《数字孪生国防白皮书（2021）》之军事革命

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。

作为第四次工业革命的通用目的技术（GPT，General-Purpose Technologies），数字孪生体是驱动军事革命的重要力量之一。针对“数字孪生+”对国防领域的影响，《数字孪生国防白皮书（2021）》做了深入分析，具体内容如下。

认识数字曼哈顿计划

自DARPA于2009年提出数字孪生体概念之后[3]，美国空军研究实验室、史蒂文工程学院以及系统工程研究中心等机构开展了系列工程验证工作。认识到数字孪生体工程的复杂性，阿诺德空军基地的Timothy West和史蒂文工程学院的Mark Blackburn联合写了一篇文章[4]，称数字孪生体工程是美国国防部最新的曼哈顿计划，为了跟传统的原子弹工程区分开来，工业4.0研究院称之为“数字曼哈顿计划”（DMP，Digital Manhattan Project）。

回顾原子弹曼哈顿计划，美国陆军部于1942年6月开始实施利用核裂变反应来研制原子弹，集中了西方国家最优秀的科学家，动员了10万多人参与这项工程，花费了20亿美元，仅仅用了3年时间就实现了原子弹制造计划。这应该归功于系统工程的思路起到了关键作用， L.R.格罗夫斯和R.奥本海默负责原子弹曼哈顿计划的实施，采用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。

这正是作者在上述文章希望表达的含义，数字曼哈顿计划为了改造系统工程，需要集中优秀的科学家参与，其代价不低于原子弹研制的花费，但经过7年时间，数字孪生体工程的可用性仍然存在不同看法。即便如此，美国国防部负责系统工程的DASD（SE）实现了2011年成立时的使命，在2018年发布了《数字工程战略》（Digital Engineering Strategy）报告，开启了基于数字孪生体的数字工程时代。

图表 1 不同战斗机的代码行数的预测值

值得读者关注的是，负责系统工程的DASD（SE）在宣布了《数字工程战略》之后，该部门就不再独立存在了，相关职能进入了重组后的USD（R&E）部门，这是原USD（AT&L）拆分后专门负责研究和工程的部门。DASD（SE）的撤销，意味着美国系统工程普及工作进入了新阶段，通过设立DASD（SE）和系统工程研究中心等，美国国防部大部分部门掌握了系统工程方法，经过众多工程师的努力，还成功建立了基于数字孪生体和数字线程的数字工程体系，大大简化了系统工程的应用难度和成本。

传统工业工程软硬件比例符合二八原理，即软件占比只有20%，但随着工业数字化的深化，软件占比已经在装备中呈现几何级数的增长，使得现代工业工程软硬件占比开始倒置，也就是软件占比从20%向80%转变，工业4.0研究院称之为二八定律倒置。

既然软件占比越来越大，它已经不能根据程序员的喜好来开发，毕竟动辄几千万或几亿行代码不是个人容易处理的，这需要引入工业化的专业化分工方法，这也是全球各大机构提出各种软件工程新方法的原因。

美国国家科学基金会、NASA和DARPA以及麻省理工学院和卡耐基梅隆大学等为了解决软硬件二八原理倒置的挑战，提出了大量的概念和方法论。从近期的各种趋势来看，DARPA提出的数字孪生体得到各家单位的认同，开始基于数字孪生体来重构软件工程方法，例如，卡耐基梅隆大学的软件工程中心，提出了基于物理系统补偿的数字孪生开发方法。

展望国防技术发展的趋势，新型的系统工程或数字工程将改变传统的装备研制、制造和应用，谁能率先实现数字工程技术生态的构建，就有可能赢得这次数字孪生国防竞争。

跟80年前的原子弹曼哈顿计划不同，数字曼哈顿计划不是实现科学大工程，它不是传统科学原理的进步，而是工程技术的重大突破，成本和周期将是数字孪生体工程最引人入胜的优点。能不能在更短的周期中实现武器装备新型号的研制，并能够在更低的预算内完成，将是决定大国竞争战略能否实现的关键要素。

分布式作战的刚需

80年前，第二次世界大战进入决胜阶段，法西斯国家似乎占据上风，美国迫切需要大规模杀伤武器，以尽量杀伤敌人的超级武器原子弹成为了美国军方的选择。除了为逼迫日本投降为目的，美国投放了两颗原子弹外，核武器迄今未再被实战应用过。目前的战争强调综合作战能力，通过陆海空天的力量投射，更加精准实现作战意图，已经成为作战的主流。

随着全球军事格局的转变，大国之间的竞争已经成为超级大国美国考虑的首要问题。跟实力悬殊的小国作战，美军感受不到真正的压力，利用联合作战加上先进武器就可以轻松获胜，但对于大国之间的作战，显然不是不是这样简单，为了延续美国军事上的优势，美国国防部最近10年开始推崇分布式作战模式，例如，美国海军提出了分布式海上作战（DMO，Distributed Marine Operations），DARPA于2017年提出了马赛克作战（Mosaic Warfare），亦即分布式作战的一种提法。

分布式作战是跟集中式作战对应的模式，集中式作战意味着围绕作战指挥中心的命令，实现各种作战任务，但分布式作战则强调“各自为政”的模式，考虑到集中式作战意味着各种先进武器的直接对抗，大家比拼的是武器装备的消耗，如果对于资源匮乏、先进武器不多的小国来讲，美军较容易实现自己的战略目标，但对于资源较丰富、先进武器丰富的大国来讲，美军就不容易实现其作战意图了。

美国国防部认识到将来的作战不能硬拼，它在美苏争霸的时候就尝试过简单对抗的苦头，后来还是采取了其他手段促使苏联解体了。对于中国和俄罗斯这样的对手，美国国防部显然不能如法炮制，利用新一轮军事革命的机遇，引入新的颠覆性技术，打造新的装备体系，实现新的分布式作战模式，在对手还未找出破解之道的时候，有可能获得成功。

回归新一轮军事革命的本质，成本和灵活性将是决胜之关键。不管是集中式作战还是分布式作战，在战场上能够打赢的作战模式才是有用的，工业4.0研究院认为，对于大国竞争，可以在消耗国力和提高灵活性上做文章。

一个国家的存在意义，不仅仅是打仗，还需要保障人民的生活、商业及产业的正常运转，一旦战争对国家资源的消耗过快，那么这个国家的国力就会受到影响，从而实现“不战而屈人之兵”，美苏争霸实际上就是这种情况，苏联对抗美国的长期消耗，降低了苏联继续称雄的决心和毅力，最终自己拆解为多个国家。

接下来看看分布式作战的短期价值，分布式作战意味着灵活的作战，通过较小单元的作战能力，达成大规模作战实现不了的作战效果，这是美国国防部醉心于分布式作战的根本原因。然而灵活性意味着不可控因素增多，传统的指控、装备甚至于训练都将进行变革。

2017年，DARPA战略技术办公室提出了马赛克作战概念，并委托兰德智库等开展研究工作，包括验证该作战模式的可行性，对现有的国防部组织架构要做什么的改进，以及武器装备如何改进等。

从2021年发布的《打造马赛克作战部队》报告[5]中，兰德智库阐释了数字孪生体在马赛克作战的价值。在武器装备和战场实现数字孪生化的前提下，将来马赛克作战的灵活性体现为随时可以更新战场上的武器装备，及时同步作战指挥中心的要求，还可以根据作战情况的反馈，远在万里的数字孪生工程中心可以改写代码，并通过远程更新到作战现场的数字孪生体中去，从而改变武器装备的作战性能。

在《打造马赛克作战部队》中，兰德智库的分析师细致入微的提出了建设计划，到2031年，美国国防部的联合指挥中心能够在远程实现作战意图的数字孪生化，即把相关指控要求更新到战场的各种装备中去，除了数据的更新，还可以实现软件代码的更新，这已经不是简单的数据同步了。

以分布式作战模式为目标的马赛克作战，毋庸置疑将高度依赖数字孪生体技术。通过实现作战单元之间的数据自动化机制，并且让远在万里的作战指挥中心能够全方位的了解战场状况，能把相关数据和新的指控信息传达到位，这正是未来分布式作战的刚需。

“数字孪生+”军事时代

2021年9月21日，美国国防预算2022年度听证会结束了，发布了一份26页的总结资料。针对美国国防部数字工程和测试需要，听证会要求加强数字孪生体实践的总结，并撰写一份报告，并提出关于数字孪生体带来灵活性的建议。

这已经不是第一次美国国会听证会谈及数字孪生体技术了，早在2019年提交给国会的战术空军和陆军小组报告的时候，在研发测试与验证部分，花费了两段文字专门讲述“数字孪生化”（Digital Twinning）。

关于数字孪生化的内容如下：

“众议院军事委员会注意到数字孪生体技术拥有在武器系统集成大量技术的能力，例如，F-35战斗机就利用数字孪生体构建了全尺寸的数字复制品。这个数字复制品能够帮助国防部在研发和制造阶段或部署之后问题出现之前，就可以实现预测性分析，以确定和理解性能、可靠性和维护需求。

于是，众议院军事委员会指定国防部长给众议院武器服务提供一份简报，提交时间不能晚于2020年3月1日，简报应解释在F-35整个技术生态怎么实施数字孪生化技术的。”

如果把DARPA提出的2009年作为数字孪生体起点，工业4.0研究院把它分为四个阶段，分别如下：

• 按照引入新技术的常规流程，先期做了概念设计，DARPA、AFRL和NASA等都参与了相关工作，最终发布了机身数字孪生体范式的论文；

• 由AFRL发布ADT招标项目，GE、波音、洛马和诺格等参与了应标，并都中标了；

• AFRL、诺马和DARPA等通力合作，在F-35上全面引入数字孪生体，实现了研发设计、生产制造和运行维护全生命周期的应用，成为数字孪生体最成功的典型案例；

• 美国国防部以F-35为试点成果，正在给国会详细汇报，预计将在全军以数字工程为名推广数字孪生体相关技术。

表格 2 美国数字孪生国防发展的四个阶段

经过近10年的发展，美国国防部已经验证了数字孪生体概念体系，成功在预测性维护、研发设计、系统集成和作战模式中应用，通过各种项目招标工作，建立了以波音、洛马、诺格、GE等为核心的供应商生态，同时还通过AFRL为先锋，跟DARPA、SERC和麻省理工学院等建立了研发生态，现在只差美国国会的资金支持，即可补齐用户需求这一侧，最终形成完整的数字孪生国防生态了。

经过波音、洛马、诺格和GE等国防供应商科学家和工程师的共同努力，在基于数字孪生体构建可信源上建了高度的共识，这些公司都引入了数字孪生体方法和工程体系，能够在主要的装备系统中应用，远比10年前的系统工程进步，这也是美国国防部在2018年发布《数字工程战略》的根本原因。

数字工程不等同于系统工程或基于模型的系统工程，它是一个基于数字孪生体和数字线程的数字化转型工具箱，能够在作战模式、装备研制和军事训练中发挥独特的作用。

通过抽取关键环节和信息，DARPA和AFRL在过去10年打造了缺少DARPA的数字孪生体世界，近期DARPA已经步入数字孪生体领域，针对马赛克作战、海下无人系统等大国竞争的紧迫需求，开始有意识培养颠覆性创新的中小企业，以弥补大型国防供应商臃肿的官僚体系不足，进一步改变数字孪生国防的进程。

工业4.0研究院判定，随着“数字孪生+”军事时代的到来，数字孪生体在未来5年内成为国防发展中的主角，除了在运行维护中它能发挥难以替代的作用，装备系统研制阶段将大量引入数字孪生体技术。不仅如此，在新的作战模式牵引下，数字孪生战场将初步成为现实，诸如兰德智库在《打造马赛克作战部队》中所讲数字孪生体更新场景，将成为一种常见的情形。

[3] 请参考《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书的介绍。

[4] 该论文的题目为：Is Digital Thread/Digital Twin Affordable? A Systemic Assessment of the Cost of DoD’s Latest Manhattan Project，发布时间为2017年10月。

[5] 这份报告为：Acquiring a Mosaic Force：Issues, Options, and Trade-Offs。在展望马赛克作战的应用，它指出2031年即可实现数字孪生体的更新能力。

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