《数字孪生国防白皮书（2021）》之概念体系

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。

工业4.0研究院认为，数字孪生体在国防领域的应用具有先导性意义，有助于突破关键核心技术，并解决专业化分工等难题，为数字孪生体在其他行业广泛应用提供条件，实现军事应用牵引未来产业的目的。

为此，工业4.0研究院提出了数字孪生国防概念体系，为其理论研究提供基础，同时为行业人士交流相关理解和实践建立一套规范和言语体系。

数字孪生国防的定义

中国氢弹之父于敏经常讲“只要理论扎实”就能成功，这透露了一个朴素的道理，即新型技术的颠覆性创新始于理论研究。工业4.0研究院自2015年开始系统研究数字孪生体，于2019年发起全球第一家数字孪生体联盟，一直把理论突破作为颠覆性创新的基础，并取得了系列成就，形成了“数字孪生+”战略。

对于数字孪生体概念，工业4.0研究院认为它是第四次工业革命的通用目的技术（GPT，General-Purpose Technologies），给出来较为宽泛的定义，即“数字孪生体是物理世界和数字空间交互的概念体系”。

由于数字孪生体来自于国防领域，过去10年的主要贡献者主要为军事相关的单位和企业，迄今最为引人瞩目的成果主要跟国防、航空航天和汽车等相关。工业4.0研究院针对国防领域的应用，提出了“数字孪生国防”（DTD，Digital Twin Defense）概念，并计划按照范式构建规律，开展“数字孪生战场”（DTB，Digital Twin Battlefield）、数字孪生装备（DTE，Digital Twin Equipment）和数字孪生训练（DTT，Digital Twin Training）等主题的研究和实践工作。

图表 2 数字孪生国防概念图示

基于工业4.0研究院2020年发布的“数字孪生+”战略框架，数字孪生国防定义如下：

数字孪生国防是基于数字孪生基础设施的战场环境和装备工程体系，包括数字孪生战场、数字孪生装备和数字孪生训练等应用场景，它具有成本和灵活性两大核心优势。

从颠覆性技术发展的历史来看，国防需求是重要的推动力。随着复杂武器装备的数字化程度越来越高，其研制成本高居不下，更让人难以忍受的还有周期不断延长，影响了国防战略的落实和作战需要，这迫使人们不再满足在传统概念体系上修修补补，提出新的概念体系是大势所趋。

第一，数字孪生国防是基于数字孪生基础设施来构建的。基于《数字孪生体》一书的观点，为了发挥数字孪生体的单一数据源价值，必须把数字孪生模型跟平台解耦，让它“基础设施化”，这样才能适应未来战场需要。

目前国防装备领域的数据管理方式，大都采取数据跟平台和项目走，也就是每个项目或平台都有一个数字孪生模型库，这样做的好处显而易见，它能够直接满足项目需要，但对于进一步应用或建立多个项目或平台之间的数据共享，则需要开展新的集成项目。

第二，数字孪生国防研究范围为战场环境和作战装备。跟行业人士所关注的装备系统不同，根据工业4.0研究院需要，数字孪生国防包含战场环境，支撑作战模式的实现，例如分布式作战、马赛克作战等，之所以这样做，是因为国防技术的目标之一就是备战和作战。

任何理论体系，不能在实际场景结合，价值通常不容易体现，数字孪生国防理论体系也是如此。从实际应用上来看，由于引入了数字孪生装备等概念，这些装备在战场上的应用，已经不是简单的装备自身的维护问题了，开始涉及到跟战略战术结合的体系了。

事实上，“数字孪生+”跟战场环境的融合，在数字孪生国防体系中为“数字孪生战场”，“数字孪生+”跟作战装备的结合，体现为“数字孪生装备”，如果在非作战的训练环节，“数字孪生训练”则很好体现了其含义。

第三，数字孪生国防理论是围绕成本和灵活性构建的。传统的国防理论体系，重点解决的问题是命令执行结果，数字孪生国防研究的目标是为了体现未来作战所关心的成本和灵活性挑战。

正如本白皮书前面指出的一样，随着软硬件二八原理倒置的趋势到来，软件在数字孪生装备中的占比将从20%向80%转变，这使得传统的软件工程无法适应需要，利用数字孪生国防提出的数字孪生基础设施和数字孪生开发方法，能够建立可持续改进的体系，这可以解决成本和灵活性这两个看似矛盾的挑战。

数字孪生国防的体系架构

在新一轮军事革命背景下，通过引入数字孪生基础设施，能够加速备战和作战的能力，一方面实现成本更低、研制周期更短的数字孪生装备，另一方面，可以实现训练和作战两者有机的结合，打通日常训练跟实战之间的差异，甚至于将来无人系统的广泛应用，训练跟作战之间的差异将越来越小。

为了实现以上效果，建立数字孪生基础设施非常有必要，同时应开发数字孪生操作系统，让各装备系统实现数据自动化，同时，对于战场环境、作战人员和装备系统的需要，能够实现无缝交换、流动和分享，从而达到真正的数字孪生国防体系目标。

图表 3 数字孪生国防研究及应用体系架构

面向未来战场的装备研制和作战一体化需要，数字孪生国防体系架构分为三个层次，分别为数字孪生基础设施、数字孪生操作系统和装备/训练/作战一体化。

为了解决大量武器装备和战场环境等数字孪生化产生的挑战，应建立一个数字孪生基础设施。这跟美国国防部提出的可信源类似，但我们明确了数字孪生模型的基础设施化，这有助于更广泛的“数字孪生+”应用场景实现。

随着软硬件二八定律倒置，软件从20%到80%的发展，必须有操作系统级别的支撑，针对作战、训练和装备建立数字孪生操作系统，能够实现“即插即用”（Plug and Play）的便利性，或者称为灵活性。

在数字孪生基础设施和数字孪生操作系统实现了之后，武器装备和战场环境两者的数字孪生化及融合就成为了主要工作，两者的结合促使数字孪生训练的产生。

首先，通过引入数字孪生技术，能够大大改善武器装备的研制成本和周期，并且降低运行维护的投入。这已经在AFRL早期开展机身数字孪生体项目的时候就已经实现了，并取得了非常突出的效果。后来在其他武器装备开始应用，例如WeaponONE和弹道导弹系统等，结合到作战云等技术，实现了数字孪生装备体系。

其次，如果对战场环境和作战人员等相关物体进行数字孪生化，考虑到动态环境的建模问题，跟装备的数字孪生化不同，数字孪生战场应具有实时数字孪生化能力，类似自动驾驶的激光雷达或其他数字孪生化工具产生的点云成像，基本能够实现环境和非标准化物体的快速建模，那么数字孪生战场的构建就非常有效了。

最后，对于数字孪生战场的构建，更为重要的是模块结构化，以及根据实际情况快速（或实时）建模，并把结果实时添加到数字孪生战场平台中去，跟原有的场景融合或更新。

除此之外，数字孪生战场还要能够根据作战意图或指控需要，从数百上千个选项中提供几个最佳选项给指挥人员，便于做出有利于己方的作战命令和部署。这样的效果，如果缺乏灵活的基础设施和操作系统，诸如分布式作战或马赛克作战基本上没有实现的可能性。

秉承理论联系实际的做法，工业4.0研究院在数字孪生国防体系中，还加入了多个支撑模块，包括数字孪生国防理论创新、数字孪生战场测试环境、面向作战需要的目标特性和无人系统的研究实践等内容。

习近平在中共中央政治局第三十二次集体学习时讲话提出，“要推进高水平科技自立自强，加快关键核心技术攻关，加快战略性、前沿性、颠覆性技术发展，发挥科技创新对我军建设战略支撑作用。”

工业4.0研究院联合北京翼络数字技术有限公司国防工作小组和天海防务北京研究院，共同面向未来作战的需要，率先提出数字孪生国防概念体系，瞄准数字孪生装备操作系统和数字孪生战场操作系统两大关键核心技术，计划通过3-5年时间，形成可以验证的平台系统。

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