數字孿生技術在智能化戰爭中的應用
責編：gltian ｜2022-08-23 15:24:23近年來，隨著物聯網、云計算、人工智能、虛擬現實、增強現實等新興科學技術的發展和應用，數字孿生技術由概念走向現實。數字孿生技術是上述新興科學技術的集成，是未來智能化戰爭的核心支撐技術之一。
數字孿生技術的起源及概念內涵
數字孿生技術概念起源于美國密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯教授在2002年提出的“產品生命周期管理”概念。該概念包含了數字孿生技術概念的全部要素，即現實空間、虛擬空間、由現實空間向虛擬空間傳遞的數據、由虛擬空間向現實空間傳遞的信息。2010年，美國家航空航天局發布報告《建模、仿真、信息技術和處理路線圖》正式提出數字孿生概念。美國航空航天學會專家將數字孿生技術定義為：“模擬單個物理資產或一組物理資產的結構、背景和行為的一組虛擬信息構造，在其整個生命周期中使用來自物理孿生的數據進行動態更新，并為實現價值提供決策所需的信息。”
數字孿生是由邁克爾·格里弗斯提出的
數字孿生技術有兩種類型，即數字孿生原型和數字孿生實體。數字孿生原型描述了原型物理實體，是思維層面的具化；數字孿生實體描述了特定物理實體，是現實層面的具化。數字孿生聚合是所有數字孿生實體的集合。數字孿生環境是一個集成的、多領域的物理應用空間，可根據不同目的應用數字孿生技術。綜上所述，數字孿生技術是在虛擬空間中構建現實物理實體的數字副本，該物理實體既可以是非生命實體也可以是生命實體。數字孿生技術具有實時性、雙向性和貫穿性三個特點。
數字孿生技術在智能化戰爭中的應用場景
以美國為代表的世界軍事大國已將數字孿生技術視為“改變戰爭游戲規則”的顛覆性技術。美海軍領導人曾表示：“數字孿生體不是有趣的假設，而是當務之急”。數字孿生技術在軍事領域的應用已經是大勢所趨。根據數字孿生技術的本質和特點，從物、環境和人三個層面總結概括該技術在智能化戰爭中的應用場景。
數字孿生已廣泛應用于多個領域
數字孿生技術可應用于作戰平臺的研發、生產和維護。裝甲車、艦艇、飛機、航天器等大型作戰平臺結構復雜、零部件繁多、測試過程較慢，導致研發周期較長。數字孿生技術的應用可以極大縮短研發周期，降低研發成本，快速研制出滿足現實作戰需要的新型作戰平臺和作戰系統。這是因為相較于傳統作戰平臺先生產出物理原型再測試，直至產品滿足需求的閉合循環研發過程，數字孿生技術在設計階段就開始進行各種測試。同時，通過傳感器搜集初始原型數據，在決定更改物理原型之前，在數字化環境中模擬測試各種場景，從而達到創建最少物理模型、最快生產出合適產品的目的。例如波音公司在波音777客機研發的整個過程全靠數字仿真推演，隨后直接量產。據報道，數字孿生技術幫助波音公司減少50%的返工量，有效縮短40%的研發周期。隨著大數據的興起以及計算能力的提升，數字孿生體可以顯著改善作戰平臺的維護效率。平時，數字孿生體可以通過日常按需維修減少裝備進廠維護的次數，從而降低維護的資金成本和時間成本。戰時，技術人員可以在數字化空間及時了解裝備情況，確定故障源，遠程組織搶救搶修，從而快速恢復作戰能力。據報道，美軍在2020年夏天就開始拆除空軍的B-1轟炸機，以制造數字孿生機，還計劃創建F-35戰斗機的數字孿生體，以預測飛機的性能、預期壽命和故障情況。美空軍于2022年3月21日宣布，已在弗羅里達州廷德爾空軍基地啟用數字孿生全息實驗室，以數字模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環境中測試技術。數字孿生技術最先應用于航天航空裝備的研發，未來將融入陸、海、空、天、電、網各領域裝備的研發、生產與維護。
數字孿生技術可應用于戰場環境的想定、模擬和更新。戰場環境指對作戰活動和作戰效果有影響的各種因素和條件的統稱。戰場環境包括自然環境、人文環境、電磁環境及戰場建設環境。戰場環境是軍事行動的舞臺，能否清晰準確了解分析戰場環境，直接影響著軍事行動的成敗。數字孿生戰場環境是真實戰場環境的映射，是戰場環境數字化的高級階段。以往的真實戰場與數字化戰場模型之間存在數據分離情況，很難實現信息的閉環流動。數字孿生技術的應用解決了這一難題，它可以實現真實環境與數字孿生戰場環境之間的實時雙向互操作，實現高效實時數據共享。數字孿生戰場環境能夠在作戰籌劃、作戰演練、作戰行動中提供一致的數據，確保信息的一致性，使部隊能夠在同一張地圖上作戰。當前，數字孿生技術仍主要應用于智能制造，尚未真正廣泛應用于戰場環境的創建中。由于數字孿生戰場環境能夠為智能化戰爭提供信息支撐，幫助己方快速獲取智能化戰爭先機，因此應積極推進數字孿生戰場環境理論研究和具體實施，建立基于時空大數據平臺的數字孿生戰場環境。
數字孿生技術可應用于指揮控制的觀察、判斷和決策。數字孿生是虛擬資產，可實現真實戰場與其仿真模型之間的雙向實時映射和交互，輸入數據后可以提供決策信息。當前戰爭樣式已經由網絡中心戰逐漸向決策中心戰轉變，增加己方作戰選擇，干擾敵人決策，在“認知域”這個新的維度實現對敵顛覆性優勢，是智能化戰爭形態的制勝機理。數字孿生技術通過在虛擬空間創建作戰平臺、武器系統、戰場環境等戰爭實體的副本，集成所有副本模型，為指揮員展示最全面、最實時的戰場真實情況，從而使指揮員形成對戰場情況最直觀的認識，為其設計作戰方案、作出決策奠定認知基礎。戰爭構成要素的數字孿生體還能夠反映和預測它們在真實空間中的行為，在戰場學習算法的輔助下，能夠模擬不同作戰方案所能實現的作戰效果，幫助指揮官在最短時間內選擇最佳行動方案，形成最佳決策。數字孿生技術的應用實現了從觀察、判斷、決策至行動全過程的閉環優化，能夠將指揮決策優勢轉變為行動優勢和戰爭優勢。
數字孿生技術在智能化戰爭中的應用特點
大數據時代的到來牽動了軍事領域的變革。軍事領域一直在嘗試利用無處不在的海量數據，強化數據的價值，將數據轉化為信息、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。隨著科學技術的發展，戰爭形態由信息化戰爭向智能化戰爭逐漸過渡。戰場上，掌握“制智權”將逐漸取代“制信息權”，“制智權”成為戰場主動權爭奪的焦點。數字孿生技術的應用能夠加速數據轉化為知識和智慧的進程，進而提升掌握“制智權”的速度，在戰爭中實現先發制人。
數字孿生技術的應用將貫穿智能化戰爭全過程。從時間角度來看，數字孿生技術將貫穿智能化戰爭戰前、戰時和戰后三個階段。智能化載荷、智能化平臺、智能化系統等構成的新型作戰力量是智能化戰爭的物質基礎。戰前，數字孿生技術能夠應用于智能化作戰力量的研發與生產，加速奠定智能化戰爭的穩固地基。除此之外，數字孿生技術還能通過整合當下實時作戰力量和作戰環境數據，預測評估其未來的狀態，模擬不同作戰方案的作戰效果，幫助指揮官實現作戰規劃的最優解。戰時，利用傳感器輸入的數據實時呈現戰場態勢，高效部署作戰力量。戰后，可快速掌握打擊目標與己方作戰力量狀態，高效進行目標打擊效果評估和作戰能力恢復。從內容角度來看，數字孿生技術可以應用于智能化戰爭中人事、情報、作戰、計劃、后勤每個環節。以智能化戰爭后勤工作為例，隨著指揮控制系統和保障裝備智能化水平的不斷提升，未來智能化戰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、快速供應。數字孿生技術能夠應用于供應鏈、運輸網絡和物流運營，這使后勤保障部門能夠預測和即時感知戰場后勤需求，高質高效解決戰場裝備故障、物流等問題，從而使后勤保障滿足智能化戰爭要求。
數字孿生應用于制造業可減少返工量，縮短研發周期
數字孿生技術的應用將貫穿智能化戰爭全領域。未來的智能化戰爭將在由陸、海、空、天、電、網組成的全領域進行聯合作戰。聯合全域作戰要求以任務為中心，打破傳統軍（兵）種之間的界限，根據作戰需要快速整合作戰力量。聯合全域作戰的核心是聯合全域指揮控制，聯合全域指揮控制的優劣直接決定了聯合全域作戰的實現和成敗。數字孿生技術的應用沒有物理域限制，理論上來說可以創建任何物理實體和系統的虛擬數字模型。數字孿生體的真正力量是在物理世界和數字世界之間提供近乎實時的全面聯系的能力。全域數字孿生體的創建能夠幫助戰場指揮員實現全域態勢感知，了解不同作戰力量的性能和實時狀態，還可以進行輔助分析、評估風險，從而使指揮員更加快速準確地作出決策，滿足聯合全域作戰的需要。美軍作為數字孿生技術應用于軍事領域的先行者和領先者，已經實現數字孿生技術的全域應用。例如，美陸軍利用數字孿生技術進行導彈及發射平臺狀態評估；美海軍利用數字孿生技術創建了具有信息戰功能的數字林肯模型，將其安裝在“林肯”號航母上，以提高其網絡電磁裝備的安全性和可靠性；美空軍利用數字孿生技術進行戰斗機的維護、解決數據安全問題等；美軍還將數字孿生技術應用于計算機網絡，構建網絡副本，模擬網絡攻擊和防御，在系統受到威脅時，用副本替換損壞的版本。由此可見，數字孿生技術憑借其突出的優點已應用于陸、海、空、天、電、網各領域，是智能化戰爭不可獲缺的技術之一。
數字孿生技術的應用利于搶奪智能化戰爭先機。智能化戰爭的本質是“人類指揮、機器自主、網絡支撐”。數字孿生技術能夠提升指揮員戰場態勢認知能力，在網絡輔助下，快速將指揮員智慧賦予作戰力量，幫助己方率先搶奪智能化戰爭的先機。具體來看，數字孿生技術主要通過動態實時展現戰爭全貌，縮短決策行動反應時間，實現快速掌握“制智權”的目的。數字孿生技術強調虛擬副本通過接受來自物理實體的數據而實時發展，從而在整個周期中與物理實體保持一致。信息化戰爭時代，大量的偵察探測和傳感設備應用于戰場，極大提高了戰場數據的收集能力。戰場數據收集、處理和傳輸能力的提升為數字孿生技術動態實時展現戰爭全貌提供了可能。虛擬數字空間的戰場數字孿生體作為指揮人員與戰場行動交互的紐帶，除了能夠快速將戰場情況呈現給用戶，還可以將用戶的指令迅速傳達給作戰力量，縮短決策和行動的反應時間，贏得戰爭優勢。
結?語
數字孿生技術是物理對象或系統在其整個生命周期中的動態虛擬表示，通過使用實時數據來實現理解、學習和判斷。數字孿生技術應用于智能化戰爭的本質是建立人與戰場連接的虛擬數字空間介質，實現決策與行動的快速交互。軍事數字孿生體在節省資金、提高能力和作戰效率方面具有巨大的潛力，是軍事技術發展的必然趨勢。軍事數字孿生技術在帶來巨大作戰優勢的同時也伴隨著一定的風險。數字孿生體很容易成為對手攻擊的目標，因此數字孿生技術應與新的安全模型一起發展，防止不安全的數據源和網絡帶來的風險。數字孿生體越大、能力越強，風險就越大。因此數字孿生體的整個網絡，物理資產和所有數據都必須在預定的安全級別上運行，才能實現利益最大化、風險最小化。數字孿生技術對于戰爭的顛覆性影響正在逐漸展現，美國防領域數字孿生技術的應用已處于世界領先水平，其他國家應該奮起直追，抓住數字孿生技術風口，為應對智能化戰爭做好準備。
來源:軍事文摘