李翔

(中國船舶集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

自從2011年美國空軍研究實驗室和NASA共同提出數(shù)字孿生的概念后，世界范圍內的數(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)中得到實踐應用，西門子、通用電氣、達索、ABB、空客等跨國公司都在積極參與[1]。在國防軍工領域，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，美國國防部牽頭組建數(shù)字制造創(chuàng)新機構，將數(shù)字孿生列為重點戰(zhàn)略投資方向[2]，通過大力發(fā)展數(shù)字孿生技術和裝備，適應武器裝備數(shù)字化設計、智能化發(fā)展、系統(tǒng)化試驗評估、實戰(zhàn)化訓練和綜合保障等新要求[3]，催生武器裝備新的采辦和運用模式，助力武器裝備向數(shù)智化方向發(fā)展。

國內對數(shù)字孿生技術的研究團隊主要集中在清華大學、北京航空航天大學等高校，及制造、電力、醫(yī)療、煤炭、智慧城市等行業(yè)。在國防和軍工領域，相關研究還不是很多，技術點也比較分散，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，分析研究了相關關鍵技術；周少偉等[4]梳理了在艦船動力系統(tǒng)研制中應用數(shù)字孿生技術的技術路線，研究構建了動力系統(tǒng)數(shù)字孿生體系；孟小靜等[5]研究了數(shù)字孿生技術在武器裝備工藝質量管理中的應用；竇金華等[6]研究了基于數(shù)字孿生的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)設計的有關關鍵技術。

艦炮是重要的水面艦艇作戰(zhàn)裝備，是非常復雜的集機、電、液、氣、光、磁等技術于一體的裝備，長期以“畫加打”的傳統(tǒng)研制模式研發(fā)和改進裝備，設計與開發(fā)階段基本可利用數(shù)字化構建虛擬樣機，利用商業(yè)軟件或部分行業(yè)內的動力學、內彈道、外彈道分析軟件進行仿真分析，試驗階段仍靠大量的實彈射擊試驗進行功能、性能的驗證和評估，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)字孿生艦炮的內涵和特點入手，分析數(shù)字孿生艦炮的技術難點，提出發(fā)展數(shù)字孿生艦炮的設想，拋磚引玉，供艦炮行業(yè)同行參考。

1 數(shù)字孿生艦炮的內涵和作用

1.1 數(shù)字孿生艦炮的內涵

按照美國空軍研究實驗室和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實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等全壽命周期過程[7]。隨后經(jīng)過很多專家學者的不斷補充和完善，數(shù)字孿生現(xiàn)在可以面向非常廣泛的領域、系統(tǒng)和產(chǎn)品。

具體到數(shù)字孿生艦炮，可以定義為：一種基于實體艦炮的數(shù)字化“克隆”艦炮，與實體艦炮的功能、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)等使其與實體艦炮在全壽命周期內同步成長、異步演化，且可通過仿真預測實體艦炮的健康狀態(tài)，為實體艦炮提供使用和維護等指導。

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)品設計

艦炮裝備的產(chǎn)品設計過程包括需求分析、方案論證、方案設計和技術設計，通過研究用戶需求，對艦炮的功能、性能、戰(zhàn)術技術指標、通用質量特性等進行論證分析，在初步技術方案設計的基礎上，進行詳細的結構設計、仿真計算，最終完成艦炮的全部設計工作。數(shù)字孿生艦炮是與實體艦炮的功能、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際上就是設計艦炮的過程，相對于傳統(tǒng)艦炮設計，基于數(shù)字孿生進行的艦炮設計因為利用了艦炮的各種經(jīng)驗數(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)字孿生模型上進行設計優(yōu)化、模擬仿真，用這種方法進行產(chǎn)品設計，能夠更好地提高設計質量和設計效率。

1.2.2 艦炮裝備的虛擬試驗與評估

艦炮裝備的試驗一般是在實物樣機生產(chǎn)出來之后進行的，包括關鍵技術驗證試驗、原理樣機摸底試驗、初樣機性能摸底試驗、可靠性增長試驗、正樣機出廠試驗、性能鑒定試驗等，不僅周期長，而且花費大量的試驗經(jīng)費。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，最高可以達到十幾倍，試驗費用占整個研制費用的30%～50%。數(shù)字孿生艦炮可反映對應實體艦炮的功能、實時狀態(tài)，可進行多學科、多物理場、多尺度、多概率的仿真，實時加入環(huán)境、工況等數(shù)據(jù)，完全可以在該數(shù)字孿生艦炮上進行各種虛擬試驗，并且如果仿真模型足夠準確、足夠可靠、足夠精確的話，可以得到非常理想的試驗結果，真實評估艦炮的功能、性能、各種戰(zhàn)術技術指標及通用質量特性，降低研制費用，縮短研制周期，提高研制質量。

1.2.3 艦炮裝備的故障預測和健康管理

艦炮的故障預測和健康管理是利用先進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行信號處理和數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對艦炮的健康狀態(tài)進行檢測、預測、監(jiān)控和管理。艦炮的故障預測和健康管理技術可使傳統(tǒng)的“事后維修”和“計劃維修”方式轉換為“視情維修”和“預知維修”方式，提高艦炮保障系統(tǒng)在準確時間對準確部位進行準確維修的能力，進而提高部隊戰(zhàn)斗力、節(jié)約維修費用[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、殘余壽命預測等技術實現(xiàn)艦炮狀態(tài)健康與管理、故障預測和故障處理、壽命預測和性能跟蹤。數(shù)字孿生艦炮與實體艦炮在全壽命周期內同步成長、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)，通過各種自學習、自組織、自優(yōu)化算法進行仿真，使孿生體不斷進化，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)字孿生的方式可實現(xiàn)動態(tài)的實體艦炮和虛擬艦炮實時進行交互與多方位地狀態(tài)對比，數(shù)據(jù)互相融合，高精度的仿真驗證，具備對實體艦炮狀態(tài)進行自主預測的能力，可以很好地對實體艦炮進行健康管理。

1.2.4 艦炮裝備的使用培訓

傳統(tǒng)艦炮裝備的使用培訓常采用理論教學結合實裝操作的方式，隨著技術的發(fā)展和進步，虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，VR)、增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)、混合現(xiàn)實(Mixed Reality，MR)技術逐步用于培訓實踐中。VR是利用計算機模擬產(chǎn)生一個3D的顯示場景，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者能夠身臨其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的虛擬事物[9]。AR是一種將真實世界信息與虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，將虛擬的信息疊加到真實世界，通過終端設備顯示出來，被人類所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[10]。MR是新一代虛擬現(xiàn)實技術，利用實時數(shù)據(jù)采集、場景捕捉等，在虛擬場景中引入現(xiàn)實場景信息，把虛擬和現(xiàn)實混合在一起，增強使用者體驗的真實感。可以看出，雖然VR、AR、MR技術都實現(xiàn)了可視化，MR技術的實時交互能力更強一些，但MR技術只是讓人區(qū)分不出虛擬和現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實技術更加細膩，與數(shù)字孿生要求的與實體艦炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致的多學科、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)字孿生艦炮進行培訓更加真實，更容易觀察裝備細節(jié)，更好地理解技術原理，更方便地模擬使用維修方式，取得更好的培訓效果。

1.2.5 艦炮裝備的戰(zhàn)法訓法研練

部隊開展戰(zhàn)法訓法研練，是指揮決策、戰(zhàn)術技術訓練的重要環(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，利用先進的信息處理和計算機仿真技術，高度逼真地虛擬戰(zhàn)場、虛擬軍隊、虛擬作戰(zhàn)，開展各種戰(zhàn)法訓法研練，極大地擴展認識戰(zhàn)爭、研究戰(zhàn)爭、實施戰(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)法訓法系統(tǒng)平臺，在數(shù)字孿生體上開展各種戰(zhàn)法訓法研練，可以快速打破常規(guī)、打破邊界、突破極限，實現(xiàn)人裝合一，戰(zhàn)術要求、技術指標、人員技能真正融合成作戰(zhàn)能力，極大地節(jié)約時間、節(jié)約經(jīng)費、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)字孿生艦炮的技術難點

2.1 數(shù)據(jù)獲取困難

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅動力，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)務的相關數(shù)據(jù)，還強調數(shù)據(jù)的融合、實時動態(tài)更新、實時交互等[1]。由于艦炮本身的復雜性，要想獲取這些數(shù)據(jù)難度很大。

2.1.1 經(jīng)驗數(shù)據(jù)不足

艦炮在研制、生產(chǎn)、試驗、使用到報廢等全壽命周期的數(shù)據(jù)巨大，有關材料、結構、尺寸、工藝、性能等常規(guī)設計數(shù)據(jù)并不難獲取，幾十年艦炮研制經(jīng)驗積累了大量的此類數(shù)據(jù)，但與力、熱等特性相關的振動、沖擊、磨損等數(shù)據(jù)以及通用質量特性方面的數(shù)據(jù)卻嚴重不足。

相關資料顯示，在環(huán)境應力引起的火炮破壞事件中，振動引起的問題約占30%[11]，但對振動問題的研究也僅僅停留在對振動模態(tài)的計算和測試方面，對振動引起破壞的深層次原因和相關計算分析方面，缺少實用、準確的數(shù)據(jù)。

艦炮結構中大量存在的摩擦副往往受到強烈的沖擊和摩擦，身管受到火藥氣體的高速沖刷、高溫炙烤、化學腐蝕和彈丸的力學沖擊，使其壽命達不到預期使用壽命，這些因素和壽命之間的關系數(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雜的過程，具有高溫、高壓、高速、瞬態(tài)的顯著特點，大多數(shù)發(fā)射過程只有幾毫秒到幾百毫秒，伴隨強烈的振動和沖擊、強烈的沖擊波、耀眼的炮口焰，振動加速度可達幾千個g，膛內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)等機構完成供彈、輸彈、開關閂、拋殼等運動，也產(chǎn)生各種運動激勵和撞擊力；彈丸在膛內高速旋轉運動，使身管在強烈的離心力作用下產(chǎn)生劇烈的瞬態(tài)扭矩激勵；同時艦炮安裝在艦船上，海洋環(huán)境千變萬化，風、浪、流、潮汐、冰、雷、電磁場等作用載荷使艦船產(chǎn)生抨擊、振動、碰撞、腐蝕、干擾等復雜響應，這些響應與艦炮發(fā)射引起的響應互相疊加、互相影響，使艦炮工況和邊界條件異常復雜，艦炮動態(tài)特性數(shù)據(jù)測試難度大，準確度不高。

2.1.3 部分故障機理不清

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雜工況和條件，使這些故障的機理非常復雜，雖經(jīng)多年攻關仍然機理不清。

2.2 專用的仿真軟件少、真實度不高

艦炮在研制過程中常用到的仿真、分析、計算軟件包括：內彈道計算、外彈道計算、有限元分析、動力學分析、通用質量特性仿真分析、故障預測和健康管理等軟件。

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

有限元分析和動力學分析常用通用分析軟件，如：ANSYS，MSC/NASTRAN，ADAMS，ABAQUS等，可計算零部件的剛強度、結構的振動響應、力學動態(tài)特性等，計算的準確度依賴于模型的準確度。由于艦炮是一個復雜的機械系統(tǒng)，真實地建立系統(tǒng)的數(shù)學模型非常困難，經(jīng)常要進行抽象和簡化，用簡化后的數(shù)學模型進行有限元分析和動力學分析，模型的簡化程度與設計師對艦炮內在規(guī)律的認識和實際工作經(jīng)驗有關。由于這些軟件沒有火炮專用計算分析模塊，常常不能滿足使用要求，所以國內也有在這些軟件的基礎上針對火炮的特殊性進行二次開發(fā)，經(jīng)過實踐—認識—再實踐—再認識的過程，不斷進行修改，雖然由于假設和模型簡化仍然存在計算誤差，但也基本能滿足使用要求。

通用質量特性仿真分析、故障預測和健康管理等軟件通常使用北京航空航天大學開發(fā)的“可靠性與性能一體化設計(PofEra軟件)”、可維科技的“基于模型的通用質量特性設計分析(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，缺少機械系統(tǒng)適用的分析軟件，用于艦炮設計和分析的軟件仍是空白。

2.3 數(shù)據(jù)的實時交互不易實現(xiàn)

數(shù)字孿生所需要的數(shù)據(jù)強調實時性，實體產(chǎn)品產(chǎn)生的使用數(shù)據(jù)實時地傳輸給數(shù)字模型，才可以實現(xiàn)兩者之間的同步生長；數(shù)字模型自主演化的數(shù)據(jù)實時地反饋給實體產(chǎn)品，才可以實現(xiàn)對實際產(chǎn)品的及時控制。工業(yè)上可通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G等技術實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的低延時傳輸、高效數(shù)據(jù)處理和設備的互聯(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)進行實時、準確的傳遞和交互，從目前情況來看還不易實現(xiàn)。

3 數(shù)字孿生艦炮的發(fā)展設想

由于存在上述技術上的難點，數(shù)字孿生艦炮的實現(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，主要需采取以下應對措施：要加強艦炮全壽命周期數(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，實時獲取需要的數(shù)據(jù)，加以分析、凈化，加入特征數(shù)據(jù)庫；加強機理層面的基礎研究和試驗研究，對振動、沖擊、摩擦、燒蝕、腐蝕等影響機構壽命、可靠性等關鍵戰(zhàn)術技術指標的環(huán)節(jié)進行深入研究，獲取準確的深層次的可用數(shù)據(jù)；加強數(shù)據(jù)資源共享，充分發(fā)揮已有數(shù)據(jù)的使用效率，把分散在設計、制造、試驗、使用等各個單位和部門的數(shù)據(jù)集中管理，行業(yè)內共享使用；在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)架構、數(shù)據(jù)工程或機器學習方面提高數(shù)據(jù)分析處理的能力，對獲取的數(shù)據(jù)進行充分的分析，使數(shù)據(jù)最大限度地發(fā)揮作用。

針對專用仿真軟件少、真實度不高的問題，艦炮行業(yè)可與國內計算仿真軟件優(yōu)勢單位協(xié)作，發(fā)揮軟件行業(yè)的架構設計、程序設計、機器語言設計方面的優(yōu)勢，結合艦炮(火炮)行業(yè)在多體動力學、振動沖擊效應、構建結構模型等方面的成果，開發(fā)適用于艦炮行業(yè)的仿真分析、計算軟件，通過試驗數(shù)據(jù)驗證，反復修改完善，久久為功，滿足行業(yè)使用要求。

針對數(shù)據(jù)的實時交互不易實現(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。實時準確地傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時準確地交互還有待時日。

筆者認為，構建數(shù)字孿生艦炮可以在三個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，按照從本地到遠程的辦法，逐步延伸；最終實現(xiàn)數(shù)字孿生艦炮能夠隨實物裝備同時交付、同時服役的目標。

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雜，有些艦炮的零部件數(shù)量達到8萬個以上，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，需要進行詳細梳理。首先選取數(shù)據(jù)較多、機理比較清楚、數(shù)學模型較完善且更加真實、仿真方法成熟和仿真精度較高的部件(比如供彈動力裝置等)建立其數(shù)字孿生體，同時對其他部件(比如可優(yōu)先選擇針對部隊使用中易出現(xiàn)問題的彈鏈平臺、揚供輸彈裝置、反后坐裝置、開關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計(技術和工藝)、生產(chǎn)、試驗與評估、服役到報廢的全壽命周期，不斷完善、交互、演化。現(xiàn)階段，試驗與評估、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瓶頸，可以選取設計階段、生產(chǎn)階段作為建立數(shù)字孿生艦炮的起點，利用積累的艦炮設計經(jīng)驗、數(shù)字樣機、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，逐步提高其準確性和可靠性，用于指導產(chǎn)品的優(yōu)化設計或產(chǎn)品的改型設計、生產(chǎn)過程的監(jiān)控和生產(chǎn)質量的提高。同時，加強對虛擬試驗的研究和服役數(shù)據(jù)的實時獲取途徑與方法的研究，建立相關技術標準，構建全系統(tǒng)運行的數(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 從本地到遠程逐步延伸

由于當前尚不能解決服役艦炮隱私數(shù)據(jù)實時準確的傳遞和交互，現(xiàn)階段可以先從本地構建數(shù)字孿生艦炮開始工作，也就是實體艦炮和數(shù)字孿生艦炮在同一個地方，可以在實驗室，也可以在車間，或者在培訓基地，避免遠程的數(shù)據(jù)交互。利用在本地進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷?，充分對?shù)字模型進行優(yōu)化和完善，使數(shù)字孿生艦炮能夠模擬實體艦炮的工作行為，監(jiān)控實體艦炮的變化，反映實體艦炮的運行狀況，評估實體艦炮的健康狀況，預測實體艦炮的未來發(fā)展趨勢，充分驗證數(shù)字孿生艦炮的真實性、安全性、準確性、可靠性、交互實時性和數(shù)據(jù)驅動的有效性。同時，研究服役艦炮隱私數(shù)據(jù)實時準確的傳遞、交互技術，逐步延伸到遠程的實時、高效、智能的服務。

4 結束語

筆者從數(shù)字孿生艦炮的內涵和特點入手，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、真實度不高、數(shù)據(jù)實時交互不易實現(xiàn)等技術難點，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、從本地到遠程的辦法，逐步深入、拓展、延伸的設想，最終實現(xiàn)數(shù)字孿生艦炮能夠隨實物裝備同時交付、同時服役的目標。

需要說明的是，數(shù)字孿生技術的應用尚處于起步階段，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)字孿生艦炮的構建，論證、試驗單位和使用部隊具有大量的數(shù)據(jù)積累，研制主管機關在項目立項、項目管理、數(shù)據(jù)交互和傳輸網(wǎng)絡的建設中起主導作用，因此數(shù)字孿生艦炮的構建和使用需要全行業(yè)聯(lián)動，共同努力，促進數(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戰(zhàn)斗力的生成。