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

龐雪凡 王振宇

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)。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(zhēng)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(guó)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(shí)空間、虛擬空間、由現(xiàn)實(shí)空間向虛擬空間傳遞的數(shù)據(jù)、由虛擬空間向現(xiàn)實(shí)空間傳遞的信息。2010年，美國(guó)家航空航天局發(fā)布報(bào)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(guó)航空航天學(xué)會(huì)專家將數(shù)字孿生技術(shù)定義為：“模擬單個(gè)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(gè)生命周期中使用來自物理孿生的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，并為實(shí)現(xiàn)價(jià)值提供決策所需的信息。”數(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(shí)體。數(shù)字孿生原型描述了原型物理實(shí)體，是思維層面的具化；數(shù)字孿生實(shí)體描述了特定物理實(shí)體，是現(xiàn)實(shí)層面的具化。數(shù)字孿生聚合是所有數(shù)字孿生實(shí)體的集合。數(shù)字孿生環(huán)境是一個(gè)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(shí)物理實(shí)體的數(shù)字副本，該物理實(shí)體既可以是非生命實(shí)體也可以是生命實(shí)體。數(shù)字孿生技術(shù)具有實(shí)時(shí)性、雙向性和貫穿性三個(gè)特點(diǎn)。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)字孿生是由邁克爾·格里弗斯提出的

以美國(guó)為代表的世界軍事大國(guó)已將數(shù)字孿生技術(shù)視為“改變戰(zhàn)爭(zhēng)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(shì)所趨。根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)的本質(zhì)和特點(diǎn)，從物、環(huán)境和人三個(gè)層面總結(jié)概括該技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于作戰(zhàn)平臺(tái)的研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)。裝甲車、艦艇、飛機(jī)、航天器等大型作戰(zhàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、測(cè)試過程較慢，導(dǎo)致研發(fā)周期較長(zhǎng)。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(shí)作戰(zhàn)需要的新型作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)系統(tǒng)。這是因?yàn)橄噍^于傳統(tǒng)作戰(zhàn)平臺(tái)先生產(chǎn)出物理原型再測(cè)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(jì)階段就開始進(jìn)行各種測(cè)試。同時(shí)，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(cè)試各種場(chǎng)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(jī)研發(fā)的整個(gè)過程全靠數(shù)字仿真推演，隨后直接量產(chǎn)。據(jù)報(bào)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(jì)算能力的提升，數(shù)字孿生體可以顯著改善作戰(zhàn)平臺(tái)的維護(hù)效率。平時(shí)，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(shí)間成本。戰(zhàn)時(shí)，技術(shù)人員可以在數(shù)字化空間及時(shí)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(bào)道，美軍在2020年夏天就開始拆除空軍的B-1轟炸機(jī)，以制造數(shù)字孿生機(jī)，還計(jì)劃創(chuàng)建F-35戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)字孿生體，以預(yù)測(cè)飛機(jī)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(chǎng)環(huán)境的想定、模擬和更新。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境指對(duì)作戰(zhàn)活動(dòng)和作戰(zhàn)效果有影響的各種因素和條件的統(tǒng)稱。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境包括自然環(huán)境、人文環(huán)境、電磁環(huán)境及戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)環(huán)境。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是軍事行動(dòng)的舞臺(tái)，能否清晰準(zhǔn)確了解分析戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，直接影響著軍事行動(dòng)的成敗。數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的映射，是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)字化的高級(jí)階段。以往的真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)與數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)模型之間存在數(shù)據(jù)分離情況，很難實(shí)現(xiàn)信息的閉環(huán)流動(dòng)。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用解決了這一難題，它可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境與數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境之間的實(shí)時(shí)雙向互操作，實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享。數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境能夠在作戰(zhàn)籌劃、作戰(zhàn)演練、作戰(zhàn)行動(dòng)中提供一致的數(shù)據(jù)，確保信息的一致性，使部隊(duì)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(chǎng)環(huán)境的創(chuàng)建中。由于數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境能夠?yàn)橹悄芑瘧?zhàn)爭(zhēng)提供信息支撐，幫助己方快速獲取智能化戰(zhàn)爭(zhēng)先機(jī)，因此應(yīng)積極推進(jìn)數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境理論研究和具體實(shí)施，建立基于時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)與其仿真模型之間的雙向?qū)崟r(shí)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(zhēng)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(gè)新的維度實(shí)現(xiàn)對(duì)敵顛覆性優(yōu)勢(shì)，是智能化戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的制勝機(jī)理。數(shù)字孿生技術(shù)通過在虛擬空間創(chuàng)建作戰(zhàn)平臺(tái)、武器系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)體的副本，集成所有副本模型，為指揮員展示最全面、最實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)真實(shí)情況，從而使指揮員形成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況最直觀的認(rèn)識(shí)，為其設(shè)計(jì)作戰(zhàn)方案、作出決策奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。戰(zhàn)爭(zhēng)構(gòu)成要素的數(shù)字孿生體還能夠反映和預(yù)測(cè)它們?cè)谡鎸?shí)空間中的行為，在戰(zhàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)算法的輔助下，能夠模擬不同作戰(zhàn)方案所能實(shí)現(xiàn)的作戰(zhàn)效果，幫助指揮官在最短時(shí)間內(nèi)選擇最佳行動(dòng)方案，形成最佳決策。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從觀察、判斷、決策至行動(dòng)全過程的閉環(huán)優(yōu)化，能夠?qū)⒅笓]決策優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?dòng)優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字孿生已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域

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

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來牽動(dòng)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(qiáng)化數(shù)據(jù)的價(jià)值，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息、知識(shí)和智慧，最后利用這些知識(shí)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(zhēng)形態(tài)由信息化戰(zhàn)爭(zhēng)向智能化戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸過渡。戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)主動(dòng)權(quán)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。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(shí)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(zhēng)中實(shí)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(zhēng)全過程。從時(shí)間角度來看，數(shù)字孿生技術(shù)將貫穿智能化戰(zhàn)爭(zhēng)戰(zhàn)前、戰(zhàn)時(shí)和戰(zhàn)后三個(gè)階段。智能化載荷、智能化平臺(tái)、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(zhēng)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(zhēng)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(shí)時(shí)作戰(zhàn)力量和作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)評(píng)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(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)規(guī)劃的最優(yōu)解。戰(zhàn)時(shí)，利用傳感器輸入的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，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(píng)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(zhēng)中人事、情報(bào)、作戰(zhàn)、計(jì)劃、后勤每個(gè)環(huán)節(jié)。以智能化戰(zhàn)爭(zhēng)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(chǎng)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和物流運(yùn)營(yíng)，這使后勤保障部門能夠預(yù)測(cè)和即時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)后勤需求，高質(zhì)高效解決戰(zhàn)場(chǎng)裝備故障、物流等問題，從而使后勤保障滿足智能化戰(zhàn)爭(zhēng)要求。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用將貫穿智能化戰(zhàn)爭(zhēng)全領(lǐng)域。未來的智能化戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(chǎng)指揮員實(shí)現(xiàn)全域態(tài)勢(shì)感知，了解不同作戰(zhàn)力量的性能和實(shí)時(shí)狀態(tài)，還可以進(jìn)行輔助分析、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)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(tái)狀態(tài)評(píng)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(hào)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(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)，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(diǎn)已應(yīng)用于陸、海、空、天、電、網(wǎng)各領(lǐng)域，是智能化戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng)先機(jī)。智能化戰(zhàn)爭(zhēng)的本質(zhì)是“人類指揮、機(jī)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(chǎng)態(tài)勢(shì)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(zhēng)的先機(jī)。具體來看，數(shù)字孿生技術(shù)主要通過動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)戰(zhàn)爭(zhēng)全貌，縮短決策行動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速掌握“制智權(quán)”的目的。數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)調(diào)虛擬副本通過接受來自物理實(shí)體的數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)發(fā)展，從而在整個(gè)周期中與物理實(shí)體保持一致。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，大量的偵察探測(cè)和傳感設(shè)備應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，極大提高了戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集能力。戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展現(xiàn)戰(zhàn)爭(zhēng)全貌提供了可能。虛擬數(shù)字空間的戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字孿生體作為指揮人員與戰(zhàn)場(chǎng)行動(dòng)交互的紐帶，除了能夠快速將戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)的反應(yīng)時(shí)間，贏得戰(zhàn)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)是物理對(duì)象或系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期中的動(dòng)態(tài)虛擬表示，通過使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來實(shí)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(zhēng)的本質(zhì)是建立人與戰(zhàn)場(chǎng)連接的虛擬數(shù)字空間介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)決策與行動(dòng)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(shì)。軍事數(shù)字孿生技術(shù)在帶來巨大作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也伴隨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字孿生體很容易成為對(duì)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(xiǎn)。數(shù)字孿生體越大、能力越強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)就越大。因此數(shù)字孿生體的整個(gè)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(jí)別上運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)利益最大化、風(fēng)險(xiǎn)最小化。數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)的顛覆性影響正在逐漸展現(xiàn)，美國(guó)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(guó)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(duì)智能化戰(zhàn)爭(zhēng)做好準(zhǔn)備。