数字孪生技术在智能化战争中的应用

庞雪凡 王振宇

近年来，随着物联网、云计算、人工智能、虚拟现实、增强现实等新兴科学技术的发展和应用，数字孪生技术由概念走向现实。数字孪生技术是上述新兴科学技术的集成，是未来智能化战争的核心支撑技术之一。

数字孪生技术的起源及概念内涵

数字孪生技术概念起源于美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯教授在2002年提出的“产品生命周期管理”概念。该概念包含了数字孪生技术概念的全部要素，即现实空间、虚拟空间、由现实空间向虚拟空间传递的数据、由虚拟空间向现实空间传递的信息。2010年，美国家航空航天局发布报告《建模、仿真、信息技术和处理路线图》正式提出数字孪生概念。美国航空航天学会专家将数字孪生技术定义为：“模拟单个物理资产或一组物理资产的结构、背景和行为的一组虚拟信息构造，在其整个生命周期中使用来自物理孪生的数据进行动态更新，并为实现价值提供决策所需的信息。”数字孪生技术有两种类型，即数字孪生原型和数字孪生实体。数字孪生原型描述了原型物理实体，是思维层面的具化；数字孪生实体描述了特定物理实体，是现实层面的具化。数字孪生聚合是所有数字孪生实体的集合。数字孪生环境是一个集成的、多领域的物理应用空间，可根据不同目的应用数字孪生技术。综上所述，数字孪生技术是在虚拟空间中构建现实物理实体的数字副本，该物理实体既可以是非生命实体也可以是生命实体。数字孪生技术具有实时性、双向性和贯穿性三个特点。

数字孪生技术在智能化战争中的应用场景

数字孪生是由迈克尔·格里弗斯提出的

以美国为代表的世界军事大国已将数字孪生技术视为“改变战争游戏规则”的颠覆性技术。美海军领导人曾表示：“数字孪生体不是有趣的假设，而是当务之急”。数字孪生技术在军事领域的应用已经是大势所趋。根据数字孪生技术的本质和特点，从物、环境和人三个层面总结概括该技术在智能化战争中的应用场景。

数字孪生技术可应用于作战平台的研发、生产和维护。装甲车、舰艇、飞机、航天器等大型作战平台结构复杂、零部件繁多、测试过程较慢，导致研发周期较长。数字孪生技术的应用可以极大缩短研发周期，降低研发成本，快速研制出满足现实作战需要的新型作战平台和作战系统。这是因为相较于传统作战平台先生产出物理原型再测试，直至产品满足需求的闭合循环研发过程，数字孪生技术在设计阶段就开始进行各种测试。同时，通过传感器搜集初始原型数据，在决定更改物理原型之前，在数字化环境中模拟测试各种场景，从而达到创建最少物理模型、最快生产出合适产品的目的。例如波音公司在波音777客机研发的整个过程全靠数字仿真推演，随后直接量产。据报道，数字孪生技术帮助波音公司减少50%的返工量，有效缩短40%的研发周期。随着大数据的兴起以及计算能力的提升，数字孪生体可以显著改善作战平台的维护效率。平时，数字孪生体可以通过日常按需维修减少装备进厂维护的次数，从而降低维护的资金成本和时间成本。战时，技术人员可以在数字化空间及时了解装备情况，确定故障源，远程组织抢救抢修，从而快速恢复作战能力。据报道，美军在2020年夏天就开始拆除空军的B-1轰炸机，以制造数字孪生机，还计划创建F-35战斗机的数字孪生体，以预测飞机的性能、预期寿命和故障情况。美空军于2022年3月21日宣布，已在弗罗里达州廷德尔空军基地启用数字孪生全息实验室，以数字模型形式展示空军基地，使飞行员能够在虚拟环境中测试技术。数字孪生技术最先应用于航天航空装备的研发，未来将融入陆、海、空、天、电、网各领域装备的研发、生产与维护。

数字孪生技术可应用于战场环境的想定、模拟和更新。战场环境指对作战活动和作战效果有影响的各种因素和条件的统称。战场环境包括自然环境、人文环境、电磁环境及战场建设环境。战场环境是军事行动的舞台，能否清晰准确了解分析战场环境，直接影响着军事行动的成败。数字孪生战场环境是真实战场环境的映射，是战场环境数字化的高级阶段。以往的真实战场与数字化战场模型之间存在数据分离情况，很难实现信息的闭环流动。数字孪生技术的应用解决了这一难题，它可以实现真实环境与数字孪生战场环境之间的实时双向互操作，实现高效实时数据共享。数字孪生战场环境能够在作战筹划、作战演练、作战行动中提供一致的数据，确保信息的一致性，使部队能够在同一张地图上作战。当前，数字孪生技术仍主要应用于智能制造，尚未真正广泛应用于战场环境的创建中。由于数字孪生战场环境能够为智能化战争提供信息支撑，帮助己方快速获取智能化战争先机，因此应积极推进数字孪生战场环境理论研究和具体实施，建立基于时空大数据平台的数字孪生战场环境。

数字孪生技术可应用于指挥控制的观察、判断和决策。数字孪生是虚拟资产，可实现真实战场与其仿真模型之间的双向实时映射和交互，输入数据后可以提供决策信息。当前战争样式已经由网络中心战逐渐向决策中心战转变，增加己方作战选择，干扰敌人决策，在“认知域”这个新的维度实现对敌颠覆性优势，是智能化战争形态的制胜机理。数字孪生技术通过在虚拟空间创建作战平台、武器系统、战场环境等战争实体的副本，集成所有副本模型，为指挥员展示最全面、最实时的战场真实情况，从而使指挥员形成对战场情况最直观的认识，为其设计作战方案、作出决策奠定认知基础。战争构成要素的数字孪生体还能够反映和预测它们在真实空间中的行为，在战场学习算法的辅助下，能够模拟不同作战方案所能实现的作战效果，帮助指挥官在最短时间内选择最佳行动方案，形成最佳决策。数字孪生技术的应用实现了从观察、判断、决策至行动全过程的闭环优化，能够将指挥决策优势转变为行动优势和战争优势。

数字孪生已广泛应用于多个领域

数字孪生技术在智能化战争中的应用特点

大数据时代的到来牵动了军事领域的变革。军事领域一直在尝试利用无处不在的海量数据，强化数据的价值，将数据转化为信息、知识和智慧，最后利用这些知识和智慧做出最有利于己方的决策。随着科学技术的发展，战争形态由信息化战争向智能化战争逐渐过渡。战场上，掌握“制智权”将逐渐取代“制信息权”，“制智权”成为战场主动权争夺的焦点。数字孪生技术的应用能够加速数据转化为知识和智慧的进程，进而提升掌握“制智权”的速度，在战争中实现先发制人。

数字孪生技术的应用将贯穿智能化战争全过程。从时间角度来看，数字孪生技术将贯穿智能化战争战前、战时和战后三个阶段。智能化载荷、智能化平台、智能化系统等构成的新型作战力量是智能化战争的物质基础。战前，数字孪生技术能够应用于智能化作战力量的研发与生产，加速奠定智能化战争的稳固地基。除此之外，数字孪生技术还能通过整合当下实时作战力量和作战环境数据，预测评估其未来的状态，模拟不同作战方案的作战效果，帮助指挥官实现作战规划的最优解。战时，利用传感器输入的数据实时呈现战场态势，高效部署作战力量。战后，可快速掌握打击目标与己方作战力量状态，高效进行目标打击效果评估和作战能力恢复。从内容角度来看，数字孪生技术可以应用于智能化战争中人事、情报、作战、计划、后勤每个环节。以智能化战争后勤工作为例，随着指挥控制系统和保障装备智能化水平的不断提升，未来智能化战场后勤保障资源的配置模式将更为分散灵活，要求按需供应、快速供应。数字孪生技术能够应用于供应链、运输网络和物流运营，这使后勤保障部门能够预测和即时感知战场后勤需求，高质高效解决战场装备故障、物流等问题，从而使后勤保障满足智能化战争要求。

数字孪生技术的应用将贯穿智能化战争全领域。未来的智能化战争将在由陆、海、空、天、电、网组成的全领域进行联合作战。联合全域作战要求以任务为中心，打破传统军（兵）种之间的界限，根据作战需要快速整合作战力量。联合全域作战的核心是联合全域指挥控制，联合全域指挥控制的优劣直接决定了联合全域作战的实现和成败。数字孪生技术的应用没有物理域限制，理论上来说可以创建任何物理实体和系统的虚拟数字模型。数字孪生体的真正力量是在物理世界和数字世界之间提供近乎实时的全面联系的能力。全域数字孪生体的创建能够帮助战场指挥员实现全域态势感知，了解不同作战力量的性能和实时状态，还可以进行辅助分析、评估风险，从而使指挥员更加快速准确地作出决策，满足联合全域作战的需要。美军作为数字孪生技术应用于军事领域的先行者和领先者，已经实现数字孪生技术的全域应用。例如，美陆军利用数字孪生技术进行导弹及发射平台状态评估；美海军利用数字孪生技术创建了具有信息战功能的数字林肯模型，将其安装在“林肯”号航母上，以提高其网络电磁装备的安全性和可靠性；美空军利用数字孪生技术进行战斗机的维护、解决数据安全问题等；美军还将数字孪生技术应用于计算机网络，构建网络副本，模拟网络攻击和防御，在系统受到威胁时，用副本替换损坏的版本。由此可见，数字孪生技术凭借其突出的优点已应用于陆、海、空、天、电、网各领域，是智能化战争不可获缺的技术之一。

数字孪生应用于制造业可减少返工量，缩短研发周期

数字孪生技术的应用利于抢夺智能化战争先机。智能化战争的本质是“人类指挥、机器自主、网络支撑”。数字孪生技术能够提升指挥员战场态势认知能力，在网络辅助下，快速将指挥员智慧赋予作战力量，帮助己方率先抢夺智能化战争的先机。具体来看，数字孪生技术主要通过动态实时展现战争全貌，缩短决策行动反应时间，实现快速掌握“制智权”的目的。数字孪生技术强调虚拟副本通过接受来自物理实体的数据而实时发展，从而在整个周期中与物理实体保持一致。信息化战争时代，大量的侦察探测和传感设备应用于战场，极大提高了战场数据的收集能力。战场数据收集、处理和传输能力的提升为数字孪生技术动态实时展现战争全貌提供了可能。虚拟数字空间的战场数字孪生体作为指挥人员与战场行动交互的纽带，除了能够快速将战场情况呈现给用户，还可以将用户的指令迅速传达给作战力量，缩短决策和行动的反应时间，赢得战争优势。

结语

数字孪生技术是物理对象或系统在其整个生命周期中的动态虚拟表示，通过使用实时数据来实现理解、学习和判断。数字孪生技术应用于智能化战争的本质是建立人与战场连接的虚拟数字空间介质，实现决策与行动的快速交互。军事数字孪生体在节省资金、提高能力和作战效率方面具有巨大的潜力，是军事技术发展的必然趋势。军事数字孪生技术在带来巨大作战优势的同时也伴随着一定的风险。数字孪生体很容易成为对手攻击的目标，因此数字孪生技术应与新的安全模型一起发展，防止不安全的数据源和网络带来的风险。数字孪生体越大、能力越强，风险就越大。因此数字孪生体的整个网络，物理资产和所有数据都必须在预定的安全级别上运行，才能实现利益最大化、风险最小化。数字孪生技术对于战争的颠覆性影响正在逐渐展现，美国防领域数字孪生技术的应用已处于世界领先水平，其他国家应该奋起直追，抓住数字孪生技术风口，为应对智能化战争做好准备。