数字孪生舰炮的技术难点和发展设想

李翔

(中国船舶集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

自从2011年美国空军研究实验室和NASA共同提出数字孪生的概念后，世界范围内的数字孪生研究热情越来越高，在智能制造、航空航天、电力、煤炭、医疗健康、城市管理、汽车、船舶、铁路、建筑等众多行业中得到实践应用，西门子、通用电气、达索、ABB、空客等跨国公司都在积极参与[1]。在国防军工领域，仍然是美国表现突出，以洛克希德·马丁公司、美国通用电气公司、波音公司等为代表的军工巨头积极推进，美国国防部牵头组建数字制造创新机构，将数字孪生列为重点战略投资方向[2]，通过大力发展数字孪生技术和装备，适应武器装备数字化设计、智能化发展、系统化试验评估、实战化训练和综合保障等新要求[3]，催生武器装备新的采办和运用模式，助力武器装备向数智化方向发展。

国内对数字孪生技术的研究团队主要集中在清华大学、北京航空航天大学等高校，及制造、电力、医疗、煤炭、智慧城市等行业。在国防和军工领域，相关研究还不是很多，技术点也比较分散，周军华等[3]在武器系统层面提出了数字孪生研究和实践的必要性，给出了武器系统数字孪生的定义和组成，分析研究了相关关键技术；周少伟等[4]梳理了在舰船动力系统研制中应用数字孪生技术的技术路线，研究构建了动力系统数字孪生体系；孟小静等[5]研究了数字孪生技术在武器装备工艺质量管理中的应用；窦金华等[6]研究了基于数字孪生的单兵作战系统设计的有关关键技术。

舰炮是重要的水面舰艇作战装备，是非常复杂的集机、电、液、气、光、磁等技术于一体的装备，长期以“画加打”的传统研制模式研发和改进装备，设计与开发阶段基本可利用数字化构建虚拟样机，利用商业软件或部分行业内的动力学、内弹道、外弹道分析软件进行仿真分析，试验阶段仍靠大量的实弹射击试验进行功能、性能的验证和评估，全寿命周期管理的数字化程度依然偏低，距离融入数字军工体系的要求还有较大的差距，数字孪生是舰炮装备走向数智化的重要抓手。

笔者将从数字孪生舰炮的内涵和特点入手，分析数字孪生舰炮的技术难点，提出发展数字孪生舰炮的设想，抛砖引玉，供舰炮行业同行参考。

1 数字孪生舰炮的内涵和作用

1.1 数字孪生舰炮的内涵

按照美国空军研究实验室和NASA的定义，数字孪生是一种面向飞行器或系统的高度集成的多学科、多物理场、多尺度、多概率的仿真模型，充分利用物理模型、传感器数据和历史数据等反映与该模型对应实体的功能、实时状态及演变趋势等全寿命周期过程[7]。随后经过很多专家学者的不断补充和完善，数字孪生现在可以面向非常广泛的领域、系统和产品。

具体到数字孪生舰炮，可以定义为：一种基于实体舰炮的数字化“克隆”舰炮，与实体舰炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致，利用收集到的传感器数据和历史数据等使其与实体舰炮在全寿命周期内同步成长、异步演化，且可通过仿真预测实体舰炮的健康状态，为实体舰炮提供使用和维护等指导。

1.2 数字孪生舰炮的作用

根据数字孪生舰炮的定义，数字孪生舰炮主要具有以下作用。

1.2.1 舰炮装备的产品设计

舰炮装备的产品设计过程包括需求分析、方案论证、方案设计和技术设计，通过研究用户需求，对舰炮的功能、性能、战术技术指标、通用质量特性等进行论证分析，在初步技术方案设计的基础上，进行详细的结构设计、仿真计算，最终完成舰炮的全部设计工作。数字孪生舰炮是与实体舰炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致的“克隆体”，数字孪生舰炮的生成过程实际上就是设计舰炮的过程，相对于传统舰炮设计，基于数字孪生进行的舰炮设计因为利用了舰炮的各种经验数据，赋予了孪生体更加丰富的全寿命周期的特征，保真性更好，且可以方便地在数字孪生模型上进行设计优化、模拟仿真，用这种方法进行产品设计，能够更好地提高设计质量和设计效率。

1.2.2 舰炮装备的虚拟试验与评估

舰炮装备的试验一般是在实物样机生产出来之后进行的，包括关键技术验证试验、原理样机摸底试验、初样机性能摸底试验、可靠性增长试验、正样机出厂试验、性能鉴定试验等，不仅周期长，而且花费大量的试验经费。一般情况下，研制一门舰炮消耗的弹药是其身管寿命的3倍以上，最高可以达到十几倍，试验费用占整个研制费用的30%～50%。数字孪生舰炮可反映对应实体舰炮的功能、实时状态，可进行多学科、多物理场、多尺度、多概率的仿真，实时加入环境、工况等数据，完全可以在该数字孪生舰炮上进行各种虚拟试验，并且如果仿真模型足够准确、足够可靠、足够精确的话，可以得到非常理想的试验结果，真实评估舰炮的功能、性能、各种战术技术指标及通用质量特性，降低研制费用，缩短研制周期，提高研制质量。

1.2.3 舰炮装备的故障预测和健康管理

舰炮的故障预测和健康管理是利用先进的传感器采集到的各类数据，借助各种算法和智能模型进行信号处理和数据分析，实现对舰炮的健康状态进行检测、预测、监控和管理。舰炮的故障预测和健康管理技术可使传统的“事后维修”和“计划维修”方式转换为“视情维修”和“预知维修”方式，提高舰炮保障系统在准确时间对准确部位进行准确维修的能力，进而提高部队战斗力、节约维修费用[8]。一般可通过对舰炮的功能分析和故障模式影响分析确定舰炮的测试信息，找出关重件的工作数据变化规律，采用智能数据融合、残余寿命预测等技术实现舰炮状态健康与管理、故障预测和故障处理、寿命预测和性能跟踪。数字孪生舰炮与实体舰炮在全寿命周期内同步成长、异步演化，在数字孪生舰炮生成和成长过程中，集成了大量的使用数据，通过各种自学习、自组织、自优化算法进行仿真，使孪生体不断进化，与静态地通过对舰炮的功能分析和故障模式影响分析来确定舰炮的测试信息、找出关重件的工作数据变化规律的方法相比，数字孪生的方式可实现动态的实体舰炮和虚拟舰炮实时进行交互与多方位地状态对比，数据互相融合，高精度的仿真验证，具备对实体舰炮状态进行自主预测的能力，可以很好地对实体舰炮进行健康管理。

1.2.4 舰炮装备的使用培训

传统舰炮装备的使用培训常采用理论教学结合实装操作的方式，随着技术的发展和进步，虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(Mixed Reality，MR)技术逐步用于培训实践中。VR是利用计算机模拟产生一个3D的显示场景，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者能够身临其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的虚拟事物[9]。AR是一种将真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，将虚拟的信息叠加到真实世界，通过终端设备显示出来，被人类所感知，从而达到超越现实的感官体验[10]。MR是新一代虚拟现实技术，利用实时数据采集、场景捕捉等，在虚拟场景中引入现实场景信息，把虚拟和现实混合在一起，增强使用者体验的真实感。可以看出，虽然VR、AR、MR技术都实现了可视化，MR技术的实时交互能力更强一些，但MR技术只是让人区分不出虚拟和现实，虚拟现实技术更加细腻，与数字孪生要求的与实体舰炮的功能、性能、材料、物理特性等完全一致的多学科、多物理场、多尺度、多概率的仿真模型，还是有很大差距的。利用数字孪生舰炮进行培训更加真实，更容易观察装备细节，更好地理解技术原理，更方便地模拟使用维修方式，取得更好的培训效果。

1.2.5 舰炮装备的战法训法研练

部队开展战法训法研练，是指挥决策、战术技术训练的重要环节，是形成战斗力、提高战斗力的重要手段。在信息化条件下，利用先进的信息处理和计算机仿真技术，高度逼真地虚拟战场、虚拟军队、虚拟作战，开展各种战法训法研练，极大地扩展认识战争、研究战争、实施战争的手段。以数字孪生舰炮为核心，建立虚拟的舰炮装备战法训法系统平台，在数字孪生体上开展各种战法训法研练，可以快速打破常规、打破边界、突破极限，实现人装合一，战术要求、技术指标、人员技能真正融合成作战能力，极大地节约时间、节约经费、避免事故的发生。

综上所述，数字孪生舰炮的作用如表1所示。

表1 数字孪生舰炮的作用

2 数字孪生舰炮的技术难点

2.1 数据获取困难

数据是数字孪生的核心驱动力，这些数据不仅包括贯穿产品全寿命周期的全要素、全流程、全业务的相关数据，还强调数据的融合、实时动态更新、实时交互等[1]。由于舰炮本身的复杂性，要想获取这些数据难度很大。

2.1.1 经验数据不足

舰炮在研制、生产、试验、使用到报废等全寿命周期的数据巨大，有关材料、结构、尺寸、工艺、性能等常规设计数据并不难获取，几十年舰炮研制经验积累了大量的此类数据，但与力、热等特性相关的振动、冲击、磨损等数据以及通用质量特性方面的数据却严重不足。

相关资料显示，在环境应力引起的火炮破坏事件中，振动引起的问题约占30%[11]，但对振动问题的研究也仅仅停留在对振动模态的计算和测试方面，对振动引起破坏的深层次原因和相关计算分析方面，缺少实用、准确的数据。

舰炮结构中大量存在的摩擦副往往受到强烈的冲击和摩擦，身管受到火药气体的高速冲刷、高温炙烤、化学腐蚀和弹丸的力学冲击，使其寿命达不到预期使用寿命，这些因素和寿命之间的关系数据仍然缺乏。

液压系统和电气系统的安全性、可靠性、测试性等特性，很多还是定性的研究，定量的描述仍缺少数据的支撑。

2.1.2 工况/边界条件复杂

传统舰炮发射的能量来自于火药，火药剧烈燃烧释放能量的过程是极其复杂的过程，具有高温、高压、高速、瞬态的显著特点，大多数发射过程只有几毫秒到几百毫秒，伴随强烈的振动和冲击、强烈的冲击波、耀眼的炮口焰，振动加速度可达几千个g，膛内火药燃烧温度有几千摄氏度[12]；舰炮发射系统、供弹系统等机构完成供弹、输弹、开关闩、抛壳等运动，也产生各种运动激励和撞击力；弹丸在膛内高速旋转运动，使身管在强烈的离心力作用下产生剧烈的瞬态扭矩激励；同时舰炮安装在舰船上，海洋环境千变万化，风、浪、流、潮汐、冰、雷、电磁场等作用载荷使舰船产生抨击、振动、碰撞、腐蚀、干扰等复杂响应，这些响应与舰炮发射引起的响应互相叠加、互相影响，使舰炮工况和边界条件异常复杂，舰炮动态特性数据测试难度大，准确度不高。

2.1.3 部分故障机理不清

舰炮在使用过程中出现的故障模式很多，一些故障对舰炮的使用产生重大的影响，如炸膛、卡壳、身管烧蚀等，但由于前述舰炮所处的复杂工况和条件，使这些故障的机理非常复杂，虽经多年攻关仍然机理不清。

2.2 专用的仿真软件少、真实度不高

舰炮在研制过程中常用到的仿真、分析、计算软件包括：内弹道计算、外弹道计算、有限元分析、动力学分析、通用质量特性仿真分析、故障预测和健康管理等软件。

内弹道计算和外弹道计算软件一般由行业高校和科研院所自行编制，满足常规计算使用，往往存在参数取值不准确、假设条件多等问题，得到的结果存在一定的误差。

有限元分析和动力学分析常用通用分析软件，如：ANSYS，MSC/NASTRAN，ADAMS，ABAQUS等，可计算零部件的刚强度、结构的振动响应、力学动态特性等，计算的准确度依赖于模型的准确度。由于舰炮是一个复杂的机械系统，真实地建立系统的数学模型非常困难，经常要进行抽象和简化，用简化后的数学模型进行有限元分析和动力学分析，模型的简化程度与设计师对舰炮内在规律的认识和实际工作经验有关。由于这些软件没有火炮专用计算分析模块，常常不能满足使用要求，所以国内也有在这些软件的基础上针对火炮的特殊性进行二次开发，经过实践—认识—再实践—再认识的过程，不断进行修改，虽然由于假设和模型简化仍然存在计算误差，但也基本能满足使用要求。

通用质量特性仿真分析、故障预测和健康管理等软件通常使用北京航空航天大学开发的“可靠性与性能一体化设计(PofEra软件)”、可维科技的“基于模型的通用质量特性设计分析(SysDeSim软件)”等分析软件，此类软件一般用于航天产品，且多以电气控制系统为对象，缺少机械系统适用的分析软件，用于舰炮设计和分析的软件仍是空白。

2.3 数据的实时交互不易实现

数字孪生所需要的数据强调实时性，实体产品产生的使用数据实时地传输给数字模型，才可以实现两者之间的同步生长；数字模型自主演化的数据实时地反馈给实体产品，才可以实现对实际产品的及时控制。工业上可通过物联网、云计算、5G等技术实现海量数据的低延时传输、高效数据处理和设备的互联互通。但舰炮随舰艇服役，使用数据存在隐私，如何对这些隐私数据进行实时、准确的传递和交互，从目前情况来看还不易实现。

3 数字孪生舰炮的发展设想

由于存在上述技术上的难点，数字孪生舰炮的实现不可能是一蹴而就的，需要按部就班，不能急于求成。

针对数据获取困难的问题，主要需采取以下应对措施：要加强舰炮全寿命周期数据的收集、整理、深度挖掘和数据净化等工作，建立可用、好用的特征数据库；在舰炮上布置多位置、多模式的传感器，实时获取需要的数据，加以分析、净化，加入特征数据库；加强机理层面的基础研究和试验研究，对振动、冲击、摩擦、烧蚀、腐蚀等影响机构寿命、可靠性等关键战术技术指标的环节进行深入研究，获取准确的深层次的可用数据；加强数据资源共享，充分发挥已有数据的使用效率，把分散在设计、制造、试验、使用等各个单位和部门的数据集中管理，行业内共享使用；在数据建模、数据架构、数据工程或机器学习方面提高数据分析处理的能力，对获取的数据进行充分的分析，使数据最大限度地发挥作用。

针对专用仿真软件少、真实度不高的问题，舰炮行业可与国内计算仿真软件优势单位协作，发挥软件行业的架构设计、程序设计、机器语言设计方面的优势，结合舰炮(火炮)行业在多体动力学、振动冲击效应、构建结构模型等方面的成果，开发适用于舰炮行业的仿真分析、计算软件，通过试验数据验证，反复修改完善，久久为功，满足行业使用要求。

针对数据的实时交互不易实现的问题，由于存在数据隐私，数据传输的安全性依赖于国家整体数据安全体系的建立，特别是军方数据密传体系的完善。实时准确地传递数据，实现数据实时准确地交互还有待时日。

笔者认为，构建数字孪生舰炮可以在三个维度上采用不同的方法开展工作，如图1所示。一是在产品组成的维度上，按照从部件到产品方法，逐步深入；二是在产品生命周期的维度上，按照从分阶段到全寿命周期的方法，逐步拓展；三是在工作方式的维度上，按照从本地到远程的办法，逐步延伸；最终实现数字孪生舰炮能够随实物装备同时交付、同时服役的目标。

3.1 从部件到产品逐步深入

舰炮特别是大口径舰炮非常复杂，有些舰炮的零部件数量达到8万个以上，对这些零部件的研究深入程度不尽相同，积累的历史数据数量也有多有少，需要进行详细梳理。首先选取数据较多、机理比较清楚、数学模型较完善且更加真实、仿真方法成熟和仿真精度较高的部件(比如供弹动力装置等)建立其数字孪生体，同时对其他部件(比如可优先选择针对部队使用中易出现问题的弹链平台、扬供输弹装置、反后坐装置、开关闩及排壳装置等部分)开展深入研究，一旦具备条件，再建立其数字孪生体，这样逐步深入，最终完成全炮数字孪生体的建造。

3.2 从分阶段到全寿命周期逐步拓展

数字孪生舰炮的建立和使用贯穿从设计(技术和工艺)、生产、试验与评估、服役到报废的全寿命周期，不断完善、交互、演化。现阶段，试验与评估、服役等阶段的数据还在积累过程中，数据的传输和交互也存在技术瓶颈，可以选取设计阶段、生产阶段作为建立数字孪生舰炮的起点，利用积累的舰炮设计经验、数字样机、仿真方法等相对成熟的数据，力求建立的数字孪生体的高保真，逐步提高其准确性和可靠性，用于指导产品的优化设计或产品的改型设计、生产过程的监控和生产质量的提高。同时，加强对虚拟试验的研究和服役数据的实时获取途径与方法的研究，建立相关技术标准，构建全系统运行的数字孪生集成工具和平台，逐步拓展到舰炮的全寿命周期。

3.3 从本地到远程逐步延伸

由于当前尚不能解决服役舰炮隐私数据实时准确的传递和交互，现阶段可以先从本地构建数字孪生舰炮开始工作，也就是实体舰炮和数字孪生舰炮在同一个地方，可以在实验室，也可以在车间，或者在培训基地，避免远程的数据交互。利用在本地进行数据传输的便利，充分对数字模型进行优化和完善，使数字孪生舰炮能够模拟实体舰炮的工作行为，监控实体舰炮的变化，反映实体舰炮的运行状况，评估实体舰炮的健康状况，预测实体舰炮的未来发展趋势，充分验证数字孪生舰炮的真实性、安全性、准确性、可靠性、交互实时性和数据驱动的有效性。同时，研究服役舰炮隐私数据实时准确的传递、交互技术，逐步延伸到远程的实时、高效、智能的服务。

4 结束语

笔者从数字孪生舰炮的内涵和特点入手，分析了数字孪生舰炮存在的数据获取困难、专用仿真软件少、真实度不高、数据实时交互不易实现等技术难点，提出了发展数字孪生舰炮可从部件到产品、从分阶段到全寿命周期、从本地到远程的办法，逐步深入、拓展、延伸的设想，最终实现数字孪生舰炮能够随实物装备同时交付、同时服役的目标。

需要说明的是，数字孪生技术的应用尚处于起步阶段，不能急于求成。舰炮研制单位掌握舰炮相关的工作原理、具体数据、研制流程等，相对更加容易完成数字孪生舰炮的构建，论证、试验单位和使用部队具有大量的数据积累，研制主管机关在项目立项、项目管理、数据交互和传输网络的建设中起主导作用，因此数字孪生舰炮的构建和使用需要全行业联动，共同努力，促进数字孪生舰炮的交付和服役，助力舰炮研制水平的提升和部队战斗力的生成。