潛艇作戰系統數字孿生體應用需求分析

羅 浩，張劍鋒，寧云暉，尤 岳

（海軍研究院，北京 100161）

1 數字孿生的概念內涵

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

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

數字孿生概念的定義有很多，列舉3種易于理解的如下：

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

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

3）數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[4]。

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

2）多尺度性。數字孿生體既描述產品的宏觀特性（如三維形狀），也描述產品的微觀特性（如產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的數字孿生體。

4）集成性。數字孿生體是對物理對象多種模型，如結構模型、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品進行仿真分析。

5）數據雙向傳輸。在物理實體和與其對應的數字孿生體之間，數據可雙向傳輸。

6）面向對象的廣泛性。孿生體可以是面向新系統，也可以是面向已完成建造的系統，如現役的F-15飛機、數字城市、艦船等各種各樣的物理實體。

7）數字孿生的構建是一個不斷持續、精益求精的過程。數字孿生的構建基于設計階段生成的物理、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據和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終實現對物理實體的完全、精確描述。

8）數字孿生體與物理實體不是單調的一一對應關系[6]。如美空軍和波音公司為F-15C飛機創建的數字孿生體，不同工況條件、不同場景的模型都可以在數字孿生體上加載，每個階段、每個環節都可以衍生出1個或多個不同的數字孿生體，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）數字孿生體需要人們對其進行維護。數字孿生體與物理實體一樣，同樣需要人們網絡空間中對其不斷地進行維護。

2 潛艇作戰系統應用需求分析

潛艇作戰系統[8]是裝備于潛艇平臺上用于執行警戒、跟蹤、目標識別、數據處理、威脅估計及武器控制，完成對敵作戰功能的各要素及人員的綜合體，通常由導航分系統、聲吶分系統、導彈分系統、魚雷分系統、通信分系統、指控分系統、水聲對抗分系統、發射裝置、雷達設備、光電設備等組成。潛艇作戰系統的數字孿生體，是與潛艇作戰系統對應的、交互的系統，是在虛擬網絡空間構造的與潛艇作戰系統匹配的對應孿生系統，它實現作戰系統全要素的數字化和虛擬化、作戰系統全狀態可視化，支持對作戰系統全壽命周期研發和持續改進工作，其示意圖如圖1所示。

圖1 潛艇作戰系統數字孿生體示意圖Fig. 1 Schematic diagram of digital twin of the submarine combat system

結合作戰系統的全壽命周期來看，按照圖2所示需求分析框架，對孿生系統的應用需求分析如下：

圖2 潛艇作戰系統數字孿生體應用需求分析框架Fig. 2 Need analysis frame for the digital twin of submarine combat system

1）系統論證階段。

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

該階段如果在從0開始的基礎上，可以構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計，構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上，可考慮改進完善有關模型后，用于支持該階段工作。

2）系統研制與施工階段。

在該階段，作戰系統及其分系統、設備需要進行方案設計、技術設計，開展樣機試制，并完成隨艇試驗驗證。

該階段對數字孿生體的需求，是與真實裝備共同進化，隨著裝備設計方案調整而調整，隨著真實裝備的產生而產生，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，不斷測試作戰系統孿生體在虛擬空間的主要戰技術指標，同步優化系統、分系統及設備設計方案及樣機。

在作戰系統有關裝備裝配到潛艇前，可以結合潛艇平臺的孿生體，支持將作戰系統有關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，提高系統有關裝備的裝艇效率，形成數字化虛擬裝配[7]能力。

在試驗驗證過程中采集的有關數據，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，在孿生體中能夠預先驗證是否能夠解決。

3）系統使用階段。

真實裝備交付時，研制單位將同時交付相應的數字孿生裝備。用戶在使用的過程中，會產生許多使用過程中的數據，這些數據應支持注入到孿生體中，用于系統運行模擬、故障診斷、系統改進提升等方面。

在系統運行模擬方面，用戶可方便地觀察作戰系統及其分系統、設備運行狀態，可深入關心的細節，可統計分析系統電子設備實際工作時間、最大連續工作時間等參數。

在系統故障預測方面，可復現系統故障，輔助分析故障原因，并在孿生體中進行模擬修復以驗證是否能夠解決有關故障。有效的故障解決方案將提供給用戶，便于及時對系統進行維護。

在系統改進提升方面，由于作戰系統常結合潛艇修理進行改進，可通過孿生體輔助分析有關設備改進需求，同時根據新技術、新硬件、新算法等改進方案，支持在虛擬空間進行作戰系統改進的虛擬實踐，對孿生系統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，實際的作戰系統會升級硬件、升級軟件，作戰系統孿生體應進行同步更新調整。在該方面，數字孿生技術具備解決潛艇作戰系統基線式升級發展的潛力，可有效地促進系統持續改進。

3 有關應用問題分析

1）作戰系統與其孿生體的數據交互問題。

潛艇作戰系統長期在水下工作，客觀上不支持與其孿生體進行實時數據交互。因此，可在潛艇執行任務的過程中全程采集有關數據并完成必要的預處理和壓縮，待潛艇完成任務后，再將有關數據注入孿生體，根據需要進行應用分析。為此，在實際的潛艇作戰系統運行前，應事先部署好數據采集工作，規劃好數據的采集、存儲及后續傳輸工作。

2）在作戰系統上需要采集哪些數據用于注入孿生體。

潛艇作戰系統工作的驅動因素主要包括作戰系統聲吶等傳感器的探測數據、人對機器的操作、視頻信息等。為此，應著重采集：①各戰位操作員操作的有關動作記錄，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采集傳感器獲取的信號級信息，以支持驅動相應孿生體工作；③電子設備的錄屏信息、武器裝置發射動作的傳感器監控視頻信息，以便于實驗中對照比較孿生體處理結果與真實情況的差距。

3）如何構建作戰系統的孿生體。

作戰系統涉及的裝備多，包括傳感器、指控、武器、導航、通信等設備以及人員，既涉及信息裝備如多功能顯控臺、也涉及機械執行機構如發射控制裝置，構建其孿生體與生產實際裝備一樣是一個復雜的系統級工程。工欲善其事，必先利其器。為支持作戰系統孿生體的構建，首先需要的是開放的先進工具和統一的構建標準、集成標準，支持對系統各設備、分系統分工進行虛擬、數字設計，支持進行虛擬集成。

目前在孿生體構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（空客公司用于設計和制造A350XWB飛機[1]）等[9]，但因軟件生態的封閉性等原因，存在不同工具產品交互與集成難、協作難、兼容性差等問題，這些問題需要在系統孿生體構建的方案階段統籌謀劃，選擇科學、合理的技術路線解決。

孿生體的運行環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器上，前端用戶可以通過顯示器、鼠標等人機交互設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，目前已經可以虛擬出計算機及其操作系統、數據傳輸設備有關功能、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支撐。

實裝的計算機軟件可以設法移植到云計算環境下，以提高構建有關孿生體的效率。對于非計算機的其它有關設備的虛擬化，比如雷達天線、聲吶濕端傳感器、光電探測傳感器、發射裝置機械執行機構等，如何在虛擬化環境中實現仿真是急需解決的難點問題，需重點關注。對作戰系統人員的虛擬化，主要是對其決策、操作行為的仿真，可考慮采用Agent技術將人員視為一個智能體，為人員賦予有關行為規則。

4）關于孿生體的測試評估。

目前缺乏數字孿生評估與測試的商業化工具與平臺，應結合作戰系統特點予以定制。在虛擬環境下，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場環境、敵方目標、武器等驅動信息，則可以在虛擬世界驅動作戰系統孿生體運行，并完成有關虛擬測試評估技術。若評估出的系統功能、性能、系統運行行為特點與作戰系統在實際情況下表現非常相像，將說明孿生體逼真度很高。

4 結束語

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

為適應戰爭需要，作戰系統是一個需要具有高度適應能力的系統，為提高系統適應變化的能力，實際應用中需要不斷升級改進系統。數字孿生技術為在虛擬空間開放靈活地嘗試對系統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、開發平臺通用化等方式，使得改進虛擬的作戰系統要素相比改進物理實體要素成本更低、更容易實現，以促進系統改進效率的提升。