陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型 *

王帥 ，王亞彬 ，王金幗 ，王茁 ，趙建民

（1. 陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2. 河北省機械裝備狀態(tài)監(jiān)測與評估重點實驗室，河北 石家莊 050003）

0 引言

陸軍合成旅是新體制下陸軍調(diào)整組建的新型作戰(zhàn)力量，其相關(guān)問題研究是陸軍當(dāng)前研究的熱點和亟須解決的問題［1］。良好的裝備保障是保持和恢復(fù)裝備戰(zhàn)斗力的重要保證，一個效率高、響應(yīng)快的裝備保障系統(tǒng)能夠有效提升軍事裝備的利用水平和利用程度，從而提升裝備的軍事效益，促進部隊?wèi)?zhàn)斗力的生成。

然而，陸軍合成旅自身高度合成的特點，在其裝備上表現(xiàn)出種類型號多、任務(wù)樣式多、部署點位多的特點，裝備使用環(huán)境復(fù)雜多變，不同裝備面臨不同的任務(wù)情況，有著不同的保障要求。陸軍合成旅裝備保障工作面臨諸多新的問題與挑戰(zhàn)［2］，傳統(tǒng)保障模式已不能適應(yīng)新的保障需求［3］，突出表現(xiàn)為信息利用水平不高、主動預(yù)警能力不強、器材需求測算不準(zhǔn)等問題［4］。新的形勢特點對裝備保障“精確化”的要求愈加強烈。

精確保障，是指運用現(xiàn)代信息技術(shù)等高科技手段，組織對部隊實施適時、適地、適量、適用的作戰(zhàn)、后勤與裝備保障。為提高裝備保障精確程度，故障預(yù)測與健康管理（prognostic and health management，PHM）近年被引入裝備使用與維修管理中，它利用各種傳感器數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理方法對裝備健康狀況進行評估，預(yù)測裝備故障及剩余壽命，從而將傳統(tǒng)的事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑熬S修［5］。然而，現(xiàn)有的PHM 主要是基于歷史數(shù)據(jù)的靜態(tài)對比和裝備實體的特征數(shù)據(jù)分析，雖然能較好地捕捉和發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，但無法基于數(shù)據(jù)及時自主修正模型，也無法依據(jù)裝備個性化特點進行較為準(zhǔn)確的預(yù)測和評估［6］。另外，隨著傳感器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以及復(fù)雜裝備運行環(huán)境的動態(tài)變化，裝備的監(jiān)測程度越來越細致，同時帶來了數(shù)據(jù)量倍增、高速、多源異構(gòu)、易變等典型大數(shù)據(jù)特點。然而現(xiàn)有的PHM 相關(guān)體系及關(guān)鍵技術(shù)還普遍存在預(yù)測精確較低、數(shù)據(jù)不夠全面、虛實交互不充分等問題，難以滿足復(fù)雜裝備在動態(tài)多變運行環(huán)境下實時狀態(tài)評估、精確故障預(yù)測的需求。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為解決當(dāng)前裝備保障面臨的問題、實現(xiàn)裝備“精確保障”提供了一種有效方法。

數(shù)字孿生（digital twin）是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等，并提供反饋［7-8］。

數(shù)字孿生技術(shù)以傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等大量先進技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)自動測量、自動記錄、主動上傳、主動分析、主動預(yù)警、輔助決策等功能，數(shù)據(jù)一致性高、可靠性好，可以大大提高裝備維修保障的主動性、準(zhǔn)確性。

利用數(shù)字孿生技術(shù)，建立裝備保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，可以精準(zhǔn)全面地掌握裝備的現(xiàn)時狀態(tài)、歷史狀態(tài)，得到高保真的裝備仿真模型，基于裝備狀態(tài)研究保障需求，優(yōu)化裝備保障模式，在裝備即將發(fā)生故障時進行維修，充分發(fā)揮裝備性能，減少維修器材庫存和維修等待時間，提高裝備保障效益［9］。

研究陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，利用數(shù)字孿生模型解決陸軍合成旅典型裝備保障問題，對提升陸軍合成旅裝備保障能力、實現(xiàn)裝備“精確保障”，具有重要意義。

1 研究對象分析

1.1 基本概念

裝備保障，是指為使裝備保持、恢復(fù)規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)或改善裝備性能，進行的裝備調(diào)配、維修等方面的保障活動。本文特指裝備維修保障活動。

陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)，是指為使陸軍合成旅典型裝備保持、恢復(fù)規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)或改善裝備性能，進行維護和修理活動所涉及的典型裝備及保障要素構(gòu)成的系統(tǒng)。

陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，是指利用信息技術(shù)構(gòu)建的物理裝備保障系統(tǒng)與虛擬裝備保障系統(tǒng)的雙向真實映射和準(zhǔn)實時交互模型，它將數(shù)字孿生技術(shù)與陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵過程、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合，基于模型與數(shù)據(jù)對物理空間的典型裝備保障系統(tǒng)進行實時的模擬、監(jiān)測、反映，并借助算法、管理方法、專家知識、軟件等對保障系統(tǒng)及各要素進行分析、評估、預(yù)測、管理、優(yōu)化，輔助裝備保障工作［10-11］。

1.2 系統(tǒng)分析

陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)主要包括陸軍合成旅典型裝備系統(tǒng)和陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)2個部分。其中，維修保障系統(tǒng)作用的對象是裝備系統(tǒng)，裝備系統(tǒng)的健康狀態(tài)對保障系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響。裝備系統(tǒng)的狀態(tài)改變引起保障系統(tǒng)的各項活動，保障系統(tǒng)的活動恢復(fù)裝備系統(tǒng)的狀態(tài)。2 個系統(tǒng)相互影響、聯(lián)系緊密。

1.2.1 陸軍合成旅典型裝備系統(tǒng)

陸軍合成旅典型裝備系統(tǒng)，是指陸軍合成旅中主要編配的、對戰(zhàn)斗力生成較為重要的各類裝備組成的系統(tǒng)。

（1） 系統(tǒng)組成

陸軍合成旅典型裝備一般包括坦克、步戰(zhàn)車、自行火炮、防空導(dǎo)彈等多類裝備，每種裝備具有多個型號，具有裝備類型多、型號多、數(shù)量多等顯著特征，如圖1 所示。

圖1 陸軍合成旅裝備系統(tǒng)Fig. 1 Equipment system of army synthetic brigade

以某型自行火炮作為典型裝備進行分析，其組成可以分為火力系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等多個裝備子系統(tǒng)。各裝備子系統(tǒng)是由多個可更換單元構(gòu)成的，有串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)等多種結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 某型自行火炮裝備系統(tǒng)Fig. 2 A self-propelled artillery equipment system

裝備的全壽命周期包含設(shè)計、生產(chǎn)、使用、退役等諸多環(huán)節(jié)，裝備在陸軍合成旅主要處于使用階段。因此，對陸軍合成旅典型裝備進行研究，主要進行裝備使用階段各類問題的研究。本文主要對陸軍合成旅典型裝備使用階段故障情況與維護修理情況進行研究。

（2） 裝備維修需求判斷

裝備的狀態(tài)變化，產(chǎn)生裝備維修需求。裝備維修需求，依據(jù)裝備故障單元對裝備運行的重要性進行判斷。

裝備可更換單元根據(jù)其故障對裝備運行的影響，可以分為3 個等級：

重要單元，指故障直接影響裝備運行的單元。應(yīng)重點加強其健康狀態(tài)監(jiān)測，在其即將故障之時利用預(yù)定停機時間維修，盡量避免其意外故障。

一般單元，指短期故障不影響裝備運行，但不能長期帶故障運行的單元。應(yīng)對其健康狀態(tài)進行監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)其即將故障或已經(jīng)故障后的停機時間，及時進行維修。

次要單元，指故障對裝備運行影響較小的單元或具有冗余備份的單元。在其故障后，視備件等維修條件，在裝備下次維修時進行修理。

裝備維修需求判斷情況如圖3 所示。其中，停機修復(fù)性維修、擇機修復(fù)性維修、擇機預(yù)防性維修可以判斷為裝備需要維修，隨下次維修修理可以判斷為裝備暫不需要維修。

圖3 裝備維修需求判斷Fig. 3 Equipment maintenance demand judgment

通過數(shù)字孿生模型的運用，加強對裝備狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測，加強故障預(yù)測和需求分析，提前做好維修準(zhǔn)備，可以使擇機維修的成為大多數(shù)，停機維修的成為較少數(shù)，加強裝備保障的主動性，如圖4所示。

圖4 各類維修需求比例示意圖Fig. 4 Schematic diagram of proportion of various maintenance requirements

1.2.2 陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)

陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)，是指陸軍合成旅內(nèi)部進行裝備維修保障活動涉及的各類保障要素組成的集合。

（1） 系統(tǒng)組成

陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)主要包括保障機構(gòu)、人員、設(shè)備、器材，以及維修保障信息系統(tǒng)等。其中，保障機構(gòu)主要包括保障機關(guān)、保障分隊、器材倉庫，人員主要包括裝備使用人員和裝備維修人員，設(shè)備主要包括用于裝備維修保障的機具、儀器、儀表等，器材主要包括備件、附品、機工具、裝具、材料、油液等。如圖5 所示。

圖5 陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)Fig. 5 Maintenance support system of army synthetic brigade

（2） 系統(tǒng)運行

陸軍合成旅維修保障系統(tǒng)，主要完成陸軍合成旅所屬裝備維修保障任務(wù)，包括運行分析、狀態(tài)評估、故障預(yù)測、裝備維修、器材籌備等。

以裝備維修為例對系統(tǒng)運行流程進行說明。新體制下，陸軍裝備維修保障實行基地級和部隊級兩級維修體制。其中，陸軍合成旅裝備維修保障系統(tǒng)屬于部隊級維修系統(tǒng)，對維修能力范圍內(nèi)的故障裝備，依據(jù)裝備故障類型和維修復(fù)雜程度，主要采用原件修復(fù)和換件修理的方式進行維修。對超出維修能力的裝備故障，一般報請上級進行維修。相應(yīng)維修決策流程如圖6 所示。

圖6 維修決策流程Fig. 6 Maintenance decision process

2 數(shù)字孿生模型框架及關(guān)鍵技術(shù)研究

為使數(shù)字孿生技術(shù)進一步在更多領(lǐng)域落地應(yīng)用，陶飛等提出了“數(shù)字孿生五維模型”，即數(shù)字孿生模型由物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分間的連接組成［12］。

依照“數(shù)字孿生五維模型”，陸軍合成旅典型裝備保障數(shù)字孿生模型框架可以從物理維、孿生維、數(shù)據(jù)維、應(yīng)用維、連接維5 個維度進行分析，如圖7所示。

圖7 基于數(shù)字孿生的裝備維修保障框架Fig. 7 Equipment maintenance support framework based on digital twin

5 個維度相互連接、互通數(shù)據(jù)，形成模型對實體的真實映射。在模型運行過程中，物理維通過數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)傳遞給孿生維、數(shù)據(jù)維和應(yīng)用維。孿生維利用實體數(shù)據(jù)通過仿真運行對物理實體進行跟隨仿真，向應(yīng)用維提供模型支撐。數(shù)據(jù)維負責(zé)模型各類數(shù)據(jù)的接收、存儲與預(yù)處理，并向各維度分發(fā)。應(yīng)用維利用數(shù)據(jù)維給出的數(shù)據(jù)和孿生維提供的模型，向裝備管理人員提供應(yīng)用服務(wù)，輔助裝備維修保障決策制定，作用于物理維，同時基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果修正虛擬仿真模型，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精準(zhǔn)描述。連接維則提供了各維度之間數(shù)據(jù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)與途徑。

（1） 物理維：完成實體數(shù)據(jù)采集

物理維，是指裝備維修保障系統(tǒng)的各實體要素，包括維修保障機構(gòu)、人員、設(shè)備、器材以及裝備系統(tǒng)各實體，也包括數(shù)據(jù)收集使用的傳感器、測量工具、儀器、設(shè)備等，是數(shù)字孿生模型實體數(shù)據(jù)的來源和數(shù)字孿生決策的作用對象，也是數(shù)字孿生模型構(gòu)建的首要前提。

物理維在物理世界各因素影響下運行，同時利用各項數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對反映物理實體各項狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行采集，并傳送給數(shù)據(jù)維。對裝備系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)的采集主要依靠傳感器技術(shù)、RFID（radio frequency identification）技術(shù)、二維條碼技術(shù)等感知技術(shù)、檢測技術(shù)，獲取裝備實體的狀態(tài)信息；對維修保障系統(tǒng)實體數(shù)據(jù)的采集主要依托維修保障信息系統(tǒng)進行，獲取維修保障各項事件發(fā)生的時間、消耗的資源、達成的效果等信息。

（2） 孿生維：進行虛擬系統(tǒng)仿真

孿生維，是指基于建模仿真技術(shù)，對各物理實體建立的數(shù)字孿生體，即對各實體要素高度還原的虛擬仿真模型，可以依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行邏輯實現(xiàn)對物理實體的實時精準(zhǔn)描述與虛擬仿真，是數(shù)字孿生模型孿生數(shù)據(jù)的來源，是數(shù)字孿生模型構(gòu)建的關(guān)鍵要素。

建立裝備保障數(shù)字孿生模型，需要對所研究的每一裝備、每一保障要素建立數(shù)字孿生體，即仿真模型，并在數(shù)據(jù)驅(qū)動下保持對物理實體的動態(tài)跟隨。為了實現(xiàn)對物理實體的精準(zhǔn)映射，需要從維修保障系統(tǒng)、典型裝備、可更換單元3 個層次，建立不同顆粒度的仿真模型。

隨著仿真建模技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前市場上各類仿真軟件數(shù)量較多，除了Matlab 等通用仿真軟件，還出現(xiàn)了很多專門針對某類問題的專用仿真軟件，實現(xiàn)的功能較為強大，可以較為方便地建立數(shù)字孿生仿真模型。AnyLogic 軟件是一款應(yīng)用廣泛的，對離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)進行建模和仿真的工具。它可以快速構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)多智能體建模、邏輯建模、狀態(tài)建模等功能，較為適合數(shù)字孿生模型的開發(fā)。

采用AnyLogic 軟件，可以建立維修保障系統(tǒng)、典型裝備、可更換單元3 個層次的數(shù)字孿生模型。其中，維修保障系統(tǒng)采用多智能體建模方法建立模型，典型裝備采用邏輯建模方法建立模型、可更換單元采用狀態(tài)建模方法建立模型。如圖8~10 所示。

圖8 維修保障系統(tǒng)多智能體模型Fig. 8 Multi agent model of maintenance support system

（3） 數(shù)據(jù)維：處理模型各類數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)維是指數(shù)字孿生模型各類數(shù)據(jù)的集合，負責(zé)數(shù)字孿生模型各類數(shù)據(jù)的接收、存儲與預(yù)處理，主要包括物理維采集到的實體數(shù)據(jù)、孿生維虛擬仿真采集到的孿生數(shù)據(jù)、應(yīng)用維進行各項分析處理產(chǎn)生的分析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)維自身對各項數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后獲得的預(yù)處理數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)相關(guān)的知識庫、經(jīng)驗庫、約束庫等支持數(shù)據(jù)等，是數(shù)字孿生模型的驅(qū)動。數(shù)據(jù)維各類數(shù)據(jù)如圖11 所示。

圖9 典型裝備邏輯模型Fig. 9 Logic model of typical equipment

圖11 數(shù)據(jù)維各類數(shù)據(jù)Fig. 11 Data of data dimension

圖10 可更換單元狀態(tài)模型Fig. 10 State model of replaceable unit

實體數(shù)據(jù)主要包括反映系統(tǒng)所需執(zhí)行任務(wù)強度、時間等的任務(wù)數(shù)據(jù)；通過傳感器、定期檢測和保障信息系統(tǒng)獲得的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；反映系統(tǒng)運行環(huán)境的環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、風(fēng)沙、氣壓等；通過保障信息系統(tǒng)獲得的保障數(shù)據(jù)，即維修保障事件信息；反映操作和保障人員結(jié)構(gòu)及熟練程度的人員數(shù)據(jù)；反映庫存各類維修器材數(shù)量、質(zhì)量情況的器材數(shù)據(jù)；反映裝備各系統(tǒng)組成、運行關(guān)系、技術(shù)參數(shù)、限制條件等的裝備參數(shù)；記錄系統(tǒng)各要素運行時間、運行強度、運行關(guān)鍵參數(shù)的運行數(shù)據(jù)；裝備定型試驗中獲得的與裝備使用、維修、保管、保養(yǎng)有關(guān)的試驗數(shù)據(jù)；進行系統(tǒng)各項事件記錄的歷史數(shù)據(jù)等。

孿生數(shù)據(jù)主要包括支持仿真系統(tǒng)運行的仿真參數(shù)；系統(tǒng)各組成、各裝備、各單元的各類事件發(fā)生的事件規(guī)律；各類事件在仿真系統(tǒng)內(nèi)運轉(zhuǎn)的內(nèi)部邏輯；各類方法仿真運行的仿真結(jié)果等。這些數(shù)據(jù)在裝備試驗與經(jīng)驗總結(jié)獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)運行與仿真過程中實時進行校正，以得到對物理實體的精準(zhǔn)映射。

分析數(shù)據(jù)是應(yīng)用維基于大數(shù)據(jù)、智能算法等技術(shù)，利用實體數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)、仿真模型，在知識庫、經(jīng)驗庫、約束庫的支持下，對系統(tǒng)進行的仿真結(jié)果分析、孿生數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)融合、規(guī)律擬合，獲得的各類仿真預(yù)測數(shù)據(jù)、規(guī)律、趨勢、權(quán)重。

（4） 應(yīng)用維：實現(xiàn)模型各項功能

應(yīng)用維是指數(shù)字孿生模型應(yīng)用過程中使用的各類算法、程序，負責(zé)在知識庫、經(jīng)驗庫、約束庫的支持下，對數(shù)據(jù)維各項數(shù)據(jù)進行融合分析、仿真預(yù)測、優(yōu)化決策，實現(xiàn)輔助決策各項功能，并將形成的決策作用于物理維，是數(shù)字孿生模型的交互窗口，是數(shù)字孿生模型輸出運行結(jié)果、實現(xiàn)模型功能的途徑。模型的各項功能由應(yīng)用維向用戶呈現(xiàn)，并作用于物理維。

應(yīng)用維基于對模型數(shù)據(jù)的處理，可以輔助裝備管理人員完成信息登記統(tǒng)計、運行狀態(tài)分析、裝備狀態(tài)監(jiān)測與評估、維修需求分析、故障預(yù)測、故障診斷、器材需求預(yù)測、器材儲備分析、器材倉儲優(yōu)化、運輸路徑優(yōu)化等工作。

應(yīng)用維主要需要用到的關(guān)鍵技術(shù)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、蟻群算法、深度學(xué)習(xí)、貝葉斯分類算法、決策樹等智能算法；回歸分析、時間序列預(yù)測、仿真預(yù)測、支持向量機等預(yù)測技術(shù)；圖論、GIS（Geoinformation system）系統(tǒng)等路徑規(guī)劃算法；以及軟件開發(fā)、人機交互等其他相關(guān)技術(shù)。

（5） 連接維：傳遞模型內(nèi)外信息

連接維是數(shù)字孿生模型內(nèi)部物理維、孿生維、數(shù)據(jù)維、應(yīng)用維之間以及模型與外界模型相互通信所使用到的硬件、軟件、協(xié)議的集合，在模型各維度之間建立全連接，并建立與外界模型通信的通道，保障數(shù)據(jù)調(diào)用通暢，是數(shù)字孿生模型的重要橋梁。

在運行過程中，物理維、孿生維、數(shù)據(jù)維、應(yīng)用維之間需要傳遞大量數(shù)據(jù)，模型與模型之間也需要數(shù)據(jù)溝通，數(shù)據(jù)傳遞的通道與規(guī)范由連接維進行支持。通過連接維，各維度之間緊密相連、相互映射，模型之間也可分享數(shù)據(jù)，相互提供依據(jù)。

對內(nèi)，通過連接維，各維度之間可以及時采集并實時共享所需數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對裝備的精準(zhǔn)描述、準(zhǔn)確分析與預(yù)測。對外，通過連接維可以與維修保障信息系統(tǒng)相連接，獲取維修保障系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)，也可以與上級裝備保障數(shù)字孿生模型、本單位其他裝備數(shù)字孿生模型、基于數(shù)字孿生的倉儲管理模型等模型相連，及時獲取外部信息，作出正確分析與決策。

數(shù)據(jù)的通信主要需要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線電傳輸技術(shù)、光纖通信技術(shù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等技術(shù)的支持。

3 數(shù)字孿生模型應(yīng)用設(shè)想

利用裝備保障數(shù)字孿生模型，可以在仿真模型中實現(xiàn)對實體模型的狀態(tài)跟隨，隨時掌握裝備維修保障系統(tǒng)的實時狀態(tài)，分析系統(tǒng)運行規(guī)律，并可以以當(dāng)前狀態(tài)為初始狀態(tài)進行各種環(huán)境條件下的系統(tǒng)仿真運行，進行保障需求預(yù)測與保障決策驗證。陸軍合成旅典型裝備保障系統(tǒng)數(shù)字孿生模型的應(yīng)用設(shè)想如下：

3.1 數(shù)據(jù)融合分析

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)采集、存儲與處理能力得到大幅提升，有效利用數(shù)據(jù)精確掌握裝備保障需求、提高裝備保障能力成為可能。及時收集和記錄維修保障系統(tǒng)、典型裝備、可更換單元的各類數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)，充分利用數(shù)據(jù)分析裝備故障規(guī)律、預(yù)測維修器材需求，及時作出最優(yōu)決策、進行精確保障。

陸軍合成旅合成程度高，新型裝備多，為了使信息獲取更精確、決策效果更優(yōu)，需要有更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)登記統(tǒng)計需求量越來越大、對數(shù)據(jù)的精確程度和統(tǒng)計速度要求越來越高，傳統(tǒng)的人工統(tǒng)計、逐層匯總的模式逐漸不能適應(yīng)裝備保障的需要。

數(shù)字孿生模型可以利用傳感器、射頻識別等技術(shù)，動態(tài)收集記錄裝備保障系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、所屬裝備數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)等，對裝備保障各類數(shù)據(jù)進行整合，并可通過網(wǎng)絡(luò)同其他數(shù)字孿生模型遠程交換數(shù)據(jù)，從而可以減輕當(dāng)前數(shù)據(jù)統(tǒng)計壓力，解決當(dāng)前裝備保障數(shù)據(jù)利用率不高的問題。

利用數(shù)字大屏技術(shù)，可以使各級指揮員和裝備保障人員很方便地了解所屬裝備的保障情況，從整體上把握全局，以全局的視角進行決策，達成全局最優(yōu)的目的。

通過計算機仿真與智能算法的分析，對獲取的數(shù)據(jù)進行保障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、故障規(guī)律擬合預(yù)測、可靠性數(shù)據(jù)計算，可以實現(xiàn)裝備管理、狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、維修器材需求預(yù)測等功能，為實現(xiàn)輔助決策各項功能作數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)裝備精確保障的目標(biāo)。

3.2 健康狀態(tài)評估

及時評估裝備健康狀態(tài)，提前感知裝備故障情況，查找薄弱環(huán)節(jié)和安全隱患，在故障前做好應(yīng)對準(zhǔn)備，對保持裝備良好運行、提高裝備保障工作的主動性非常重要［13-14］。

傳統(tǒng)的健康狀態(tài)評估多采用人工評估方式，人工統(tǒng)計梳理各類數(shù)據(jù)，依據(jù)專家經(jīng)驗進行打分，依據(jù)統(tǒng)計規(guī)律設(shè)定閾值，以此判定健康狀態(tài)。這對專家的技術(shù)水平要求較高，評估結(jié)果容易受到主觀因素的影響。隨著裝備日益復(fù)雜，對精確保障的需求日益高漲，需要統(tǒng)計的表征裝備狀態(tài)的數(shù)據(jù)需求越來越多，人工統(tǒng)計梳理數(shù)據(jù)耗時長、錯誤率高，影響評估的準(zhǔn)確性和時效性。傳統(tǒng)的健康狀態(tài)評估方法無法做到實時動態(tài)評估，不利于精確保障的實現(xiàn)。

利用數(shù)字孿生模型與實體裝備和保障要素虛擬同步運行，通過傳感器實際測量獲取易于測量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過虛擬仿真獲取不易測量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，虛實結(jié)合，全面獲取表征裝備健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)。探索數(shù)據(jù)驅(qū)動下的裝備健康狀態(tài)等級劃分，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法分析裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，找出裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)與健康狀態(tài)之間的規(guī)律，研究數(shù)據(jù)驅(qū)動下的裝備健康狀態(tài)評估方法，可以及時對每個單元的運行情況與健康狀態(tài)進行分析，對臨近故障狀態(tài)的單元進行預(yù)警提示。

利用數(shù)字孿生模型開展基于健康狀態(tài)評估的裝備維修需求分析，分析健康狀態(tài)與維修需求基本關(guān)系，構(gòu)建基于健康狀態(tài)評估的裝備維修需求分析模型，可以實現(xiàn)裝備健康狀態(tài)的實時評估，主動發(fā)現(xiàn)裝備故障苗頭，進行預(yù)測預(yù)警，準(zhǔn)確分析維修需求，指導(dǎo)保障人員提前準(zhǔn)備和及時維修。同時，采集到的裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)，可以為裝備保障仿真預(yù)測提供初始條件。

3.3 多種條件下的仿真預(yù)測

維修器材是實施裝備維修保障的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［15］，其保障水平與補充策略直接影響部隊?wèi)?zhàn)斗力生成和經(jīng)費使用效益［16-17］。器材供應(yīng)不足將會導(dǎo)致裝備完好率的下降，影響戰(zhàn)斗力生成；器材積壓過多又會提高庫存成本，降低經(jīng)費使用效益［18］。因此，對未來一段時間內(nèi)的裝備維修器材需求進行預(yù)測，對部隊準(zhǔn)確掌握器材需求、提出器材申請，提前進行器材儲備、減少裝備待修時間，具有重要意義。

陸軍合成旅裝備種類多元、執(zhí)行任務(wù)多樣，不同的裝備在不同的階段執(zhí)行不同的任務(wù)，將會面臨不同的裝備使用環(huán)境，裝備故障規(guī)律不同，且裝備運行的后一階段受到前一階段使用狀況的影響，裝備狀態(tài)始終處于動態(tài)變化之中。通過解析的方法難以對裝備的運行狀態(tài)、故障規(guī)律和維修器材需求進行精確的預(yù)測，需要使用仿真方法解決預(yù)測問題。

利用數(shù)字孿生模型，通過調(diào)整仿真參數(shù)，可以對裝備在不同使用任務(wù)、運行環(huán)境、維修策略、倉儲策略條件下進行仿真，全面模擬裝備即將工作的運行環(huán)境。

通過全面考慮每一件裝備實際狀態(tài)、運行情況，基于歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)時狀態(tài)、故障規(guī)律，利用大數(shù)據(jù)分析、智能算法等技術(shù)，研究裝備運轉(zhuǎn)與環(huán)境對裝備健康狀態(tài)的影響。

通過仿真裝備運行環(huán)境，考慮運轉(zhuǎn)與環(huán)境對裝備健康狀態(tài)的影響，以裝備當(dāng)前健康狀態(tài)為初始狀態(tài)，驅(qū)動裝備在仿真的環(huán)境下模擬運行，可以仿真裝備的運行狀態(tài)，獲取各項運行參數(shù)，從而對維修器材需求進行預(yù)測、對器材籌備策略進行優(yōu)化，為裝備保障決策提供支撐。

4 結(jié)束語

陸軍合成旅作為陸軍新型作戰(zhàn)力量，其裝備合成程度高，保障問題復(fù)雜。新的裝備發(fā)展形勢和訓(xùn)練備戰(zhàn)要求，對裝備“精確保障”的要求越來越高。利用數(shù)字孿生模型，可以準(zhǔn)確評估系統(tǒng)中每臺裝備、每個單元的實時健康狀態(tài)，掌握裝備保障各要素的實時狀態(tài)。通過各維度間的迭代優(yōu)化，實現(xiàn)對裝備保障系統(tǒng)的預(yù)測、優(yōu)化與決策，可以有效預(yù)測裝備故障，提前籌措維修資源，做好維修準(zhǔn)備，增強裝備保障的及時性、主動性。在裝備發(fā)生故障前夕對故障進行維修，避免發(fā)生“維修過?！薄熬S修不足”現(xiàn)象，提高裝備單元的利用率，降低裝備維修保障費用，提升裝備維修保障效益。

本文通過對研究對象的分析，廓清了研究系統(tǒng)的內(nèi)涵和外延，掌握了系統(tǒng)運行規(guī)律。通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型框架，清晰刻畫了數(shù)字孿生模型的結(jié)構(gòu)。通過探索各維度的關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字孿生模型的構(gòu)造與應(yīng)用提供了方法。通過研究模型的應(yīng)用設(shè)想，具體闡述了數(shù)字孿生模型如何發(fā)揮實際作用的問題。

需要指出的是，理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生模型囊括了整個裝備保障系統(tǒng)所有要素的全部數(shù)據(jù)。但目前數(shù)字孿生技術(shù)在軍事裝備保障領(lǐng)域的研究尚處于初步研究階段，相關(guān)軟硬件設(shè)施還在進一步探索中。同時，受到經(jīng)費、人才、標(biāo)準(zhǔn)等多方面的限制，這種狀態(tài)在目前的狀況下很難實現(xiàn)。

因此，研究基于數(shù)字孿生的裝備維修保障，可以根據(jù)自身研究方向，重點對關(guān)鍵組元和關(guān)鍵指標(biāo)進行研究。具體研究中，可以在通用數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)上，選擇研究重點關(guān)注的方面，調(diào)整數(shù)字孿生模型各維度的內(nèi)容、參數(shù)，設(shè)計相應(yīng)算法，使模型更加適合主要研究的問題，如基于數(shù)字孿生的PHM、數(shù)字孿生倉庫、基于數(shù)字孿生的器材配送管理等。