1.2.3 数字孪生国防概念与体系
美国数字孪生国防发展的4个阶段见表1.1。
表1.1 美国数字孪生国防发展的4个阶段
从颠覆性技术发展的历史来看，国防需求一直是重要的推动力。随着复杂武器装备的数字化程度提高，其研制成本居高不下，同时武器装备周期的不断延长严重影响了国防战略的落实和作战需要，导致人们不再满足对传统概念体系进行“修补”。由于数字孪生体来自国防领域，迄今其最为瞩目的成果也主要和国防相关，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”概念，并计划按照范式构建规律，开展“数字孪生战场”“数字孪生装备”“数字孪生训练”等主题的研究和实践工作。
基于工业4.0研究院于2020年发布的“数字孪生+”战略框架，数字孪生国防是基于数字孪生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（见图1.1），它具有在成本和灵活性两方面的核心优势。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，而数字孪生国防研究的目标是体现未来作战所关心的成本和灵活性挑战。
图1.1 数字孪生国防概念示意图
数字孪生国防是基于数字孪生设施构建的。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，必须将数字孪生模型跟平台解耦，使其“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，即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。
数字孪生国防研究范围包括战场环境、作战装备和军事训练。与行业人士所关注的装备系统不同，根据工业4.0研究院的需要，数字孪生国防包含战场环境，以支撑作战模式的实现，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，若不能与实际场景相结合，则其价值通常难以体现，数字孪生国防理论体系也是如此。从实际应用的角度出发，由于引入了数学孪生装备等概念，这些装备在战场上的应用，已不只是简单的装备自身维护问题，而是开始涉及与战略战术相结合的体系。
在新一轮军事革命的背景下，通过引入数字孪生设施，能够加速备战和作战能力，一方面实现成本更低、研制周期更短的数字孪生装备；另一方面则可以实现训练和作战的有机结合，缩小日常训练和实战之间的差异。
1.面向未来的数字孪生战场
“数字孪生+”与战场环境的融合，在数字孪生国防体系中表现为“数字孪生战场”。数字孪生战场体系采用类似云计算的虚拟化方法，一旦建立成功，可以使各个作战单元获得各种作战资源。尽管数字孪生战场的愿景非常具有吸引力，但目前还无法实现，因为没有低成本的数字孪生化工具、分层的数字孪生战场环境和智能的数字孪生装备系统，只有突破这3个核心要素，才能达到预想中的数字孪生战场状态，从而可以掌控战场态势，及时进行指挥和控制，最终将重塑未来的战场和作战，使其发生巨大的变化。
随着深度学习、动态物联网和传感器技术的不断发展及装备数字孪生化程度的加深，数字孪生战场将不断演进，最终实现真正的分布式作战目标。为了展示这样的愿景目标，工业4.0研究院设计了数字孪生战场4个阶段的演进路径（见表1.2），其划分阶段的依据是数据机制的根本性改变，即数据驱动的作战能力有无改善。
表1.2 数字孪生战场4个阶段的演进路径
总而言之，在由成本和灵活性引发的新一轮军事革命背景下，未来战场将发生重大的改变，这种改变即为数字孪生战场。
2.基于数字工程的数字孪生装备
“数字孪生+”与作战装备的结合，体现为“数字孪生装备”。美国国防部的数字孪生装备研究工作主要体现为装备系统的研制和采办，在其看来，数字孪生体是所有工作开展的可信源，无论是研制还是采办，都需要基于数字孪生体来推进。
美国一直试图推进军事改革，这可以追溯到1986年的《戈德华特-尼科尔斯国防部改组法》，以及1994年的《联邦采办流程化方案》。美国政府问责局（GAO）在2009年美国国防部开展采办改革时，配合提出一份报告，报告指出2008年美国国防部负责的96个大型武器采购合同有70%出现超支情况，解决成本不可控问题是数字工程的使命，同时也是引入数字孪生体的根本原因。最近十年的数字工程变革，都源自2009年的《武器系统采办改革法案》（以下简称《采办改革》），最终导致2018年《数字工程战略》的出台，开启了基于数字孪生体的数字工程新阶段。在《采办改革》推出后，为了解决需求僵化、成本进度、测试不足和可靠性这4项挑战，美国国防部采取了多样化的举措，包括2009年提出的数字孪生体概念、2010年的“更佳购买力”，以及2011年设立专门的系统工程部门等，通过动员各个部门出主意、想办法，美国国防部经历了长达十年的数字工程转型。从系统工程到数字工程的转变，体现了美国国防部与时俱进的思想。根据美国国防部的报告，数字工程具有比系统工程和基于模型的系统工程要广的范围，后者只是数字工程的一种实现方法。而数字工程与数字孪生体的关系则是：数字工程是基于数字孪生体构建的工程体系。
美国国会听证会多次谈及数字孪生技术，并要求加强数字孪生体实践的总结。在具体实践过程中，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，实现预测性分析，以确定和理解性能、可靠性和维护需求。根据美国国防部于2019年向国会汇报的资料，F-35战斗机和洲际导弹等重大装备研制已经全面实现了采办的数字孪生化，开始体现《采办改革》设定的目标。根据工业4.0研究院的分析，美国陆海空天四大军种围绕数字孪生体和数字线程的应用，已经开展了试点示范，并进入推广应用阶段，特别是美国空军，已经明确提出了数字世纪系列，要求按照型号系列来开发装备系统。
当前数字工程转型势在必行，数字孪生装备的发展也在稳步推进，这将充分发挥数字孪生国防在成本和灵活性方面的优势。
3.融合的数字孪生训练新模式
“数字孪生+”与军事训练的结合，体现为“数字孪生训练”，在非作战的训练环节，“数字孪生训练”可以很好地体现其含义。
军事训练有两种方式，一种是在物理世界中开展训练和演习，以了解可能发生的各种未知情况；另一种是采用仿真系统，通过模拟真实的作战环境来使受训人员掌握各种装备的特性和使用方法。两种方式的优劣很容易区分，前者受各种环境因素影响较大，成本较高；后者虽然成本低，但受限于技术成熟度，训练的效果一直难以替代实地训练。采用仿真系统来训练作战人员，已经成为现代作战训练的基本手段，特别是随着各种先进装备的引入，如果缺乏模拟训练，则作战人员掌握的难度较高，通过仿真系统的引导性训练手段，可以使受训人员快速掌握各种先进装备。
传统的仿真作战训练的建设重点是人机交互界面，只要将界面做好，系统的建设目标就达成了。目前仿真系统大都采取人机交互的方式，即使人置身于一个模拟器中，尽量使模拟器呈现作战的实际环境，通过虚拟现实等手段使作战人员相信自己身处真实的战场，这对作战人员掌握相关技能有好处，但并不能替代真实世界的作战训练。
针对更为复杂的多域作战或分布式作战，为了适应未来作战的需要，必须不断变革传统的作战训练方式。随着人工智能、数字孪生体和物联网等技术的引入，可以实现作战人员在环的数字孪生作战新模式，这种新模式更容易提升训练的效果。在此大背景下，我国军事改革处于持续推进之中，数字孪生体已经成为其中的一个利器。
陆军研究院高级工程师王明孝曾在《解放军报》上提出：“利用数字孪生训练基础设施，把大的战场缩小来训、把远的战场拉近来训、让少数人训变成大多数人训、把境外战场放到境内来训。”这是国内首次公开谈论数字孪生训练的提议，展现了我国在数字孪生国防领域的一些先进理念和实践。通过引入人工智能、数据科学、数字孪生体和物联网等新一代数字技术，能够大幅提升指挥人员的决策水平和弥补作战人员经验不足的短板，为打赢未来战争做好相关准备。