基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗技術

左毅，樊志強，曹江，徐珞

環境試驗與評價

基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗技術

左毅1，樊志強2,3，曹江2，徐珞3

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007；2.軍事科學院，北京 100091；3.華北計算技術研究所，北京 100083）

依據數智孿生的基本理論，提出基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗技術，在數字虛擬空間構建與物理空間孿生相像的虛擬試驗環境和裝備虛擬孿生體，支持在裝備全壽命周期開展試驗。從整體上提出基于數智孿生的裝備敏捷試驗框架、面向全壽命周期的試驗開展流程、虛擬試驗環境構建與運行機理及試驗數據處理與運用技術。通過在數字虛擬空間進行裝備全周期的敏捷試驗，不但能夠有效降低裝備試驗費用、縮短試驗周期，也可避免消耗裝備的使用壽命，并能夠幫助設計人員事先了解受試裝備在試驗中的響應特性，及早改進裝備設計，對后續要進行的實際物理試驗，也能提供一定的指導作用，進而可極大提高試驗效率，實現裝備的敏捷試驗與運用。

數智孿生；全周期敏捷試驗；虛擬試驗環境

傳統的裝備試驗評估是考核裝備經受規定條件后的性能，形成了“設計—制造—試驗—改進”的流程方法[1]。該流程通常周期較長，并且在試驗階段發現問題時，往往需要花費巨大的代價進行改進。為了加速裝備的成熟，盡量減少裝備的定型時間以及提高裝備質量，尤其在航空、航天、國防和軍事領域，采用仿真的技術手段進行虛擬試驗得到了廣泛的關注和應用[2-8]。虛擬試驗技術是指在計算機系統中采用軟件代替全部硬件或部分硬件來建立各種虛擬的試驗環境，應用仿真技術來確定裝備滿足期望壽命周期目標的過程。其基本目標是使所取得的試驗效果接近或等價于在真實壞境中所取得的效果[1]。虛擬試驗技術的出現，可以更加靈活、高效、敏捷地開展裝備試驗，促進了裝備試驗可以盡早開展，并在裝備全壽命周期發揮作用。

2018年，美國國防部于簽發了《國防部數字工程戰略》[9]，強調從傳統的“設計—構建—測試”方法到“模型—分析—構建”方法的范式轉變，在國防科技研發與裝備采辦領域，貫徹系統工程思想，綜合采用建模仿真、數據分析等數字化與智能化手段，構建靈活的開發環境，實現論證、研制、生產、試驗等全壽命周期過程的數字化，大幅提升系統研發與建設管理的效率與效益。數字工程戰略為開展裝備虛擬試驗提供了2個啟示：一是以模型為驅動，開展虛擬試驗，裝備論證、設計方案選擇和完成之后，在制造之前，能夠在虛擬環境中構建原型，進行實驗和測試，以支撐決策和確定解決方案，并允許在整個生命周期中，使用數字化虛擬模型來改進裝備工程實踐；二是以場景為主線，建立虛擬環境，成為管理者、最終用戶和供應商有共同語言和表述方式的研討平臺，以及用于虛擬構造的試驗床。

數字孿生技術的提出和發展為裝備虛擬試驗提供了良好的技術途徑[10-14]。數字孿生是指以數字化方式創建物理實體的虛擬模型和環境，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[15-16]。數智孿生概念脫胎于“數字孿生”和人工智能技術。“數”更多地指向事物的數字化存在形態，“智”更多地指向組織、行為方面的智能化規則，數與智共同構造出一種“孿生”體，一個存在于現實物理世界，另一個存在于數字虛擬世界[17-18]。與傳統的數字孿生技術相比，數智孿生的特點主要有：1）數智孿生提出數智模因，是決定智能裝備物理結構和行為邏輯的內生因素，相同的模因決定了虛實兩界的孿生體具有相同的內生因素，確保物理世界和虛擬世界產生完全鏡像的一對孿生體，并共生共長，保證后續虛擬孿生體的交互移植能夠完美匹配；2）傳統數字孿生側重于物理域、社會域的虛擬構造，數智孿生覆蓋物理域、信息域、認知域、社會域等4個域，特別強調對信息域作用于認知域的仿真構造；3）傳統數字孿生更多地關注虛擬空間對物理空間進行實時監控、預測分析和反饋，而數智孿生更強調在虛擬世界開展以數智虛體為主角的實踐活動（虛擬試驗），可以超強度、超現實、超預期、敏捷高效地檢驗裝備/體系，并基于虛實互動，借助AI技術，在虛擬世界獲得超出人類認知的知識、經驗、推理、判斷，并同步至現實世界，進而促進裝備/體系的智能演進。

未來戰爭將在現實物理世界和虛擬數字世界2個域打響，裝備形態也將面臨顛覆性的變化，在現實物理世界運用裝備進行值班、演習、調控等，在虛擬數字世界進行裝備的設計、推演、預測等。因此，文中提出基于數智孿生的裝備敏捷試驗技術，其目的就是希望探索虛實混合的新型作戰方式和裝備試驗方法，以有效適應未來智能化裝備的敏捷試驗、迭代發展和靈活適變需求。

1 基于數智孿生的裝備敏捷試驗框架

基于數智孿生的裝備敏捷試驗框架如圖1所示。首先構建裝備數智模因，模因是裝備的模型化數字基因，是決定裝備未來形態和能力表現的核心?；跀抵悄Ｒ?，孿生構造裝備的物理實體和數字虛體，保證虛實孿生體同源。基于數智孿生的裝備敏捷試驗強調以下3個方面。

1）虛實結合、虛體先行。盡早進行裝備設計試驗和驗證，避免裝備建設后期成本和周期的增加。因此，應先構造數字虛體，并在數字世界中進行全面的前期虛擬試驗，得到優化的數字虛體結構、行為、參數等內容，然后在現實世界中進一步構造物理實體。

2）虛實互動、伴隨生長?；跀抵菍\生的裝備試驗強調虛實試驗的結合，考慮到現實世界中開展試驗的周期長、成本高等問題，現實世界可開展部分物理環境試驗，獲得裝備真實物理特征，并將特征與數字世界的虛擬試驗進行同步。物理環境試驗能夠在虛擬環境中進行實時顯示，看到試驗過程、狀態等情況，并學習現實世界中的真實物理參數，以在數字世界中更逼真地模擬。同時在數字世界中開展全面完善的虛擬試驗，以彌補現實世界難以全方面開展試驗的不足。

3）虛實共生、迭代演進?；跀抵菍\生的裝備試驗強調在裝備的全周期進行虛擬試驗，通過虛擬試驗建模、虛擬試驗運行、虛擬試驗管理等手段對裝備數字虛體進行全周期的試驗，并基于對試驗結果的分析，得到優化的裝備方案。

圖1 基于數智孿生的裝備試驗框架

需要強調的是，在裝備運行階段，基于數智模因構建的裝備試驗框架經過適當改造，調整管控邏輯，適配任務驅動，增加業務模型，即可成為用于實戰的數字虛擬裝備。該虛擬裝備與實體裝備相輔相成，共生共長，既可共同提高裝備業務能力，又能持續進行裝備試驗驗證，從而促進裝備的快速迭代演進升級。

2 面向裝備全周期的虛擬試驗流程

2.1 基于數智孿生的裝備全周期虛擬試驗流程

美國國防部簽發的數字工程戰略以“模型—分析—構建”的方式進行裝備的建設，并提倡在裝備整個生命周期中使用模型以數字方式對裝備進行工程驗證和實踐。在基于數智孿生的裝備敏捷試驗框架的基礎上，給出面向裝備全周期，基于數智孿生的虛擬試驗流程（如圖2所示），以指導在裝備全周期過程開展虛擬試驗。裝備全周期過程主要包括綜合論證、工程研制和開發、生產部署、使用維護等4個階段。在每個階段，基于數智孿生的技術思想，可在數字世界中對裝備開展虛擬試驗，以盡早發現裝備的缺陷和問題，提高裝備的建設質量和效率。

1）裝備綜合論證階段。該階段主要任務是在現實世界中對裝備的使命任務、能力要求、結構特征、功能組成、使用環境等方面進行綜合的論證分析，并基于數字化的手段，對裝備進行建模，形成裝備的模型化形態。如使用CAD、3DMax等工具對裝備的結構進行建模，使用有限元分析方法對裝備性能特征進行建模。此外，隨著信息化技術的發展，信息裝備在作戰中發揮越來越主導的作用，與傳統的數字孿生技術相比，數智孿生更強調對信息域的建模。因此，在該階段，要對裝備的信息域進行建模，可采用體系架構、系統架構、軟件架構的建模方法（如DoDAF方法[19]，信息主導的體系架構方法[20]、Palladio方法[21]等），對裝備體系、信息系統裝備等進行建模。在該階段，基于構建的數字化裝備虛體以及裝備未來可能運行的環境和場景，對裝備的能力進行早期的虛擬試驗，通過驗證分析裝備在各種場景下的能力表現，對裝備的設計模型進行改進和優化。

圖2 基于數智孿生的裝備全周期虛擬試驗流程

2）裝備工程研制和開發階段。該階段主要任務是在現實世界中基于數字化的模型對裝備進行研制和開發。對于復雜的裝備，在該階段應采用迭代增量的方式對裝備進行研制和完善。在此過程中，可在數字世界中對裝備或其組件進行虛擬試驗，驗證分析裝備的功能、性能等是否滿足要求。同時，該階段也可在現實世界中進行裝備/組件的部分試驗，以對關鍵參數得到真實的數據，并同步反饋至數字世界中的虛擬試驗，進行數字模型的修正。該階段通過虛擬實驗和部分現實試驗的開展，可更好地指導裝備及其組件的研制和開發。

3）裝備生產部署階段。該階段主要任務是在現實世界中對裝備進行批量生產和部署，在未來體系化作戰的場景下，裝備都是依據作戰任務的變化進行按需的部署和使用，對裝備的不同組織運用也將對體系效能產生重要的影響。因此，在該階段，可在數字世界中對裝備的組織運用進行虛擬試驗，通過模擬多樣化的作戰任務和場景，得到裝備的多種組織運用優化方案，以備裝備在未來使用環境中的按需運用。

4）裝備使用維護階段。該階段的主要任務是在現實世界中對裝備進行使用和維護。同時，通過采集現實世界中裝備的環境數據、運行數據、任務數據等驅動數字世界中裝備虛體的同步運行。然而，僅僅同步運行不能實現對現實世界裝備的提前預測分析和有效運用，因此，在數字世界中，要對裝備虛體進行超前的試驗。通過超前的試驗推演，得到裝備的最佳運用和配置參數，并反饋至現實世界中的裝備物理實體，使其能夠提前獲得最優的方案，以較好應對變化的任務和環境。

2.2 基于數智孿生的裝備虛擬試驗開展過程

2.1節給出了裝備全周期虛擬試驗流程，說明了各個階段開展虛擬試驗的重點和作用。在此基礎上，本節進一步給出基于數智孿生的裝備虛擬試驗開展過程，如圖3所示。主要包括虛擬試驗構建階段、虛擬試驗運行階段和試驗結果分析階段。

1）虛擬試驗建模階段。該階段首先進行試驗任務的制定，說明要開展哪些試驗，說明試驗目的、試驗內容等，并依據試驗任務設計相應的試驗方案。然后基于試驗方案開展被試裝備對象的數字建模和虛擬試驗環境的建模，并進行集成，為虛擬試驗的開展完成準備工作。基于數智孿生的建模必須構建在裝備數智模因基礎之上，與物理實體裝備具有相同的“基因”。在裝備全周期虛擬試驗的不同階段，虛擬試驗建模的重點也不相同，特別是針對被試裝備的數字建模，在全周期的綜合論證階段，被試裝備的數字建模為重點，在后續階段中主要對數字模型進行修改和完善。

2）虛擬試驗運行階段。該階段正式開展虛擬試驗。在此過程中，被試裝備對象將在虛擬環境中運行，并接入現實世界中的裝備試驗或運行數據。在虛擬試驗運行過程中，采集所需的試驗數據，并結合現實世界中的裝備試驗/運行數據進行分析，然后對虛擬試驗過程進行控制。同時可以基于虛實交互對現實世界中的裝備物理實體的試驗/運行進行控制，實現虛實同步。現實世界中，對裝備進行部分試驗時，通過虛擬試驗可更好地實現對現實世界試驗的控制優化，縮短試驗周期，控制試驗成本，避免過多的試驗試錯。對裝備進行使用維護時，通過虛擬試驗可以提前獲得裝備的優化組織運用和參數配置方案，最大化發揮裝備的使用效能。

圖3 基于數智孿生的裝備虛擬試驗開展過程

3）試驗結果分析階段。該階段通常在試驗結束后進行，基于虛擬試驗數據和現實試驗數據，對裝備進行多維度、對比式的分析，得到裝備的改進優化方案，并生成試驗報告。然而，在基于數智孿生的裝備虛擬試驗中，該階段也會在試驗運行中開展，特別是針對全周期過程中裝備的使用和維護階段。

3 虛擬試驗環境構建與運行機理

虛擬試驗的運行需要有虛擬環境的支撐，基于數智孿生的思想，虛擬試驗環境需參考現實世界中的裝備試驗或運行環境，在數字世界中進行構建并運行。如圖4所示，數字世界的虛擬試驗既可以獨立運行和實施，也可以與現實世界的孿生裝備相互作用，共同完成實驗/作戰任務。在現實世界中，被試裝備在試驗或真實環境中通過與陪試裝備進行交互，完成運行試驗或作戰任務。因此，在虛擬環境構建時，首先基于試驗/作戰任務，利用虛擬試驗規劃設計系統進行試驗的規劃設計，形成虛擬試驗方案，然后將方案中涉及的被試裝備和陪試裝備的虛體進行構造，并在虛擬試驗環境/平臺上集成。虛擬試驗管理控制系統進行試驗的運行和管控，通過將試驗方案下發至數字世界中的虛擬試驗環境/平臺，驅動試驗運行，并在試驗過程中，接受現實世界的裝備實時運行數據以及數字世界中的虛體試驗運行數據，然后對數字世界的虛擬試驗下發試驗管控命令，對現實世界中的裝備下發試驗/運行管控命令。

每次試驗都會產生大量的孿生數據，這些數據是對裝備虛擬試驗進行控制、分析的重要依據。如何利用大數據、人工智能等技術對試驗數據進行采集、抽取、引接、報送、審核、匯聚等處理分析，挖掘這些數據價值，使得虛擬試驗能夠相對于物理試驗更敏捷、更超前地驗證裝備特性，這是實現數智融合的關鍵所在，也是利用數智孿生技術更好地開展虛擬試驗的重要環節。有效運用產生的孿生數據，一是可以使用3D結構模型、流程模型、多物理場模型、GIS 模型、力學模型等解析模型，對被試裝備的各項物理特性進行更新、修正、連接和補充，使得虛實孿生體在演進中一直保持高度相近；二是可以分析和檢驗被試裝備是否符合指標要求，通過深度學習、強化學習、遷移學習、生成對抗網絡等方法進行數據分析，提出智能裝備改進優化策略。

圖4 基于數智孿生的裝備虛擬試驗環境

4 結語

以信息化為特征，智能化為趨勢的新軍事變革促使裝備呈現出信息化、智能化、一體化的發展趨勢。隨著國際環境復雜性的加劇及競爭越來越激烈，用戶對武器裝備的性能、任務效能、可靠性、維修性等方面提出了更高的要求。隨著武器裝備的復雜性和先進性的大幅度提高，使得裝備試驗的要求和難度也隨之增加，在一定程度上造成試驗費用的增加和試驗時間的延長，甚至由于實物試驗的種種條件限制，有些試驗項目將無法開展[6]。因此，虛擬試驗技術被大家廣泛關注，并已大量用于國外武器裝備的采辦過程中。從系統方案論證到使用訓練的各個階段，在降低技術風險、縮短研制周期、降低費用等方面取得很好的效果，已成為與實物試驗并舉的一種新的試驗形式。

文中將數智孿生技術應用至裝備虛擬試驗，提出了基于數智孿生的裝備敏捷試驗框架，給出了面向裝備全壽命周期的虛擬試驗流程，闡述了基于數智孿生的虛擬試驗環境構建與運行機理，形成了基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗技術。通過將數智孿生技術與虛擬試驗技術進行融合，不僅可以進一步縮短裝備試驗周期，降低裝備試驗的成本和技術風險，同時還能極大提高虛擬試驗的快速迭代、敏捷適變的能力，促進裝備智能化演進升級。基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗研究剛剛起步，提出了框架性的方法和流程，后期還需要深入開展多項關鍵技術的研究和突破，并結合更多領域和具體場景進行深入探討和實踐。

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Digital-intelligence Twins based Full-cycle Agile Test Technology of Equipment

ZUO Yi1, FAN Zhi-qiang2,3, CAO Jiang2, XU Luo3

(1.The 28thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China; 2. Academy of Military Sciences PLA China, Beijing 100091, China; 3. North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China)

Based on the theory of digital-intelligence twins, a full-cycle agile test technology for equipment is proposed in this paper. Through constructing virtual test environments and equipment virtual twins in the digital virtual space, it can be used to support equipment test throughout its whole life cycle.In the paper, an agile test framework of equipment based on digital intelligence twins, the test process in the whole life cycle of equipment, virtual experiment environment construction and operation mechanism, and experiment data processing and application technology are described.Through the full-cycle agile test of equipment in the digital virtual space, it can not only reduce equipment test costs and shorten the test cycle effectively, but also avoid consuming equipment life length, help designers to understand the equipment characteristics in test in advance and improve the equipment design as early as possible. It can also provide guidance for the actual physical tests to be carried out in the future.Moreover, the test efficiency can be greatly improved, and the agile test and application of equipment can be realized.

digital-intelligence twins; full cycle agile test; virtual test environment

2021-01-11；

2021-03-10

ZUO Yi (1958—), Male, Researcher, Research focus: information system top-level design and integration.

樊志強（1983—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為體系設計與仿真驗證、數智孿生。

Corresponding author：FAN Zhi-qiang (1983—), Male, Ph.D., Senior engineer, Research focus: system design, simulation verification and digital intelligence twin.

左毅,樊志強,曹江, 等. 基于數智孿生的裝備全周期敏捷試驗技術[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 057-063.

TJ01

A

1672-9242(2021)04-0057-07

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.008

2021-01-11；

2021-03-10

左毅（1958—），男，研究員，主要研究方向為信息系統頂層設計和綜合集成。

ZUO Yi, FAN Zhi-qiang, CAO Jiang, et al. Digital-intelligence twins based full-cycle agile test technology of equipment[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 057-063.