《数字孪生国防白皮书（2021）》之生态

导读：作为确定数字孪生国防体系的首份报告，《数字孪生国防白皮书（2021）》由数字孪生战场实验室2021年10月1日发布，为便于大家查看及分享，分为多篇文章发在“数字孪生战场”公众号上。

对于工业4.0研究院来讲，永远不变的是变化。去年10月发布《数字孪生国防白皮书（2021）》的时候，决定依托UXV创新实验室开展数字孪生国防研究工作，希望快速进入无人系统研发的核心工作，后来经过一段时间的探索，最终确定为数字孪生战场为主要的抓手。

截止到今天，数字孪生战场公众号已经有1万名专业人士，原有的UXV创新实验室转型为“数字孪生靶场实验室”（DTRL，Digital Twin Range Laboratory）。

感谢来自各方朋友的鼓励和支持，2023年，我们已经准备好了。

立足UXV创新实验室的发展思路

数字孪生体是新一代数字技术之一，按照技术革命周期的认识，它必然经历概念范式构建、关键技术突破和产业专业化分工等发展过程，DARPA早在2009年就提出了概念，但建立物理世界和数字空间的交互体系困难之大超出了想象，这也是被称为“数字曼哈顿计划”的根本原因。

历经7年时间的努力，DASD（SE）最终发布了《数字工程战略》，完成了从系统工程到数字工程的转变。然而正如其负责人Philomena Zimmerman所讲，《数字工程战略》的发布，不是数字孪生体研究的结束，它只是一个阶段性成果。很快美国国防部在重组基础上，建立了网络安全、数字生态、数据和基础设施四只老虎团队，并新设了系统工程工作小组，以指引数字工程进一步发展。

图表 16 UXV创新实验室的定位

值得读者注意的是四只老虎团队，个个都事关数字工程的发展前途与命运，工业4.0研究院最为关注“数字生态”（Digital Ecosystem），这是不少军事专家最容易被忽略的部分，因为这似乎看起来比较“虚”。在此背景下，AFRL及MITRE等国防部门支持对象管理集团在2020年5月设立美国数字孪生体联盟，其意图不言而喻。

工业4.0研究院早于美国成立数字孪生体联盟，其目的是为了推进数字孪生体专业化分工发展，最终形成一个技术创新生态。经过近两年时间的发展，工业4.0研究院认为应建立一个开放的数字孪生体实验室，于是针对无人系统的新型应用领域，成立了“UXV创新实验室”。

UXV创新实验室瞄准数字孪生战机、数字孪生船舶、数字孪生汽车和数字孪生飞船等四个领域，它们之间拥有相同的数字孪生基础设施，能够产生较高的协同性，符合工业4.0研究院“数字孪生+”战略定位。

研用结合是UXV创新实验室的基本原则，目前计划通过5年左右的时间形成产品或解决方案，重点推进的是数字孪生船舶，初步考虑跟天海防务北京研究院共同建设。

标杆四大数字孪生国防案例

美国国防部为数字孪生体概念和技术的发展做出了很多创新工作，学习借鉴相关经验具有重要意义。UXV创新实验室立足于工业4.0研究院的成果，在自行开展数字孪生国防理论研究的同时，选择了四个关注度较高、资料较丰富和长期运行的对象作为标杆对象，作为UXV创新实验室开展四大领域研制工作的参考。

表格 8 数字孪生国防的四大标杆对象

标杆（一） UxS 2021无人作战演习

2021年4月19-26日，美国海军首次开展了无人综合作战问题21（ Unmanned Integrated Battle Problem）演习，该演习的目标是探索有人和无人作战能力整合起来，最终实现所谓分布式作战目标。美国太平洋舰队主导，第三舰队组织实施了该演习内容。

图表 17 无人综合作战问题21标识

标杆（二） 马赛克作战

为了建立第三次抵消战略的优势，必须实现速度的领先，这通过传统的国防技术难以实现，必须引入新的作战理念和技术，在近10年积累的数字技术基础上，DARPA提出了马赛克作战，其核心理念就是建立物理世界的互联网体系，这必须利用数字孪生体技术。

标杆（三） F-35的数字孪生化

F-35战斗机由美国洛克希德·马丁研制，将会成为美国及其同盟国未来最主要的第五代战斗机之一。2019年美国国防部把F-35的数字孪生化作为成功案例，向国会展示数字孪生体技术的强大强力，要求大力推进相关技术的研发和进一步发展。

标杆（四） AFSIM和REBASE开源体系

作为加速技术专业化分工和成熟的重要手段，开源社区在数字孪生国防领域也有非常广泛的应用潜力。波音公司开发的AFSIM赠送给AFRL之后，迅速采取了开源社区的运行方式，目前全球有几百家单位利用该开源框架进行开发，对建立建模仿真的标准体系非常有帮助。

图表 18 AFRL组织AFSIM开发者大会

全球正在发生的军事革命给作战模式带来了根本性改变，在多个作战域采取行动，给对手制造复杂的、同时发生的困境，开始成为多域作战的目标。美国空军研究实验室近期完成了“重构基础分析和仿真环境”（REBASE，Redefining the Basic Analytical and Simulation Environment）招标工作，力图到2025年实现基于现有AFSIM工具的更新换代。

数字孪生国防开源社区实践

开源社区的运行规则可以用激励相容原则来说明，2007年和2014年诺贝尔经济学奖获得者均对激励相容的机制做了贡献。所谓激励相容，可以一句话来描述，“如果在给定机制下，如实报告自己的私人信息是参与者的占优策略均衡，那么这个机制就是激励相容的。”

2021年7月17日，工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长胡权应邀参加中国计算机学会2021未来计算机教育峰会，以《数字孪生体和开源》为题做了观点报告，对利用开源社区来推进数字孪生体专业化分工做了分析，阐释了数字孪生体开源社区的必要性和重要性。

图表 19 胡权在中国计算机学会峰会上的演讲封面

由于中国长期缺少独立发展的颠覆性技术路径，信息和知识成为了各家企业安身立命的优势，需求方要么缺乏专业知识去识别这些技术，或者因为某些隐规则不愿意接纳新的技术解决方案，这大大挫败了不少原创概念和技术提出者的积极性。

之所以出现“劣币驱逐良币”的现象，是因为中国企业缺少战略创新能力，开源时代在20多年前就开始了，然而开源社区在中国经历了这么多年没有明显进展，主要原因是“不需要”颠覆性技术，几乎所有技术概念产自国外，国内只需要模仿借鉴即可。随着全球竞争格局发生巨大改变，中国经济体量和质量也发展到一个拐点，仅仅通过模仿无法支撑中国企业的发展需要，国家安全和市场需求呼唤颠覆性技术的出现。

表格 9 工业4.0研究院相关开源项目情况

以第四次工业革命的通用目的技术来看，由于工业4.0研究院等单位的努力，目前距离国际先进水平有一定距离，但并非不可赶超，中国甚至在一些方面还处于领先地位，例如，工业4.0研究院就发起了全球第一个数字孪生体联盟。

自成立以来，工业4.0研究院把包容和开源作为其核心价值观，并早在2015年就启动了开源社区的建设。2017年工业4.0研究院下属企业承建了“开源工业互联网平台”[8]，该平台主要提供云计算、人工智能、大数据和数字孪生体四个领域开源项目发布和推广服务。

根据运行开源社区的经验，工业4.0研究院相继启动了开源5G项目、开源数字孪生体项目以及数字孪生大脑开源社区等，由于各种原因，这些项目完成预定目标之后融入到新的开源项目中去了。

在工业4.0研究院“数字孪生+”战略指引下，将聚焦UXV创新实验室和翼络数字国防工作小组开展开源社区工作，工作重点包括两项：第一项是突破无人系统的关键核心技术，通过开源社区跟行业企业协作，加速无人系统各种项目及产品的研发；第二项是数字孪生战场开源项目，该项目由翼络数字公司运行，目前处于规划阶段，预计2022年正式启动，到2023年将有基本的研发成果，2025年将形成较为完善的解决方案。

开源社区在产生之初，它就跟颠覆性创新紧密关联在一起了，这也是为什么美国国防部颁布法令，要求20%以上的国防采购项目必须采用开源授权方式，因为美国军事创新必须处于绝对领先地位，他们希望所有的颠覆性创新都发生在美国。

工业4.0研究院以推进颠覆性创新为使命，开源社区根植于其组织基因中，我们受惠于开源社区的贡献，在第四次工业革命时期，立足于人工智能、数据科学、数字孪生体和物联网等新一代数字技术的开源社区运行，实现引领数字孪生体产业创新发展的目标。

[8] 开源工业互联网平台的网址：https://openii.cn

引用：

工业4.0研究院.数字孪生国防白皮书（2021）. 2021.10.1

China Academy of Industrie 4.0. Digital Twin Defense Whitepaper 2021. 2021.10.1