潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體應(yīng)用需求分析

羅 浩，張劍鋒，寧云暉，尤 岳

（海軍研究院，北京 100161）

1 數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)被譽為連接制造物理世界和數(shù)字虛擬世界的最佳紐帶[1]、有望改變制造業(yè)“游戲規(guī)則”的頂尖技術(shù)[2]，近年來得到各界廣泛關(guān)注。美國《航空周刊》預(yù)測，“到2035年，當(dāng)航空公司接收一架飛機的時候，將同時驗收另外一套數(shù)字模型，它就像飛機的一個忠誠的影子，伴隨一生，從不消失”[2]。由此，不難預(yù)見，未來裝備交付，極有可能同步交付對應(yīng)數(shù)字孿生裝備。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展與軍事應(yīng)用有著歷史淵源。2011年，美空軍制定未來30年長期愿景時，采納了數(shù)字孿生的概念，目的是解決飛機運行維護和壽命預(yù)測的問題[3]。美國國家航空航天局（NASA）將物理系統(tǒng)與其等效的虛擬系統(tǒng)相結(jié)合，研究了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測與消除方法，并應(yīng)用在飛機、飛行器、運載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中[4]。美國空軍研究實驗室與NASA合作構(gòu)建的F-15戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生，用于對在役飛機機體結(jié)構(gòu)開展健康評估和損傷預(yù)測，提供預(yù)警并給出維修更換指導(dǎo)[3]。目前，有關(guān)在潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備上應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的文獻并不多見，為此本文著重對其應(yīng)用需求進行了研究和思考。

數(shù)字孿生概念的定義有很多，列舉3種易于理解的如下：

1）數(shù)字孿生是指在整個生命周期中，通過軟件定義，在數(shù)字虛體空間中所構(gòu)建的虛擬事物的數(shù)字模型，形成與物理實體空間中的現(xiàn)實事物所對應(yīng)的在形、態(tài)、行為和質(zhì)地上都相像的虛實精確映射關(guān)系[5]。

2）數(shù)字孿生是物理事物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型，它依賴傳感器數(shù)據(jù)理解其狀態(tài)，對變化做出響應(yīng)，改進操作，增加價值。包括由元數(shù)據(jù)（如：分類、組成和結(jié)構(gòu)）、條件或狀態(tài)（如：位置和溫度）、事件數(shù)據(jù)（如：時間序列）和分析（如：算法和規(guī)則）形成的組合[1]。

3）數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[4]。

對數(shù)字孿生具有的虛擬性、多尺度性、層次性、集成性等特點[5]，主要認識如下：

1）虛擬性。數(shù)字孿生屬于虛擬空間，是虛擬數(shù)字模型。數(shù)字化特性決定了使用者可方便地復(fù)制數(shù)字虛擬事物，使得孿生體易于傳播、積累和方便用戶使用。

2）多尺度性。數(shù)字孿生體既描述產(chǎn)品的宏觀特性（如三維形狀），也描述產(chǎn)品的微觀特性（如產(chǎn)品某部分更細粒度的微觀組成）。

3）層次性。組成物理實體的不同組件、部件甚至零件等，都可以具有與其對應(yīng)的數(shù)字孿生體。

4）集成性。數(shù)字孿生體是對物理對象多種模型，如結(jié)構(gòu)模型、運動模型、感知模型、信息處理模型、決策模型、行為模型等的多尺度、多層次集成模型，有利于從整體上對產(chǎn)品進行仿真分析。

5）數(shù)據(jù)雙向傳輸。在物理實體和與其對應(yīng)的數(shù)字孿生體之間，數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

6）面向?qū)ο蟮膹V泛性。孿生體可以是面向新系統(tǒng)，也可以是面向已完成建造的系統(tǒng)，如現(xiàn)役的F-15飛機、數(shù)字城市、艦船等各種各樣的物理實體。

7）數(shù)字孿生的構(gòu)建是一個不斷持續(xù)、精益求精的過程。數(shù)字孿生的構(gòu)建基于設(shè)計階段生成的物理、功能模型，并在隨后的制造和使用階段，通過與物理實體之間的數(shù)據(jù)和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終實現(xiàn)對物理實體的完全、精確描述。

8）數(shù)字孿生體與物理實體不是單調(diào)的一一對應(yīng)關(guān)系[6]。如美空軍和波音公司為F-15C飛機創(chuàng)建的數(shù)字孿生體，不同工況條件、不同場景的模型都可以在數(shù)字孿生體上加載，每個階段、每個環(huán)節(jié)都可以衍生出1個或多個不同的數(shù)字孿生體，從而對飛機進行全生命周期各項活動的仿真分析、評估和決策，讓其獲得更好的可制造性、裝配性、檢測性和保障性[7]。

9）數(shù)字孿生體需要人們對其進行維護。數(shù)字孿生體與物理實體一樣，同樣需要人們網(wǎng)絡(luò)空間中對其不斷地進行維護。

2 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用需求分析

潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)[8]是裝備于潛艇平臺上用于執(zhí)行警戒、跟蹤、目標識別、數(shù)據(jù)處理、威脅估計及武器控制，完成對敵作戰(zhàn)功能的各要素及人員的綜合體，通常由導(dǎo)航分系統(tǒng)、聲吶分系統(tǒng)、導(dǎo)彈分系統(tǒng)、魚雷分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、指控分系統(tǒng)、水聲對抗分系統(tǒng)、發(fā)射裝置、雷達設(shè)備、光電設(shè)備等組成。潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，是與潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)對應(yīng)的、交互的系統(tǒng)，是在虛擬網(wǎng)絡(luò)空間構(gòu)造的與潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)匹配的對應(yīng)孿生系統(tǒng)，它實現(xiàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)全要素的數(shù)字化和虛擬化、作戰(zhàn)系統(tǒng)全狀態(tài)可視化，支持對作戰(zhàn)系統(tǒng)全壽命周期研發(fā)和持續(xù)改進工作，其示意圖如圖1所示。

圖1 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體示意圖Fig. 1 Schematic diagram of digital twin of the submarine combat system

結(jié)合作戰(zhàn)系統(tǒng)的全壽命周期來看，按照圖2所示需求分析框架，對孿生系統(tǒng)的應(yīng)用需求分析如下：

圖2 潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體應(yīng)用需求分析框架Fig. 2 Need analysis frame for the digital twin of submarine combat system

1）系統(tǒng)論證階段。

在該階段，需要形成作戰(zhàn)系統(tǒng)的初步方案、主要功能和戰(zhàn)技術(shù)指標要求。該階段對數(shù)字孿生體的需求，是能夠支持對作戰(zhàn)系統(tǒng)進行多種方案的對比評價，為主要戰(zhàn)技指標論證以仿真分析的方式提供支撐，為作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備研發(fā)的目標圖像提供可視化展示支持。

該階段如果在從0開始的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建較粗仿真粒度的孿生體以滿足論證需求，主要原因是該階段需研制的各裝備還未開展詳細設(shè)計，構(gòu)建較細仿真粒度的孿生體模型費效比不高。在有其它型號孿生體的基礎(chǔ)上，可考慮改進完善有關(guān)模型后，用于支持該階段工作。

2）系統(tǒng)研制與施工階段。

在該階段，作戰(zhàn)系統(tǒng)及其分系統(tǒng)、設(shè)備需要進行方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計，開展樣機試制，并完成隨艇試驗驗證。

該階段對數(shù)字孿生體的需求，是與真實裝備共同進化，隨著裝備設(shè)計方案調(diào)整而調(diào)整，隨著真實裝備的產(chǎn)生而產(chǎn)生，隨著真實裝備的完善而完善。在這個過程中，可以通過仿真測試的方式，不斷測試作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生體在虛擬空間的主要戰(zhàn)技術(shù)指標，同步優(yōu)化系統(tǒng)、分系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計方案及樣機。

在作戰(zhàn)系統(tǒng)有關(guān)裝備裝配到潛艇前，可以結(jié)合潛艇平臺的孿生體，支持將作戰(zhàn)系統(tǒng)有關(guān)孿生體三維模型虛擬地安裝到潛艇平臺上，推演可能存在的問題，提高系統(tǒng)有關(guān)裝備的裝艇效率，形成數(shù)字化虛擬裝配[7]能力。

在試驗驗證過程中采集的有關(guān)數(shù)據(jù)，可以注入到孿生體中，支持對試驗問題的分析，針對該問題改進孿生體后，在孿生體中能夠預(yù)先驗證是否能夠解決。

3）系統(tǒng)使用階段。

真實裝備交付時，研制單位將同時交付相應(yīng)的數(shù)字孿生裝備。用戶在使用的過程中，會產(chǎn)生許多使用過程中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)支持注入到孿生體中，用于系統(tǒng)運行模擬、故障診斷、系統(tǒng)改進提升等方面。

在系統(tǒng)運行模擬方面，用戶可方便地觀察作戰(zhàn)系統(tǒng)及其分系統(tǒng)、設(shè)備運行狀態(tài)，可深入關(guān)心的細節(jié)，可統(tǒng)計分析系統(tǒng)電子設(shè)備實際工作時間、最大連續(xù)工作時間等參數(shù)。

在系統(tǒng)故障預(yù)測方面，可復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)故障，輔助分析故障原因，并在孿生體中進行模擬修復(fù)以驗證是否能夠解決有關(guān)故障。有效的故障解決方案將提供給用戶，便于及時對系統(tǒng)進行維護。

在系統(tǒng)改進提升方面，由于作戰(zhàn)系統(tǒng)常結(jié)合潛艇修理進行改進，可通過孿生體輔助分析有關(guān)設(shè)備改進需求，同時根據(jù)新技術(shù)、新硬件、新算法等改進方案，支持在虛擬空間進行作戰(zhàn)系統(tǒng)改進的虛擬實踐，對孿生系統(tǒng)改進效果進行測試評估，以支持改進方案決策。在實施裝備改進后，實際的作戰(zhàn)系統(tǒng)會升級硬件、升級軟件，作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生體應(yīng)進行同步更新調(diào)整。在該方面，數(shù)字孿生技術(shù)具備解決潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)基線式升級發(fā)展的潛力，可有效地促進系統(tǒng)持續(xù)改進。

3 有關(guān)應(yīng)用問題分析

1）作戰(zhàn)系統(tǒng)與其孿生體的數(shù)據(jù)交互問題。

潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)長期在水下工作，客觀上不支持與其孿生體進行實時數(shù)據(jù)交互。因此，可在潛艇執(zhí)行任務(wù)的過程中全程采集有關(guān)數(shù)據(jù)并完成必要的預(yù)處理和壓縮，待潛艇完成任務(wù)后，再將有關(guān)數(shù)據(jù)注入孿生體，根據(jù)需要進行應(yīng)用分析。為此，在實際的潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)運行前，應(yīng)事先部署好數(shù)據(jù)采集工作，規(guī)劃好數(shù)據(jù)的采集、存儲及后續(xù)傳輸工作。

2）在作戰(zhàn)系統(tǒng)上需要采集哪些數(shù)據(jù)用于注入孿生體。

潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)工作的驅(qū)動因素主要包括作戰(zhàn)系統(tǒng)聲吶等傳感器的探測數(shù)據(jù)、人對機器的操作、視頻信息等。為此，應(yīng)著重采集：①各戰(zhàn)位操作員操作的有關(guān)動作記錄，表明什么時間、做了什么操作動作；②各傳感器的探測信息，有較高逼真度需求的應(yīng)采集傳感器獲取的信號級信息，以支持驅(qū)動相應(yīng)孿生體工作；③電子設(shè)備的錄屏信息、武器裝置發(fā)射動作的傳感器監(jiān)控視頻信息，以便于實驗中對照比較孿生體處理結(jié)果與真實情況的差距。

3）如何構(gòu)建作戰(zhàn)系統(tǒng)的孿生體。

作戰(zhàn)系統(tǒng)涉及的裝備多，包括傳感器、指控、武器、導(dǎo)航、通信等設(shè)備以及人員，既涉及信息裝備如多功能顯控臺、也涉及機械執(zhí)行機構(gòu)如發(fā)射控制裝置，構(gòu)建其孿生體與生產(chǎn)實際裝備一樣是一個復(fù)雜的系統(tǒng)級工程。工欲善其事，必先利其器。為支持作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生體的構(gòu)建，首先需要的是開放的先進工具和統(tǒng)一的構(gòu)建標準、集成標準，支持對系統(tǒng)各設(shè)備、分系統(tǒng)分工進行虛擬、數(shù)字設(shè)計，支持進行虛擬集成。

目前在孿生體構(gòu)建上還比較缺乏綜合、開放、集成性強、兼容性強的工具與平臺，雖然已有商業(yè)工具和平臺如 MATLAB的 Simulink，ANSYS的TwinBuilder，微軟的Azure，達索的3D Experience（空客公司用于設(shè)計和制造A350XWB飛機[1]）等[9]，但因軟件生態(tài)的封閉性等原因，存在不同工具產(chǎn)品交互與集成難、協(xié)作難、兼容性差等問題，這些問題需要在系統(tǒng)孿生體構(gòu)建的方案階段統(tǒng)籌謀劃，選擇科學(xué)、合理的技術(shù)路線解決。

孿生體的運行環(huán)境可考慮基于大型的云計算中心，孿生體運行在云計算中心的后臺服務(wù)器上，前端用戶可以通過顯示器、鼠標等人機交互設(shè)備進入虛擬世界對孿生體進行操控。云計算中的虛擬化技術(shù)，目前已經(jīng)可以虛擬出計算機及其操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備有關(guān)功能、性能，為真實裝備計算機軟件在虛擬計算機上運行提供了技術(shù)支撐。

實裝的計算機軟件可以設(shè)法移植到云計算環(huán)境下，以提高構(gòu)建有關(guān)孿生體的效率。對于非計算機的其它有關(guān)設(shè)備的虛擬化，比如雷達天線、聲吶濕端傳感器、光電探測傳感器、發(fā)射裝置機械執(zhí)行機構(gòu)等，如何在虛擬化環(huán)境中實現(xiàn)仿真是急需解決的難點問題，需重點關(guān)注。對作戰(zhàn)系統(tǒng)人員的虛擬化，主要是對其決策、操作行為的仿真，可考慮采用Agent技術(shù)將人員視為一個智能體，為人員賦予有關(guān)行為規(guī)則。

4）關(guān)于孿生體的測試評估。

目前缺乏數(shù)字孿生評估與測試的商業(yè)化工具與平臺，應(yīng)結(jié)合作戰(zhàn)系統(tǒng)特點予以定制。在虛擬環(huán)境下，對孿生體進行功能、性能測試評估，如果能夠較逼真地模擬戰(zhàn)場環(huán)境、敵方目標、武器等驅(qū)動信息，則可以在虛擬世界驅(qū)動作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生體運行，并完成有關(guān)虛擬測試評估技術(shù)。若評估出的系統(tǒng)功能、性能、系統(tǒng)運行行為特點與作戰(zhàn)系統(tǒng)在實際情況下表現(xiàn)非常相像，將說明孿生體逼真度很高。

4 結(jié)束語

孿生體來源于物理世界，同時可以反作用于物理世界。潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用新技術(shù)的目的主要是為了提高潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，從孿生體概念內(nèi)涵來看，其具有加快作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)過程的技術(shù)潛力，能夠支持人們在虛擬世界中開展作戰(zhàn)系統(tǒng)的改造活動，根據(jù)改造的效果決定是否將這樣的改造活動應(yīng)用到物理世界中提高實際系統(tǒng)能力；能夠支持將作戰(zhàn)系統(tǒng)的真實運行情況注入到孿生體中，使得開發(fā)人員能夠在實驗室等環(huán)境下了解產(chǎn)品的實際使用情況，為開發(fā)人員實現(xiàn)產(chǎn)品的有效改進、維修保障提供支持。

為適應(yīng)戰(zhàn)爭需要，作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個需要具有高度適應(yīng)能力的系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)適應(yīng)變化的能力，實際應(yīng)用中需要不斷升級改進系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)為在虛擬空間開放靈活地嘗試對系統(tǒng)進行虛擬改進并驗證提供了廣闊的想象空間，為提高改進效率，還需要通過標準化、模塊化、開發(fā)平臺通用化等方式，使得改進虛擬的作戰(zhàn)系統(tǒng)要素相比改進物理實體要素成本更低、更容易實現(xiàn)，以促進系統(tǒng)改進效率的提升。