貢獻(xiàn)度的影響，持續(xù)牽引艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備建設(shè)和技術(shù)發(fā)展。

支持面向攻防對(duì)抗的信息流程與指揮流程研究，采用艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體?；诘湫妥鲬?zhàn)想定，在虛擬空間內(nèi)，分別從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知、指揮決策、武器控制、基礎(chǔ)保障等環(huán)節(jié)，開(kāi)展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)信息流程與指揮流程研究，不斷加強(qiáng)功能融合、設(shè)備集成、流程優(yōu)化、參數(shù)簡(jiǎn)化、通道并行，提升艦艇攻防對(duì)抗效能與舷內(nèi)外指揮效能[14]。

支持面向綜合保障的操作訓(xùn)練與維修流程研究，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生體故障關(guān)聯(lián)關(guān)系與物理裝備基本一致。基于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，可快速構(gòu)建各種典型故障場(chǎng)景，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)等人機(jī)交互技術(shù)，支持在數(shù)字空間內(nèi)開(kāi)展作戰(zhàn)系統(tǒng)全流程的裝備維修和操作訓(xùn)練[15]。

5 結(jié) 語(yǔ)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作為體系架構(gòu)開(kāi)放、硬件周期更新、軟件增量集成、能力螺旋迭代為目標(biāo)的信息系統(tǒng)。通過(guò)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生使得系統(tǒng)在模型、服務(wù)、數(shù)據(jù)的開(kāi)放式架構(gòu)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了作戰(zhàn)系統(tǒng)在管理、設(shè)計(jì)、運(yùn)用和保障的虛實(shí)互動(dòng)機(jī)制，促進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)從交付裝備向交付能力轉(zhuǎn)變，降低了系統(tǒng)成本，提升了裝備質(zhì)量，大幅縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)新能力的升級(jí)和部署周期。此外，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系能力生成的核心，是海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系各類(lèi)信息要素縱向流轉(zhuǎn)、作戰(zhàn)活動(dòng)橫向貫通的重要紐帶，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變的需要，是未來(lái)武器裝備向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然要求，是提升海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系的能力集成與快速迭代的重要途徑，必將成為重構(gòu)海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系發(fā)展和運(yùn)用的新范式。