CN117150757A - 一种基于数字孪生的仿真推演*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于仿真推演技术领域，公开了一种基于数字孪生的仿真推演***，其物理层包括空中、地面无人平台实体装备、传感器和网络通信***；虚拟层包括战场虚拟环境、无人装备多维模型、载荷模型和指挥控制模型；业务逻辑层包括数字孪生仿真推演模块、智能计算模块和数据存储与管理模块；数据层包括无人集群战术规则库、决策知识库和算法模型库；应用服务层用于作战推演的威胁预测、行动方案优化和无人集群的指控决策。本发明通过构建城市无人作战推演的数字孪生***，支持真实战场与虚拟仿真的虚实融合、平行运行，以实现对真实战场环境的变化和威胁进行预判，对无人集群的行动进行辅助决策和规划，以应对复杂多变的战场挑战。
Description
技术领域
本发明涉及仿真推演技术领域，具体为一种基于数字孪生的仿真推演***。
背景技术
数字孪生技术是一种基于人工智能、物联网、建模仿真、大数据等相关技术，融合多源数据实现真实物理实体与虚拟空间数字化模型交互映射的技术，通过对物理实体或***的状态进行多尺度、多层级、精细化建模，构建与真实物理实体映射的数字孪生体模型，利用数字孪生体模型来刻画和描述物理实体在真实环境中的属性、行为和规则等。
随着无人作战装备与***在军事中开始应用和普及，未来智能化战争可能出现以有人装备、无人装备或无人集群参与相结合的作战体系，甚至由无人装备独立构成的作战集群来完成战役级任务。目前，以小型无人机及地面无人平台组成“蜂群”为对象，研究空地协同、自主作战和人机编组作战方式，有效地提升了城市无人作战条件下班组的情报侦察、火力打击与机动防护能力，无人机和地面无人平台已具备自主机动与导航能力。但是在路面复杂、建筑密集、遮挡严重的城市无人作战环境下自主作战能力仍需要进行适配和优化。
发明内容
本发明意在提供一种基于数字孪生的仿真推演***，通过构建城市无人作战推演的数字孪生***，支持真实战场与虚拟仿真的虚实融合、平行运行，以实现对真实战场环境的变化和威胁进行预判，对无人集群的行动进行辅助决策和规划，以应对复杂多变的战场挑战。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于数字孪生的仿真推演***，包括物理层、虚拟层、业务逻辑层、数据层和应用服务层；
所述物理层为真实战场中的物理组成部分，包括空中、地面无人平台实体装备，以及用来采集战场环境数据和装备状态数据的传感器和网络通信***；
所述虚拟层是在所述物理层基础上构建的虚拟对象，是真实地面无人平台映射的数字孪生模型；所述虚拟层以虚拟仿真环境为运行基础，包括战场虚拟环境、无人装备多维模型、载荷模型和指挥控制模型，构建虚拟的作战仿真运行环境；所述虚拟层通过交互驱动模块，实现虚实交互驱动以及基于数据驱动下的无人装备模型更新；
所述业务逻辑层包括数字孪生仿真推演模块、智能计算模块和数据存储与管理模块；所述数字孪生仿真推演模块基于作战行动想定和虚拟仿真环境开展虚实孪生的无人集群作战仿真推演；所述智能计算模块根据虚实孪生的仿真推演需求，开展威胁或障碍分析、智能决策与规划，生成无人平台行动规划优化方案，为无人平台指控提供决策支持；所述数据存储与管理模块采集虚拟模型与战场实时数据，通过数据集成和模型与数据映射建立模型和实时数据之间的关联关系，为数据驱动下的模型更新提供基础；
所述数据层包括无人集群战术规则库、决策知识库和算法模型库；所述算法模型库为智能决策与规划提供算法模型支撑；所述战术规则库和所述决策知识库为智能决策推理提供知识数据支撑；
所述应用服务层在模型-数据双驱动的虚实交互机制、孪生数据采集和虚实互感的数字孪生自适应调整的支撑下，支持无人集群作战推演的威胁预测、行动方案优化和无人集群的指控决策应用需求；
其中，所述物理层将其装备状态数据传输至所述虚拟层的虚拟实体交互驱动模块；所述物理层还将实时战场数据传输至所述业务逻辑层的数据存储与管理模块；
所述虚拟层将其虚拟平台数据上传至所述业务逻辑层的数据存储与管理模块；同时所述虚拟层还作为所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块的模型支撑；
所述应用服务层为所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块提供应用服务支撑；
所述数据层为所述业务逻辑层的智能计算模块提供应用数据支撑；
所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块将指定的规划决策下达至所述物理层的无人平台。
进一步地，所述数字孪生模型的构建方法为：依据无人装备、作战平台和智能通信终端几何特征参数信息，构建能够准确刻画和描述无人装备异构要素可扩展的几何模型；依据装备的材料属性和物理参数特性，构建可被红外、可见光传感器模型检测识别的物理模型；基于XML语言描述无人装备运行、人员体能素质及演化规律的规则及逻辑模型，形成覆盖“几何-物理-行为-规则”多维特征的数字孪生基础模型。
进一步地，所述交互驱动模块实现虚实交互驱动以及无人装备模型更新的方法为：所述数字孪生模型先感知物理实体的实时状态，并据此驱动虚拟模型进行仿真分析与智能计算，然后将决策信息准确、实时传输给物理实体；所述数字孪生模型同时还接收物理实体的运行状态数据，并修正、完善数字孪生模型，校验融合数据准确性，实现虚实交互及模型更新。
进一步地，所述虚实交互的方法为：先构建一个与真实战场映射的虚拟战场空间，并将真实作战环境、作战装备状态演化过程、运动特性实时地映射到虚拟战场空间中；然后在虚拟战场中构建与真实战场相对应的对抗体系，利用建模仿真技术在虚拟作战场景中同步处理火力打击、装备战损和效能评估动作和状态信息，并将体系对抗计算的结果实时反馈到真实战场，实现远程控制进程和指挥辅助决策。
技术方案的有益效果是：
1、本发明提供的一种基于数字孪生的仿真推演***，可以实时模拟和评估不同战场情景下的行动结果，以便于得到更准确的决策；而且***可以预测战术选择的后果，评估可能的风险和影响，从而减少决策的盲目性和不确定性；
2、通过本发明提供的仿真推演***，通过在虚拟仿真环境中模拟和验证战术方案和战术效果，可以及时发现和纠正潜在的问题和风险，从而优化部署和行动计划；
3、通过本发明提供的仿真推演***，通过模拟和推演，辅助规划和优化无人集群的行动，可以发现更有效的战术方法和战斗组织方式，提高无人集群的作战效能和整体战斗力；
4、通过对本发明提供的仿真推演***不断的推演和训练，提供反复练习和实战模拟的机会，有助于提高作战人员的应变能力和反应速度；
5、本发明提供的一种基于数字孪生的仿真推演***，为本领域在探讨无人作战数字孪生***的应用，为虚实融合的无人作战试验训练提供参考。
附图说明
图1为本发明一种基于数字孪生的仿真推演***的框图；
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于数字孪生的仿真推演***，包括物理层、虚拟层、业务逻辑层、数据层和应用服务层；
物理层为真实战场中的物理组成部分，包括空中、地面无人平台实体装备，以及用来采集战场环境数据和装备状态数据的传感器和网络通信***；
虚拟层是在物理层基础上构建的虚拟对象，是真实地面无人平台映射的数字孪生模型；其以虚拟仿真环境为运行基础，包括战场虚拟环境、无人装备多维模型、载荷模型和指挥控制模型，构建虚拟的作战仿真运行环境；虚拟层通过交互驱动模块，实现虚实交互驱动以及基于数据驱动下的无人装备模型更新；
其中，数字孪生模型的构建方法为：依据无人装备、作战平台和智能通信终端几何特征参数信息，构建能够准确刻画和描述无人装备异构要素可扩展的几何模型；依据装备的材料属性和物理参数特性，构建可被红外、可见光传感器模型检测识别的物理模型；基于XML语言描述无人装备运行、人员体能素质及演化规律的规则及逻辑模型，形成覆盖“几何-物理-行为-规则”多维特征的数字孪生基础模型；
交互驱动模块实现虚实交互驱动以及无人装备模型更新的方法为：先基于数字孪生模型感知物理实体的实时状态，并据此驱动虚拟模型进行仿真分析与智能计算，然后将决策信息准确、实时传输给物理实体；数字孪生模型同时还接收物理实体的运行状态数据，并修正、完善数字孪生模型，校验融合数据准确性，实现虚实交互及模型更新；
虚实交互的方法为：先构建一个与真实战场映射的虚拟战场空间，并将真实作战环境、作战装备状态演化过程、运动特性实时地映射到虚拟战场空间中；然后在虚拟战场中构建与真实战场相对应的对抗体系，利用建模仿真技术在虚拟作战场景中同步处理火力打击、装备战损和效能评估动作和状态信息，并将体系对抗计算的结果实时反馈到真实战场，实现远程控制进程和指挥辅助决策；
业务逻辑层包括数字孪生仿真推演模块、智能计算模块和数据存储与管理模块；数字孪生仿真推演模块基于作战行动想定和虚拟仿真环境开展虚实孪生的无人集群作战仿真推演；智能计算模块根据虚实孪生的仿真推演需求，开展威胁或障碍分析、智能决策与规划，生成无人平台行动规划优化方案，为无人平台指控提供决策支持；数据存储与管理模块采集虚拟模型与战场实时数据，通过数据集成和模型与数据映射建立模型和实时数据之间的关联关系，为数据驱动下的模型更新提供基础；
数据层包括无人集群战术规则库、决策知识库和算法模型库；算法模型库为智能决策与规划提供算法模型支撑；战术规则库和决策知识库为智能决策推理提供知识数据支撑；
应用服务层在模型-数据双驱动的虚实交互机制、孪生数据采集和虚实互感的数字孪生自适应调整的支撑下，支持无人集群作战推演的威胁预测、行动方案优化和无人集群的指控决策应用需求；
其中，物理层将其装备状态数据传输至虚拟层的虚拟实体交互驱动模块；物理层还将实时战场数据传输至业务逻辑层的数据存储与管理模块；
虚拟层将其虚拟平台数据上传至业务逻辑层的数据存储与管理模块；同时虚拟层还作为业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块的模型支撑；
应用服务层为业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块提供应用服务支撑；
数据层为业务逻辑层的智能计算模块提供应用数据支撑；
业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块将指定的规划决策下达至物理层的无人平台。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (4)
1.一种基于数字孪生的仿真推演***，其特征在于，包括物理层、虚拟层、业务逻辑层、数据层和应用服务层；
所述物理层为真实战场中的物理组成部分，包括空中、地面无人平台实体装备，以及用来采集战场环境数据和装备状态数据的传感器和网络通信***；
所述虚拟层是在所述物理层基础上构建的虚拟对象，是真实地面无人平台映射的数字孪生模型；所述虚拟层以虚拟仿真环境为运行基础，包括战场虚拟环境、无人装备多维模型、载荷模型和指挥控制模型，构建虚拟的作战仿真运行环境；所述虚拟层通过交互驱动模块，实现虚实交互驱动以及基于数据驱动下的无人装备模型更新；
所述业务逻辑层包括数字孪生仿真推演模块、智能计算模块和数据存储与管理模块；所述数字孪生仿真推演模块基于作战行动想定和虚拟仿真环境开展虚实孪生的无人集群作战仿真推演；所述智能计算模块根据虚实孪生的仿真推演需求，开展威胁或障碍分析、智能决策与规划，生成无人平台行动规划优化方案，为无人平台指控提供决策支持；所述数据存储与管理模块采集虚拟模型与战场实时数据，通过数据集成和模型与数据映射建立模型和实时数据之间的关联关系，为数据驱动下的模型更新提供基础；
所述数据层包括无人集群战术规则库、决策知识库和算法模型库；所述算法模型库为智能决策与规划提供算法模型支撑；所述战术规则库和所述决策知识库为智能决策推理提供知识数据支撑；
所述应用服务层在模型-数据双驱动的虚实交互机制、孪生数据采集和虚实互感的数字孪生自适应调整的支撑下，支持无人集群作战推演的威胁预测、行动方案优化和无人集群的指控决策应用需求；
其中，所述物理层将其装备状态数据传输至所述虚拟层的虚拟实体交互驱动模块；所述物理层还将实时战场数据传输至所述业务逻辑层的数据存储与管理模块；
所述虚拟层将其虚拟平台数据上传至所述业务逻辑层的数据存储与管理模块；同时所述虚拟层还作为所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块的模型支撑；
所述应用服务层为所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块提供应用服务支撑；
所述数据层为所述业务逻辑层的智能计算模块提供应用数据支撑；
所述业务逻辑层的数字孪生仿真推演模块将指定的规划决策下达至所述物理层的无人平台。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的仿真推演***，其特征在于，所述数字孪生模型的构建方法为：依据无人装备、作战平台和智能通信终端几何特征参数信息，构建能够准确刻画和描述无人装备异构要素可扩展的几何模型；依据装备的材料属性和物理参数特性，构建可被红外、可见光传感器模型检测识别的物理模型；基于XML语言描述无人装备运行、人员体能素质及演化规律的规则及逻辑模型，形成覆盖“几何-物理-行为-规则”多维特征的数字孪生基础模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的仿真推演***，其特征在于，所述交互驱动模块实现虚实交互驱动以及无人装备模型更新的方法为：所述数字孪生模型先感知物理实体的实时状态，并据此驱动虚拟模型进行仿真分析与智能计算，然后将决策信息准确、实时传输给物理实体；所述数字孪生模型同时还接收物理实体的运行状态数据，并修正、完善数字孪生模型，校验融合数据准确性，实现虚实交互及模型更新。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的仿真推演***，其特征在于，所述虚实交互的方法为：先构建一个与真实战场映射的虚拟战场空间，并将真实作战环境、作战装备状态演化过程、运动特性实时地映射到虚拟战场空间中；然后在虚拟战场中构建与真实战场相对应的对抗体系，利用建模仿真技术在虚拟作战场景中同步处理火力打击、装备战损和效能评估动作和状态信息，并将体系对抗计算的结果实时反馈到真实战场，实现远程控制进程和指挥辅助决策。
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| CN202311094389.6A CN117150757A (zh) | 2023-08-29 | 2023-08-29 | 一种基于数字孪生的仿真推演*** |
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Cited By (1)
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| CN117891644A (zh) * | 2024-03-11 | 2024-04-16 | 南京市计量监督检测院 | 一种基于数字孪生技术的数据采集***及其采集方法 |
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