數(shù)字孿生技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用

龐雪凡 王振宇

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)由概念走向現(xiàn)實。數(shù)字孿生技術(shù)是上述新興科學(xué)技術(shù)的集成，是未來智能化戰(zhàn)爭的核心支撐技術(shù)之一。

數(shù)字孿生技術(shù)的起源及概念內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)概念起源于美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯教授在2002年提出的“產(chǎn)品生命周期管理”概念。該概念包含了數(shù)字孿生技術(shù)概念的全部要素，即現(xiàn)實空間、虛擬空間、由現(xiàn)實空間向虛擬空間傳遞的數(shù)據(jù)、由虛擬空間向現(xiàn)實空間傳遞的信息。2010年，美國家航空航天局發(fā)布報告《建模、仿真、信息技術(shù)和處理路線圖》正式提出數(shù)字孿生概念。美國航空航天學(xué)會專家將數(shù)字孿生技術(shù)定義為：“模擬單個物理資產(chǎn)或一組物理資產(chǎn)的結(jié)構(gòu)、背景和行為的一組虛擬信息構(gòu)造，在其整個生命周期中使用來自物理孿生的數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)更新，并為實現(xiàn)價值提供決策所需的信息?！睌?shù)字孿生技術(shù)有兩種類型，即數(shù)字孿生原型和數(shù)字孿生實體。數(shù)字孿生原型描述了原型物理實體，是思維層面的具化；數(shù)字孿生實體描述了特定物理實體，是現(xiàn)實層面的具化。數(shù)字孿生聚合是所有數(shù)字孿生實體的集合。數(shù)字孿生環(huán)境是一個集成的、多領(lǐng)域的物理應(yīng)用空間，可根據(jù)不同目的應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)是在虛擬空間中構(gòu)建現(xiàn)實物理實體的數(shù)字副本，該物理實體既可以是非生命實體也可以是生命實體。數(shù)字孿生技術(shù)具有實時性、雙向性和貫穿性三個特點。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用場景

數(shù)字孿生是由邁克爾·格里弗斯提出的

以美國為代表的世界軍事大國已將數(shù)字孿生技術(shù)視為“改變戰(zhàn)爭游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)。美海軍領(lǐng)導(dǎo)人曾表示：“數(shù)字孿生體不是有趣的假設(shè)，而是當(dāng)務(wù)之急”。數(shù)字孿生技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)是大勢所趨。根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的本質(zhì)和特點，從物、環(huán)境和人三個層面總結(jié)概括該技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用場景。

數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于作戰(zhàn)平臺的研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)。裝甲車、艦艇、飛機、航天器等大型作戰(zhàn)平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、測試過程較慢，導(dǎo)致研發(fā)周期較長。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以極大縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，快速研制出滿足現(xiàn)實作戰(zhàn)需要的新型作戰(zhàn)平臺和作戰(zhàn)系統(tǒng)。這是因為相較于傳統(tǒng)作戰(zhàn)平臺先生產(chǎn)出物理原型再測試，直至產(chǎn)品滿足需求的閉合循環(huán)研發(fā)過程，數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)計階段就開始進(jìn)行各種測試。同時，通過傳感器搜集初始原型數(shù)據(jù)，在決定更改物理原型之前，在數(shù)字化環(huán)境中模擬測試各種場景，從而達(dá)到創(chuàng)建最少物理模型、最快生產(chǎn)出合適產(chǎn)品的目的。例如波音公司在波音777客機研發(fā)的整個過程全靠數(shù)字仿真推演，隨后直接量產(chǎn)。據(jù)報道，數(shù)字孿生技術(shù)幫助波音公司減少50%的返工量，有效縮短40%的研發(fā)周期。隨著大數(shù)據(jù)的興起以及計算能力的提升，數(shù)字孿生體可以顯著改善作戰(zhàn)平臺的維護(hù)效率。平時，數(shù)字孿生體可以通過日常按需維修減少裝備進(jìn)廠維護(hù)的次數(shù)，從而降低維護(hù)的資金成本和時間成本。戰(zhàn)時，技術(shù)人員可以在數(shù)字化空間及時了解裝備情況，確定故障源，遠(yuǎn)程組織搶救搶修，從而快速恢復(fù)作戰(zhàn)能力。據(jù)報道，美軍在2020年夏天就開始拆除空軍的B-1轟炸機，以制造數(shù)字孿生機，還計劃創(chuàng)建F-35戰(zhàn)斗機的數(shù)字孿生體，以預(yù)測飛機的性能、預(yù)期壽命和故障情況。美空軍于2022年3月21日宣布，已在弗羅里達(dá)州廷德爾空軍基地啟用數(shù)字孿生全息實驗室，以數(shù)字模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環(huán)境中測試技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)最先應(yīng)用于航天航空裝備的研發(fā)，未來將融入陸、海、空、天、電、網(wǎng)各領(lǐng)域裝備的研發(fā)、生產(chǎn)與維護(hù)。

數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境的想定、模擬和更新。戰(zhàn)場環(huán)境指對作戰(zhàn)活動和作戰(zhàn)效果有影響的各種因素和條件的統(tǒng)稱。戰(zhàn)場環(huán)境包括自然環(huán)境、人文環(huán)境、電磁環(huán)境及戰(zhàn)場建設(shè)環(huán)境。戰(zhàn)場環(huán)境是軍事行動的舞臺，能否清晰準(zhǔn)確了解分析戰(zhàn)場環(huán)境，直接影響著軍事行動的成敗。數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境是真實戰(zhàn)場環(huán)境的映射，是戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化的高級階段。以往的真實戰(zhàn)場與數(shù)字化戰(zhàn)場模型之間存在數(shù)據(jù)分離情況，很難實現(xiàn)信息的閉環(huán)流動。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用解決了這一難題，它可以實現(xiàn)真實環(huán)境與數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境之間的實時雙向互操作，實現(xiàn)高效實時數(shù)據(jù)共享。數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境能夠在作戰(zhàn)籌劃、作戰(zhàn)演練、作戰(zhàn)行動中提供一致的數(shù)據(jù)，確保信息的一致性，使部隊能夠在同一張地圖上作戰(zhàn)。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)仍主要應(yīng)用于智能制造，尚未真正廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境的創(chuàng)建中。由于數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境能夠為智能化戰(zhàn)爭提供信息支撐，幫助己方快速獲取智能化戰(zhàn)爭先機，因此應(yīng)積極推進(jìn)數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境理論研究和具體實施，建立基于時空大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境。

數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于指揮控制的觀察、判斷和決策。數(shù)字孿生是虛擬資產(chǎn)，可實現(xiàn)真實戰(zhàn)場與其仿真模型之間的雙向?qū)崟r映射和交互，輸入數(shù)據(jù)后可以提供決策信息。當(dāng)前戰(zhàn)爭樣式已經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)逐漸向決策中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，增加己方作戰(zhàn)選擇，干擾敵人決策，在“認(rèn)知域”這個新的維度實現(xiàn)對敵顛覆性優(yōu)勢，是智能化戰(zhàn)爭形態(tài)的制勝機理。數(shù)字孿生技術(shù)通過在虛擬空間創(chuàng)建作戰(zhàn)平臺、武器系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境等戰(zhàn)爭實體的副本，集成所有副本模型，為指揮員展示最全面、最實時的戰(zhàn)場真實情況，從而使指揮員形成對戰(zhàn)場情況最直觀的認(rèn)識，為其設(shè)計作戰(zhàn)方案、作出決策奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。戰(zhàn)爭構(gòu)成要素的數(shù)字孿生體還能夠反映和預(yù)測它們在真實空間中的行為，在戰(zhàn)場學(xué)習(xí)算法的輔助下，能夠模擬不同作戰(zhàn)方案所能實現(xiàn)的作戰(zhàn)效果，幫助指揮官在最短時間內(nèi)選擇最佳行動方案，形成最佳決策。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了從觀察、判斷、決策至行動全過程的閉環(huán)優(yōu)化，能夠?qū)⒅笓]決策優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆觾?yōu)勢和戰(zhàn)爭優(yōu)勢。

數(shù)字孿生已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用特點

大數(shù)據(jù)時代的到來牽動了軍事領(lǐng)域的變革。軍事領(lǐng)域一直在嘗試?yán)脽o處不在的海量數(shù)據(jù)，強化數(shù)據(jù)的價值，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息、知識和智慧，最后利用這些知識和智慧做出最有利于己方的決策。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭形態(tài)由信息化戰(zhàn)爭向智能化戰(zhàn)爭逐漸過渡。戰(zhàn)場上，掌握“制智權(quán)”將逐漸取代“制信息權(quán)”，“制智權(quán)”成為戰(zhàn)場主動權(quán)爭奪的焦點。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用能夠加速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識和智慧的進(jìn)程，進(jìn)而提升掌握“制智權(quán)”的速度，在戰(zhàn)爭中實現(xiàn)先發(fā)制人。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將貫穿智能化戰(zhàn)爭全過程。從時間角度來看，數(shù)字孿生技術(shù)將貫穿智能化戰(zhàn)爭戰(zhàn)前、戰(zhàn)時和戰(zhàn)后三個階段。智能化載荷、智能化平臺、智能化系統(tǒng)等構(gòu)成的新型作戰(zhàn)力量是智能化戰(zhàn)爭的物質(zhì)基礎(chǔ)。戰(zhàn)前，數(shù)字孿生技術(shù)能夠應(yīng)用于智能化作戰(zhàn)力量的研發(fā)與生產(chǎn)，加速奠定智能化戰(zhàn)爭的穩(wěn)固地基。除此之外，數(shù)字孿生技術(shù)還能通過整合當(dāng)下實時作戰(zhàn)力量和作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，預(yù)測評估其未來的狀態(tài)，模擬不同作戰(zhàn)方案的作戰(zhàn)效果，幫助指揮官實現(xiàn)作戰(zhàn)規(guī)劃的最優(yōu)解。戰(zhàn)時，利用傳感器輸入的數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢，高效部署作戰(zhàn)力量。戰(zhàn)后，可快速掌握打擊目標(biāo)與己方作戰(zhàn)力量狀態(tài)，高效進(jìn)行目標(biāo)打擊效果評估和作戰(zhàn)能力恢復(fù)。從內(nèi)容角度來看，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于智能化戰(zhàn)爭中人事、情報、作戰(zhàn)、計劃、后勤每個環(huán)節(jié)。以智能化戰(zhàn)爭后勤工作為例，隨著指揮控制系統(tǒng)和保障裝備智能化水平的不斷提升，未來智能化戰(zhàn)場后勤保障資源的配置模式將更為分散靈活，要求按需供應(yīng)、快速供應(yīng)。數(shù)字孿生技術(shù)能夠應(yīng)用于供應(yīng)鏈、運輸網(wǎng)絡(luò)和物流運營，這使后勤保障部門能夠預(yù)測和即時感知戰(zhàn)場后勤需求，高質(zhì)高效解決戰(zhàn)場裝備故障、物流等問題，從而使后勤保障滿足智能化戰(zhàn)爭要求。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將貫穿智能化戰(zhàn)爭全領(lǐng)域。未來的智能化戰(zhàn)爭將在由陸、海、空、天、電、網(wǎng)組成的全領(lǐng)域進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)。聯(lián)合全域作戰(zhàn)要求以任務(wù)為中心，打破傳統(tǒng)軍（兵）種之間的界限，根據(jù)作戰(zhàn)需要快速整合作戰(zhàn)力量。聯(lián)合全域作戰(zhàn)的核心是聯(lián)合全域指揮控制，聯(lián)合全域指揮控制的優(yōu)劣直接決定了聯(lián)合全域作戰(zhàn)的實現(xiàn)和成敗。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用沒有物理域限制，理論上來說可以創(chuàng)建任何物理實體和系統(tǒng)的虛擬數(shù)字模型。數(shù)字孿生體的真正力量是在物理世界和數(shù)字世界之間提供近乎實時的全面聯(lián)系的能力。全域數(shù)字孿生體的創(chuàng)建能夠幫助戰(zhàn)場指揮員實現(xiàn)全域態(tài)勢感知，了解不同作戰(zhàn)力量的性能和實時狀態(tài)，還可以進(jìn)行輔助分析、評估風(fēng)險，從而使指揮員更加快速準(zhǔn)確地作出決策，滿足聯(lián)合全域作戰(zhàn)的需要。美軍作為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的先行者和領(lǐng)先者，已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的全域應(yīng)用。例如，美陸軍利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)彈及發(fā)射平臺狀態(tài)評估；美海軍利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建了具有信息戰(zhàn)功能的數(shù)字林肯模型，將其安裝在“林肯”號航母上，以提高其網(wǎng)絡(luò)電磁裝備的安全性和可靠性；美空軍利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)斗機的維護(hù)、解決數(shù)據(jù)安全問題等；美軍還將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)副本，模擬網(wǎng)絡(luò)攻擊和防御，在系統(tǒng)受到威脅時，用副本替換損壞的版本。由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)憑借其突出的優(yōu)點已應(yīng)用于陸、海、空、天、電、網(wǎng)各領(lǐng)域，是智能化戰(zhàn)爭不可獲缺的技術(shù)之一。

數(shù)字孿生應(yīng)用于制造業(yè)可減少返工量，縮短研發(fā)周期

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用利于搶奪智能化戰(zhàn)爭先機。智能化戰(zhàn)爭的本質(zhì)是“人類指揮、機器自主、網(wǎng)絡(luò)支撐”。數(shù)字孿生技術(shù)能夠提升指揮員戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知能力，在網(wǎng)絡(luò)輔助下，快速將指揮員智慧賦予作戰(zhàn)力量，幫助己方率先搶奪智能化戰(zhàn)爭的先機。具體來看，數(shù)字孿生技術(shù)主要通過動態(tài)實時展現(xiàn)戰(zhàn)爭全貌，縮短決策行動反應(yīng)時間，實現(xiàn)快速掌握“制智權(quán)”的目的。數(shù)字孿生技術(shù)強調(diào)虛擬副本通過接受來自物理實體的數(shù)據(jù)而實時發(fā)展，從而在整個周期中與物理實體保持一致。信息化戰(zhàn)爭時代，大量的偵察探測和傳感設(shè)備應(yīng)用于戰(zhàn)場，極大提高了戰(zhàn)場數(shù)據(jù)的收集能力。戰(zhàn)場數(shù)據(jù)收集、處理和傳輸能力的提升為數(shù)字孿生技術(shù)動態(tài)實時展現(xiàn)戰(zhàn)爭全貌提供了可能。虛擬數(shù)字空間的戰(zhàn)場數(shù)字孿生體作為指揮人員與戰(zhàn)場行動交互的紐帶，除了能夠快速將戰(zhàn)場情況呈現(xiàn)給用戶，還可以將用戶的指令迅速傳達(dá)給作戰(zhàn)力量，縮短決策和行動的反應(yīng)時間，贏得戰(zhàn)爭優(yōu)勢。

結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)是物理對象或系統(tǒng)在其整個生命周期中的動態(tài)虛擬表示，通過使用實時數(shù)據(jù)來實現(xiàn)理解、學(xué)習(xí)和判斷。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能化戰(zhàn)爭的本質(zhì)是建立人與戰(zhàn)場連接的虛擬數(shù)字空間介質(zhì)，實現(xiàn)決策與行動的快速交互。軍事數(shù)字孿生體在節(jié)省資金、提高能力和作戰(zhàn)效率方面具有巨大的潛力，是軍事技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。軍事數(shù)字孿生技術(shù)在帶來巨大作戰(zhàn)優(yōu)勢的同時也伴隨著一定的風(fēng)險。數(shù)字孿生體很容易成為對手攻擊的目標(biāo)，因此數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)與新的安全模型一起發(fā)展，防止不安全的數(shù)據(jù)源和網(wǎng)絡(luò)帶來的風(fēng)險。數(shù)字孿生體越大、能力越強，風(fēng)險就越大。因此數(shù)字孿生體的整個網(wǎng)絡(luò)，物理資產(chǎn)和所有數(shù)據(jù)都必須在預(yù)定的安全級別上運行，才能實現(xiàn)利益最大化、風(fēng)險最小化。數(shù)字孿生技術(shù)對于戰(zhàn)爭的顛覆性影響正在逐漸展現(xiàn)，美國防領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用已處于世界領(lǐng)先水平，其他國家應(yīng)該奮起直追，抓住數(shù)字孿生技術(shù)風(fēng)口，為應(yīng)對智能化戰(zhàn)爭做好準(zhǔn)備。