2023武器装备系统数字孪生技术.docx

《2023武器装备系统数字孪生技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023武器装备系统数字孪生技术.docx（12页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、2023武器装备系统数字挛生技术目录摘要1前言21 .数字挛生的内涵21.1. 1.数字挛生的概念21.2. 数字挛生应用意义31.3. 数字李生潜力有多大31.4. 数字李生系统与平行系统、仿真推演系统的关系42 .武器装备系统数字挛生的要素53 .武器装备系统数字挛生总体框架63. 1. 技术框架63. 2.应用框架63. 3.装备感知技术73. 4.模型构建技术73. 5.系统集成技术73. 6.评估预测技术74. 7.交互控制技术84.数字挛生技术：“智胜”未来战场84. 1.前述84. 2.实景教学让晦涩的授课变得通俗易懂85. 3.辅助决策 让虚拟场景与战场数据擦出火花95.4.

2、沉浸训练让受训者身临其境感受战火硝烟104. 5.研发装备让数字模型从虚拟向实体蜕变115.武器装备系统数字挛生发展启示11摘要介绍了数字挛生技术的起源及概念，分析了数字李生系统与平行系统/仿 真推演系统等区别，针对数字李生在武器装备系统中的应用，进行了技术框架 和应用框架设计，并提出了武器装备系统数字李生在装备感知、模型构建、系 统集成、评估预测、交互控制五大领域的关键技术，给出了武器装备系统数字 李生发展在理论及实践方面的启示，以期对武器装备系统中数字李生技术的应 地下定战场决心。此外，各级指挥员通过虚拟场景交互，实现战场信息的高度 共享，有助于解决多系统控制要求高、多兵种协调性差、跨平台

3、规划作战难等 问题。通过数字李生技术构建的虚拟战场，实际上是一种综合运用大数据技术、 人工智能技术、3R(虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR)技术、知识图 谱技术等于一体的智能化战场。这样的虚拟战场环境场景更加逼真，对战场态 势的演化过程计算模拟得更精确，推演过程、推演结果也都更加贴近实战。第十一届中国国际国防电子展览会上，北京某公司展示出了一款联合作战 态势可视化平台系统。这个系统运用了数字李生技术，支持海量数据资源整 合、战场态势可视化显示、多军兵种作战辅助决策等。4. 4.沉浸训练让受训者身临其境感受战火硝烟一群穿戴全套训练设备的士兵正在训练，有的在车辆中紧张地做着驾驶动 作，有的

4、在左右转动车顶的机枪并狂扣扳机，有的在地面“原地”做出各种战 术动作这群士兵操纵的并非真实的武器装备，却能依托呈现设备感受到作 战训练“实况”。数字挛生技术融合实景三维建模技术、大数据技术等，构建军事训练场景 数字李生平台，可以实现人、装备、环境虚拟与现实的有机结合，形成战场环 境的动态虚拟呈现。在虚拟与现实相融合的训练环境中，参训者的触觉、嗅 觉、视觉、听觉全面沉浸，虚拟装备和设备的数据及时反馈，训练效果显著提 升。据报道，美国弹弓宇航公司(Slingshot Aerospace)为美国太空军开发了 一 款数字李生训练工具。它基于物理学的模拟，结合在轨物体实时跟踪映射、先 进的空间天气数据等

5、，可准确模拟当前的太空状态，最大限度提升太空训练的 沉浸感。通过搭建训练“新基地”，将数字化技术深度融入战术训练，可在实现资 源共享的同时，大幅降低训练资源获取成本。建造基于数字挛生的实景三维模 拟训练场，能够“把大的战场缩小来训、把远的战场拉近来训、让少数人训变 成大多数人训、把境外战场放到境内来训”。培训设备费用昂贵、传统实景系 统沉浸感不强以及人机交互系统构建复杂且交互性不好等问题，也能得以有效 解决。目前，世界各军事大国均已认识到数字李生技术的应用潜力，纷纷通过完 善虚拟训练系统提升训练质效。各国纷纷将数字李生技术应用于飞行模拟器， 通过模拟复杂飞行环境及突发情况，训练飞行员应急应变能

6、力。4. 5.研发装备让数字模型从虚拟向实体蜕变武器装备的及时研制、快速生产和维护维修是打赢战争、夺取胜利的重要 保证。数字挛生模型将传统“设计-样品-测试-模具-再样品”的实体研发模式， 变为“数字模型-测试-修改-定型”的虚拟研发模式，研发过程时间短、成本 低、效率高。如今，不少国家已经“尝到了甜头”。法国达索飞机公司利用数字李生技 术打造先进的智能装备测试系统，将某新型战斗机的研发成本降低25%。英国 宇航系统公司(BAE Systems Plc)公布了用于设计英国“暴风”第六代战斗机的 数字技术，通过数字李生模型和三维打印技术的结合，加快了战机的研发。美 国依托数字李生智能试验平台测试

7、F-35战斗机，将生产周期缩短了 5个月。基于数字李生技术的虚拟研发模式，避免了在样品实体上进行繁琐修正， 而是依托数字模型进行设计方案的优化。只需通过调整参数，即可快速、灵活 地切换至指定型号产品进行测试，大幅缩减新型装备的研发和定型时间。装备的科技含量越高，维护难度及成本也就越大。数字享生技术对解决复 杂武器装备故障问题也具有独特优势。装备交付使用前，通过虚拟空间获取装 备详细运行参数，存入数字模型。装备使用过程中，通过传感器实时反馈装备 运转数据，与模型参数进行比对，从而达到实时监测装备运行状态的目的。在数字学生技术诞生之初，美军已经提出将其应用于航空航天飞行器的健 康维护与保障。比如战

8、机试飞，在数字空间建立挛生体模型，并通过传感器与 飞机真实状态完全同步。每次试飞后，即可根据现有状况和过往载荷，及时分 析评估是否需要维修，能否承受下次任务载荷等。5.武器装备系统数字挛生发展启示当前，全球正在经历广泛而深刻的数字化革命，人类社会即将进入数字时 代。武器装备数字挛生技术运用到论证设计、研制生产、试验验证、运用保障 等各个阶段，可实现武器装备系统的全面数字化，全面提升研发质量，减少研 发成本，缩短研发周期，深刻改变未来军事竞争模式和战争演进模式。主要有 以下几点启示：1）为了提高装备数字化水平，支持全生命周期特性的呈现，在装备感知技 术方面，需要向精细化、智能化方向发展，智能温度

9、传感、智能压力传感等技 术需求迫切。2）实现武器装备系统数字学生的基础是模型要素，首先需要实现对单装的 高保真建模，为此要结合指控、传感、交战、通信等环节，在通用建模基础 上，充分应用专业建模技术，以实装为对照，在相同外部驱动下获取外部响 应，不断提高数字模型的置信度。3）实现武器装备系统数字挛生的瓶颈在于交互，若能实现舰艇武器装备、 要地武器装备等全面数据采集及反馈控制，对宽带通信、区块链等技术将提供 有力支持。同时数字李生与武器装备系统的通信能力、保密技术、研制程序等 作战运用机制直接相关，要推动各方面共同发展。4）实现装备状态检测及数字映射只是数字挛生的初始阶段，数字挛生的生 命力最终体

10、现在共智方面，基于大数据、智能化等技术的装备状态评估、预测 技术需持续发展，支持实现对海量数据的深化运用，从而实现武器装备系统的 先知、先觉，方能不断提升装备的能力。5）未来战场是体系作战，数字挛生同样需要体系化发展，要顶层牵引，层 层协调推进，避免出现短板影响全局。用提供技术支撑。刖百数字李生技术起源于2002年，到2017年进入快速发展期。目前，国内 工业领域、军事领域等也掀起了数字李生技术研究的热潮。数字学生作为一种 描述、优化物理实体的重要技术，在计算机仿真、数据采集等技术的支撑下， 既可以实现物理实体静态特性的数字化模拟，又可以实现物理实体随时间展现 的动态特性，甚至可与物理实体交互

11、、共生，从而为物理实体的调试、保障、 升级等提供了方法和手段。在数字挛生技术发展和应用过程中，因应用领域、 装备类型、运用阶段等不同，各领域对数字李生的理解和实践不同。作为实现 武器装备数字化、智能化的重要使能技术，在武器装备领域，数字挛生首先应 用于航空航天装备领域，后陆续应用于其他武器装备领域，向研发设计和生产 制造领域延伸，且覆盖产品全生命周期发展。本文通过梳理数字李生技术的内 涵，研究了武器装备系统数字挛生要素、总体框架及关键技术，为武器装备系 统的数字李生发展提供了支撑。1 .数字挛生的内涵1. 1.数字挛生的概念数字李生起源于2002年美国密歇根大学Michael Grieves教

12、授提出的“与物 理产品等价的虚拟数字表达”的概念。2012年，美国NASA针对航天器数字李 生进行定义，即“数字挛生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数 据，集成多学科、多尺度、多物理量、多概率的仿真过程，从而实现虚拟空间 反映相对应的实体装备的全生命周期过程”。2014年，Michael Grieves教授发 表了关于数字学生的白皮书，描述了数字挛生基本概念模型包括三个主要部 分：实体空间中的物理产品，虚拟空间中的虚拟产品，将虚拟产品和物理产品 联系在一起的数据和信息的连接。国内比较有代表性的数字学生概念描述主要 有两个。李培根院士提出数字挛生是“物理生命体”的数字化描述，“物理生命

13、 体”是指“孕育”过程（即实体的设计过程）和“服役”过程（运行、使用）中的物理实 体（如产品或装备），数字李生体是“物理生命体”在其“孕育”和“服役”过程中的数 字化模型。数字挛生不能只是物理实体的镜像，而应与物理实体共生。北京航 空航天大学数字挛生研究组提出数字挛生是基于物理实体、虚拟模型、挛生数 据、服务及交互连接五维模型的综合体，通过多维虚拟模型和融合数据双向驱 动及虚实闭环交互，实现监控、仿真、评估、预测、优化、控制等功能服务和 应用需求。综合来看，数字挛生的物理实体可以是万事万物，通过数字李生对 物理实体进行展现、分析、预测、优化，从而实现物理实体全生命周期运用价 值最大化。1.2.

14、 数字学生应用意义国防需求是颠覆性技术发展的重要推动力，各主要军事强国纷纷抓住数字 挛生技术在军事领域的应用潜力，加大数字挛生技术军事应用研发力度。那 么，数字李生技术融入国防建设会对军事领域带来什么变化呢？推动战争形态智能化演进。未来战场，数字挛生战场平台对指控中心提供 可靠的战场情报，武器装备实体与远程人脑、挛生智脑自主协同决策，无人化 智能装备常态化部署，人机“挛生共智”的智能化战争形态将会出现。智慧感知 战场态势。数字学生技术助力各类侦察手段智能组网，全方位、多维度捕获战 场态势，保障指挥员实时精确决策；智谋筹划作战决策。数字挛生推动传统系 统辅助决策向人机增强决策演进；精算控制作战行

15、动。双向映射关系实时反馈 行动数据，弥补“人在回路”指控能力的不足。促进战场信息体系重构化升级。传统战场体系通常只能单一化保障作战人 员与武器装备，而数字李生战场对现有信息体系重新调整和整合，做到多能一 体、虚实一体、云边一体，并逆向促进信息体系自身迭代升级。利于武器装备信息数字化建模。数字挛生技术是通过物理系统与虚拟空间 的映射关系，形成虚实结合建模仿真应用的新模式，达到武器装备数字化设 计、监测与评估。数字李生技术拓展了信息技术与人工智能技术融合背景下的 建模仿真新方法，将数据、算法与模型有机地结合在一起。将数字李生技术应 用到武器装备领域，能够实时掌握装备体系的技术参数，通过建模与仿真的

16、方 法不断提升科学决策水平，使装备始终维持在最佳性能状态。1. 3.数字李生潜力有多大据报道，波音公司的波音777客机是由数字李生的初期技术开发设计，研 发过程涉及的300多万个零部件，未使用任何图纸模型，完全依靠数字仿真推 演后量产，返工量减少50%,研发周期缩短40%。数字挛生技术在社会领域得到广泛应用，在军事领域也受到高度关注。数 字挛生技术拥有巨大的科技优势、广阔的应用前景、深厚的发展潜力，将在未 来军事领域大有用武之地。实景教学。在传统教学中，面对复杂的装备系统，原理构造不直观、装备 实操成本高、网络教学体验差的问题较为突出。将数字挛生技术引入教学领 域，通过现实与虚拟场景双向生态映

17、射，构建实景展示模型，不仅可以向学员 展示逼真的景况，还能够通过数字挛生体强化对现实设备的虚拟操作，既节省 教学成本又提升教学效果。比如，航空发动机专业教学就用到数字挛生技术， 解决复杂系统构造原理难以在二维平面展示的难题。沉浸训练。传统模拟器的开发不但需要软硬件的支持，而且对于训练场地 还有较高的要求，开发难度和成本不亚于制造一套全新的装备。基于数字李生 技术构设逼真的军事训练环境，推动虚实互动的沉浸式训练，利于提升军事训 练实战化水平。数字挛生技术解决了培训设备费用昂贵、传统实景系统沉浸感 不强以及人机交互系统构建复杂且交互性不好的问题。例如，数字挛生技术已 用于飞行模拟器上模拟复杂飞行环

18、境及突发情况，训练飞行员的应急应变能 力。辅助决策。观察(Observe)、判断(Orient)、决策(Decide)、行动(Act)构成 的循环杀伤链周期(OODA环)是衡量战场反应速度的一个重要指标，筹划决策 必须做到快速准确、优化高效、实时精准，才能满足未来实战需求。数字李生 技术依据战场环境及武器装备的数据参数，将现实战斗景况映射至虚拟战场， 实时呈现跨域战场态势、快速提供决策部署、协同调配武器装备等作战要素， 有助于解决多系统控制要求高、多兵种协调性差、跨平台规划作战难等问题。研发装备。武器装备的紧急研制、快速生产和维护维修是打赢战争、夺取 胜利的重要保证。数字李生实体模型改变传统“

19、设计-样品-测试-模具-再样品”的 研发模式，变为“数字模型-测试-修改-定型”的虚拟研发模式，研发过程时间 短、成本低、效率高。此外，数字李生技术依据前期算法训练，实现自动预测 武器装备故障，对于解决复杂武器装备故障问题具有独特优势。1.4. 数字学生系统与平行系统、仿真推演系统的关系与数字挛生系统相似的概念主要包括平行系统、仿真推演系统等。平行系统指由一个实际系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统组 成的共同系统，其中，人工系统是实际系统的数字化“仿真”，也为实际系统运 行提供可替代版本。平行系统的主要目的是通过实际系统与人工系统的相互连 接，对二者之间的行为进行实时动态对比与分析，以

20、虚实互动的方式，完成对 各自未来状况的借鉴和预估，人工引导实际，实际逼近人工，达到有效解决问 题以及学习和培训的目的。从概念可以看出，二者都强调人工系统是实际系统 的数字化，实际系统与人工系统之间存在迭代交互；同时，二者都为实际系统 运行提供可替代版本。仿真推演系统是通过模拟仿真的方法构建红蓝对抗环 境，支持装备系统作战能力评估和战术战法演练等的实现。仿真推演系统技术 已发展数十年，该系统包括红方及蓝方装备的数字仿真，与装备数字李生系统 相比，红方装备数字模型更强调装备的指标级性能呈现，而不强调具体行为与 装备的一致性。而数字李生系统旨在实现物理实体的全数字化描述，其具备装 备性能评估、预测及

21、优化能力，因而，在数字模型精确度、数据注入充分性等 方面具有更高的要求。因此，仿真推演系统偏向前期及顶层应用，数字李生系 统更偏向全生命周期及深化应用。2.武器装备系统数字享生的要素为实现对武器装备系统的展现、分析、预测、优化，武器装备系统的数字 挛生应包括模型、数据、软件、连接四大要素，其中，模型是基础，数据是关 键，软件是载体，连接是使能。1）模型：对武器装备系统进行数字李生，首先要建立装备的高保真数字模 型，以展现武器装备的基本物理特性、工作机理等，形成数字李生的骨骼。2）数据：在数字模型基础上，需要准确、持续地注入各种静、动态数据， 才能使装备数字模型实时、高置信度地呈现实际装备的时空

22、状态及功能行为。3）软件：以软件为载体，实现武器装备系统各模型的综合集成及在数据注 入下的驱动运行，从而形成一个虚拟的武器装备系统。4）连接：通过武器装备实际系统与其数字模型系统的连接，可实现实时采 集实际系统数据，动态使能观测、预测、优化、控制武器装备系统。3.武器装备系统数字享生总体框架1. 1.技术框架武器装备系统数字李生的技术框架如图1所示，基于武器装备实时数据、 军事规则数据等，构建武器装备数字模型及系统数据资源库、知识资源库，在 仿真推演工具、模型设计工具、专业分析工具等支持下进行软件化实现，然后 集成运用于武器装备系统的数字展现、数字分析、数字预测、数字优化等方 面。数掂采集数字

23、乎生应用数字屐现数字分析数字预测数字优化5?武器装备实际系统传展装备武器装备指控装备军事现则图1武器装备系统数字挛生技术框架3. 2.应用框架武器装备数字挛生系统由实体端和虚体端两部分组成，如图2所示。数字季生系统装备实体装备学生体传感装备测址传感装笛数字模啜武器装备武器装备数宇模型指控装备mt指控装备数字模型监控侦测系统状态监控智能分析智能学习智能预测综合管理图2武器装备系统数字享生应用框架实体端是指武器装备实际交战的传感装备、武器装备、指控装备等，其接 触真实物理世界，可以自成一体完成作战任务。虚体端由装备数字李生体、监控预测系统、数据库支撑。数字学生体子系 统用于实现对装备实体的数字展现

24、；监控预测子系统实现对装备实体的监控、 分析、预测、管理；数据库实现系统在线、离线数据的统一汇聚管理和迭代更 新。4武器装备系统数字挛生关键技术武器装备系统的数字李生技术涵盖装备感知领域、模型构建领域、系统集 成领域、评估预测领域、交互控制五大领域。本文结合武器装备系统特点进行 关键技术分析。3. 3.装备感知技术结合全生命周期性能评价需求，系统需要通过传感装备、武器装备、指控 装备、通信装备对自身数据及状态进行获取和感知，还需通过特殊传感材料、 MEMS芯片等对装备机械、电气部分进行状态感知测量，以实现装备在通用质 量特性等方面的数字化展现。3. 4.模型构建技术装备模型从微观到宏观分为单机

25、、系统两个层次。常用的单机级模型构建 技术包括计算机辅助设计(CAD)技术、计算机辅助工程(CAE)技术、优化(OPT) 技术及创成式设计(GD)技术等。系统级模型构建重点关注装备接口等系统级动 态性能，常用技术为基于UML/SysML的建模技术，可以快速将应用模型部署 到实时嵌入式操作系统，支持快速迭代开发。3. 5.系统集成技术系统集成是指基于MBSE进行单装建模后的模型集成过程。系统级模型构 建常用的技术包括产品全生命期管理(PLM)技术、基于SysML建模技术的 Rhapsody 和 MagicDraw 以及 Matlab/Simulink 等工具。3. 6.评估预测技术数字李生系统基

26、于从实装采集的数据、实装运用历史数据及从数字李生系 统中获得的数据，评估预测分析系统，通过智能分析、智能学习、智能预测等 技术获得数字李生与实装的匹配度，从分析中获得规律，并利用规律优化数字 挛生体的控制方法。大数据挖掘、机器学习、知识图谱等技术都是当前获得装 备洞察力的热点技术。3. 7.交互控制技术交互控制技术用于数字挛生向实装反馈增值。人机交互将人的因素融入数 字李生系统，操作者就可以通过更友好、更便捷的操作方式将控制指令反馈给 实际系统，实现数字挛生全闭环优化。随着智能技术的发展，人机界面向智能 化、多层次互动方向发展。4.数字学生技术：“智胜”未来战场4. 1.前述2022年7月21

27、日，阿里云在北京正式发布超融合数字李生平台。这个平 台可以将感知、仿真、控制、可视等四域数据进行融合和计算，保障李生世界 中分析推演的速度和准确性，并在相对应的真实世界场景中实现业务价值。目 前，该平台已广泛应用于高速管理、城市交通、港口调度、机场运营、车路协 同等场景。所谓数字李生，就是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据， 集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映 射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单来说，数字李生就是 在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。作为元宇宙技术体系的一员，数字李生技术与扩展现实、区块链、云计算 等技

28、术共同构成了一个虚拟时空的集合。随着数字李生技术的不断迭代发展， 其在社会领域得到广泛应用的同时，逐渐展现出强大的军事应用潜力。4. 2.实景教学让晦涩的授课变得通俗易懂要想学习一个新的机器或部件，最直接的方法就是将其拆解开来。但如果 没有实物或不便于拆解呢？以俄罗斯AL-31航空发动机为例。该航空发动机的结构极其复杂，采用双 轴、后燃器设计，全发动机零部件数量高达数万个。假如采取分解展示的方式 进行教学，实践起来极其困难；通过二维构造图讲解装备理论，又枯燥难懂。数字李生技术的出现，为航空发动机专业教学提供了新思路，有效解决了 二维平面图纸难以展示复杂系统构造及原理的难题。基于数字挛生技术的实

29、景教学，通过现实与虚拟场景双向映射，构建实景 展示模型。这样不仅可以实现与VR全景展示类似的实景虚构功能，而且能够 通过数字挛生体强化对实体设备的虚拟操作。这样的实景教学模式，在一些设有VR展馆的博物馆中已经得到了运用。 在基于虚拟现实技术的展示平台中，人们可以随意放大、缩小或旋转数字化展 品，甚至可以看到文物的内部。人们还可灵活切换不同文物，并同步聆听讲解 员的专业讲解。试想一下，当复杂的装备教学也像参观文物一样可以对各种细节一目了 然，晦涩的授课将会变得通俗易懂。数字挛生技术可将结构复杂、不便于拆解的部件进行数字可视化展示。构 建数字化李生体能够更加直观地展现装备结构、机件状态、行动原理，

30、教学内 容因此变得更加丰富且便于接受。如果用于教学的装备均制作数字李生体，挛生体的参数和物理实体一一对 应，学员可以在物理实体上进行实践操作，交互数据实时传回挛生体，挛生体 根据操作动作实时反馈有效信息。这样既解决了传统教学装备实操成本高、网 络教学体验差等问题，又能节省教学成本、提升教学效果。4. 3.辅助决策让虚拟场景与战场数据擦出火花当前，我们即将迎来智能化战争时代。在不确定因素导致诸多变量的未来 战场，面对复杂的敌情和战场环境，决策者只有客观认知、理性判断、科学分 析，才能作出正确的决策，而在决策方式的支持手段上，场景想定推演预判正 在扮演着越来越重要的角色。近几十年，美军先后研发了收集战场信息的“智能微尘”系统、远程监视 战场环境的“伦巴斯”系统、侦听武器平台运动的“沙地直线”系统、专门侦 收电磁信号的“狼群”系统等一系列传感网络，整合战场信息，构建起统一的 战场传感网络体系，以实现战场实体基础设施与信息基础设施互联互通的目 标。通过数字李生技术可以将现实战斗景况映射至虚拟战场，实时呈现战场数 据。指挥员通过挛生体掌握各作战单元、任务部队的情况，能够更为快速正确