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电子信息装备数字化研发方法、路径和实施要点

作者:www.cechina.cn2023.11.30阅读 2773

  预警探测、电子对抗和网络通信等电子信息装备是未来战场电磁作战域的关键节点,对未来战场制胜起关键作用,同时也面临着更大的作战形态挑战和更高的用户使用要求,迫切需要加速数字化研发模型转型,充分运用“云、大、物、智”等新兴技术,克服传统研发模式的弊端和局限,缩短装备交付周期,提升装备作战效能,在大国的装备竞争赛道上抢占主动权。
  1 数字化研发的相关概念内涵
  1.1 概念内涵
  武器装备数字化研发是武器装备数字化的重要一环,在数字空间并行开展、提前开展甚至是替代开展实体空间的装备研发活动,通过以虚代实、虚实结合与数字孪生等形式,大幅提升研发效率,全面降低研制成本。
  1.2 本质优势
  装备数字化研发的第一个优势在于利用高效算力替代人工活动。相比于传统设计研发,数字化空间中开展的数字化研发可充分发挥计算机大算力优势,实现自动化、智能化辅助设计与海量方案的复杂计算仿真。
  装备数字化研发的第二个优势在于数字实体可互认、联动与互操作。基于数字化的天然优势,数字化研发模式可实现多层级模型贯穿、各专业协同联动、多层级敏捷集成、全系统联合优化高效设计,实现数据、模型、知识的高效传承和复用。
  装备数字化研发的第三个优势在于数字实体可简易复制。数字空间具有无限拓展的特点,对装备承研方而言,军事装备和力量可无成本地快速、大量复制,支持自身体系作战推演、并行性能验证。同时通过模型复制,承研方可便捷发布共享装备模型,支撑利益相关方按需使用、试用、集成、训练。
  装备数字化研发的第四个优势在于数字实体消耗毁伤无代价。数字空间中的装备、作战力量可无代价地毁伤、消耗控制工程网版权所有,极大降低了利益相关方测试与试验的成本。各相关方可在数字空间中无顾忌地开展各类装备作战运用,为装备体系的优化提供更多机会和优势。
  装备数字化研发的第五个优势在于作战过程可超现实、超实时开展推进。算力允许的条件下,在数字空间能够以远超现实的速度开展作战推演、运行仿真、作战训练,大幅减少时间成本、提升仿真迭代效率、显著提升训练效率效果并且时间可控,同时可按需快进、减慢、快退、暂停甚至跳转,这种灵活性为装备研究、体系研究提供了更充分的探索机会。
  1.3 赋能机理
  装备数字化研发在设计环节主要产生“增效”得益。装备数字化广泛采取基于模型的系统工程(MBSE)方法,其相对于传统的系统工程(SE),增效来源于:1)自动化设计替代人工设计的增效;2)模型数据间数字化严谨、周全的描述以及快捷互认传递,避免了人工的数据 I/O 堵点,降低了人工之间沟通成本的增效;3)数字化的模型库/数据库更易于传承复用的增效。
  装备设计环节“新质”得益目前已初见端倪。数字化设计方法与 AI 等技术的结合运用,将实现超越人工设计水平和能力的“新质”得益。基于人工智能技术,可自动生成海量设计方案,并通过高效逼真仿真验证,不断派生演化、评估筛选、迭代优化设计方案,收敛获得出色的装备设计方案。
  装备数字化研发的验证环节是关键过程,产生“新质”能力。其革命性主要来源于上文介绍过的“左移”到开发前的超现实、超实时、多场景、大样本验证,从而提前充分发现问题和不足,解决问题,优化设计。
  2 装备数字化研发的重要意义
  装备数字化研发是体系作战的必然要求。未来战争的作战空间将覆盖陆、海、空、天、电、网等各作战域,作战方式将由装备间对抗向体系间对抗转变。随着体系对抗的日趋激烈,威胁环境动态时敏变化,作战需求愈加多样,装备系统的功能性能要求和复杂度也随着急剧攀升。面向强敌对我的军事威胁以及数字化方面的竞争态势,我国亟需加速装备数字化研发模式转型。
  装备数字化研发是大国博弈的必争高地。世界军事强国竞相利用数字技术推进装备建设发展转型,加速抢占数字变革的主动权。美空军在 2013 年发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中,将数字线索(Digital Thread)和数字孪生(Digital Twin)视为“改变游戏规划”的颠覆性机遇。2018 年美国国防部正式对外发布“国防部数字工程战略”,通过构建数字工程生态系统,将国防部以往线性、以文档为中心的采办流程转变为动态、以数字模型为中心的范式。2021 年 4 月,美国空军发布的《双年采办报告》透露,下一代空中主宰(NGAD)和 B-21轰炸机等多个探路者项目,已不同程度地应用了数字工程方法。目前,美空军正在建立基于数字工程的装备论证、研制、生产及保障流程,相关工作已取得显著成效。
  
  图 1 美军数字工程历程及应用
  装备数字化研发是科技进步的必然形态。伴随着以网络化、信息化、智能化为特征的数字新时代加速到来,装备研发也进入了数字时代。深入运用多学科仿真、云计算、物联网、大数据、人工智能等数字技术,对提升装备性能,缩短装备交付周期具有重要意义。未来随着云计算、超级计算甚至量子计算技术的不断发展,装备数字化建设将逐步摆脱计算能力的局限,应用范围必将更加广泛,从而深刻改变装备研发的模式,甚至是未来战争的形态。
  3 电子信息装备数字化研发总体形势
  随着体系化作战样式的不断演进,预警探测、电子对抗、网络通讯等电子信息装备面临作战对象混合化、集群化,电磁环境多样化、复杂化,装备需求体系化、智能化等态势,功能集成度、专业融合度、系统复杂度不断提升,研发周期和质量要求日益严苛。
  3.1 装备特点与研发侧重
  电子信息装备的特点在于,一方面与航天、飞机、船舶等装备相比,电子信息装备多为载荷、配件、软件,或为地面系统,工作环境相对较稳定,因此力、热、电、磁、流为代表的多物理场仿真复杂性、难度都相对较低;另一方面,电子信息装备工作模式多样、功能组成复杂,电讯相关的功能逻辑、处理算法更是电子信息装备的灵魂,是其关键性能评价标准,需要在任务级、交战级、信号级等多层次进行需求传递、设计与仿真验证。因此,对电子装备而言,功能逻辑建模仿真较多物理建模仿真更为重要,是数字化研发应该重点关注和加强的关键内容。
  3.2 数字化研发现状
  整体上,电子信息装备行业内相关装备研发的数字化转型尚在起步阶段,主要表现为研发工具普及率不高,功能性能仿真软件、EDA 设计软件对外依存度过高,型号产品数字化应用尚处试点阶段,数字试验基本空白,全三维结构设计只在少数单位实现。总体来说,电子信息装备行业研发数字化水平与国外先进水平有十余年的差距。
  3.3 推进难点分析
  数字化研发模式转型涉及面广、变革性强。电子信息装备数字化涉及各个专业领域,贯穿论证、设计、验证、生产、保障等各环节,覆盖机制、流程、标准、软件等各要素,面临组织、管理、文化、习惯、技术等各方面挑战。
  数字化研发模式转型改革的内驱力不足。成本代价方面,相对于航空航天装备的技术状态变更带来的高成本代价,电子信息装备技术状态变更导致的代价更小,各类问题更多地可依赖现场调试解决,因此降低了基于 MBSE 方法实现设计阶段完成仿真验证的实施动力。考核验收方面,当前电子装备验收场景简单,偏向简单的功能指标达成,而面向复杂战场、体系化的考核条件尚不完备,未能显现落地为验收要求,因此也弱化了基于数字化战场实现复杂功能和高性能仿真验证的要求,导致数字化研发的内驱力不足。
  数字化研发模式转型探索起步难,见效晚。起步上,方法路径不清晰、工具软件不健全、模型数据库缺乏、经验缺乏问题多,需要探索摸索,会走弯路。流程上,一是将细化设计前移,总师、总体工作量加大,设计能力要求提高;二是将验证左移到装备实物制造之前的设计开发阶段,加大了前期研发的工作量。上述两方面导致在数字化转型初期以及装备研发的初期,研发人员的困难大、效益低,阻碍了数字化研发模型的转型推进。
  4 数字化研发模式推进的原则思路
  4.1 抓紧数字化研发的重点要点
  当前电子信息装备数字化研发整体呈现出“结构强www.cechina.cn,电讯弱”的特点,因此数字化研发一是要重点开展电讯整机功能逻辑模型的建模仿真能力建设;二是打通电讯整机功能逻辑模型与任务级、交战级、工程级仿真模型的接口;三是要打通电讯整机功能逻辑模型与力、热、磁、流等多物理仿真软件接口;四是积极开展基于电讯整体功能逻辑模型的数字试验研究,实现数字化能力供给。
  4.2 遵循 MBSE 的根本方法与特色
  电子信息装备数字化研发要紧扣 MBSE 方法,一方面从上而下层层设计分解,另一方面开展模型构建后及时进行仿真验证,实现设计方案的多层级闭环验证,在设计阶段尽早排除设计风险,缩短实物集成测试周期。
  依据 MBSE 方法,电子信息装备数字化研发设计模型可为体系级、系统级、分系统级等。装备论证阶段,设计开发体系级模型开展作战仿真,充分验证评估装备概念设计结果,优选装备战技指标与概念方案;系统设计阶段,通过整机系统电讯逻辑仿真、物理结构仿真,验证装备具体设计合理性,并利用系统设计结果更新体系级模型CONTROL ENGINEERING China版权所有,确保装备设计符合作战运用需求;分系统设计阶段,开展多学科仿真,验证技术指标分配合理性和详细设计的有效性,同时设计结果更新系统级模型、体系级模型。方案经充分验证后,完成详细设计、生产制造、系统构建、集成测试。通过多轮设计-仿真-优化,可有效减少装备设计环节引入的设计缺陷,实现提质增效。
  
  4.3 围绕模型贯穿流程的核心主线
  电子信息装备数字化研发要以模型贯穿装备建设全流程为核心主线,开展模型构建、验证与传递,形成“数字主线”。具体要重点开展装备论证、设计研发、生产制造阶段的模型建设、验证与传递,以“数字主线”提纲挈领,牵引标准、软件、数据、管理等各方面开展建设。
  5 数字化研发模式内容与形式
  在数字化研发模式下控制工程网版权所有,电子信息装备论证要由定性向定量转变。传统的装备论证基于经验开展,战技指标、技术路线不能充分优选,反复论证效率低下。数字化研发模式下控制工程网版权所有,在装备论证阶段应用DoDAF 等体系架构设计工具源图以及体系仿真推演平台,通过架构设计与推演仿真结合,充分优化装备战术指标,实现装备体系贡献度的最大化,确保装备满足作战体系的应用需求。
  装备设计要由文档传递向模型协同转变。传统的装备设计往往基于文档传递设计结果,沟通效率低下,设计指标优化不充分。数字化研发模式下控制工程网版权所有,应用 MBSE 工具软件平台实现电子信息装备数字化设计,支撑基于模型的总体分系统协同设计,提升设计效率;运用仿真全寿期管理平台开展基于模型的多专业设计验证,充分优化设计指标。
  装备生产要由人力主导向智能主导转变。传统的电子信息装备生产,生产计划制定、原料配送、加工制造都依赖人力,容易受人为因素干扰。数字化研发模式下控制工程网版权所有,通过车间管理信息系统等数字化平台工具,实现高效排程调度、物料精准配送、制造自动执行、工艺优化决策。
  装备试验要由实物验证向虚实结合验证转变。传统的试验验证往往采用实物验证,周期长、成本高,无法摸清电子信息装备能力底数。数字化研发模式下控制工程网版权所有,采用虚实结合的半实物验证手段,面向实战构建各种典型作战场景,验证电子信息装备在电磁对抗和多目标环境下的作战能力。
  6 电子信息装备数字化研发实施路径
  站在电子信息装备数字化研发角度,数字化推广应用可采取以下措施。
  一是梳理研发能力提升的卡点,形成数字化研发的重点。在瞄准能力生成的原则下,分析与梳理本领域、本单位限制效率提升的堵点、卡点环节,梳理影响性能提升的关键环节,并结合数字化研发的赋能范围和赋能机理,总结收敛形成数字化研发的重点环节和工作内容。
  二是梳理模型贯穿的数字化研发技术途径。面向模型构建与仿真验证,梳理本领域、本单位各研发环节需要重点构建与仿真的模型,形成关要模型体系;研究设计各阶段环节模型前后承接、贯穿联通的建模仿真路线图;对各个模型,梳理模型角色定位、模型内容、建模要点、建模软件、仿真要点及仿真软件等关键要素。
  三是加强顶层领导与组织管理。面向数字化研发模式转变的复杂性、变革性,加强单位上层领导的战略引领和顶层推进,加强单位内数字化研发理念、能力生成机理、方法途径的宣贯和学习,实现思想认识统一、全员凝心聚力。结合本领域、本单位的产品研发特点,充分分析并预估数字化推进的共性或个性难点问题,科学组织建立数字化推进、实践研发团队,科学系统地推进数字化工作。
  四是开展典型产品的试点示范,以点带面推进转型工作。选取典型产品,在高效可控的组织范围先行开展数字化试点。以产品的建模仿真为抓手和主线,牵引开展软件平台、方法机制、管理制度、标准规范的能力建设,为全面推广构建基础。加强产品运用与能力建设的互促互进和协同进步,切忌“一条腿走路”。同时做好转型起步阶段的“爬雪山、过草地”阵痛期准备CONTROL ENGINEERING China版权所有,瞄准不同的阶段目标,分多轮开展,循序渐进,切忌遇难而退、半途而废。
  7 数字化推广应用的实施要点
  生态建设层面,推进以下要点工作,可进一步加快电子信息装备数字化整体转型。
  一是研究建立知识产权保护机制。数字化推广面临的一个重要问题就是缺乏模型库,包括通用库与电子信息装备的专业库。基于模型库开展模型重用与共享会极大减少工程中的重复工作,是数字化发挥作用的关键。必须建立权责明晰的知识产权保护机制,有力保障模型产生方的权益,有效解决各方不敢交、不愿交模型的问题,进而加快模型库的构建和共享共用。
  二是加快建设推广数字化平台工具。电子信息装备数字化面临的另一个重要问题就是缺乏通用、好用的平台工具。为此一方面要优选软件工具,建立平台工具白名单,在行业内全面推广应用。另一方面切实加强自主可控替代,贴合国内装备研发实际,开发出更适用、更好用的平台工具。
  三是全面开展数字化标准规范建设。长期以来,电子信息装备数字化领域“孤岛”现象明显,平台不互通、模型不兼容,集成困难;模型评价准则尚未建立,难以量化衡量模型成果,导致对模型的完备性、逼真度等关键性能牵引能力弱。后续可分两步走,短期围绕建模仿真,统筹建立电子信息装备数字化核心标准体系,实现标准互认,数据互通;长期来看,需要持续建设完善数字化标准体系,覆盖装备研制、经营管理、平台工具与基础设施等方面,支撑数字化良性生态的全面形成。
  8 结束语
  装备数字化研发具备效率高、成本低的显著特点,顺应了未来体系作战的需求,是数字技术推动下的必然产物。然而电子信息装备在数字化研发推广过程中,由于涉及面广、变革性强、起步难见效晚及转型内驱力不足等问题,进展较为缓慢,电讯整机功能逻辑建模仿真短板尤为突出。
  针对电子信息装备的数字化研发,后续应牢牢把握推进原则,紧抓功能逻辑仿真,遵循 MBSE 方法,建立模型贯穿流程的核心主线。从实施上看,后续应梳理形成数字化研发的重点,加强顶层领导与组织管理,开展典型产品的试点示范,以点带面推进转型工作,同时开展知识产权保护机制、标准规范建设,同时大力推广数字化平台工具,多管齐下推进数字化研发在电子信息装备领域全面应用。
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