裝備數(shù)字化試驗發(fā)展研究

徐 濤，宋敬華，李 亮，劉倬立，張獻忠

(陸軍裝甲兵學院 演訓中心，北京 100072)

近年來，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能等新技術(shù)為代表的現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)日益興起，并融入到社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，不僅對人類的生活方式、思維方式帶來了重大變革，對很多傳統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)域的建設(shè)發(fā)展也起到了顛覆性的影響。

美國的通用汽車、日本的日產(chǎn)汽車公司通過利用數(shù)字化技術(shù)，對汽車進行虛擬設(shè)計及虛擬裝配仿真，有效地提高了其新車型的設(shè)計開發(fā)及制造效率。歐洲的空中客車公司通過采用虛擬裝配仿真技術(shù)對飛機進行虛擬設(shè)計、試制，將其周期有效地從4年縮短為2.5年[1]。美國國防部于2018年6月公布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，通過整合先進計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、自主系統(tǒng)和機器人技術(shù)來改進工程實踐，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建原型進行實驗和測試[2]。2020年5月31日，SpaceX獵鷹九號運載火箭成功升空。SpaceX快速崛起的背后，離不開以數(shù)字樣機和三維數(shù)字化模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)的支持。

中國第一架全機數(shù)字樣機——“新飛豹”采用全機三維數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化裝配，工程更改單由常規(guī)的六七千張減少至1 082張，最終只用兩年半的時間就飛上了天，這也是中國數(shù)字化的開始。國內(nèi)研究學者中，應(yīng)小昆等在產(chǎn)品數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上提出了裝甲車三維裝配工藝設(shè)計與仿真及現(xiàn)場可視化技術(shù)，以實現(xiàn)裝甲車裝配工藝設(shè)計的三維化[3]。安筱鵬和肖利華認為數(shù)字化將人們的生產(chǎn)生活從物理世界遷徙到數(shù)字世界，將從生活方式拓展到生產(chǎn)方式、產(chǎn)品智能、創(chuàng)新方式、就業(yè)方式、企業(yè)形態(tài)、組織形態(tài)、寫作方式等方方面面[4]。趙繼廣等提出為了進一步提升作戰(zhàn)試驗條件建設(shè)水平，需要充分利用建模與仿真技術(shù)，建設(shè)虛擬化、數(shù)字化靶場[5]。

積極適應(yīng)數(shù)字化發(fā)展潮流，全面用好數(shù)字化技術(shù)，加快推進試驗鑒定數(shù)字化建設(shè)，是構(gòu)建具有我軍特色先進實用試驗鑒定體系的必要途徑，軍地良好的研究基礎(chǔ)給裝備試驗鑒定領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了大量可借鑒的經(jīng)驗。

而裝備數(shù)字化試驗也是整個現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)家族中的一員，開展裝備數(shù)字化試驗研究可以及早發(fā)現(xiàn)裝備可能存在的隱患和缺陷，降低試驗風險，減少試驗成本，縮短整體試驗周期，提升試驗質(zhì)量，測試極限條件下裝備的性能，為實體空間的裝備設(shè)計改進提供意見反饋，加強外場試驗的針對性和有效性，加速裝備建設(shè)迭代過程，進而為部隊裝備建設(shè)發(fā)展和作戰(zhàn)能力持續(xù)生成賦能增效。

1 概念辨析

1.1 相關(guān)概念介紹

裝備試驗：GJB 8892.2—2017《武器裝備論證通用要求 第2部分：術(shù)語》[6]中，對裝備試驗的定義為：“為滿足裝備科研、生產(chǎn)和使用需要，按照規(guī)定的程序和條件，對裝備進行驗證、檢驗和考核的活動。包括對裝備的技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)、性能、使用效果等的試驗。分為裝備性能試驗、裝備作戰(zhàn)試驗和裝備在役考核”。

數(shù)字化：數(shù)字化從廣義上是指在不同領(lǐng)域運用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)物與物、物與人、人與人之間全聯(lián)接、全智能、全場景活動集合的數(shù)字狀態(tài)；從狹義上是指利用模型和數(shù)據(jù)對事物進行數(shù)字化描述，使用建模仿真、大數(shù)據(jù)工程、云計算、人工智能等技術(shù)開展一系列數(shù)字化活動的集合，在數(shù)字空間對物理空間的實體對象、組織架構(gòu)和業(yè)務(wù)模式進行迭代驗證，實現(xiàn)賦能增效和體系重塑的全新范式。

裝備數(shù)字模型：是指采用數(shù)字孿生技術(shù)，使用計算機對武器裝備的結(jié)構(gòu)布局、功能性能、運用方式、操作流程、維修保障進行數(shù)字化構(gòu)設(shè)，并接入裝備實時狀態(tài)信息形成“數(shù)字孿生體”，可支撐裝備試驗鑒定。

1.2 概念界定

裝備數(shù)字化試驗，是指針對裝備試驗工作的技術(shù)復(fù)雜性、領(lǐng)域交叉性，在構(gòu)建各類裝備數(shù)據(jù)庫和模型庫基礎(chǔ)上，運用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、數(shù)字孿生等先進技術(shù)，對裝備試驗全過程涉及的裝備實體、活動和外部空間進行數(shù)字化表達，形成以參試裝備模型為主體的數(shù)字模型體系，在統(tǒng)一的數(shù)字空間開展試驗設(shè)計分析、性能邊界考核和體系效能檢驗活動。通過數(shù)字空間先行驗證，不僅可以減少設(shè)計反復(fù)和實裝試驗耗費，還可以降低質(zhì)量風險以及拉低裝備總體建設(shè)成本，另外還可以提高裝備整體建設(shè)質(zhì)量和試驗效率，提升數(shù)字裝備模型置信度并加速定型列裝進度。

裝備數(shù)字化試驗可以檢驗裝備數(shù)字化模型性能水平和裝備體系運用模式，這是研究裝備試驗相關(guān)問題的一種重要手段，其作用如圖1所示。

圖1 裝備數(shù)字化試驗節(jié)點流程圖

裝備數(shù)字化試驗也可以理解為在數(shù)字空間維度，利用數(shù)字化技術(shù)，將被試裝備對象映射為數(shù)據(jù)池和模型庫，形成物理實體在數(shù)字空間的孿生，并與實裝試驗不斷進行信息反饋與迭代循環(huán)，是裝備數(shù)字化工程的重要組成部分。

2 美國裝備數(shù)字化試驗發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 研究開展時間早

美軍自20世紀70年代開始，在建模仿真技術(shù)全面發(fā)展、基于仿真的采辦策略順利推進，以及MBSE廣泛應(yīng)用基礎(chǔ)上，于2018年6月發(fā)布《國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》，認為現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)進入到數(shù)字化、智能化時代，智能化是戰(zhàn)略主軸，數(shù)字化是核心抓手。美軍在《國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》中提出：主要依托數(shù)據(jù)模型進行采辦，按照統(tǒng)一標準規(guī)范開發(fā)數(shù)字模型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)文檔傳遞信息(見圖2)、支撐管理決策，實現(xiàn)采辦各階段、各部門在同一平臺上聯(lián)合謀事、協(xié)同共事；利用高逼真度數(shù)字樣機支撐裝備設(shè)計、研制和作戰(zhàn)試驗，最大程度上減少實物樣機研發(fā)試驗的工作量和成本。

2.2 技術(shù)應(yīng)用程度深

2021年5月，美軍負責采辦、技術(shù)和后勤的空軍助理部長辦公室發(fā)布了“數(shù)字工程的數(shù)字建設(shè)規(guī)范”，概述了試驗鑒定對于數(shù)字工程的重要作用，并強調(diào)試驗鑒定對于數(shù)字工程的重要作用。2021年12月15日，美空軍試驗中心比約克曼主任在國防采辦大學官網(wǎng)發(fā)文《試驗鑒定在數(shù)字工程中的重要作用》，介紹了近年來空軍試驗中心在數(shù)字工程及試驗鑒定領(lǐng)域所做的工作，概述了數(shù)字工程對采辦改革的重要意義，而試驗鑒定又是數(shù)字工程的核心環(huán)節(jié)，對采辦改革具有重要作用。2016年和2017年，美空軍試驗中心測試了一架使用新螺旋槳改裝的商用現(xiàn)成T-53A飛機的爬升性能。由于沒有模型或數(shù)據(jù)支持，空軍試驗中心通過對實體飛機進行掃描，開發(fā)了高保真飛機數(shù)學模型，并使用該模型預(yù)測飛機爬升率性能。盡管該計劃的范圍很小，但它顯示了數(shù)字工程令人難以置信的應(yīng)用前景，以及試驗鑒定在數(shù)字工程中發(fā)揮的核心作用[7]。

圖2 數(shù)字化技術(shù)的具體應(yīng)用

2021年9月13日，受美國國防部作戰(zhàn)試驗鑒定局委托，美國國家學院(NASEM)牽頭組織的“評估國防部試驗訓練靶場的物理技術(shù)適用性委員會”，在美國國家學院官網(wǎng)發(fā)布了該委員會的評估報告《確保美防務(wù)系統(tǒng)作戰(zhàn)優(yōu)勢的國防部靶場能力：未來戰(zhàn)斗的測試(2021)》。報告中提到借助數(shù)字工程戰(zhàn)略推動試驗鑒定由實裝向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，廣泛采用數(shù)字化方式來表征任務(wù)環(huán)境中的系統(tǒng)，加速實現(xiàn)一體化試驗鑒定等活動的數(shù)字化；并采用模型、數(shù)據(jù)和測試工具來源，以及自動操作、重用和自動生成測試工具等數(shù)字技術(shù)，確保一體化試驗資源具有更高的準度、精度和效率；利用數(shù)字工程的理論和實踐來創(chuàng)新試驗鑒定理念，在一體化試驗鑒定工作中引入基于模型的系統(tǒng)工程、動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)(Dynamic Data Driven Application System，DDDAS)、不確定性量化等新概念，從而在實現(xiàn)武器系統(tǒng)快速部署的同時保證風險可控[8]。

2.3 效益反饋回報大

美國為全面落實國防數(shù)字工程戰(zhàn)略，從執(zhí)行落實上：美洛·馬公司利用數(shù)字工程技術(shù)，將F-35戰(zhàn)機生產(chǎn)周期從22個月縮短至17個月；2019年3月，美海軍利用“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)控制真實的艦載AN/SPY-1雷達，成功進行“標準-2”導(dǎo)彈目標攔截試驗，驗證了“虛擬宙斯盾”系統(tǒng)作為真實“宙斯盾”系統(tǒng)的數(shù)字孿生，可以替代實物裝備參與實戰(zhàn)測試；其系統(tǒng)司令部完成了首個數(shù)字孿生模型“數(shù)字林肯”開發(fā)，在系統(tǒng)交付前通過數(shù)字空間對解決方案進行仿真評估，提前發(fā)現(xiàn)問題，縮短研制周期，節(jié)約研制成本；2019年9月，美空軍提出將下一代戰(zhàn)機塑造為“數(shù)字百系列”，并于2020年6月啟動“數(shù)字戰(zhàn)役”，推進信息基礎(chǔ)設(shè)施、模型、工具、標準、數(shù)據(jù)和體系架構(gòu)建設(shè)。

3 開展裝備數(shù)字化試驗的意義

裝備數(shù)字化試驗作為裝備數(shù)字化建設(shè)中不可或缺的一環(huán)，可以推動裝備數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化裝配和數(shù)字化制造，實現(xiàn)國防工業(yè)降低成本、加快試驗進程、縮短周期，推動全面實現(xiàn)武器裝備數(shù)字化建設(shè)轉(zhuǎn)型。裝備數(shù)字化試驗也是信息化背景下提升裝備質(zhì)量、完善裝備試驗流程的重要手段，對我軍裝備整體建設(shè)具有重要意義(見圖3)。

圖3 裝備數(shù)字化試驗的意義

3.1 有利于降低試驗風險和隱性成本

以往的物理實地實裝試驗表明，由于試驗方案設(shè)計不盡合理，可能會給實地的試驗實施帶來潛在的、不可預(yù)估的隱患風險。采用裝備數(shù)字化試驗的方式可以實現(xiàn)風險關(guān)口前移，提早發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計缺陷，讓后期可能產(chǎn)生的問題在裝備數(shù)字模型階段就盡早暴露，從而便于及時介入和改進，進而降低整體的裝備建設(shè)隱性成本。

3.2 有利于裝備實裝試驗的開展

人與裝備的完美結(jié)合是發(fā)揮裝備最大效能的關(guān)鍵，裝備數(shù)字化試驗和實裝試驗都是檢驗裝備性能的有效手段。當前裝備的信息化程度越來越高，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、技術(shù)機理較為復(fù)雜，在不掌握裝備理論、性能的情況下，使用實裝試驗開展鑒定，極易造成人員的傷亡和裝備的損傷。而裝備數(shù)字化試驗在數(shù)字空間展開，是裝備大規(guī)模實裝試驗的前站，利于后期進行高質(zhì)量、低成本設(shè)計、生產(chǎn)、制造物理實裝，可以為實裝試驗的開展打下堅實的基礎(chǔ)。

3.3 有利于提高裝備試驗效費比

一方面，裝備數(shù)字化試驗相對于傳統(tǒng)實裝試驗，充分利用三維建模技術(shù)，可以將設(shè)計方案以可視化的形式呈現(xiàn)出來，能提早看到裝備的全貌，從而縮短試驗周期，降低經(jīng)費開支，減少反復(fù)設(shè)計，減少實物試驗。另一方面，裝備數(shù)字化試驗實現(xiàn)了試驗內(nèi)容基于裝備設(shè)計方案資料的標準化開發(fā)，可以最大限度地提高試驗內(nèi)容的共享、利用，從而降低試驗內(nèi)容的成本。即通過數(shù)字空間先行試驗驗證，提高裝備建設(shè)質(zhì)量，降低裝備建設(shè)成本。

3.4 有利于提高試驗效果評估的全面性、客觀性和科學性

裝備數(shù)字化試驗可以實現(xiàn)對試驗全過程的跟蹤，將被試裝備的試驗數(shù)據(jù)全面客觀完整地記錄下來，從而實現(xiàn)基于被試裝備試驗狀態(tài)、試驗過程和試驗結(jié)果的綜合性評估，并且可以多次、重復(fù)地開展試驗，取得更加全面的數(shù)據(jù)，提升評估質(zhì)量，提高試驗效果評估的客觀性和全面性。

4 我軍發(fā)展裝備數(shù)字化試驗的建議

2021年10月25—26日召開的全軍裝備工作會議提出，要加緊推進“十四五”規(guī)劃任務(wù)落實，加緊構(gòu)建武器裝備現(xiàn)代化管理體系，全面開創(chuàng)武器裝備建設(shè)新局面；全力以赴加快武器裝備現(xiàn)代化進程，在新的起點上推動我軍武器裝備建設(shè)再上一個大臺階。而裝備數(shù)字化試驗(見圖4)作為未來我軍裝備試驗發(fā)展進程中的重要形式和必要環(huán)節(jié)，必將成為裝備試驗的重要手段之一，為此提出如下建議。

圖4 我軍裝備數(shù)字化試驗的發(fā)展走向

4.1 向標準化方向發(fā)展

標準化是實現(xiàn)接口兼容、模塊通用、平臺互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享的重要途徑，促進裝備數(shù)字化試驗的建設(shè)，構(gòu)建統(tǒng)一的裝備數(shù)字化試驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)標準和模型置信度檢驗標準及手段，提升模型置信度總體水平，增加結(jié)果可信度，以期獲得高置信度數(shù)字裝備模型。設(shè)置以標準規(guī)范開展裝備數(shù)字化試驗的業(yè)務(wù)流程，以標準打通模型數(shù)據(jù)傳遞的路徑。

4.2 向智能化方向發(fā)展

數(shù)字化試驗可以通過分布式技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬樣機等技術(shù)，實現(xiàn)裝備的數(shù)字化試驗，滿足被試裝備的試驗需要。但目前裝備數(shù)字化試驗在我軍還沒有成熟運用，例如，還不能根據(jù)被試裝備的實際情況智能化地設(shè)計試驗科目、自主推送試驗內(nèi)容等。而數(shù)字化試驗結(jié)合人工智能技術(shù)，將為裝備數(shù)字化試驗的發(fā)展帶來技術(shù)性的革命，推動智慧試驗的進一步發(fā)展。

4.3 向體系化方向發(fā)展

針對目前主要面向單一裝備開展試驗的情況，下一步逐步向體系化方向發(fā)展，開展裝備數(shù)字化體系試驗，讓數(shù)字化試驗逐步成為裝備體系試驗工作中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，緩解實際情況中裝備體系試驗時間周期長、不易展開的現(xiàn)實壓力，二者優(yōu)勢互補，彼此完善，更好地體現(xiàn)裝備體系試驗的把關(guān)和篩選作用，使裝備數(shù)字化試驗成為裝備試驗工作中的有效招數(shù)。

4.4 向制度化方向發(fā)展

從裝備建設(shè)制度機制層面整體統(tǒng)籌，強化頂層設(shè)計，著眼裝備建設(shè)全壽命周期，遵循裝備數(shù)字化試驗發(fā)展客觀規(guī)律，化解裝備建設(shè)各階段現(xiàn)實矛盾，理順相關(guān)部門之間關(guān)系，減少閉門造車、自成體系的情況發(fā)生，例如，建立成熟的試驗鑒定數(shù)據(jù)向工業(yè)部門反饋機制。打通關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成閉合回路，使裝備數(shù)字化試驗的制度觀念深入人心、落地落實，逐漸形成裝備試驗領(lǐng)域數(shù)字化理念、認知和習慣，逐步實現(xiàn)制度化、規(guī)范化，促進我軍裝備數(shù)字化試驗建設(shè)長期有效發(fā)展。

5 結(jié)語

本文梳理了數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展歷程，界定了裝備數(shù)字化試驗的概念，介紹了美軍裝備數(shù)字化試驗的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了我軍開展裝備數(shù)字化試驗的重要意義，給出了我軍開展裝備數(shù)字化試驗的幾點建議，為下一步我軍開展裝備數(shù)字化試驗工作提供了參考和思路。