數(shù)字孿生艦炮的技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展設(shè)想

李翔

(中國船舶集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

自從2011年美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA共同提出數(shù)字孿生的概念后，世界范圍內(nèi)的數(shù)字孿生研究熱情越來越高，在智能制造、航空航天、電力、煤炭、醫(yī)療健康、城市管理、汽車、船舶、鐵路、建筑等眾多行業(yè)中得到實(shí)踐應(yīng)用，西門子、通用電氣、達(dá)索、ABB、空客等跨國公司都在積極參與[1]。在國防軍工領(lǐng)域，仍然是美國表現(xiàn)突出，以洛克希德·馬丁公司、美國通用電氣公司、波音公司等為代表的軍工巨頭積極推進(jìn)，美國國防部牽頭組建數(shù)字制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，將數(shù)字孿生列為重點(diǎn)戰(zhàn)略投資方向[2]，通過大力發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)和裝備，適應(yīng)武器裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化發(fā)展、系統(tǒng)化試驗(yàn)評估、實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練和綜合保障等新要求[3]，催生武器裝備新的采辦和運(yùn)用模式，助力武器裝備向數(shù)智化方向發(fā)展。

國內(nèi)對數(shù)字孿生技術(shù)的研究團(tuán)隊(duì)主要集中在清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校，及制造、電力、醫(yī)療、煤炭、智慧城市等行業(yè)。在國防和軍工領(lǐng)域，相關(guān)研究還不是很多，技術(shù)點(diǎn)也比較分散，周軍華等[3]在武器系統(tǒng)層面提出了數(shù)字孿生研究和實(shí)踐的必要性，給出了武器系統(tǒng)數(shù)字孿生的定義和組成，分析研究了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)；周少偉等[4]梳理了在艦船動(dòng)力系統(tǒng)研制中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的技術(shù)路線，研究構(gòu)建了動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體系；孟小靜等[5]研究了數(shù)字孿生技術(shù)在武器裝備工藝質(zhì)量管理中的應(yīng)用；竇金華等[6]研究了基于數(shù)字孿生的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

艦炮是重要的水面艦艇作戰(zhàn)裝備，是非常復(fù)雜的集機(jī)、電、液、氣、光、磁等技術(shù)于一體的裝備，長期以“畫加打”的傳統(tǒng)研制模式研發(fā)和改進(jìn)裝備，設(shè)計(jì)與開發(fā)階段基本可利用數(shù)字化構(gòu)建虛擬樣機(jī)，利用商業(yè)軟件或部分行業(yè)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)、內(nèi)彈道、外彈道分析軟件進(jìn)行仿真分析，試驗(yàn)階段仍靠大量的實(shí)彈射擊試驗(yàn)進(jìn)行功能、性能的驗(yàn)證和評估，全壽命周期管理的數(shù)字化程度依然偏低，距離融入數(shù)字軍工體系的要求還有較大的差距，數(shù)字孿生是艦炮裝備走向數(shù)智化的重要抓手。

筆者將從數(shù)字孿生艦炮的內(nèi)涵和特點(diǎn)入手，分析數(shù)字孿生艦炮的技術(shù)難點(diǎn)，提出發(fā)展數(shù)字孿生艦炮的設(shè)想，拋磚引玉，供艦炮行業(yè)同行參考。

1 數(shù)字孿生艦炮的內(nèi)涵和作用

1.1 數(shù)字孿生艦炮的內(nèi)涵

按照美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA的定義，數(shù)字孿生是一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多學(xué)科、多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，充分利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢等全壽命周期過程[7]。隨后經(jīng)過很多專家學(xué)者的不斷補(bǔ)充和完善，數(shù)字孿生現(xiàn)在可以面向非常廣泛的領(lǐng)域、系統(tǒng)和產(chǎn)品。

具體到數(shù)字孿生艦炮，可以定義為：一種基于實(shí)體艦炮的數(shù)字化“克隆”艦炮，與實(shí)體艦炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致，利用收集到的傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等使其與實(shí)體艦炮在全壽命周期內(nèi)同步成長、異步演化，且可通過仿真預(yù)測實(shí)體艦炮的健康狀態(tài)，為實(shí)體艦炮提供使用和維護(hù)等指導(dǎo)。

1.2 數(shù)字孿生艦炮的作用

根據(jù)數(shù)字孿生艦炮的定義，數(shù)字孿生艦炮主要具有以下作用。

1.2.1 艦炮裝備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

艦炮裝備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程包括需求分析、方案論證、方案設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)，通過研究用戶需求，對艦炮的功能、性能、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)、通用質(zhì)量特性等進(jìn)行論證分析，在初步技術(shù)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算，最終完成艦炮的全部設(shè)計(jì)工作。數(shù)字孿生艦炮是與實(shí)體艦炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致的“克隆體”，數(shù)字孿生艦炮的生成過程實(shí)際上就是設(shè)計(jì)艦炮的過程，相對于傳統(tǒng)艦炮設(shè)計(jì)，基于數(shù)字孿生進(jìn)行的艦炮設(shè)計(jì)因?yàn)槔昧伺炁诘母鞣N經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，賦予了孿生體更加豐富的全壽命周期的特征，保真性更好，且可以方便地在數(shù)字孿生模型上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、模擬仿真，用這種方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠更好地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

1.2.2 艦炮裝備的虛擬試驗(yàn)與評估

艦炮裝備的試驗(yàn)一般是在實(shí)物樣機(jī)生產(chǎn)出來之后進(jìn)行的，包括關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)、原理樣機(jī)摸底試驗(yàn)、初樣機(jī)性能摸底試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)、正樣機(jī)出廠試驗(yàn)、性能鑒定試驗(yàn)等，不僅周期長，而且花費(fèi)大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。一般情況下，研制一門艦炮消耗的彈藥是其身管壽命的3倍以上，最高可以達(dá)到十幾倍，試驗(yàn)費(fèi)用占整個(gè)研制費(fèi)用的30%～50%。數(shù)字孿生艦炮可反映對應(yīng)實(shí)體艦炮的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)，可進(jìn)行多學(xué)科、多物理場、多尺度、多概率的仿真，實(shí)時(shí)加入環(huán)境、工況等數(shù)據(jù)，完全可以在該數(shù)字孿生艦炮上進(jìn)行各種虛擬試驗(yàn)，并且如果仿真模型足夠準(zhǔn)確、足夠可靠、足夠精確的話，可以得到非常理想的試驗(yàn)結(jié)果，真實(shí)評估艦炮的功能、性能、各種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)及通用質(zhì)量特性，降低研制費(fèi)用，縮短研制周期，提高研制質(zhì)量。

1.2.3 艦炮裝備的故障預(yù)測和健康管理

艦炮的故障預(yù)測和健康管理是利用先進(jìn)的傳感器采集到的各類數(shù)據(jù)，借助各種算法和智能模型進(jìn)行信號處理和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對艦炮的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測、預(yù)測、監(jiān)控和管理。艦炮的故障預(yù)測和健康管理技術(shù)可使傳統(tǒng)的“事后維修”和“計(jì)劃維修”方式轉(zhuǎn)換為“視情維修”和“預(yù)知維修”方式，提高艦炮保障系統(tǒng)在準(zhǔn)確時(shí)間對準(zhǔn)確部位進(jìn)行準(zhǔn)確維修的能力，進(jìn)而提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力、節(jié)約維修費(fèi)用[8]。一般可通過對艦炮的功能分析和故障模式影響分析確定艦炮的測試信息，找出關(guān)重件的工作數(shù)據(jù)變化規(guī)律，采用智能數(shù)據(jù)融合、殘余壽命預(yù)測等技術(shù)實(shí)現(xiàn)艦炮狀態(tài)健康與管理、故障預(yù)測和故障處理、壽命預(yù)測和性能跟蹤。數(shù)字孿生艦炮與實(shí)體艦炮在全壽命周期內(nèi)同步成長、異步演化，在數(shù)字孿生艦炮生成和成長過程中，集成了大量的使用數(shù)據(jù)，通過各種自學(xué)習(xí)、自組織、自優(yōu)化算法進(jìn)行仿真，使孿生體不斷進(jìn)化，與靜態(tài)地通過對艦炮的功能分析和故障模式影響分析來確定艦炮的測試信息、找出關(guān)重件的工作數(shù)據(jù)變化規(guī)律的方法相比，數(shù)字孿生的方式可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的實(shí)體艦炮和虛擬艦炮實(shí)時(shí)進(jìn)行交互與多方位地狀態(tài)對比，數(shù)據(jù)互相融合，高精度的仿真驗(yàn)證，具備對實(shí)體艦炮狀態(tài)進(jìn)行自主預(yù)測的能力，可以很好地對實(shí)體艦炮進(jìn)行健康管理。

1.2.4 艦炮裝備的使用培訓(xùn)

傳統(tǒng)艦炮裝備的使用培訓(xùn)常采用理論教學(xué)結(jié)合實(shí)裝操作的方式，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)、混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality，MR)技術(shù)逐步用于培訓(xùn)實(shí)踐中。VR是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)3D的顯示場景，提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者能夠身臨其境，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的虛擬事物[9]。AR是一種將真實(shí)世界信息與虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，將虛擬的信息疊加到真實(shí)世界，通過終端設(shè)備顯示出來，被人類所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[10]。MR是新一代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、場景捕捉等，在虛擬場景中引入現(xiàn)實(shí)場景信息，把虛擬和現(xiàn)實(shí)混合在一起，增強(qiáng)使用者體驗(yàn)的真實(shí)感?？梢钥闯?，雖然VR、AR、MR技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了可視化，MR技術(shù)的實(shí)時(shí)交互能力更強(qiáng)一些，但MR技術(shù)只是讓人區(qū)分不出虛擬和現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更加細(xì)膩，與數(shù)字孿生要求的與實(shí)體艦炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致的多學(xué)科、多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，還是有很大差距的。利用數(shù)字孿生艦炮進(jìn)行培訓(xùn)更加真實(shí)，更容易觀察裝備細(xì)節(jié)，更好地理解技術(shù)原理，更方便地模擬使用維修方式，取得更好的培訓(xùn)效果。

1.2.5 艦炮裝備的戰(zhàn)法訓(xùn)法研練

部隊(duì)開展戰(zhàn)法訓(xùn)法研練，是指揮決策、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)，是形成戰(zhàn)斗力、提高戰(zhàn)斗力的重要手段。在信息化條件下，利用先進(jìn)的信息處理和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，高度逼真地虛擬戰(zhàn)場、虛擬軍隊(duì)、虛擬作戰(zhàn)，開展各種戰(zhàn)法訓(xùn)法研練，極大地?cái)U(kuò)展認(rèn)識戰(zhàn)爭、研究戰(zhàn)爭、實(shí)施戰(zhàn)爭的手段。以數(shù)字孿生艦炮為核心，建立虛擬的艦炮裝備戰(zhàn)法訓(xùn)法系統(tǒng)平臺，在數(shù)字孿生體上開展各種戰(zhàn)法訓(xùn)法研練，可以快速打破常規(guī)、打破邊界、突破極限，實(shí)現(xiàn)人裝合一，戰(zhàn)術(shù)要求、技術(shù)指標(biāo)、人員技能真正融合成作戰(zhàn)能力，極大地節(jié)約時(shí)間、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、避免事故的發(fā)生。

綜上所述，數(shù)字孿生艦炮的作用如表1所示。

表1 數(shù)字孿生艦炮的作用

2 數(shù)字孿生艦炮的技術(shù)難點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)獲取困難

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)力，這些數(shù)據(jù)不僅包括貫穿產(chǎn)品全壽命周期的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，還強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的融合、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新、實(shí)時(shí)交互等[1]。由于艦炮本身的復(fù)雜性，要想獲取這些數(shù)據(jù)難度很大。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足

艦炮在研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用到報(bào)廢等全壽命周期的數(shù)據(jù)巨大，有關(guān)材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、工藝、性能等常規(guī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)并不難獲取，幾十年艦炮研制經(jīng)驗(yàn)積累了大量的此類數(shù)據(jù)，但與力、熱等特性相關(guān)的振動(dòng)、沖擊、磨損等數(shù)據(jù)以及通用質(zhì)量特性方面的數(shù)據(jù)卻嚴(yán)重不足。

相關(guān)資料顯示，在環(huán)境應(yīng)力引起的火炮破壞事件中，振動(dòng)引起的問題約占30%[11]，但對振動(dòng)問題的研究也僅僅停留在對振動(dòng)模態(tài)的計(jì)算和測試方面，對振動(dòng)引起破壞的深層次原因和相關(guān)計(jì)算分析方面，缺少實(shí)用、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

艦炮結(jié)構(gòu)中大量存在的摩擦副往往受到強(qiáng)烈的沖擊和摩擦，身管受到火藥氣體的高速?zèng)_刷、高溫炙烤、化學(xué)腐蝕和彈丸的力學(xué)沖擊，使其壽命達(dá)不到預(yù)期使用壽命，這些因素和壽命之間的關(guān)系數(shù)據(jù)仍然缺乏。

液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的安全性、可靠性、測試性等特性，很多還是定性的研究，定量的描述仍缺少數(shù)據(jù)的支撐。

2.1.2 工況/邊界條件復(fù)雜

傳統(tǒng)艦炮發(fā)射的能量來自于火藥，火藥劇烈燃燒釋放能量的過程是極其復(fù)雜的過程，具有高溫、高壓、高速、瞬態(tài)的顯著特點(diǎn)，大多數(shù)發(fā)射過程只有幾毫秒到幾百毫秒，伴隨強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊、強(qiáng)烈的沖擊波、耀眼的炮口焰，振動(dòng)加速度可達(dá)幾千個(gè)g，膛內(nèi)火藥燃燒溫度有幾千攝氏度[12]；艦炮發(fā)射系統(tǒng)、供彈系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)完成供彈、輸彈、開關(guān)閂、拋殼等運(yùn)動(dòng)，也產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)激勵(lì)和撞擊力；彈丸在膛內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使身管在強(qiáng)烈的離心力作用下產(chǎn)生劇烈的瞬態(tài)扭矩激勵(lì)；同時(shí)艦炮安裝在艦船上，海洋環(huán)境千變?nèi)f化，風(fēng)、浪、流、潮汐、冰、雷、電磁場等作用載荷使艦船產(chǎn)生抨擊、振動(dòng)、碰撞、腐蝕、干擾等復(fù)雜響應(yīng)，這些響應(yīng)與艦炮發(fā)射引起的響應(yīng)互相疊加、互相影響，使艦炮工況和邊界條件異常復(fù)雜，艦炮動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)測試難度大，準(zhǔn)確度不高。

2.1.3 部分故障機(jī)理不清

艦炮在使用過程中出現(xiàn)的故障模式很多，一些故障對艦炮的使用產(chǎn)生重大的影響，如炸膛、卡殼、身管燒蝕等，但由于前述艦炮所處的復(fù)雜工況和條件，使這些故障的機(jī)理非常復(fù)雜，雖經(jīng)多年攻關(guān)仍然機(jī)理不清。

2.2 專用的仿真軟件少、真實(shí)度不高

艦炮在研制過程中常用到的仿真、分析、計(jì)算軟件包括：內(nèi)彈道計(jì)算、外彈道計(jì)算、有限元分析、動(dòng)力學(xué)分析、通用質(zhì)量特性仿真分析、故障預(yù)測和健康管理等軟件。

內(nèi)彈道計(jì)算和外彈道計(jì)算軟件一般由行業(yè)高校和科研院所自行編制，滿足常規(guī)計(jì)算使用，往往存在參數(shù)取值不準(zhǔn)確、假設(shè)條件多等問題，得到的結(jié)果存在一定的誤差。

有限元分析和動(dòng)力學(xué)分析常用通用分析軟件，如：ANSYS，MSC/NASTRAN，ADAMS，ABAQUS等，可計(jì)算零部件的剛強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)、力學(xué)動(dòng)態(tài)特性等，計(jì)算的準(zhǔn)確度依賴于模型的準(zhǔn)確度。由于艦炮是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，真實(shí)地建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型非常困難，經(jīng)常要進(jìn)行抽象和簡化，用簡化后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有限元分析和動(dòng)力學(xué)分析，模型的簡化程度與設(shè)計(jì)師對艦炮內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。由于這些軟件沒有火炮專用計(jì)算分析模塊，常常不能滿足使用要求，所以國內(nèi)也有在這些軟件的基礎(chǔ)上針對火炮的特殊性進(jìn)行二次開發(fā)，經(jīng)過實(shí)踐—認(rèn)識—再實(shí)踐—再認(rèn)識的過程，不斷進(jìn)行修改，雖然由于假設(shè)和模型簡化仍然存在計(jì)算誤差，但也基本能滿足使用要求。

通用質(zhì)量特性仿真分析、故障預(yù)測和健康管理等軟件通常使用北京航空航天大學(xué)開發(fā)的“可靠性與性能一體化設(shè)計(jì)(PofEra軟件)”、可維科技的“基于模型的通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)分析(SysDeSim軟件)”等分析軟件，此類軟件一般用于航天產(chǎn)品，且多以電氣控制系統(tǒng)為對象，缺少機(jī)械系統(tǒng)適用的分析軟件，用于艦炮設(shè)計(jì)和分析的軟件仍是空白。

2.3 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互不易實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生所需要的數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，實(shí)體產(chǎn)品產(chǎn)生的使用數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給數(shù)字模型，才可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的同步生長；數(shù)字模型自主演化的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地反饋給實(shí)體產(chǎn)品，才可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)際產(chǎn)品的及時(shí)控制。工業(yè)上可通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的低延時(shí)傳輸、高效數(shù)據(jù)處理和設(shè)備的互聯(lián)互通。但艦炮隨艦艇服役，使用數(shù)據(jù)存在隱私，如何對這些隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳遞和交互，從目前情況來看還不易實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)字孿生艦炮的發(fā)展設(shè)想

由于存在上述技術(shù)上的難點(diǎn)，數(shù)字孿生艦炮的實(shí)現(xiàn)不可能是一蹴而就的，需要按部就班，不能急于求成。

針對數(shù)據(jù)獲取困難的問題，主要需采取以下應(yīng)對措施：要加強(qiáng)艦炮全壽命周期數(shù)據(jù)的收集、整理、深度挖掘和數(shù)據(jù)凈化等工作，建立可用、好用的特征數(shù)據(jù)庫；在艦炮上布置多位置、多模式的傳感器，實(shí)時(shí)獲取需要的數(shù)據(jù)，加以分析、凈化，加入特征數(shù)據(jù)庫；加強(qiáng)機(jī)理層面的基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)研究，對振動(dòng)、沖擊、摩擦、燒蝕、腐蝕等影響機(jī)構(gòu)壽命、可靠性等關(guān)鍵戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究，獲取準(zhǔn)確的深層次的可用數(shù)據(jù)；加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源共享，充分發(fā)揮已有數(shù)據(jù)的使用效率，把分散在設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用等各個(gè)單位和部門的數(shù)據(jù)集中管理，行業(yè)內(nèi)共享使用；在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)工程或機(jī)器學(xué)習(xí)方面提高數(shù)據(jù)分析處理的能力，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析，使數(shù)據(jù)最大限度地發(fā)揮作用。

針對專用仿真軟件少、真實(shí)度不高的問題，艦炮行業(yè)可與國內(nèi)計(jì)算仿真軟件優(yōu)勢單位協(xié)作，發(fā)揮軟件行業(yè)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、機(jī)器語言設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢，結(jié)合艦炮(火炮)行業(yè)在多體動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)沖擊效應(yīng)、構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型等方面的成果，開發(fā)適用于艦炮行業(yè)的仿真分析、計(jì)算軟件，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，反復(fù)修改完善，久久為功，滿足行業(yè)使用要求。

針對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互不易實(shí)現(xiàn)的問題，由于存在數(shù)據(jù)隱私，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸蕾囉趪艺w數(shù)據(jù)安全體系的建立，特別是軍方數(shù)據(jù)密傳體系的完善。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地交互還有待時(shí)日。

筆者認(rèn)為，構(gòu)建數(shù)字孿生艦炮可以在三個(gè)維度上采用不同的方法開展工作，如圖1所示。一是在產(chǎn)品組成的維度上，按照從部件到產(chǎn)品方法，逐步深入；二是在產(chǎn)品生命周期的維度上，按照從分階段到全壽命周期的方法，逐步拓展；三是在工作方式的維度上，按照從本地到遠(yuǎn)程的辦法，逐步延伸；最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生艦炮能夠隨實(shí)物裝備同時(shí)交付、同時(shí)服役的目標(biāo)。

3.1 從部件到產(chǎn)品逐步深入

艦炮特別是大口徑艦炮非常復(fù)雜，有些艦炮的零部件數(shù)量達(dá)到8萬個(gè)以上，對這些零部件的研究深入程度不盡相同，積累的歷史數(shù)據(jù)數(shù)量也有多有少，需要進(jìn)行詳細(xì)梳理。首先選取數(shù)據(jù)較多、機(jī)理比較清楚、數(shù)學(xué)模型較完善且更加真實(shí)、仿真方法成熟和仿真精度較高的部件(比如供彈動(dòng)力裝置等)建立其數(shù)字孿生體，同時(shí)對其他部件(比如可優(yōu)先選擇針對部隊(duì)使用中易出現(xiàn)問題的彈鏈平臺、揚(yáng)供輸彈裝置、反后坐裝置、開關(guān)閂及排殼裝置等部分)開展深入研究，一旦具備條件，再建立其數(shù)字孿生體，這樣逐步深入，最終完成全炮數(shù)字孿生體的建造。

3.2 從分階段到全壽命周期逐步拓展

數(shù)字孿生艦炮的建立和使用貫穿從設(shè)計(jì)(技術(shù)和工藝)、生產(chǎn)、試驗(yàn)與評估、服役到報(bào)廢的全壽命周期，不斷完善、交互、演化。現(xiàn)階段，試驗(yàn)與評估、服役等階段的數(shù)據(jù)還在積累過程中，數(shù)據(jù)的傳輸和交互也存在技術(shù)瓶頸，可以選取設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段作為建立數(shù)字孿生艦炮的起點(diǎn)，利用積累的艦炮設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、數(shù)字樣機(jī)、仿真方法等相對成熟的數(shù)據(jù)，力求建立的數(shù)字孿生體的高保真，逐步提高其準(zhǔn)確性和可靠性，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)或產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程的監(jiān)控和生產(chǎn)質(zhì)量的提高。同時(shí)，加強(qiáng)對虛擬試驗(yàn)的研究和服役數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取途徑與方法的研究，建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建全系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)字孿生集成工具和平臺，逐步拓展到艦炮的全壽命周期。

3.3 從本地到遠(yuǎn)程逐步延伸

由于當(dāng)前尚不能解決服役艦炮隱私數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳遞和交互，現(xiàn)階段可以先從本地構(gòu)建數(shù)字孿生艦炮開始工作，也就是實(shí)體艦炮和數(shù)字孿生艦炮在同一個(gè)地方，可以在實(shí)驗(yàn)室，也可以在車間，或者在培訓(xùn)基地，避免遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交互。利用在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷?，充分對?shù)字模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，使數(shù)字孿生艦炮能夠模擬實(shí)體艦炮的工作行為，監(jiān)控實(shí)體艦炮的變化，反映實(shí)體艦炮的運(yùn)行狀況，評估實(shí)體艦炮的健康狀況，預(yù)測實(shí)體艦炮的未來發(fā)展趨勢，充分驗(yàn)證數(shù)字孿生艦炮的真實(shí)性、安全性、準(zhǔn)確性、可靠性、交互實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有效性。同時(shí)，研究服役艦炮隱私數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的傳遞、交互技術(shù)，逐步延伸到遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

4 結(jié)束語

筆者從數(shù)字孿生艦炮的內(nèi)涵和特點(diǎn)入手，分析了數(shù)字孿生艦炮存在的數(shù)據(jù)獲取困難、專用仿真軟件少、真實(shí)度不高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互不易實(shí)現(xiàn)等技術(shù)難點(diǎn)，提出了發(fā)展數(shù)字孿生艦炮可從部件到產(chǎn)品、從分階段到全壽命周期、從本地到遠(yuǎn)程的辦法，逐步深入、拓展、延伸的設(shè)想，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生艦炮能夠隨實(shí)物裝備同時(shí)交付、同時(shí)服役的目標(biāo)。

需要說明的是，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段，不能急于求成。艦炮研制單位掌握艦炮相關(guān)的工作原理、具體數(shù)據(jù)、研制流程等，相對更加容易完成數(shù)字孿生艦炮的構(gòu)建，論證、試驗(yàn)單位和使用部隊(duì)具有大量的數(shù)據(jù)積累，研制主管機(jī)關(guān)在項(xiàng)目立項(xiàng)、項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)交互和傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中起主導(dǎo)作用，因此數(shù)字孿生艦炮的構(gòu)建和使用需要全行業(yè)聯(lián)動(dòng)，共同努力，促進(jìn)數(shù)字孿生艦炮的交付和服役，助力艦炮研制水平的提升和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的生成。