装备数字化试验发展研究

2022-10-26宋敬华刘倬立张献忠

新技术新工艺 2022年9期

徐涛，宋敬华，李亮，刘倬立，张献忠

(陆军装甲兵学院演训中心，北京 100072)

近年来，云计算、大数据、物联网、区块链、人工智能等新技术为代表的现代数字化技术日益兴起，并融入到社会发展的各个领域，不仅对人类的生活方式、思维方式带来了重大变革，对很多传统行业领域的建设发展也起到了颠覆性的影响。

美国的通用汽车、日本的日产汽车公司通过利用数字化技术，对汽车进行虚拟设计及虚拟装配仿真，有效地提高了其新车型的设计开发及制造效率。欧洲的空中客车公司通过采用虚拟装配仿真技术对飞机进行虚拟设计、试制，将其周期有效地从4年缩短为2.5年[1]。美国国防部于2018年6月公布了《数字工程战略》，通过整合先进计算、大数据分析、人工智能、自主系统和机器人技术来改进工程实践，在虚拟环境中构建原型进行实验和测试[2]。2020年5月31日，SpaceX猎鹰九号运载火箭成功升空。SpaceX快速崛起的背后，离不开以数字样机和三维数字化模型为基础的数字化技术的支持。

中国第一架全机数字样机——“新飞豹”采用全机三维数字化设计、数字化装配，工程更改单由常规的六七千张减少至1 082张，最终只用两年半的时间就飞上了天，这也是中国数字化的开始。国内研究学者中，应小昆等在产品数字化模型的基础上提出了装甲车三维装配工艺设计与仿真及现场可视化技术，以实现装甲车装配工艺设计的三维化[3]。安筱鹏和肖利华认为数字化将人们的生产生活从物理世界迁徙到数字世界，将从生活方式拓展到生产方式、产品智能、创新方式、就业方式、企业形态、组织形态、写作方式等方方面面[4]。赵继广等提出为了进一步提升作战试验条件建设水平，需要充分利用建模与仿真技术，建设虚拟化、数字化靶场[5]。

积极适应数字化发展潮流，全面用好数字化技术，加快推进试验鉴定数字化建设，是构建具有我军特色先进实用试验鉴定体系的必要途径，军地良好的研究基础给装备试验鉴定领域数字化转型提供了大量可借鉴的经验。

而装备数字化试验也是整个现代数字化技术家族中的一员，开展装备数字化试验研究可以及早发现装备可能存在的隐患和缺陷，降低试验风险，减少试验成本，缩短整体试验周期，提升试验质量，测试极限条件下装备的性能，为实体空间的装备设计改进提供意见反馈，加强外场试验的针对性和有效性，加速装备建设迭代过程，进而为部队装备建设发展和作战能力持续生成赋能增效。

1 概念辨析

1.1 相关概念介绍

装备试验：GJB 8892.2—2017《武器装备论证通用要求第2部分：术语》[6]中，对装备试验的定义为：“为满足装备科研、生产和使用需要，按照规定的程序和条件，对装备进行验证、检验和考核的活动。包括对装备的技术方案、关键技术、性能、使用效果等的试验。分为装备性能试验、装备作战试验和装备在役考核”。

数字化：数字化从广义上是指在不同领域运用数字化技术实现物与物、物与人、人与人之间全联接、全智能、全场景活动集合的数字状态；从狭义上是指利用模型和数据对事物进行数字化描述，使用建模仿真、大数据工程、云计算、人工智能等技术开展一系列数字化活动的集合，在数字空间对物理空间的实体对象、组织架构和业务模式进行迭代验证，实现赋能增效和体系重塑的全新范式。

装备数字模型：是指采用数字孪生技术，使用计算机对武器装备的结构布局、功能性能、运用方式、操作流程、维修保障进行数字化构设，并接入装备实时状态信息形成“数字孪生体”，可支撑装备试验鉴定。

1.2 概念界定

装备数字化试验，是指针对装备试验工作的技术复杂性、领域交叉性，在构建各类装备数据库和模型库基础上，运用大数据、云计算、人工智能、数字孪生等先进技术，对装备试验全过程涉及的装备实体、活动和外部空间进行数字化表达，形成以参试装备模型为主体的数字模型体系，在统一的数字空间开展试验设计分析、性能边界考核和体系效能检验活动。通过数字空间先行验证，不仅可以减少设计反复和实装试验耗费，还可以降低质量风险以及拉低装备总体建设成本，另外还可以提高装备整体建设质量和试验效率，提升数字装备模型置信度并加速定型列装进度。

装备数字化试验可以检验装备数字化模型性能水平和装备体系运用模式，这是研究装备试验相关问题的一种重要手段，其作用如图1所示。

图1 装备数字化试验节点流程图

装备数字化试验也可以理解为在数字空间维度，利用数字化技术，将被试装备对象映射为数据池和模型库，形成物理实体在数字空间的孪生，并与实装试验不断进行信息反馈与迭代循环，是装备数字化工程的重要组成部分。

2 美国装备数字化试验发展现状

2.1 研究开展时间早

美军自20世纪70年代开始，在建模仿真技术全面发展、基于仿真的采办策略顺利推进，以及MBSE广泛应用基础上，于2018年6月发布《国防部数字工程战略》，认为现代战争已经进入到数字化、智能化时代，智能化是战略主轴，数字化是核心抓手。美军在《国防部数字工程战略》中提出：主要依托数据模型进行采办，按照统一标准规范开发数字模型，代替传统文档传递信息(见图2)、支撑管理决策，实现采办各阶段、各部门在同一平台上联合谋事、协同共事；利用高逼真度数字样机支撑装备设计、研制和作战试验，最大程度上减少实物样机研发试验的工作量和成本。

2.2 技术应用程度深

2021年5月，美军负责采办、技术和后勤的空军助理部长办公室发布了“数字工程的数字建设规范”，概述了试验鉴定对于数字工程的重要作用，并强调试验鉴定对于数字工程的重要作用。2021年12月15日，美空军试验中心比约克曼主任在国防采办大学官网发文《试验鉴定在数字工程中的重要作用》，介绍了近年来空军试验中心在数字工程及试验鉴定领域所做的工作，概述了数字工程对采办改革的重要意义，而试验鉴定又是数字工程的核心环节，对采办改革具有重要作用。2016年和2017年，美空军试验中心测试了一架使用新螺旋桨改装的商用现成T-53A飞机的爬升性能。由于没有模型或数据支持，空军试验中心通过对实体飞机进行扫描，开发了高保真飞机数学模型，并使用该模型预测飞机爬升率性能。尽管该计划的范围很小，但它显示了数字工程令人难以置信的应用前景，以及试验鉴定在数字工程中发挥的核心作用[7]。

图2 数字化技术的具体应用

2021年9月13日，受美国国防部作战试验鉴定局委托，美国国家学院(NASEM)牵头组织的“评估国防部试验训练靶场的物理技术适用性委员会”，在美国国家学院官网发布了该委员会的评估报告《确保美防务系统作战优势的国防部靶场能力：未来战斗的测试(2021)》。报告中提到借助数字工程战略推动试验鉴定由实装向数字化转型，广泛采用数字化方式来表征任务环境中的系统，加速实现一体化试验鉴定等活动的数字化；并采用模型、数据和测试工具来源，以及自动操作、重用和自动生成测试工具等数字技术，确保一体化试验资源具有更高的准度、精度和效率；利用数字工程的理论和实践来创新试验鉴定理念，在一体化试验鉴定工作中引入基于模型的系统工程、动态数据驱动应用系统(Dynamic Data Driven Application System，DDDAS)、不确定性量化等新概念，从而在实现武器系统快速部署的同时保证风险可控[8]。

2.3 效益反馈回报大

美国为全面落实国防数字工程战略，从执行落实上：美洛·马公司利用数字工程技术，将F-35战机生产周期从22个月缩短至17个月；2019年3月，美海军利用“虚拟宙斯盾”系统控制真实的舰载AN/SPY-1雷达，成功进行“标准-2”导弹目标拦截试验，验证了“虚拟宙斯盾”系统作为真实“宙斯盾”系统的数字孪生，可以替代实物装备参与实战测试；其系统司令部完成了首个数字孪生模型“数字林肯”开发，在系统交付前通过数字空间对解决方案进行仿真评估，提前发现问题，缩短研制周期，节约研制成本；2019年9月，美空军提出将下一代战机塑造为“数字百系列”，并于2020年6月启动“数字战役”，推进信息基础设施、模型、工具、标准、数据和体系架构建设。

3 开展装备数字化试验的意义

装备数字化试验作为装备数字化建设中不可或缺的一环，可以推动装备数字化设计、数字化装配和数字化制造，实现国防工业降低成本、加快试验进程、缩短周期，推动全面实现武器装备数字化建设转型。装备数字化试验也是信息化背景下提升装备质量、完善装备试验流程的重要手段，对我军装备整体建设具有重要意义(见图3)。

图3 装备数字化试验的意义

3.1 有利于降低试验风险和隐性成本

以往的物理实地实装试验表明，由于试验方案设计不尽合理，可能会给实地的试验实施带来潜在的、不可预估的隐患风险。采用装备数字化试验的方式可以实现风险关口前移，提早发现潜在的设计缺陷，让后期可能产生的问题在装备数字模型阶段就尽早暴露，从而便于及时介入和改进，进而降低整体的装备建设隐性成本。

3.2 有利于装备实装试验的开展

人与装备的完美结合是发挥装备最大效能的关键，装备数字化试验和实装试验都是检验装备性能的有效手段。当前装备的信息化程度越来越高，结构、构造、技术机理较为复杂，在不掌握装备理论、性能的情况下，使用实装试验开展鉴定，极易造成人员的伤亡和装备的损伤。而装备数字化试验在数字空间展开，是装备大规模实装试验的前站，利于后期进行高质量、低成本设计、生产、制造物理实装，可以为实装试验的开展打下坚实的基础。

3.3 有利于提高装备试验效费比

一方面，装备数字化试验相对于传统实装试验，充分利用三维建模技术，可以将设计方案以可视化的形式呈现出来，能提早看到装备的全貌，从而缩短试验周期，降低经费开支，减少反复设计，减少实物试验。另一方面，装备数字化试验实现了试验内容基于装备设计方案资料的标准化开发，可以最大限度地提高试验内容的共享、利用，从而降低试验内容的成本。即通过数字空间先行试验验证，提高装备建设质量，降低装备建设成本。

3.4 有利于提高试验效果评估的全面性、客观性和科学性

装备数字化试验可以实现对试验全过程的跟踪，将被试装备的试验数据全面客观完整地记录下来，从而实现基于被试装备试验状态、试验过程和试验结果的综合性评估，并且可以多次、重复地开展试验，取得更加全面的数据，提升评估质量，提高试验效果评估的客观性和全面性。

4 我军发展装备数字化试验的建议

2021年10月25—26日召开的全军装备工作会议提出，要加紧推进“十四五”规划任务落实，加紧构建武器装备现代化管理体系，全面开创武器装备建设新局面；全力以赴加快武器装备现代化进程，在新的起点上推动我军武器装备建设再上一个大台阶。而装备数字化试验(见图4)作为未来我军装备试验发展进程中的重要形式和必要环节，必将成为装备试验的重要手段之一，为此提出如下建议。

图4 我军装备数字化试验的发展走向

4.1 向标准化方向发展

标准化是实现接口兼容、模块通用、平台互联、数据共享的重要途径，促进装备数字化试验的建设，构建统一的装备数字化试验模型数据标准和模型置信度检验标准及手段，提升模型置信度总体水平，增加结果可信度，以期获得高置信度数字装备模型。设置以标准规范开展装备数字化试验的业务流程，以标准打通模型数据传递的路径。

4.2 向智能化方向发展

数字化试验可以通过分布式技术、人工智能、大数据、虚拟样机等技术，实现装备的数字化试验，满足被试装备的试验需要。但目前装备数字化试验在我军还没有成熟运用，例如，还不能根据被试装备的实际情况智能化地设计试验科目、自主推送试验内容等。而数字化试验结合人工智能技术，将为装备数字化试验的发展带来技术性的革命，推动智慧试验的进一步发展。

4.3 向体系化方向发展

针对目前主要面向单一装备开展试验的情况，下一步逐步向体系化方向发展，开展装备数字化体系试验，让数字化试验逐步成为装备体系试验工作中必不可少的一个重要环节，缓解实际情况中装备体系试验时间周期长、不易展开的现实压力，二者优势互补，彼此完善，更好地体现装备体系试验的把关和筛选作用，使装备数字化试验成为装备试验工作中的有效招数。

4.4 向制度化方向发展

从装备建设制度机制层面整体统筹，强化顶层设计，着眼装备建设全寿命周期，遵循装备数字化试验发展客观规律，化解装备建设各阶段现实矛盾，理顺相关部门之间关系，减少闭门造车、自成体系的情况发生，例如，建立成熟的试验鉴定数据向工业部门反馈机制。打通关键环节，形成闭合回路，使装备数字化试验的制度观念深入人心、落地落实，逐渐形成装备试验领域数字化理念、认知和习惯，逐步实现制度化、规范化，促进我军装备数字化试验建设长期有效发展。