数字孪生技术在战场地理环境保障中的应用探索
作者：
中国人民解放军陆军研究院 王明孝 吴超辉
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 刘宏建 郑束蕾
河南大学深圳研究院 王振凯
一、引言
近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链、虚拟现实等新技术的快速发展和军事应用，现代战争形态正在悄然发生改变，智能化战争已初现端倪。智能化战争是人机智能一体的作战，是从武器平台、指控体系、作战终端、战场地理环境等全方位、全领域进行升级、换代、重塑的战争形态，呈现出人机协同、智能主导、云脑作战、全域对抗的特征。2002年美国密歇根大学教授Michael Grieves首次提出了数字孪生的思想，其核心理念和模式迅速成为智能化战争的支撑性技术，并受到各国军方广泛重视。美军最早提出利用数字孪生技术，将其用于航空航天飞行器的健康维护与保障,在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步。每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等[1]。英国宇航系统公司(BAE Systems)公布了用于设计英国“暴风”第六代战斗机的数字技术，正是通过使用计算机模拟数字孪生模型和三维打印模型的结合，简化和加快了战机的开发。目前，洛克希德-马丁公司已经为宙斯盾作战系统开发了数字孪生的数字副本，美国海军则已经开始在舰上虚拟实验室(VLOS)中使用数字孪生技术，并在DDG 94“尼采号”、DDG 82“拉森号”驱逐舰上进行了演示，以评估在作战环境中对抗潜艇和武器的传感能力[2]。另外，美军先后研发了“智能微尘”“伦巴斯”“沙地直线”“狼群”等一系列传感网络，把指挥控制、预警侦察、战备值班、后勤保障等系统资源整合起来，构建集中统一的战场传感网络体系，实现战场实体基础设施与信息基础设施互联互融互通的目标[3-5]。
目前，数字孪生技术的军事应用主要集中在武器装备智能制造与战场基础设施建设方面，在战场地理环境保障领域尚为空白。因此,加快推进数字孪生技术在战场地理环境保障领域的应用，构建数字孪生战场地理环境平台，将现实和虚拟空间中的作战力量、武器装备、战场地理环境有机结合，实现动态虚拟的战场地理环境，为部队作战、演习、训练提供环境支撑成为亟待解决的问题。
二、数字孪生战场地理环境
（一）概念辨析
战场是军队作战的空间，是敌对双方的军事思想、战略方针、作战意图、作战编成、作战形式和作战手段等在一定时间、空间集中表现和较量的场所。战场是双方一切作战行动的客观基础和制约因素，也是军队和武器装备的载荷体，分为陆战场、海战场、空战场、太空战场，以及网络战场、电磁战场等。环境是事物存在的外部条件及对事物有影响的各种因素的总和。战场地理环境是战场中围绕军事活动主体的所有外部自然条件、社会人文条件和军事条件的客观综合体，它独立于作战系统而存在[6]，包括地貌、地质、气象气候、陆地水文、海洋、植被、土壤土质、重力、磁力等自然环境要素，人口、民族、政治、经济、文化、交通、通信、聚落等人文环境要素，军事设施、国防工程构筑、作战物资储备等军事环境要素[7]。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，它是现实世界中的物理实体、客观环境在计算机虚拟空间中的数字化“双胞胎”。数字孪生技术的实质是通过在虚拟和物理之间建立双向、连续的闭环信息反馈，模拟真实空间的运行效果和发展方向，可对客观事物的运行发展提供持续的优化,具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性、闭环性的特征。
数字孪生战场地理环境是对真实战场地理环境的映射，是现代战争的新型实验场，是战场地理环境数字化的高级阶段，有助于实现战场态势感知与筹划能力的战略转型，它实际上描绘了一种综合运用大数据技术、人工智能技术、3R（虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR）技术、实景三维建模技术、感知控制技术、自然交互技术于一体的智能化战场地理环境。数字孪生战场地理环境的本质是真实战场地理环境和虚拟战场地理环境之间的信息双向赋能体系，通过实体模型管理、状态精准感知、信息实时获取、应用建模分析、智能评估决策、动作监控执行，实现虚拟战场地理环境与客观战场地理环境实体、要素之间的映射关系和实时信息交互渠道，对战场地理环境实体及构成要素进行模拟、监控、诊断、预测和控制，为指挥员、参谋人员、作战人员深刻而逼真地认知战场地理环境特点、攻防利弊,顺利遂行军事任务提供作战保障。
数字孪生战场地理环境的概念容易同虚拟战场地理环境、数字化战场地理环境混淆，其差别主要体现在：①虚拟战场地理环境是物理战场地理环境在信息空间中的映射，其包括对物理战场地理环境全部构成要素的物理刻画和行为表述，是通过战场地理环境数据进行驱动的模型，能够直观地展现物理战场地理环境的状态。②数字化战场地理环境是数字化、网络化等技术在战场地理环境中的综合应用，是利用现代地理信息、遥感、全球卫星导航技术对战场地理环境信息的集成应用，以提高信息化战场地理环境保障水平。③数字孪生战场地理环境是数字孪生技术在战场地理环境中的应用，包含虚拟战场地理环境和数字化战场地理环境，其主要是通过物理战场地理环境和虚拟战场地理环境之间的双向映射交互，利用数字孪生数据驱动数字孪生战场地理环境进行迭代，实现战场地理环境的作战影响效能优化。
（二）主要特征
数字孪生战场地理环境主要有以下四个方面的特征：
一是精准映射。指通过陆、海、空、天等全域覆盖的传感器网络，实现对作战区域战场地理环境全面数字化建模，对战场地理环境要素现实状态的充分感知与动态监测，形成虚拟战场地理环境在信息维度上对实体战场地理环境的精准信息表达和映射。
二是虚实交互。指虚拟战场地理环境实体和物理战场地理环境不仅在外形上相似，可以实时反映客观地理世界的实际运行状况，更为关键的是物理战场地理环境实体和虚拟战场地理环境实体的联系不是单向和静态的，而是交互双向、动态实时、贯穿全生命周期的，即虚实融合、虚实协同成为数字孪生战场地理环境未来发展新模式。
三是软件定义。指数字孪生战场地理环境针对物理战场地理环境建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟战场地理环境中的实体、关联、行为、现象,通过云端计算、边缘计算，软性指引数字孪生战场地理环境的区域规划、区位选择、效能评估等。
四是智能干预。指通过对数字孪生战场地理环境区划分析、智能设计、模拟仿真等，尽早发现战场地理环境对我军事行动产生的不利影响和潜在危险，进行智能预警并提供合理可行的对策建议。以未来视角对战场地理环境进行智能干预，进而指引和优化战场地理环境作战影响效能，赋予战场地理环境“智慧”。
三、数字孪生技术在战场地理环境平台建设中的应用
数字孪生战场地理环境平台建设目标是实现战场地理环境的“四化建设”,即战场地理环境构成要素实体化、战场地理环境实体虚拟化，战场地理环境实体监测实时化、战场地理环境保障智能化。战场地理环境构成要素实体化是将河流、湖泊、桥梁、宗教分布区、道路、机场等战场地理环境构成要素作为一个个独立的实体进行管理，并对每个战场地理环境实体进行注册管理。战场地理环境实体虚拟化是指为每一个战场地理环境实体在计算机中建立其数字虚拟镜像，并构造实体之间的关联关系、层级关系、从属关系、协作关系。战场地理环境实体监测实时化是指依托战场地理环境信息釆集技术、通信技术、军事物联网技术，形成全域泛在、安全高效的战场地理环境感知网络，实时获取并动态传输战场地理环境状态特征、位置形态、关联目标等海量信息。战场地理环境保障智能化是指以战场地理环境中的行为主体为中心，通过时空大数据平台的全域感知能力，基于资源池的资源（计算、存储、网络、数据、功能、算法和知识等）组织、管理和调度策略以及时空大数据的分析挖掘算法，形成对战场地理环境的智慧决策能力和智能服务水平，实现战场地理环境主动式推送保障与半自动、全自动、实时、准实时决策，推进战场地理环境服务从信息优势向决策优势的转化。
数字孪生战场地理环境平台的建设内容主要包括四个部分，分别是“虚拟环境”“基础设施”“应用服务”和“映射通道”。“虚拟环境”即数字孪生虚拟地理环境建设，实现将不同层级的客观战场地理环境实体映射到虚拟空间。“基础设施”是指数字孪生战场地理环境基础设施建设,包括战场地理信息感知终端、计算资源、存储资源、信息网络等，为数字孪生战场地理环境平台提供物理基础。“应用服务”是指构建覆盖战场地理环境保障全流程的数字孪生战场地理环境应用服务体系，是基于通用时空大数据平台实现对虚拟实体和物理实体的资源整合、对作战决策的智能引导、对战略支援信息链路的迭代优化。“映射通道”主要是指由实到虚、由虚到实、虚实联动的逻辑映射及自然交互手段，包括眼动追踪控制、语音指令控制、手势组合控制等，以达到以指战员为中心的自适应控制交互效果。
按照“以复用共享为关键，以灵活拓展为核心”的设计思想，数字孪生战场地理环境平台集战场地理环境数据釆集、治理、呈现、分析、服务、决策于一体，实现战场地理环境基础平台和业务系统的迁移集聚。笔者认为数字孪生战场地理环境平台可按照纵向分层的思路进行设计（图1）。
第一层是感知接入层。主要指通过静态建模和动态感知来获取数据，构建一个基本的客观世界的镜像模型。感知分为两大类:第一类是静态感知，对战场地理环境的静态部分进行建模；第二类是动态感知，通过军事物联网、军用移动通信网、指挥信息网、情报信息网，全面、及时地实现对客观战场地理环境的状态感知。
第二层是集成环境层。集成环境层包括多源时空数据通用访问引擎、虚拟对象与实体对象数据模型映射服务、流程化地理空间处理引擎和分布式轻量级应用插件开发框架等。集成环境层主要解决如下问题：①屏蔽下层的多源异构感知数据之间的差异，向上层提供统一的感知数据访问接口；②提供基本的战场地理空间分析模型集合与流程化地理环境处理框架；③解决数据模型映射问题,以屏蔽不同战场地理空间处理框架的差异性，为上层提供一致的环境服务接口。
第三层是仿真呈现层。主要包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、建筑信息模型(BIM),以及眼动、语音、手势等多通道自然交互集成控制，充分利用虚拟现实、增强现实、混合现实技术，使参谋和指挥人员产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，从而实现超越现实的感官体验，提升数字孪生战场地理环境平台应用交互体验感。
第四层是智能决策层。主要通过时空大数据挖掘分析和智能化预测两方面，为数字孪生上层应用提供技术支撑的。一方面，要对静态和动态感知数据进行深入挖掘，建立更高层的知识模型，即发现一些规律、分布和关联，获取出更高层语义的知识；另一方面，利用这些知识去做仿真演算，构造战略级、战役级、战术级的军事地理环境智能决策模型，从而能够对军事地理环境进行评估、预测和优化。
第五层是平台层。数字孪生战场地理环境的核心是决策和控制，平台层通过聚合智能决策层的模型服务，可以在多个平行世界中通过推演来验证策略和决策是否合理，再进一步利用各类智能优化技术，不断迭代改进策略和决策，最后通过控制系统来实施策略和决策，影响和改变现实战场地理环境，为战略规划、战役指挥和战术行动提供支撑。
四、重要作用及意义
（一）推动智能化战争形态演进
数字孪生战场地理环境平台瞄准的是未来智能化战争，从一开始就融入了智能化的血液。数字孪生战场地理环境平台的构建将为未来智能化、无人化作战力量提供充分的信息支撑，实现“所见即所得”“自主学习”的全域战场地理环境。构建的数字孪生战场地理环境将充当智能化战争实验的可靠依托，开展大量沉浸式作战模拟训练、智能化地理环境保障、智能化战场地理决策；构建的战场地理环境感知终端、网络和云平台将作为智能作战体系的空间信息支撑骨干。届时，无人化智能装备将常态化部署至战场任意区域，数字孪生战场地理环境平台在任何时刻均可提供其需要的战场地理空间情报信息，并可基于远程人脑、挛生智脑与无人装备实体自主智能开展协同决策，从而开创“人一机一挛生共智”的智能作战新模式。
（二）促进陆战场地理环境体系深度融合
数字孪生战场地理环境平台本质上是基于复杂系统思想构建起来的军事地理环境保障与决策平台，是在军事地理环境数据釆集系统、时空大数据平台、空间决策支持系统等基础上的系统集成与创新。它搭建了一个沟通武器装备、作战力量、战场地理环境等信息节点的统一网络，比传统数字化、信息化战场地理建设更加强调体系融合。相较于传统军事地理保障主要为任务行动提供单一化的服务保障，数字孪生战场地理环境平台的价值突岀体现在虚实一体、多能一体、云边一体上，数字孪生战场地理环境的实现必须要求对现有信息体系进行重新整合和调整。而这一过程反过来也可促进战场地理环境信息体系的迭代升级。另外，数字孪生战场地理环境平台从架构层面对应用服务软件、泛在感知硬件和平台系统等三个方面进行了体系重构，提供统一的安全框架、规范标准和一体化应用平台，未来将实现对大数据、云计算、量子通信、第五代和第六代通信等前沿技术的综合集成，可以有效促进空间信息产业、先进制造业的军民融合协同发展。
（三）形成全流程战场地理环境保障模式
数字孪生战场地理环境平台实现了多源融合空间信息管理，打通了战场地理环境保障全流程管理链路，实现了在虚拟空间中开展作战通道分析、攻防要地勘察、作战方案推演、地域单元作战影响效能评估等能力。通过提供一个开放式虚拟地理环境，建立与实兵、实装、实操和下一场战争环境结合紧密的、虚拟和现实多维空间平行运转的、近似实战的数字孪生战场地理环境和全流程保障模式。
五、结论
数字孪生技术目前尚处在起步阶段，若想真正广泛运用到战场环境保障领域，还要突破理念、技术、规范、配套等多重难题,但其巨大的科技优势、广阔的应用前景、深厚的发展潜力，将是打赢未来战争的重要保障。我们应果断抓住机遇，勇敢迎接挑战，采用科学的方法和策略推动数字孪生战场地理环境尽早实现。
一是加强数字孪生支撑技术理论研究。加强数字孪生技术理论的研究，是推动数字孪生战场地理环境建设的基础性工作，必须坚持以未来战争需求为导向，进一步加强战场实时感知、3R、三维实景建模等数字孪生支撑技术的理论研究,并积极做好研究成果的转化应用。
二是构建数字孪生战场地理环境平台，实现人、装备、环境的虚实结合。构建数字孪生战场地理环境平台，将现实和虚拟空间中的人、装备、环境有机结合，构建动态虚拟的战场地理环境，为部队遂行战场勘察、战略筹划、战役指挥、作战训练提供环境支撑。
三是建立基于时空大数据平台的战场地理环境信息智能、智慧保障能力。首先，通过时空大数据平台的空天地一体化感知功能，获取传输与作战相关的各类实时、准实时战场地理环境时空信息；其次，基于网格和弹性云相结合的平台体系架构，实现从武器平台、作战单元和指挥体系之间全面的数据共享，达成发现即打击的服务目标；最后，利用时空大数据平台的分析挖掘算法、知识服务和多维可视化表达，实现从信息优势向决策优势的转化。
四是大力塑造基于数字孪生战场地理环境平台的实景三维模拟训练场。为了让每名指战员尽早熟悉和适应作战任务区的环境，应根据作战任务的需要，按照实战化的要求，建设一个包含近似实景的特大、永久型的作战模拟环境；具备构建自然地理环境、人文地理环境的虚拟镜像能力；具备对武器系统战斗效能、战场地理环境影响效能评估模拟能力的数字孪生与实景三维模拟训练场。达到“把大的战场缩小来训、把远的战场拉近来训、让少数人变成大多数人训、把境外战场放到境内来训”的目标。
参考文献
[1]USAF.Global horizons：USAF global science and technology vision：Appendix[R].[S.1.]：[s.n.],2013.
[2]Department of Defense.Digital engineering strategy [EB/OL].[2018-10-03https：//www.action-engineering,com/blog/2018/10/3dcic2018-langmead.
[3]耿建光，姚磊，闫红军.数字孪生概念、模型及其应用浅析[J].网信军民融合，2019,13(2)：60-63.
[4]吴志强.人工智能辅助城市规划[J].时代建筑，2018,27(1)：6-11.
[5]庄存波，刘检华，熊辉，等.产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势[J].计算机集成制造系统，2017,23(4):753-768.
[6]王青山，蔡中祥.战场地理环境导论[M].北京：解放军岀版社，2016.
[7]刘建忠.军事地理学概论[M].北京：解放军出版社，2014.
注：本文收录于《中国地理信息产业发展报告（2021）》（测绘出版社）
目 录
第一篇 2020中国地理信息产业发展状况报告（点击查看全文）
第二篇 国际地理信息产业发展报告(2021)（点击查看原文）
第三篇 我国测绘地理信息领域科技与产业的自主创新发展
第四篇 高分辨率遥感卫星发展研究报告
第五篇 立足第二代卫星导航产业 促进北斗产业化发展分析
第六篇 测绘地理信息标准化进展
第七篇 数字孪生技术在战场地理环境保障中的应用探索
第八篇 数字孪生在新型基础测绘中的应用
第九篇 智慧交通地理信息发展报告
第十篇 全国水利一张图技术及其应用进展
第十一篇 高精地图技术及应用发展现状
第十二篇 三维GIS软件技术发展及应用
第十四篇 2020中国室内定位行业发展
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来源：中国地理信息产业协会（欢迎转载，请注明来源）
编辑：顾 慧初审：余 青审核：王 增 宁
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