舰艇作战系统数字孪生的内涵与特征研究

闫仲秋，贾坚强，闫浩宇，崔洪坤，庞 浩，王 于

(中国船舶集团有限公司第七一六研究所，江苏 连云港 222061)

0 引 言

以数字化为主要特征的第四次工业革命，正在推动武器装备和战场环境进入数字化时代，利用数字化技术将武器装备各类实体、行为映射到数字空间，借助数字空间数据高速流动、零成本试错等优势，通过“反复迭代、数字寻优”化解复杂系统的不确定性，从而实现资源高效配置、体系赋能增效，已成为全域作战环境下武器装备论证、研制和运用等全生命周期转型发展的重要手段[1]。舰艇作战系统是指水面舰艇或潜艇平台上执行侦察预警、跟踪识别、信息融合、控制决策及火力打击等任务，完成对敌独立或协同作战的各要素及人员的综合体[2]。通过构建基于数字孪生的虚拟舰艇作战系统，可为舰艇作战系统新概念战法创新研究、新技术新功能集成验证、新架构设计与流程优化验证、集成效能验证等提供低成本、高效率的开发、集成、验证和展示环境。一是可运行于实验室环境，为后续作战系统架构设计、顶层设计与能力验证、新技术成果集成验证提供研发测试平台；二是可在实艇上实装试用，通过特殊协议从舰艇获取实战数据，用于测试“虚拟系统”新技术，缩短新技术战斗力生成转化周期；三是可部署于训练中心，用于艇员训练。通过“虚拟系统”在实验室、实艇平台以及训练中心的建设和应用，实现虚拟平行系统与实装系统间的迭代牵引发展，缩短作战系统能力升级周期。总的来说，开展舰艇作战系统数字孪生的应用研究，可为舰艇作战系统科学设计、全集研制、能力提升和基线发展提供科学决策的依据和思路。

1 舰艇作战系统数字孪生需求分析

舰艇作战系统体系结构复杂、装备规模大，包含声呐、光电、雷达、武器、控制、计算机、网络、通信等多个专业领域，涉及作战概念分析、使命任务分析、功能性能分析、系统设计、人因工程设计、软件设计、硬件设计、机械设计、算法仿真、系统集成验证、通用质量特性等多个专业方向，多家配套科研院厂所协同设计，一般包含设备、二级系统、一级系统3 个级别的集成和验证，是一项涉及多个系统/设备、多个学科领域、多个专业方向、多个协作单位、多层次集成的复杂系统工程。从舰艇作战系统的研制特点上来说，舰艇作战系统的全生命周期可划分为装备论证阶段、装备研制阶段、装备保障阶段[3–4]。

1.1 装备论证阶段需求

论证迭代评估牵引不足、难以实现军事需求与装备能力闭合。舰艇作战系统总体论证是对舰艇作战系统功能、性能、组成、关键技术、试验方案等各方面总体工作进行初步设计和论证的阶段，需进行跨学科、跨专业、跨系统的反复权衡、迭代与论证。因此，急需构建自上而下、完整闭合的需求条目，提升需求闭合、数据利用、系统协同以及需求追溯检查能力，进而完成舰艇作战系统总体论证与装备研制流程的对接，实现需求的可覆盖性和可追溯性。

1.2 装备研制阶段需求

数字模型体系牵引不足、难以开展联合仿真设计与验证。从系统工程的发展特点来看，舰艇作战系统设计一般采用基于文档的设计模式，存在缺乏科学工具和方法、自底向上堆叠、设计成果验证困难等问题，并缺乏系统层面的架构模型、功能模型、性能模型、行为模型、接口模型以及统一的建模规范和标准，导致各分系统/设备数字模型发展路线不一、进度不一，难以进行从系统层面开展数字模型集成，无法有效开展跨专业的联合仿真设计与验证，存在分系统/设备无法满足作战系统要求的风险[5]。因此急需推进舰艇作战系统设计的模型化、数字化、信息化，促进系统设计能满足更多系统需求、实现更短的研制周期、响应更快的型号迭代。

设计风险释放能力不足、难以控制试验成本与进度风险。系统在研制过程中通过组织各种联调试验，验证作战系统内部软硬件集成、软件部署和系统工作协调性，验证技术、暴露问题，消除技术风险。由于前期设计过程中，缺乏有效的全系统验证手段，设计阶段风险无法充分释放，试验过程中因接口设计、流程设计不准确、理解不一致导致的问题过多，导致试验周期长、成本高。随着武器装备研制周期缩减、以及装备快速迭代的需求，对联调试验的数字化、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数字样机的仿真验证环境，控制试验成本与进度风险。

1.3 装备保障阶段需求

全寿命保障能力不足、难以及时处理外场装备质量问题。大型武器装备的维护方式主要分为恢复性维护和预防性维护2 种方式，2 种维护方式都缺少对装备的健康状态实时感知和预测能力，舰艇作战系统外场装备质量问题出现的风险无法进一步下降，且复杂武器装备带来的技术质量问题责任不清晰、处理维修条件要求高、供应链保障能力不足、局部对整体的影响评估困难等问题突出，导致了舰艇作战系统外场装备质量问题处理难度进一步增大。因此，急需增强舰艇作战系统数字化综合保障能力，实现对在役系统装备实时状态进行全面一致的描述，从而支持舰艇作战系统故障预测、健康管理以及远程有效管控。

仿真验证环境能力不足、难以支撑系统能力渐进式提升。一方面，在系统联调试验和总装集成结束后，技术状态基本固化，新能力提升缺乏完整固定的陆上集成验证环境，未能形成虚拟数字仿真验证环境，难以支撑后续新技术反复迭代测试优化[6]；另一方面，新设备、新软件、新算法、新技术的集成应用，仍需先在实验室进行测试，满足成熟度要求后再转入实艇作战测试阶段，待舰艇返航后工业部门再根据测试数据进行下一轮修改测试，直到满足要求。因此，急需提升舰艇作战系统快速集成能力，支持各种成熟产品的快速植入，支持功能即插即用、应用灵活增减、要素动态集成，促进系统能力不断渐进提升，构建作战系统的测试分析和认证环境，缩短关键测试完成时间、提升测试分析速度，从而加速舰艇作战系统的基线式发展。

2 舰艇作战系统数字孪生基本内涵

舰艇作战系统数字孪生是指对舰艇作战系统物理实体在虚拟空间的全要素重建及映射，旨在构建一个集成的多物理、多尺度、超写实、动态概率仿真模型，基于模型与数据对舰艇作战系统物理实体进行实时的模拟、映射，并借助智能算法、管理方法、专家知识等对舰艇作战系统进行评估、预测和优化[7]。舰艇作战系统数字孪生的3 大要素是物理空间、虚拟空间以及2 个空间之间的链接。其中，物理空间指的是舰艇作战系统物理实体，虚拟空间包含了物理空间的所有信息，两者之间的连接是指物理空间向虚拟空间输入实时数据以及虚拟空间向物理空间反馈信息[8]。

从舰艇作战系统数字孪生的发展阶段和各阶段成果出发，将舰艇作战系统数字孪生的基本内涵分为3 个层次：第1 层为支撑舰艇作战系统论证阶段的孪生胚胎体，第2 层为支撑舰艇作战系统研制阶段的孪生映射体，第3 层为支撑舰艇作战系统保障阶段的孪生共生体[9]。

2.1 装备论证阶段的孪生胚胎体

舰艇作战系统孪生胚胎体是对舰艇作战系统物理实体进行物理属性和功能属性认知后的一种理想化表达。这种理想化的表达会先于作战系统物理实体存在，并持续于舰艇作战系统物理实体和数字孪生体的整个生命周期。舰艇作战系统孪生胚胎体是在各领域的科研样机或原型系统基础上，针对系统的主要功能性能以及关键技术等验证需求，集成相应信息总线和模拟器而构建的舰艇作战系统原型系统。舰艇作战系统孪生胚胎体将表达物理实体的静态文本或数据信息，上升到能初步反映物理实体主要功能、体系架构、作战流程、关键技术的动态领域，并经过不断设计修改后高度逼近舰艇作战系统真实物理实体。虽还会和未来实现的物理实体有差距，但可指导其实现过程。

2.2 装备研制阶段的孪生映射体

舰艇作战系统孪生映射体通过对舰艇作战系统物理实体进行多层级数字化映射，建立面向舰艇作战系统物理实体组成、功能特性、行为逻辑、运行流程的数据驱动模型。孪生数据是孪生映射体的基础，可实现舰艇作战系统物理实体和孪生映射体之间的映射，这种映射会随着物理实体的变化而自动做出相应的变化，并实时在虚拟空间里呈现舰艇作战系统物理实体的真实状况，实现全面展示、精确描述和动态监控[10]。舰艇作战系统孪生映射体作为模型和数据存储平台，采集各类原始数据并将数据进行融合处理后，可通过模型定义、数据绑定、可视化等手段动态驱动对象状态变化，从而真实描述舰艇作战系统物理实体的状态和行为。同时，舰艇作战系统孪生映射体可先于物理实体在虚拟空间内开展数字模型、数字样机的集成，从而在装备研制阶段实现虚拟空间内的协同设计、仿真验证与联调试验，并持续牵引物理实体的研制工作，实现在研制阶段的循环迭代验证。此外，通过舰艇作战系统的虚拟交装，可有效缩短全艇建造周期、降低全艇总装风险，并结合作战仿真推演系统，开展红蓝对抗试验，提前开展作战系统改进验证。

2.3 装备保障阶段的孪生共生体

舰艇作战系统孪生共生体是舰艇作战系统数字孪生体的最终目标，孪生共生体继承了孪生胚胎体、孪生映射体的数据、模型和功能。同时根据物理实体的运行机理和服务需求，建立由机理和数据驱动演化的舰艇作战系统智能模型，能够精准控制舰艇作战系统物理实体。舰艇作战系统孪生共生体一方面是根据舰艇作战系统物理实体行为流程、内部机理等建立起来的精确数学模型，另一方面是通过对系统釆集的大量观测数据运用机器学习和统计学等理论进行充分分析后，建立以数据为基础的系统模型[11]。因此，舰艇作战系统孪生共生体可基于物理实体的先验知识、实际经验和运行机理，并对物理实体反馈的信息历史数据进行深度学习、精确模拟及分析预测，最终实现对舰艇作战系统物理实体状态评估、问题诊断以及健康预测。此外，舰艇作战系统孪生共生体在物理实体交装后，为各类新技术的开发、测试、验证和植入提供了虚拟集成平台，确保将新能力持续引入舰艇作战系统的能力提升过程中。

3 舰艇作战系统数字孪生总体架构

3.1 舰艇作战系统数字孪生应用架构

舰艇作战系统数字孪生体的具体应用是用户操作空间、数字孪生空间、现实物理空间的综合运用和集成联动，服务管理、数据管理、模型管理、标准管理等功能活动贯穿于舰艇作战系统不同空间内并驱动舰艇作战系统各阶段数字孪生的运行迭代。通过物理与虚拟接口的交叉连接、数据的深入集成挖掘和分析、模型的服务化集成与封装，在数字孪生空间构建舰艇作战系统的功能模型、性能模型、机理模型和智能模型，实现对舰艇作战系统各类实体及功能活动在数字空间的映射、反馈、分析与预测，为用户提供需求分析、系统设计、虚拟验证、健康预测、平行仿真和在线评估等操作手段，面向舰艇作战系统全生命周期交付数字化、信息化、智能化能力。

3.2 舰艇作战系统数字孪生系统架构

舰艇作战系统数字孪生充分利用已有舰艇作战系统行业积累的各种历史数据、产品、模型以及计算机辅助软件等信息化建设成果。在各类开发工具的支持下，采用分层与功能模块集合的方式实现舰艇作战系统数字孪生全周期全业务全要素的无缝集成与功能整合，自下而上分为业务层、模型层、数据层、工具层、基础层、能力层。

基础层一方面旨在构建舰艇作战系统数字孪生体全生命周期的可信基础环境，包括计算服务、通信网络、存储备份、安全防护、数据采集设备等基础设施，另一方面旨在解决模型开发、模型接口、数据交互等的缺乏统一性问题，包括模型要素描述规范、模型接口规范等数字孪生通用规范等。

图2 舰艇作战系统数字孪生全生命周期应用架构Fig.2 Warship combat system digital twin full life cycle application architecture

工具层包括匹配专业级、系统级、体系级以及战场环境建模需求的专业建模仿真工具、系统工程建模工具、战场建模仿真工具、体系模型构建工具，以及通用质量特性设计工具、密级管理工具等。此外，通过数字化协同研制平台打通各应用工具以及各级用户之间的连接链路。

数据层包括作战系统数字孪生体全生命周期涉及的各类数据信息以及历史数据信息，包括设计开发数据、原型验证数据、仿真试验数据、样机生产数据、样机试验数据、总装集成数据、联调试验数据、装备试验数据、装备运行数据、作战训练数据等。

模型层包括作战系统数字孪生体不同类型的模型，但每一类模型覆盖作战系统全生命周期进行演化，包括系统架构模型、指标体系模型、关键机理模型、信息流程模型、指标关联模型、探测机理模型、业务活动模型，综合评估模型、毁伤机理模型、系统组成模型、指标集成模型、智能学习模型。

业务层旨在面向舰艇作战系统数字孪生体装备用户和工业部门提供的各类服务，包括需求管理服务、设计管理服务、制造管理服务、测试管理服务、试验管理服务、运行管理服务、数据管理服务、模型管理服务、效能评估服务、仿真分析服务、对抗演训服务等。

能力层在基础层、工具层、数据层、模型层和业务层共同支撑下，形成基于模型的系统设计能力、基于模型的产品实现能力、工艺设计及智能仿真制造能力、系统及虚拟集成验证能力等。

图3 舰艇作战系统数字孪生总体系统架构Fig.3 Ship combat system digital twin overall system architecture

4 舰艇作战系统数字孪生能力特征

4.1 系统顶层架构特征

具备面向新能力测试验证的服务开放架构，舰艇作战系统数字孪生体可在虚拟空间内支持功能即插即用、应用灵活增减、要素动态集成，各专业的样机、算法、模型、软件可在实验室内的舰艇作战系统数字孪生体上进行快速集成、验证和评估，并在不影响实艇使用的情况下，通过特殊协议从舰艇获取实战数据，在实艇部署内的舰艇作战系统数字孪生体上进行海上试验验证，大幅缩减新技术转换为实战能力的时间。

具备面向全生命周期互通的数据开放架构，舰艇作战系统数字孪生体支撑物理实体在全生命周期内的数据定义、生成、存储、清洗、关联、挖掘、分析演化、融合等数据操作与管理。从阶段上来说，包括概念设计数据、研制设计数据、试验测试数据、实艇运行数据等，从维度上来说，包括虚拟仿真数据、数字样机数据、物理样机数据、实艇运行数据等，从而支撑舰艇作战系统数据孪生体全要素的实时感知和全流程的一致存储。

具备面向多维度集成管理的模型开放架构，舰艇作战系统数字孪生体支持不同级别、不同领域的模型集成，从概念设计模型、总体方案模型、数字样机模型到数字产品模型，从作战场景模型、信息流程模型、状态监测模型到智能预测模型，并支持数字模型与物理样机的混合部署与虚实联动。结合系统设计、作战仿真等工具，能够分阶段支撑不同层次的集成验证试验。

4.2 虚实互动机制特征

具备面向装备研制建设的虚实互动设计机制，从舰艇作战系统得装备论证、研制和保障共3 个阶段，围绕装备实体建设和数字孪生体系动态演进2 条主线，从构建各专业实物、模拟器、数字样机等组成的虚实联动原型验证系统出发，在全过程不断推进数字样机的开发集成工作，并在虚拟空间内进行物理实体的动态检验和迭代优化，支撑舰艇作战系统物理实体研制工作。

具备面向作战指挥决策的虚实互动预测机制，实艇部署的舰艇作战系统数字孪生体，通过与舰艇作战系统物理实体的实时数据传输，持续从物理实体获取战场情报信息、系统状态信息，并通过战场实体模型的超实时仿真运行，不断对敌我态势进行动态预测并反馈给物理系统，辅助指挥员形成作战方案。同时能够对作战方案的预期效果进行仿真推演和评估[12]。

具备面向装备运用保障的虚实互动管控机制，实艇部署的舰艇作战系统数字孪生体，实时对本艇的健康状态进行监控预测，并能够基于真实环境和数据实时对新技术应用进行海上验证[13]，实验室部署的舰艇作战系统数字孪生体。通过离线导入的物理实体数据，对物理实体进行问题诊断、健康预测，并在虚拟空间内训练形成的智能算法和模型，支持快速集成至舰艇作战系统物理实体中。

4.3 综合运用流程特征

支持面向体系运用的作战理论与战术战法研究，适应未来战争立体化、网络化、智能化的发展趋势，基于作战仿真推演平台以及体系设计工具，并结合作战对象、战场环境数字化，集成舰艇作战系统数字孪生体，综合运用体系工程、军事运筹理论，在数字空间内开展基于体系的舰艇作战理论与战法研究，并分析不同系统组成、装备性能对舰艇作战效能和体系贡献度的影响，持续牵引舰艇作战系统装备建设和技术发展。

支持面向攻防对抗的信息流程与指挥流程研究，采用舰艇作战系统数字孪生体。基于典型作战想定，在虚拟空间内，分别从舰艇作战系统的态势感知、指挥决策、武器控制、基础保障等环节，开展舰艇作战系统信息流程与指挥流程研究，不断加强功能融合、设备集成、流程优化、参数简化、通道并行，提升舰艇攻防对抗效能与舷内外指挥效能[14]。

支持面向综合保障的操作训练与维修流程研究，舰艇作战系统的数字孪生体故障关联关系与物理装备基本一致。基于舰艇作战系统数字孪生体，可快速构建各种典型故障场景，结合虚拟现实等人机交互技术，支持在数字空间内开展作战系统全流程的装备维修和操作训练[15]。

5 结 语

舰艇作战系统作为体系架构开放、硬件周期更新、软件增量集成、能力螺旋迭代为目标的信息系统。通过舰艇作战系统数字孪生使得系统在模型、服务、数据的开放式架构基础上，构建了作战系统在管理、设计、运用和保障的虚实互动机制，促进作战系统从交付装备向交付能力转变，降低了系统成本，提升了装备质量，大幅缩短作战系统新能力的升级和部署周期。此外，舰艇作战系统是海上联合作战体系能力生成的核心，是海上联合作战体系各类信息要素纵向流转、作战活动横向贯通的重要纽带，舰艇作战系统数字孪生是现代战场向数字化转变的需要，是未来武器装备向数字化转型的必然要求，是提升海上联合作战体系的能力集成与快速迭代的重要途径，必将成为重构海上联合作战体系发展和运用的新范式。