艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的內(nèi)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(shù)字化為主要特征的第四次工業(yè)革命，正在推動武器裝備和戰(zhàn)場環(huán)境進入數(shù)字化時代，利用數(shù)字化技術(shù)將武器裝備各類實體、行為映射到數(shù)字空間，借助數(shù)字空間數(shù)據(jù)高速流動、零成本試錯等優(yōu)勢，通過“反復迭代、數(shù)字尋優(yōu)”化解復雜系統(tǒng)的不確定性，從而實現(xiàn)資源高效配置、體系賦能增效，已成為全域作戰(zhàn)環(huán)境下武器裝備論證、研制和運用等全生命周期轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要手段[1]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是指水面艦艇或潛艇平臺上執(zhí)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(wù)，完成對敵獨立或協(xié)同作戰(zhàn)的各要素及人員的綜合體[2]。通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生的虛擬艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，可為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)新概念戰(zhàn)法創(chuàng)新研究、新技術(shù)新功能集成驗證、新架構(gòu)設(shè)計與流程優(yōu)化驗證、集成效能驗證等提供低成本、高效率的開發(fā)、集成、驗證和展示環(huán)境。一是可運行于實驗室環(huán)境，為后續(xù)作戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、頂層設(shè)計與能力驗證、新技術(shù)成果集成驗證提供研發(fā)測試平臺；二是可在實艇上實裝試用，通過特殊協(xié)議從艦艇獲取實戰(zhàn)數(shù)據(jù)，用于測試“虛擬系統(tǒng)”新技術(shù)，縮短新技術(shù)戰(zhàn)斗力生成轉(zhuǎn)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(tǒng)”在實驗室、實艇平臺以及訓練中心的建設(shè)和應用，實現(xiàn)虛擬平行系統(tǒng)與實裝系統(tǒng)間的迭代牽引發(fā)展，縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)能力升級周期?？偟膩碚f，開展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的應用研究，可為艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)科學設(shè)計、全集研制、能力提升和基線發(fā)展提供科學決策的依據(jù)和思路。

1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生需求分析

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)復雜、裝備規(guī)模大，包含聲吶、光電、雷達、武器、控制、計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信等多個專業(yè)領(lǐng)域，涉及作戰(zhàn)概念分析、使命任務(wù)分析、功能性能分析、系統(tǒng)設(shè)計、人因工程設(shè)計、軟件設(shè)計、硬件設(shè)計、機械設(shè)計、算法仿真、系統(tǒng)集成驗證、通用質(zhì)量特性等多個專業(yè)方向，多家配套科研院廠所協(xié)同設(shè)計，一般包含設(shè)備、二級系統(tǒng)、一級系統(tǒng)3 個級別的集成和驗證，是一項涉及多個系統(tǒng)/設(shè)備、多個學科領(lǐng)域、多個專業(yè)方向、多個協(xié)作單位、多層次集成的復雜系統(tǒng)工程。從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制特點上來說，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(xiàn)軍事需求與裝備能力閉合。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)總體論證是對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)功能、性能、組成、關(guān)鍵技術(shù)、試驗方案等各方面總體工作進行初步設(shè)計和論證的階段，需進行跨學科、跨專業(yè)、跨系統(tǒng)的反復權(quán)衡、迭代與論證。因此，急需構(gòu)建自上而下、完整閉合的需求條目，提升需求閉合、數(shù)據(jù)利用、系統(tǒng)協(xié)同以及需求追溯檢查能力，進而完成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)總體論證與裝備研制流程的對接，實現(xiàn)需求的可覆蓋性和可追溯性。

1.2 裝備研制階段需求

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

設(shè)計風險釋放能力不足、難以控制試驗成本與進度風險。系統(tǒng)在研制過程中通過組織各種聯(lián)調(diào)試驗，驗證作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部軟硬件集成、軟件部署和系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性，驗證技術(shù)、暴露問題，消除技術(shù)風險。由于前期設(shè)計過程中，缺乏有效的全系統(tǒng)驗證手段，設(shè)計階段風險無法充分釋放，試驗過程中因接口設(shè)計、流程設(shè)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(lián)調(diào)試驗的數(shù)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(shù)字樣機的仿真驗證環(huán)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(zhì)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(tài)實時感知和預測能力，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)外場裝備質(zhì)量問題出現(xiàn)的風險無法進一步下降，且復雜武器裝備帶來的技術(shù)質(zhì)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(zhàn)系統(tǒng)外場裝備質(zhì)量問題處理難度進一步增大。因此，急需增強艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字化綜合保障能力，實現(xiàn)對在役系統(tǒng)裝備實時狀態(tài)進行全面一致的描述，從而支持艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)故障預測、健康管理以及遠程有效管控。

仿真驗證環(huán)境能力不足、難以支撐系統(tǒng)能力漸進式提升。一方面，在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗和總裝集成結(jié)束后，技術(shù)狀態(tài)基本固化，新能力提升缺乏完整固定的陸上集成驗證環(huán)境，未能形成虛擬數(shù)字仿真驗證環(huán)境，難以支撐后續(xù)新技術(shù)反復迭代測試優(yōu)化[6]；另一方面，新設(shè)備、新軟件、新算法、新技術(shù)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(zhuǎn)入實艇作戰(zhàn)測試階段，待艦艇返航后工業(yè)部門再根據(jù)測試數(shù)據(jù)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(zhàn)系統(tǒng)快速集成能力，支持各種成熟產(chǎn)品的快速植入，支持功能即插即用、應用靈活增減、要素動態(tài)集成，促進系統(tǒng)能力不斷漸進提升，構(gòu)建作戰(zhàn)系統(tǒng)的測試分析和認證環(huán)境，縮短關(guān)鍵測試完成時間、提升測試分析速度，從而加速艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的基線式發(fā)展。

2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生基本內(nèi)涵

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生是指對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體在虛擬空間的全要素重建及映射，旨在構(gòu)建一個集成的多物理、多尺度、超寫實、動態(tài)概率仿真模型，基于模型與數(shù)據(jù)對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(zhàn)系統(tǒng)進行評估、預測和優(yōu)化[7]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)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(zhàn)系統(tǒng)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(shù)據(jù)以及虛擬空間向物理空間反饋信息[8]。

從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的發(fā)展階段和各階段成果出發(fā)，將艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵分為3 個層次：第1 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)論證階段的孿生胚胎體，第2 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)研制階段的孿生映射體，第3 層為支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體是對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(zhàn)系統(tǒng)物理實體存在，并持續(xù)于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體和數(shù)字孿生體的整個生命周期。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體是在各領(lǐng)域的科研樣機或原型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)的主要功能性能以及關(guān)鍵技術(shù)等驗證需求，集成相應信息總線和模擬器而構(gòu)建的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)原型系統(tǒng)。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生胚胎體將表達物理實體的靜態(tài)文本或數(shù)據(jù)信息，上升到能初步反映物理實體主要功能、體系架構(gòu)、作戰(zhàn)流程、關(guān)鍵技術(shù)的動態(tài)領(lǐng)域，并經(jīng)過不斷設(shè)計修改后高度逼近艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)真實物理實體。雖還會和未來實現(xiàn)的物理實體有差距，但可指導其實現(xiàn)過程。

2.2 裝備研制階段的孿生映射體

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體通過對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體進行多層級數(shù)字化映射，建立面向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體組成、功能特性、行為邏輯、運行流程的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。孿生數(shù)據(jù)是孿生映射體的基礎(chǔ)，可實現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體的真實狀況，實現(xiàn)全面展示、精確描述和動態(tài)監(jiān)控[10]。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體作為模型和數(shù)據(jù)存儲平臺，采集各類原始數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行融合處理后，可通過模型定義、數(shù)據(jù)綁定、可視化等手段動態(tài)驅(qū)動對象狀態(tài)變化，從而真實描述艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體的狀態(tài)和行為。同時，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生映射體可先于物理實體在虛擬空間內(nèi)開展數(shù)字模型、數(shù)字樣機的集成，從而在裝備研制階段實現(xiàn)虛擬空間內(nèi)的協(xié)同設(shè)計、仿真驗證與聯(lián)調(diào)試驗，并持續(xù)牽引物理實體的研制工作，實現(xiàn)在研制階段的循環(huán)迭代驗證。此外，通過艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(jié)合作戰(zhàn)仿真推演系統(tǒng)，開展紅藍對抗試驗，提前開展作戰(zhàn)系統(tǒng)改進驗證。

2.3 裝備保障階段的孿生共生體

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)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(shù)據(jù)、模型和功能。同時根據(jù)物理實體的運行機理和服務(wù)需求，建立由機理和數(shù)據(jù)驅(qū)動演化的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)智能模型，能夠精準控制艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體。艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體一方面是根據(jù)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體行為流程、內(nèi)部機理等建立起來的精確數(shù)學模型，另一方面是通過對系統(tǒng)釆集的大量觀測數(shù)據(jù)運用機器學習和統(tǒng)計學等理論進行充分分析后，建立以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型[11]。因此，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體可基于物理實體的先驗知識、實際經(jīng)驗和運行機理，并對物理實體反饋的信息歷史數(shù)據(jù)進行深度學習、精確模擬及分析預測，最終實現(xiàn)對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體狀態(tài)評估、問題診斷以及健康預測。此外，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)孿生共生體在物理實體交裝后，為各類新技術(shù)的開發(fā)、測試、驗證和植入提供了虛擬集成平臺，確保將新能力持續(xù)引入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的能力提升過程中。

3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生總體架構(gòu)

3.1 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生應用架構(gòu)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體的具體應用是用戶操作空間、數(shù)字孿生空間、現(xiàn)實物理空間的綜合運用和集成聯(lián)動，服務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、模型管理、標準管理等功能活動貫穿于艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)不同空間內(nèi)并驅(qū)動艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各階段數(shù)字孿生的運行迭代。通過物理與虛擬接口的交叉連接、數(shù)據(jù)的深入集成挖掘和分析、模型的服務(wù)化集成與封裝，在數(shù)字孿生空間構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的功能模型、性能模型、機理模型和智能模型，實現(xiàn)對艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)各類實體及功能活動在數(shù)字空間的映射、反饋、分析與預測，為用戶提供需求分析、系統(tǒng)設(shè)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(zhàn)系統(tǒng)全生命周期交付數(shù)字化、信息化、智能化能力。

3.2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生充分利用已有艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)行業(yè)積累的各種歷史數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、模型以及計算機輔助軟件等信息化建設(shè)成果。在各類開發(fā)工具的支持下，采用分層與功能模塊集合的方式實現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生全周期全業(yè)務(wù)全要素的無縫集成與功能整合，自下而上分為業(yè)務(wù)層、模型層、數(shù)據(jù)層、工具層、基礎(chǔ)層、能力層。

基礎(chǔ)層一方面旨在構(gòu)建艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體全生命周期的可信基礎(chǔ)環(huán)境，包括計算服務(wù)、通信網(wǎng)絡(luò)、存儲備份、安全防護、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施，另一方面旨在解決模型開發(fā)、模型接口、數(shù)據(jù)交互等的缺乏統(tǒng)一性問題，包括模型要素描述規(guī)范、模型接口規(guī)范等數(shù)字孿生通用規(guī)范等。

圖2 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生全生命周期應用架構(gòu)Fig.2 Warship combat system digital twin full life cycle application architecture

工具層包括匹配專業(yè)級、系統(tǒng)級、體系級以及戰(zhàn)場環(huán)境建模需求的專業(yè)建模仿真工具、系統(tǒng)工程建模工具、戰(zhàn)場建模仿真工具、體系模型構(gòu)建工具，以及通用質(zhì)量特性設(shè)計工具、密級管理工具等。此外，通過數(shù)字化協(xié)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(shù)據(jù)層包括作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體全生命周期涉及的各類數(shù)據(jù)信息以及歷史數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)計開發(fā)數(shù)據(jù)、原型驗證數(shù)據(jù)、仿真試驗數(shù)據(jù)、樣機生產(chǎn)數(shù)據(jù)、樣機試驗數(shù)據(jù)、總裝集成數(shù)據(jù)、聯(lián)調(diào)試驗數(shù)據(jù)、裝備試驗數(shù)據(jù)、裝備運行數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)訓練數(shù)據(jù)等。

模型層包括作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體不同類型的模型，但每一類模型覆蓋作戰(zhàn)系統(tǒng)全生命周期進行演化，包括系統(tǒng)架構(gòu)模型、指標體系模型、關(guān)鍵機理模型、信息流程模型、指標關(guān)聯(lián)模型、探測機理模型、業(yè)務(wù)活動模型，綜合評估模型、毀傷機理模型、系統(tǒng)組成模型、指標集成模型、智能學習模型。

業(yè)務(wù)層旨在面向艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體裝備用戶和工業(yè)部門提供的各類服務(wù)，包括需求管理服務(wù)、設(shè)計管理服務(wù)、制造管理服務(wù)、測試管理服務(wù)、試驗管理服務(wù)、運行管理服務(wù)、數(shù)據(jù)管理服務(wù)、模型管理服務(wù)、效能評估服務(wù)、仿真分析服務(wù)、對抗演訓服務(wù)等。

能力層在基礎(chǔ)層、工具層、數(shù)據(jù)層、模型層和業(yè)務(wù)層共同支撐下，形成基于模型的系統(tǒng)設(shè)計能力、基于模型的產(chǎn)品實現(xiàn)能力、工藝設(shè)計及智能仿真制造能力、系統(tǒng)及虛擬集成驗證能力等。

圖3 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生總體系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Ship combat system digital twin overall system architecture

4 艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生能力特征

4.1 系統(tǒng)頂層架構(gòu)特征

具備面向新能力測試驗證的服務(wù)開放架構(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體可在虛擬空間內(nèi)支持功能即插即用、應用靈活增減、要素動態(tài)集成，各專業(yè)的樣機、算法、模型、軟件可在實驗室內(nèi)的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)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(xié)議從艦艇獲取實戰(zhàn)數(shù)據(jù)，在實艇部署內(nèi)的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體上進行海上試驗驗證，大幅縮減新技術(shù)轉(zhuǎn)換為實戰(zhàn)能力的時間。

具備面向全生命周期互通的數(shù)據(jù)開放架構(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體支撐物理實體在全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)定義、生成、存儲、清洗、關(guān)聯(lián)、挖掘、分析演化、融合等數(shù)據(jù)操作與管理。從階段上來說，包括概念設(shè)計數(shù)據(jù)、研制設(shè)計數(shù)據(jù)、試驗測試數(shù)據(jù)、實艇運行數(shù)據(jù)等，從維度上來說，包括虛擬仿真數(shù)據(jù)、數(shù)字樣機數(shù)據(jù)、物理樣機數(shù)據(jù)、實艇運行數(shù)據(jù)等，從而支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(gòu)，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體支持不同級別、不同領(lǐng)域的模型集成，從概念設(shè)計模型、總體方案模型、數(shù)字樣機模型到數(shù)字產(chǎn)品模型，從作戰(zhàn)場景模型、信息流程模型、狀態(tài)監(jiān)測模型到智能預測模型，并支持數(shù)字模型與物理樣機的混合部署與虛實聯(lián)動。結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計、作戰(zhàn)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(shè)的虛實互動設(shè)計機制，從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)得裝備論證、研制和保障共3 個階段，圍繞裝備實體建設(shè)和數(shù)字孿生體系動態(tài)演進2 條主線，從構(gòu)建各專業(yè)實物、模擬器、數(shù)字樣機等組成的虛實聯(lián)動原型驗證系統(tǒng)出發(fā)，在全過程不斷推進數(shù)字樣機的開發(fā)集成工作，并在虛擬空間內(nèi)進行物理實體的動態(tài)檢驗和迭代優(yōu)化，支撐艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體研制工作。

具備面向作戰(zhàn)指揮決策的虛實互動預測機制，實艇部署的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，通過與艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)物理實體的實時數(shù)據(jù)傳輸，持續(xù)從物理實體獲取戰(zhàn)場情報信息、系統(tǒng)狀態(tài)信息，并通過戰(zhàn)場實體模型的超實時仿真運行，不斷對敵我態(tài)勢進行動態(tài)預測并反饋給物理系統(tǒng)，輔助指揮員形成作戰(zhàn)方案。同時能夠?qū)ψ鲬?zhàn)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(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，實時對本艇的健康狀態(tài)進行監(jiān)控預測，并能夠基于真實環(huán)境和數(shù)據(jù)實時對新技術(shù)應用進行海上驗證[13]，實驗室部署的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體。通過離線導入的物理實體數(shù)據(jù)，對物理實體進行問題診斷、健康預測，并在虛擬空間內(nèi)訓練形成的智能算法和模型，支持快速集成至艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)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(zhàn)理論與戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法研究，適應未來戰(zhàn)爭立體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展趨勢，基于作戰(zhàn)仿真推演平臺以及體系設(shè)計工具，并結(jié)合作戰(zhàn)對象、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化，集成艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，綜合運用體系工程、軍事運籌理論，在數(shù)字空間內(nèi)開展基于體系的艦艇作戰(zhàn)理論與戰(zhàn)法研究，并分析不同系統(tǒng)組成、裝備性能對艦艇作戰(zhàn)效能和體系貢獻度的影響，持續(xù)牽引艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備建設(shè)和技術(shù)發(fā)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(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體。基于典型作戰(zhàn)想定，在虛擬空間內(nèi)，分別從艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的態(tài)勢感知、指揮決策、武器控制、基礎(chǔ)保障等環(huán)節(jié)，開展艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)信息流程與指揮流程研究，不斷加強功能融合、設(shè)備集成、流程優(yōu)化、參數(shù)簡化、通道并行，提升艦艇攻防對抗效能與舷內(nèi)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(zhàn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生體故障關(guān)聯(lián)關(guān)系與物理裝備基本一致?；谂炌ё鲬?zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生體，可快速構(gòu)建各種典型故障場景，結(jié)合虛擬現(xiàn)實等人機交互技術(shù)，支持在數(shù)字空間內(nèi)開展作戰(zhàn)系統(tǒng)全流程的裝備維修和操作訓練[15]。

5 結(jié) 語

艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)作為體系架構(gòu)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(tǒng)。通過艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生使得系統(tǒng)在模型、服務(wù)、數(shù)據(jù)的開放式架構(gòu)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了作戰(zhàn)系統(tǒng)在管理、設(shè)計、運用和保障的虛實互動機制，促進作戰(zhàn)系統(tǒng)從交付裝備向交付能力轉(zhuǎn)變，降低了系統(tǒng)成本，提升了裝備質(zhì)量，大幅縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)新能力的升級和部署周期。此外，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)是海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系能力生成的核心，是海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系各類信息要素縱向流轉(zhuǎn)、作戰(zhàn)活動橫向貫通的重要紐帶，艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生是現(xiàn)代戰(zhàn)場向數(shù)字化轉(zhuǎn)變的需要，是未來武器裝備向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然要求，是提升海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系的能力集成與快速迭代的重要途徑，必將成為重構(gòu)海上聯(lián)合作戰(zhàn)體系發(fā)展和運用的新范式。