艦艇作戰系統數字孿生的內涵與特征研究

閆仲秋，賈堅強，閆浩宇，崔洪坤，龐 浩，王 于

(中國船舶集團有限公司第七一六研究所，江蘇 連云港 222061)

0 引 言

以數字化為主要特征的第四次工業革命，正在推動武器裝備和戰場環境進入數字化時代，利用數字化技術將武器裝備各類實體、行為映射到數字空間，借助數字空間數據高速流動、零成本試錯等優勢，通過“反復迭代、數字尋優”化解復雜系統的不確定性，從而實現資源高效配置、體系賦能增效，已成為全域作戰環境下武器裝備論證、研制和運用等全生命周期轉型發展的重要手段[1]。艦艇作戰系統是指水面艦艇或潛艇平臺上執行偵察預警、跟蹤識別、信息融合、控制決策及火力打擊等任務，完成對敵獨立或協同作戰的各要素及人員的綜合體[2]。通過構建基于數字孿生的虛擬艦艇作戰系統，可為艦艇作戰系統新概念戰法創新研究、新技術新功能集成驗證、新架構設計與流程優化驗證、集成效能驗證等提供低成本、高效率的開發、集成、驗證和展示環境。一是可運行于實驗室環境，為后續作戰系統架構設計、頂層設計與能力驗證、新技術成果集成驗證提供研發測試平臺；二是可在實艇上實裝試用，通過特殊協議從艦艇獲取實戰數據，用于測試“虛擬系統”新技術，縮短新技術戰斗力生成轉化周期；三是可部署于訓練中心，用于艇員訓練。通過“虛擬系統”在實驗室、實艇平臺以及訓練中心的建設和應用，實現虛擬平行系統與實裝系統間的迭代牽引發展，縮短作戰系統能力升級周期。總的來說，開展艦艇作戰系統數字孿生的應用研究，可為艦艇作戰系統科學設計、全集研制、能力提升和基線發展提供科學決策的依據和思路。

1 艦艇作戰系統數字孿生需求分析

艦艇作戰系統體系結構復雜、裝備規模大，包含聲吶、光電、雷達、武器、控制、計算機、網絡、通信等多個專業領域，涉及作戰概念分析、使命任務分析、功能性能分析、系統設計、人因工程設計、軟件設計、硬件設計、機械設計、算法仿真、系統集成驗證、通用質量特性等多個專業方向，多家配套科研院廠所協同設計，一般包含設備、二級系統、一級系統3 個級別的集成和驗證，是一項涉及多個系統/設備、多個學科領域、多個專業方向、多個協作單位、多層次集成的復雜系統工程。從艦艇作戰系統的研制特點上來說，艦艇作戰系統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

論證迭代評估牽引不足、難以實現軍事需求與裝備能力閉合。艦艇作戰系統總體論證是對艦艇作戰系統功能、性能、組成、關鍵技術、試驗方案等各方面總體工作進行初步設計和論證的階段，需進行跨學科、跨專業、跨系統的反復權衡、迭代與論證。因此，急需構建自上而下、完整閉合的需求條目，提升需求閉合、數據利用、系統協同以及需求追溯檢查能力，進而完成艦艇作戰系統總體論證與裝備研制流程的對接，實現需求的可覆蓋性和可追溯性。

1.2 裝備研制階段需求

數字模型體系牽引不足、難以開展聯合仿真設計與驗證。從系統工程的發展特點來看，艦艇作戰系統設計一般采用基于文檔的設計模式，存在缺乏科學工具和方法、自底向上堆疊、設計成果驗證困難等問題，并缺乏系統層面的架構模型、功能模型、性能模型、行為模型、接口模型以及統一的建模規范和標準，導致各分系統/設備數字模型發展路線不一、進度不一，難以進行從系統層面開展數字模型集成，無法有效開展跨專業的聯合仿真設計與驗證，存在分系統/設備無法滿足作戰系統要求的風險[5]。因此急需推進艦艇作戰系統設計的模型化、數字化、信息化，促進系統設計能滿足更多系統需求、實現更短的研制周期、響應更快的型號迭代。

設計風險釋放能力不足、難以控制試驗成本與進度風險。系統在研制過程中通過組織各種聯調試驗，驗證作戰系統內部軟硬件集成、軟件部署和系統工作協調性，驗證技術、暴露問題，消除技術風險。由于前期設計過程中，缺乏有效的全系統驗證手段，設計階段風險無法充分釋放，試驗過程中因接口設計、流程設計不準確、理解不一致導致的問題過多，導致試驗周期長、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，對聯調試驗的數字化、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字樣機的仿真驗證環境，控制試驗成本與進度風險。

1.3 裝備保障階段需求

全壽命保障能力不足、難以及時處理外場裝備質量問題。大型武器裝備的維護方式主要分為恢復性維護和預防性維護2 種方式，2 種維護方式都缺少對裝備的健康狀態實時感知和預測能力，艦艇作戰系統外場裝備質量問題出現的風險無法進一步下降，且復雜武器裝備帶來的技術質量問題責任不清晰、處理維修條件要求高、供應鏈保障能力不足、局部對整體的影響評估困難等問題突出，導致了艦艇作戰系統外場裝備質量問題處理難度進一步增大。因此，急需增強艦艇作戰系統數字化綜合保障能力，實現對在役系統裝備實時狀態進行全面一致的描述，從而支持艦艇作戰系統故障預測、健康管理以及遠程有效管控。

仿真驗證環境能力不足、難以支撐系統能力漸進式提升。一方面，在系統聯調試驗和總裝集成結束后，技術狀態基本固化，新能力提升缺乏完整固定的陸上集成驗證環境，未能形成虛擬數字仿真驗證環境，難以支撐后續新技術反復迭代測試優化[6]；另一方面，新設備、新軟件、新算法、新技術的集成應用，仍需先在實驗室進行測試，滿足成熟度要求后再轉入實艇作戰測試階段，待艦艇返航后工業部門再根據測試數據進行下一輪修改測試，直到滿足要求。因此，急需提升艦艇作戰系統快速集成能力，支持各種成熟產品的快速植入，支持功能即插即用、應用靈活增減、要素動態集成，促進系統能力不斷漸進提升，構建作戰系統的測試分析和認證環境，縮短關鍵測試完成時間、提升測試分析速度，從而加速艦艇作戰系統的基線式發展。

2 艦艇作戰系統數字孿生基本內涵

艦艇作戰系統數字孿生是指對艦艇作戰系統物理實體在虛擬空間的全要素重建及映射，旨在構建一個集成的多物理、多尺度、超寫實、動態概率仿真模型，基于模型與數據對艦艇作戰系統物理實體進行實時的模擬、映射，并借助智能算法、管理方法、專家知識等對艦艇作戰系統進行評估、預測和優化[7]。艦艇作戰系統數字孿生的3 大要素是物理空間、虛擬空間以及2 個空間之間的鏈接。其中，物理空間指的是艦艇作戰系統物理實體，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時數據以及虛擬空間向物理空間反饋信息[8]。

從艦艇作戰系統數字孿生的發展階段和各階段成果出發，將艦艇作戰系統數字孿生的基本內涵分為3 個層次：第1 層為支撐艦艇作戰系統論證階段的孿生胚胎體，第2 層為支撐艦艇作戰系統研制階段的孿生映射體，第3 層為支撐艦艇作戰系統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

艦艇作戰系統孿生胚胎體是對艦艇作戰系統物理實體進行物理屬性和功能屬性認知后的一種理想化表達。這種理想化的表達會先于作戰系統物理實體存在，并持續于艦艇作戰系統物理實體和數字孿生體的整個生命周期。艦艇作戰系統孿生胚胎體是在各領域的科研樣機或原型系統基礎上，針對系統的主要功能性能以及關鍵技術等驗證需求，集成相應信息總線和模擬器而構建的艦艇作戰系統原型系統。艦艇作戰系統孿生胚胎體將表達物理實體的靜態文本或數據信息，上升到能初步反映物理實體主要功能、體系架構、作戰流程、關鍵技術的動態領域，并經過不斷設計修改后高度逼近艦艇作戰系統真實物理實體。雖還會和未來實現的物理實體有差距，但可指導其實現過程。

2.2 裝備研制階段的孿生映射體

艦艇作戰系統孿生映射體通過對艦艇作戰系統物理實體進行多層級數字化映射，建立面向艦艇作戰系統物理實體組成、功能特性、行為邏輯、運行流程的數據驅動模型。孿生數據是孿生映射體的基礎，可實現艦艇作戰系統物理實體和孿生映射體之間的映射，這種映射會隨著物理實體的變化而自動做出相應的變化，并實時在虛擬空間里呈現艦艇作戰系統物理實體的真實狀況，實現全面展示、精確描述和動態監控[10]。艦艇作戰系統孿生映射體作為模型和數據存儲平臺，采集各類原始數據并將數據進行融合處理后，可通過模型定義、數據綁定、可視化等手段動態驅動對象狀態變化，從而真實描述艦艇作戰系統物理實體的狀態和行為。同時，艦艇作戰系統孿生映射體可先于物理實體在虛擬空間內開展數字模型、數字樣機的集成，從而在裝備研制階段實現虛擬空間內的協同設計、仿真驗證與聯調試驗，并持續牽引物理實體的研制工作，實現在研制階段的循環迭代驗證。此外，通過艦艇作戰系統的虛擬交裝，可有效縮短全艇建造周期、降低全艇總裝風險，并結合作戰仿真推演系統，開展紅藍對抗試驗，提前開展作戰系統改進驗證。

2.3 裝備保障階段的孿生共生體

艦艇作戰系統孿生共生體是艦艇作戰系統數字孿生體的最終目標，孿生共生體繼承了孿生胚胎體、孿生映射體的數據、模型和功能。同時根據物理實體的運行機理和服務需求，建立由機理和數據驅動演化的艦艇作戰系統智能模型，能夠精準控制艦艇作戰系統物理實體。艦艇作戰系統孿生共生體一方面是根據艦艇作戰系統物理實體行為流程、內部機理等建立起來的精確數學模型，另一方面是通過對系統釆集的大量觀測數據運用機器學習和統計學等理論進行充分分析后，建立以數據為基礎的系統模型[11]。因此，艦艇作戰系統孿生共生體可基于物理實體的先驗知識、實際經驗和運行機理，并對物理實體反饋的信息歷史數據進行深度學習、精確模擬及分析預測，最終實現對艦艇作戰系統物理實體狀態評估、問題診斷以及健康預測。此外，艦艇作戰系統孿生共生體在物理實體交裝后，為各類新技術的開發、測試、驗證和植入提供了虛擬集成平臺，確保將新能力持續引入艦艇作戰系統的能力提升過程中。

3 艦艇作戰系統數字孿生總體架構

3.1 艦艇作戰系統數字孿生應用架構

艦艇作戰系統數字孿生體的具體應用是用戶操作空間、數字孿生空間、現實物理空間的綜合運用和集成聯動，服務管理、數據管理、模型管理、標準管理等功能活動貫穿于艦艇作戰系統不同空間內并驅動艦艇作戰系統各階段數字孿生的運行迭代。通過物理與虛擬接口的交叉連接、數據的深入集成挖掘和分析、模型的服務化集成與封裝，在數字孿生空間構建艦艇作戰系統的功能模型、性能模型、機理模型和智能模型，實現對艦艇作戰系統各類實體及功能活動在數字空間的映射、反饋、分析與預測，為用戶提供需求分析、系統設計、虛擬驗證、健康預測、平行仿真和在線評估等操作手段，面向艦艇作戰系統全生命周期交付數字化、信息化、智能化能力。

3.2 艦艇作戰系統數字孿生系統架構

艦艇作戰系統數字孿生充分利用已有艦艇作戰系統行業積累的各種歷史數據、產品、模型以及計算機輔助軟件等信息化建設成果。在各類開發工具的支持下，采用分層與功能模塊集合的方式實現艦艇作戰系統數字孿生全周期全業務全要素的無縫集成與功能整合，自下而上分為業務層、模型層、數據層、工具層、基礎層、能力層。

基礎層一方面旨在構建艦艇作戰系統數字孿生體全生命周期的可信基礎環境，包括計算服務、通信網絡、存儲備份、安全防護、數據采集設備等基礎設施，另一方面旨在解決模型開發、模型接口、數據交互等的缺乏統一性問題，包括模型要素描述規范、模型接口規范等數字孿生通用規范等。

圖2 艦艇作戰系統數字孿生全生命周期應用架構Fig.2 Warship combat system digital twin full life cycle application architecture

工具層包括匹配專業級、系統級、體系級以及戰場環境建模需求的專業建模仿真工具、系統工程建模工具、戰場建模仿真工具、體系模型構建工具，以及通用質量特性設計工具、密級管理工具等。此外，通過數字化協同研制平臺打通各應用工具以及各級用戶之間的連接鏈路。

數據層包括作戰系統數字孿生體全生命周期涉及的各類數據信息以及歷史數據信息，包括設計開發數據、原型驗證數據、仿真試驗數據、樣機生產數據、樣機試驗數據、總裝集成數據、聯調試驗數據、裝備試驗數據、裝備運行數據、作戰訓練數據等。

模型層包括作戰系統數字孿生體不同類型的模型，但每一類模型覆蓋作戰系統全生命周期進行演化，包括系統架構模型、指標體系模型、關鍵機理模型、信息流程模型、指標關聯模型、探測機理模型、業務活動模型，綜合評估模型、毀傷機理模型、系統組成模型、指標集成模型、智能學習模型。

業務層旨在面向艦艇作戰系統數字孿生體裝備用戶和工業部門提供的各類服務，包括需求管理服務、設計管理服務、制造管理服務、測試管理服務、試驗管理服務、運行管理服務、數據管理服務、模型管理服務、效能評估服務、仿真分析服務、對抗演訓服務等。

能力層在基礎層、工具層、數據層、模型層和業務層共同支撐下，形成基于模型的系統設計能力、基于模型的產品實現能力、工藝設計及智能仿真制造能力、系統及虛擬集成驗證能力等。

圖3 艦艇作戰系統數字孿生總體系統架構Fig.3 Ship combat system digital twin overall system architecture

4 艦艇作戰系統數字孿生能力特征

4.1 系統頂層架構特征

具備面向新能力測試驗證的服務開放架構，艦艇作戰系統數字孿生體可在虛擬空間內支持功能即插即用、應用靈活增減、要素動態集成，各專業的樣機、算法、模型、軟件可在實驗室內的艦艇作戰系統數字孿生體上進行快速集成、驗證和評估，并在不影響實艇使用的情況下，通過特殊協議從艦艇獲取實戰數據，在實艇部署內的艦艇作戰系統數字孿生體上進行海上試驗驗證，大幅縮減新技術轉換為實戰能力的時間。

具備面向全生命周期互通的數據開放架構，艦艇作戰系統數字孿生體支撐物理實體在全生命周期內的數據定義、生成、存儲、清洗、關聯、挖掘、分析演化、融合等數據操作與管理。從階段上來說，包括概念設計數據、研制設計數據、試驗測試數據、實艇運行數據等，從維度上來說，包括虛擬仿真數據、數字樣機數據、物理樣機數據、實艇運行數據等，從而支撐艦艇作戰系統數據孿生體全要素的實時感知和全流程的一致存儲。

具備面向多維度集成管理的模型開放架構，艦艇作戰系統數字孿生體支持不同級別、不同領域的模型集成，從概念設計模型、總體方案模型、數字樣機模型到數字產品模型，從作戰場景模型、信息流程模型、狀態監測模型到智能預測模型，并支持數字模型與物理樣機的混合部署與虛實聯動。結合系統設計、作戰仿真等工具，能夠分階段支撐不同層次的集成驗證試驗。

4.2 虛實互動機制特征

具備面向裝備研制建設的虛實互動設計機制，從艦艇作戰系統得裝備論證、研制和保障共3 個階段，圍繞裝備實體建設和數字孿生體系動態演進2 條主線，從構建各專業實物、模擬器、數字樣機等組成的虛實聯動原型驗證系統出發，在全過程不斷推進數字樣機的開發集成工作，并在虛擬空間內進行物理實體的動態檢驗和迭代優化，支撐艦艇作戰系統物理實體研制工作。

具備面向作戰指揮決策的虛實互動預測機制，實艇部署的艦艇作戰系統數字孿生體，通過與艦艇作戰系統物理實體的實時數據傳輸，持續從物理實體獲取戰場情報信息、系統狀態信息，并通過戰場實體模型的超實時仿真運行，不斷對敵我態勢進行動態預測并反饋給物理系統，輔助指揮員形成作戰方案。同時能夠對作戰方案的預期效果進行仿真推演和評估[12]。

具備面向裝備運用保障的虛實互動管控機制，實艇部署的艦艇作戰系統數字孿生體，實時對本艇的健康狀態進行監控預測，并能夠基于真實環境和數據實時對新技術應用進行海上驗證[13]，實驗室部署的艦艇作戰系統數字孿生體。通過離線導入的物理實體數據，對物理實體進行問題診斷、健康預測，并在虛擬空間內訓練形成的智能算法和模型，支持快速集成至艦艇作戰系統物理實體中。

4.3 綜合運用流程特征

支持面向體系運用的作戰理論與戰術戰法研究，適應未來戰爭立體化、網絡化、智能化的發展趨勢，基于作戰仿真推演平臺以及體系設計工具，并結合作戰對象、戰場環境數字化，集成艦艇作戰系統數字孿生體，綜合運用體系工程、軍事運籌理論，在數字空間內開展基于體系的艦艇作戰理論與戰法研究，并分析不同系統組成、裝備性能對艦艇作戰效能和體系貢獻度的影響，持續牽引艦艇作戰系統裝備建設和技術發展。

支持面向攻防對抗的信息流程與指揮流程研究，采用艦艇作戰系統數字孿生體。基于典型作戰想定，在虛擬空間內，分別從艦艇作戰系統的態勢感知、指揮決策、武器控制、基礎保障等環節，開展艦艇作戰系統信息流程與指揮流程研究，不斷加強功能融合、設備集成、流程優化、參數簡化、通道并行，提升艦艇攻防對抗效能與舷內外指揮效能[14]。

支持面向綜合保障的操作訓練與維修流程研究，艦艇作戰系統的數字孿生體故障關聯關系與物理裝備基本一致。基于艦艇作戰系統數字孿生體，可快速構建各種典型故障場景，結合虛擬現實等人機交互技術，支持在數字空間內開展作戰系統全流程的裝備維修和操作訓練[15]。

5 結 語

艦艇作戰系統作為體系架構開放、硬件周期更新、軟件增量集成、能力螺旋迭代為目標的信息系統。通過艦艇作戰系統數字孿生使得系統在模型、服務、數據的開放式架構基礎上，構建了作戰系統在管理、設計、運用和保障的虛實互動機制，促進作戰系統從交付裝備向交付能力轉變，降低了系統成本，提升了裝備質量，大幅縮短作戰系統新能力的升級和部署周期。此外，艦艇作戰系統是海上聯合作戰體系能力生成的核心，是海上聯合作戰體系各類信息要素縱向流轉、作戰活動橫向貫通的重要紐帶，艦艇作戰系統數字孿生是現代戰場向數字化轉變的需要，是未來武器裝備向數字化轉型的必然要求，是提升海上聯合作戰體系的能力集成與快速迭代的重要途徑，必將成為重構海上聯合作戰體系發展和運用的新范式。