盛碧琦、孫盛智、劉玉、劉鑫宇

（武警海警學(xué)院，寧波 315801）

1.摘要及關(guān)鍵詞

摘要：針對當(dāng)前模擬訓(xùn)練系統(tǒng)真實程度不高等問題，面向軍事訓(xùn)練實戰(zhàn)化需求，利用數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)，探索構(gòu)建軍事模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用的總體框架與系統(tǒng)建設(shè)思路，創(chuàng)新設(shè)計了一套包括綜合支撐服務(wù)平臺、戰(zhàn)場環(huán)境建模與孿生、武器裝備建模與孿生、想定能力支撐、指控能力支撐、導(dǎo)調(diào)評估支撐、數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練共七部分組成的數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，并針對指揮流程訓(xùn)練、軍事科目訓(xùn)練、體系聯(lián)合訓(xùn)練、戰(zhàn)法訓(xùn)法驗證等應(yīng)用模式展開探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；模擬訓(xùn)練；軍事訓(xùn)練；仿真建模；聯(lián)合訓(xùn)練；系統(tǒng)設(shè)計；軍事應(yīng)用

2.引言

軍事訓(xùn)練作為戰(zhàn)斗力生成和提高的基本途徑，為軍事斗爭準(zhǔn)備提供最直接手段，并成為提高履行使命任務(wù)能力的重要保障。未來戰(zhàn)爭信息化、智能化以及無人化的發(fā)展，向軍事訓(xùn)練提出更高的要求。在此要求下，全軍進一步掀起實戰(zhàn)化訓(xùn)練的熱潮，模擬訓(xùn)練也成為當(dāng)前各國軍隊提升實戰(zhàn)化能力的一種重要訓(xùn)練方式。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展為各行業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇，數(shù)字孿生、平行仿真、元宇宙等新概念也為軍事訓(xùn)練提供了更多的選擇，并在國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界得到廣泛關(guān)注。

與傳統(tǒng)圖上推演、實兵實裝演習(xí)等訓(xùn)練方式方法相比，模擬訓(xùn)練通過模擬實戰(zhàn)對抗、實景戰(zhàn)場、體系兵力等綜合要素，具備效費比高、安全性好、易于組織實施等優(yōu)點，并且更契合部隊向信息化、智能化升級轉(zhuǎn)型的趨勢。未來戰(zhàn)爭的發(fā)展方向愈發(fā)趨向于聯(lián)合作戰(zhàn)與體系作戰(zhàn)，而構(gòu)建滿足未來作戰(zhàn)需求的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)已成為世界各國的研究熱點。

與此同時，國內(nèi)諸多專家學(xué)者圍繞模擬訓(xùn)練，針對相關(guān)武器裝備系統(tǒng)的數(shù)字孿生展開研究，并開展系統(tǒng)研制。周芳等與王旭東等開展作戰(zhàn)指揮數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建，為物理戰(zhàn)場資源配置、行動方案迭代優(yōu)化以及輔助決策等提供了重要支撐；孫智勇等以防空反導(dǎo)軍事訓(xùn)練需求為牽引，開展了面向訓(xùn)練能力的防空反導(dǎo)數(shù)字孿生系統(tǒng)研究；周軍華等針對武器系統(tǒng)數(shù)字孿生需求，展開了研究實踐的必要性論證，并設(shè)計武器系統(tǒng)數(shù)字孿生定義及組成；劉秀羅等初步建立了發(fā)射場數(shù)字孿生體的技術(shù)指導(dǎo)框架，形成了面向發(fā)射場全壽命周期的數(shù)字孿生體建設(shè)；楊少龍等基于船舶行業(yè)數(shù)字孿生需求，構(gòu)建了船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，探討數(shù)字孿生在船舶全生命周期的應(yīng)用展望；劉劍超等利用真實、虛擬和構(gòu)造（LVC）技術(shù)，構(gòu)建了艦載機作戰(zhàn)指揮體系和兵力體系，開展混合仿真系統(tǒng)設(shè)計，為海軍艦載機部隊開展作戰(zhàn)技能訓(xùn)練提供了支持；鄧燁等提出了面向數(shù)字孿生戰(zhàn)場構(gòu)建的四種體系框架等；向楊蕊等通過數(shù)字孿生體概念的引入，開展了以構(gòu)建完整作戰(zhàn)體系數(shù)字鏡像為目標(biāo)的數(shù)字孿生靶場總體框架建設(shè)；毛子泉等則總結(jié)了當(dāng)前虛實結(jié)合仿真現(xiàn)狀，提出未來的技術(shù)發(fā)展方向。

當(dāng)前模擬訓(xùn)練系統(tǒng)存在綜合性、體系性不強，訓(xùn)練真實程度不高，資源消耗較大等問題。為提高模擬訓(xùn)練過程中的真實性，減少實裝訓(xùn)練所帶來的裝備損耗問題，本文利用數(shù)字孿生技術(shù)理念，開展模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)訓(xùn)練要素在虛擬空間中的近乎真實呈現(xiàn)，推動實裝訓(xùn)練與模擬訓(xùn)練優(yōu)點的充分結(jié)合，在獨立訓(xùn)練、聯(lián)合訓(xùn)練、戰(zhàn)法驗證等多模式訓(xùn)練中，擺脫地理時空、兵力規(guī)模、藍軍生成等約束條件與限制，為提高受訓(xùn)人員能力水平，發(fā)揮模擬訓(xùn)練效能提供有力支撐。

3.數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于模擬訓(xùn)練的必要性

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要利用計算機相關(guān)先進技術(shù)，基于現(xiàn)代仿真理論和技術(shù)，開展計算機仿真系統(tǒng)建設(shè)，從而實現(xiàn)武器裝備操作使用訓(xùn)練、軍事作戰(zhàn)演習(xí)及戰(zhàn)法研究等。系統(tǒng)主要包括載體操縱型訓(xùn)練系統(tǒng)、過程控制性訓(xùn)練系統(tǒng)以及博弈決策性訓(xùn)練系統(tǒng)三大類，分別針對駕駛裝備訓(xùn)練、裝備使用過程訓(xùn)練、指揮訓(xùn)練展開模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)。

美國作為世界上最早開展模擬訓(xùn)練技術(shù)研究和應(yīng)用的國家，其圍繞機構(gòu)設(shè)置、管理體制、系統(tǒng)建設(shè)等多方面建立了較為完善的體系，實現(xiàn)對其模擬訓(xùn)練工作的加強。美軍模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的最大特點主要體現(xiàn)在統(tǒng)一頂層規(guī)劃與體制、模擬訓(xùn)練裝備體系化發(fā)展、注重虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)應(yīng)用等方面。與此同時，俄羅斯作為世界模擬訓(xùn)練“大國”和“強國”，掌握約占世界半數(shù)模擬訓(xùn)練設(shè)備，并在其先進武器裝備中幾乎均配備相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，例如C-300系列地空導(dǎo)彈系統(tǒng)所配備的“音色-M”通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等［5］。英、法、德等西歐國家將發(fā)展模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為參加軍備競賽重要方面，致使模擬訓(xùn)練技術(shù)及應(yīng)用也處于世界前列，并形成了一系列相關(guān)產(chǎn)品。

數(shù)字孿生技術(shù)方面，國外率先在國防軍工領(lǐng)域開展相關(guān)應(yīng)用研究。NASA和美國空軍于2012年開展相關(guān)合作，并共同提出未來飛行器的數(shù)字孿生范例；美國海軍于2019年構(gòu)建宙斯盾系統(tǒng)的數(shù)字孿生，實現(xiàn)了美國海軍武器系統(tǒng)形態(tài)以及升級模式的重大變革，成為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的里程碑事件。美國國防部在《數(shù)字工程戰(zhàn)略》中指出，旨在建立數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，將國防部以文檔為中心的裝備采辦流程或決策活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字模型為中心，而其中“數(shù)字孿生”被認為是推動工程實踐轉(zhuǎn)型的重點創(chuàng)新技術(shù)之一。

對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)而言，數(shù)字孿生的技術(shù)內(nèi)涵是充分利用戰(zhàn)場傳感器，基于大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實（VR）、人工智能等先進技術(shù)，對訓(xùn)練過程中各類要素的行為特征、裝備性能等進行實時鏡像的過程與方法，從而推動模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實時化、真實化構(gòu)建，實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜行為的鏡像化描述。

在研制應(yīng)用過程中，通過構(gòu)建數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠?qū)崟r掌握系統(tǒng)運行狀態(tài)，利用對各型裝備的真實狀態(tài)反饋，提高模擬訓(xùn)練過程中的實時效能。數(shù)字孿生的相關(guān)應(yīng)用概念示意圖如圖1所示。

▲ 圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用概念

與傳統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)相比，數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)重點解決以下問題：

（1）精細度和真實性不足：數(shù)字孿生技術(shù)可以創(chuàng)建高度逼真的虛擬環(huán)境，模擬真實世界中的各類情境和場景。這種精細度和真實性的提升有助于提高模擬訓(xùn)練效果，使受訓(xùn)人員能夠更好地適應(yīng)真實戰(zhàn)場環(huán)境。

（2）時間與經(jīng)濟成本較高：傳統(tǒng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通常需要大量的物理資源和時間來建立和維護，比如建造真實的訓(xùn)練場地、購買設(shè)備等。而數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以通過虛擬技術(shù)實現(xiàn)真實場景構(gòu)建，極大減少時間與經(jīng)濟成本上的投入。

（3）訓(xùn)練環(huán)境安全性不足：部分條件下，傳統(tǒng)的模擬訓(xùn)練可能存在安全隱患，而數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)建可以使相關(guān)訓(xùn)練在虛擬環(huán)境中進行，避免真實場景中的危險情境，從而提高了訓(xùn)練的安全性。

（4）個性化與定制化欠缺：數(shù)字孿生技術(shù)使得模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以更加個性化和可定制化，可以根據(jù)訓(xùn)練者的需求和水平進行調(diào)整和優(yōu)化，提供更加貼合個人實際作戰(zhàn)需求的培訓(xùn)內(nèi)容。

因此，數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)建的必要性主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）通過數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)，能夠適應(yīng)多層次、多類型、多軍兵種的訓(xùn)練需求。針對模擬訓(xùn)練中涉及到的需求多樣性，數(shù)字孿生依托其虛擬化特點，主要通過模型演化的方式實現(xiàn)訓(xùn)練過程的真實化映射，能夠針對復(fù)雜多樣的訓(xùn)練需求，以低消耗成本來完成訓(xùn)練方式與模式的迅速調(diào)整。此外，針對軍事訓(xùn)練的實戰(zhàn)化要求，數(shù)字孿生系統(tǒng)的強近似性與高逼真性能夠?qū)崿F(xiàn)有效支持，并在實體模型基礎(chǔ)上，對環(huán)境、過程、訓(xùn)練、評估、保障等進行綜合建模，實現(xiàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實戰(zhàn)化要求的充分滿足。

（2）數(shù)字孿生能夠滿足模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的智能化需求。一個完整的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，需要充分結(jié)合模型、數(shù)據(jù)、算法等要素，共同構(gòu)建訓(xùn)練支撐環(huán)境。而數(shù)字孿生強調(diào)成長，重視模型與系統(tǒng)的綜合作用，作為新一代信息技術(shù)與人工智能技術(shù)背景下發(fā)展的建模手段，能夠?qū)δＰ偷牟粩嘌葸M起到支持作用。

（3）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)需要圍繞模型組織與模型管理進行綜合統(tǒng)籌。數(shù)字孿生強調(diào)模型集合的統(tǒng)一源頭和有限主線，能夠針對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中涉及的多樣化物理實體與真實系統(tǒng)構(gòu)建映射關(guān)系，形成虛實融合的建模仿真綜合應(yīng)用新模式。

（4）數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)映射與體系能力智能優(yōu)化。數(shù)字孿生的本質(zhì)為物理域與信息域的精準(zhǔn)映射，通過在虛擬域中對物理實體的狀態(tài)監(jiān)控與能力模擬，助數(shù)據(jù)驅(qū)動模型進一步開發(fā)與優(yōu)化仿真分析算法。此外，數(shù)字孿生通過裝備實驗與人在回路的模擬對抗性訓(xùn)練，實現(xiàn)了裝備體系的持續(xù)運行與能力精準(zhǔn)評估，從而推動體系能力的迭代優(yōu)化。

4.數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)從系統(tǒng)概述、系統(tǒng)特點、系統(tǒng)功能組成、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)分析等方面開展了探索性設(shè)計，為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)與組織應(yīng)用提供設(shè)計思路與參考依據(jù)。

4.1 系統(tǒng)概述

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要針對軍事模擬訓(xùn)練需要，通過數(shù)字孿生平臺，依托環(huán)境、兵力等孿生模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)裝備實體與孿生模型的虛實映射，通過有線/無線的網(wǎng)絡(luò)連接方式，系統(tǒng)能夠支持從專業(yè)級技術(shù)科目訓(xùn)練到體系化聯(lián)合對抗訓(xùn)練的多層次訓(xùn)練需求，系統(tǒng)概念圖如圖2所示。

▲ 圖2 數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)概念

4.2 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括“導(dǎo)、控、裁、評、管”五大部分內(nèi)容，綜合實現(xiàn)對指揮模擬訓(xùn)練過程的模擬與能力訓(xùn)練。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，以綜合支撐服務(wù)平臺為基座，創(chuàng)新打造戰(zhàn)場環(huán)境、武器裝備等孿生建模系統(tǒng)，實現(xiàn)模擬訓(xùn)練場景與對象的充分模擬，此外，系統(tǒng)利用數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練分系統(tǒng)，引接實裝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)真實數(shù)據(jù)與虛擬場景的充分映射，從而使得模擬訓(xùn)練更加貼近實戰(zhàn)化，為提高軍事訓(xùn)練效益提供充分支撐。

4.3功能與組成

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括綜合支撐服務(wù)平臺、戰(zhàn)場環(huán)境建模與孿生分系統(tǒng)、武器裝備建模與孿生分系統(tǒng)、想定能力支撐分系統(tǒng)、指控能力支撐分系統(tǒng)、導(dǎo)調(diào)評估支撐分系統(tǒng)、數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練分系統(tǒng)共七部分，如圖3所示。

▲ 圖3 數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成

（1）綜合支撐服務(wù)平臺。

維權(quán)執(zhí)法綜合支撐服務(wù)平臺是一個全方位、多元化的軟件服務(wù)架構(gòu)，旨在提供一系列完善的支撐服務(wù)，包括基礎(chǔ)支撐、信息支持、模擬仿真與數(shù)字孿生等服務(wù)。該平臺的目標(biāo)是提高工作效率、簡化操作流程，同時提供高質(zhì)量的孿生平臺與環(huán)境。

（2）戰(zhàn)場環(huán)境建模與孿生分系統(tǒng)。

根據(jù)訓(xùn)練需求和對抗場景的需要，提供虛擬戰(zhàn)場的戰(zhàn)場環(huán)境建模與孿生能力，包括目標(biāo)環(huán)境（目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)特性、目標(biāo)任務(wù)等）、自然環(huán)境、地理環(huán)境、電磁環(huán)境、精細化場景等。

（3）武器裝備建模與孿生分系統(tǒng)。

武器裝備建模與孿生分系統(tǒng)支持基于戰(zhàn)場環(huán)境和一定的交戰(zhàn)規(guī)則，生成兵力和裝備，模擬戰(zhàn)斗武器裝備能力的變化和發(fā)展，主要包括兵力孿生、裝備孿生、交戰(zhàn)規(guī)則孿生等內(nèi)容。

（4）想定能力支撐分系統(tǒng)。

想定能力支撐分系統(tǒng)包括想定編輯、想定管理、想定識別和規(guī)則引擎等子系統(tǒng)，用于支撐用戶對想定案例進行統(tǒng)一組織和管理。

（5）指控能力支撐分系統(tǒng)。

指控能力支撐分系統(tǒng)是用于支持指揮與控制體系化訓(xùn)練能力，提供指揮體系構(gòu)建、指揮決策、偵察情報、態(tài)勢綜合、指揮保障、后裝保障、政治工作等指控綜合能力支撐。

（6）導(dǎo)調(diào)評估支撐分系統(tǒng)。

導(dǎo)調(diào)評估支撐分系統(tǒng)根據(jù)特定的訓(xùn)練目標(biāo)和要求，通過導(dǎo)調(diào)控制、進程控制、交戰(zhàn)裁決和復(fù)盤評估等環(huán)節(jié)來對整體訓(xùn)練過程進行導(dǎo)調(diào)與評估。

（7）數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練分系統(tǒng)。

數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練分系統(tǒng)主要結(jié)合實裝孿生數(shù)據(jù)，基于任務(wù)籌劃、紅藍對抗等功能，開展多角色、多崗位協(xié)同編組訓(xùn)練，對模擬訓(xùn)練內(nèi)容進行多類有機融合，使得模擬訓(xùn)練更加貼近實戰(zhàn)化軍事訓(xùn)練需求。根據(jù)聯(lián)合訓(xùn)練過程的順序，可分為實裝接入、訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練實施和訓(xùn)練評估等階段。

4.4　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用“平臺 插件”軟件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)資源、數(shù)據(jù)、功能、應(yīng)用等各方面按需裁切與靈活擴展，主要分為設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、功能層和應(yīng)用層五部分，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示。

▲ 圖4 數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

（1）設(shè)施層。

包括計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、傳輸控制及中控系統(tǒng)、音頻系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及會議系統(tǒng)、控制臺及配套設(shè)施、VR設(shè)備、數(shù)字孿生系統(tǒng)硬件等支撐數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)運行的相關(guān)設(shè)備設(shè)施等，在不同的需求下，根據(jù)現(xiàn)實情況進行設(shè)備配置。

（2）數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層主要包括提供支撐系統(tǒng)運行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)知識數(shù)據(jù)、訓(xùn)練管理數(shù)據(jù)、孿生裝備數(shù)據(jù)、孿生兵力數(shù)據(jù)、戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)、交戰(zhàn)規(guī)則數(shù)據(jù)等，通過結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫等形式進行統(tǒng)一存儲與管理。

（3）平臺層。

平臺層主要指綜合支撐平臺，從基礎(chǔ)層面為系統(tǒng)運行提供必要的功能支撐，為實訓(xùn)室提供基礎(chǔ)支撐保障，包括基礎(chǔ)支撐、信息支持、模擬仿真與數(shù)字孿生等。

（4）功能層。

功能層主要包括戰(zhàn)場環(huán)境建模與孿生分系統(tǒng)、武器裝備建模與孿生分系統(tǒng)、想定能力支撐分系統(tǒng)、指控能力支撐分系統(tǒng)、導(dǎo)調(diào)評估支撐分系統(tǒng)、數(shù)字孿生聯(lián)合訓(xùn)練分系統(tǒng)等系統(tǒng)功能，主要基于模擬訓(xùn)練總體需求，考慮實際應(yīng)用需要，建立具有針對性的功能合集。

（5）應(yīng)用層。

應(yīng)用層主要包括指揮訓(xùn)練、科目訓(xùn)練、聯(lián)合訓(xùn)練、戰(zhàn)法驗證訓(xùn)練等應(yīng)用模式。

4.5　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）多線程并行離散仿真引擎驅(qū)動技術(shù)。數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為大型復(fù)雜系統(tǒng)，涉及戰(zhàn)場要素繁多，層級嵌套復(fù)雜，分布范圍廣，其內(nèi)部模型、資源、數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯等均十分復(fù)雜。為保障實戰(zhàn)化訓(xùn)練需求，滿足多用戶、多目標(biāo)同時開展軍事訓(xùn)練，本文通過設(shè)計高性能、穩(wěn)定可靠的仿真運行策略，采用多線程并行離散仿真引擎驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)仿真計算能力和運行性能的極大提升。

高性能并行仿真機制：針對大規(guī)模、長時間的軍事訓(xùn)練需求，系統(tǒng)采用多中央處理器（CPU）多核架構(gòu)，利用多線程并行計算技術(shù)與線程安全的模型構(gòu)建技術(shù)，保障CPU計算資源的充分有效使用，實現(xiàn)計算機訓(xùn)練所需開銷的最大限度降低，極大幅度提高后臺運行效率。

多源數(shù)據(jù)時空一致性處理機制：由于交戰(zhàn)雙方裝備類型多、規(guī)模大，涉及的數(shù)據(jù)采集項繁雜，系統(tǒng)基于統(tǒng)一時序標(biāo)準(zhǔn)，增設(shè)時空管理模塊，保障多源數(shù)據(jù)交匯融合的時空一致性需求，實現(xiàn)實裝采集數(shù)據(jù)的實時傳送和使用。

智能數(shù)據(jù)推送機制：為減輕分布式仿真對網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)中繼服務(wù)、組播技術(shù)及遠程對象同步機制，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)智能推送。

高效分布數(shù)據(jù)傳輸機制：為最小化數(shù)據(jù)傳輸對分布式網(wǎng)絡(luò)帶來的壓力，系統(tǒng)通過符號注冊機制以及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，極大程度提升數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

（2）孿生仿真模型快速開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)。數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)涉及模型種類、數(shù)量眾多，且會根據(jù)訓(xùn)練需求動態(tài)調(diào)整和擴展，目前廣泛使用的一體化建模體系，其模型邏輯和參數(shù)固化在模型代碼中，無法達到靈活組配的要求，因此需要采用“高內(nèi)聚、松耦合、組件化和參數(shù)化”的建模思路，在統(tǒng)一的業(yè)務(wù)接口下，參照離散事件系統(tǒng)規(guī)范（DEVS）中的原子模型和耦合模型范式，開發(fā)組件模型，在訓(xùn)練期可以通過靈活組配的方式快速生成實體模型，以適應(yīng)模型的多樣化快速調(diào)整需求。

組件化孿生建模技術(shù)：仿真模型種類繁多，為實現(xiàn)模型的可重用與可組合，系統(tǒng)依據(jù)戰(zhàn)場要素實體的各功能元件的組成以及重用組合要求，開展模型拆分與組件模型構(gòu)建，并依托模型的通用及專用組件，實現(xiàn)裝備實體組裝，在推演過程中，基于統(tǒng)一的想定，開展仿真運行。

規(guī)則框架擴展技術(shù)：戰(zhàn)場空間環(huán)境要素多，變化復(fù)雜，為適應(yīng)其特點，系統(tǒng)針對規(guī)則模型，通過規(guī)則參數(shù)配置以及參數(shù)化模型建立，實現(xiàn)規(guī)則拆分，在遵循一致的規(guī)則模型構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)與約束下，利用行為樹建模技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)則邏輯的靈活配置，實現(xiàn)規(guī)則框架的擴展與編輯。

（3）高精度孿生場景快速構(gòu)建技術(shù)。高精度孿生場景快速構(gòu)建技術(shù)主要基于計算機圖形學(xué)和人工智能技術(shù)，開展三維模型構(gòu)建與孿生場景渲染，實現(xiàn)高度精確的微觀孿生場景的快速構(gòu)建，從而為受訓(xùn)者提供真實訓(xùn)練場景。

高精度模型構(gòu)建技術(shù)：針對地形、建筑、場景、人員、裝備、工具等模型與場景構(gòu)建需求，系統(tǒng)提供高精度三維模型與孿生場景的快速構(gòu)建，采用網(wǎng)絡(luò)模型、點云模型等方式，針對模型幾何細節(jié)與紋理質(zhì)量，完成高精度模型的表示與存儲，為受訓(xùn)者提供與真實場景相似的視覺效果。

孿生微觀場景模擬技術(shù)：系統(tǒng)利用模塊化與可重用性的設(shè)計思想，開展場景交互等孿生微觀尺度的場景與行為模擬，通過光柵化、著色器優(yōu)化、陰影處理等渲染算法優(yōu)化，實現(xiàn)真實光照效果與材質(zhì)表現(xiàn)的綜合模擬。

（4）基于數(shù)字孿生的真實場景顯示優(yōu)化技術(shù)。一個典型的數(shù)字孿生真實場景的繪制過程一般包含三個部分：事件遍歷、更新遍歷、渲染遍歷，三個遍歷的累計時長決定了完成一幀繪制所需時間，其中任何一個步驟延遲都會造成整體幀率下降，甚至?xí)驗閹什蛔阍斐上到y(tǒng)卡頓。在基于真實場景的態(tài)勢顯示中，數(shù)據(jù)流驅(qū)動的目標(biāo)經(jīng)常需要位置發(fā)生變化，從而引起更新遍歷發(fā)生，當(dāng)目標(biāo)數(shù)量急劇增多時，這一過程的性能瓶頸往往造成整個態(tài)勢顯示性能低下。

本文面向真實地理環(huán)境與氣象水文環(huán)境等數(shù)字孿生場景的構(gòu)建需求，為了滿足不同訓(xùn)練場景中各級用戶掌握敵我雙方兵力布設(shè)、來襲目標(biāo)、敵情威脅等戰(zhàn)場態(tài)勢，輔助決策的精細化保障需求，通過建立專項數(shù)據(jù)實時處理和層級歸檔技術(shù)體系，研究海量專項數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化技術(shù)，開展專項數(shù)據(jù)的引接、顯示、分析方面的技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示應(yīng)用的極大優(yōu)化。通過該技術(shù)實現(xiàn)，能夠提高二三維態(tài)勢顯示的效率，提高同屏顯示目標(biāo)數(shù)量和刷新流暢度，提升推演環(huán)境及場景的真實感和表現(xiàn)力，同時滿足實時顯示、歷史回放、統(tǒng)計分析等對態(tài)勢數(shù)據(jù)顆粒度的不同需求，增強不同視圖下的專項數(shù)據(jù)應(yīng)用模式和可視化表現(xiàn)，可為實現(xiàn)符合各類用戶的數(shù)字孿生場景數(shù)據(jù)精細化保障提供技術(shù)支撐。

5.數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用模式

利用數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開展軍事訓(xùn)練，能夠極大程度提高模擬訓(xùn)練的真實化程度，貼近實戰(zhàn)化訓(xùn)練要求，且相比于實裝訓(xùn)練而言，裝備耗損更低，訓(xùn)練組織實施更加高效便捷。數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠支撐指揮流程訓(xùn)練、軍事科目訓(xùn)練、體系聯(lián)合訓(xùn)練、戰(zhàn)法訓(xùn)法驗證等多種應(yīng)用模式。

（1）指揮流程訓(xùn)練。利用數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多層次、多軍兵種、多型號裝備模型孿生構(gòu)建，并依托綜合孿生環(huán)境，開展沉浸式想定、作戰(zhàn)籌劃、導(dǎo)調(diào)控制、推演評估等指揮訓(xùn)練驗證，并能夠與實裝數(shù)據(jù)結(jié)合，根據(jù)實際作戰(zhàn)進程開展實裝預(yù)演，并利用紅藍雙方指揮流程，開展人在回路的演示推演與試驗驗證，實現(xiàn)綜合指揮訓(xùn)練，提高指揮對抗訓(xùn)練效率及實戰(zhàn)化水平。

（2）軍事科目訓(xùn)練。針對學(xué)員、指揮員、參謀人員等相關(guān)用戶在軍事訓(xùn)練中的各科目訓(xùn)練需求，依托數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠開展：1）航空器、航天器、航海器等各類載體操縱型設(shè)備科目訓(xùn)練；2）裝備作戰(zhàn)、訓(xùn)練、保障、維護維修等裝備過程控制科目訓(xùn)練；3）作戰(zhàn)指揮籌劃、指揮控制、作戰(zhàn)方案評估等指揮博弈科目訓(xùn)練。

（3）體系聯(lián)合訓(xùn)練。數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠通過裝備實體與孿生裝備結(jié)合的方式，構(gòu)建體系化聯(lián)合訓(xùn)練場景，依托虛擬兵力與構(gòu)造兵力，結(jié)合實裝兵力，開展LVC訓(xùn)練環(huán)境構(gòu)建，支撐虛實結(jié)合、遠程異地LVC訓(xùn)練。依托數(shù)字孿生技術(shù)，極大提升體系化聯(lián)合訓(xùn)練的訓(xùn)練效果，使之貼近實裝訓(xùn)練，且有效降低損耗。

（4）戰(zhàn)法訓(xùn)法驗證。利用數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠有效保障并構(gòu)建基于實裝的戰(zhàn)法驗證環(huán)境，通過虛擬實驗、仿真檢驗，充分驗證戰(zhàn)法設(shè)計的可行性、作戰(zhàn)行動的有效性；并結(jié)合演訓(xùn)活動開展技術(shù)性能檢測，通過對武器裝備和信息系統(tǒng)的聚能與釋能實際情況分析，充分檢驗技術(shù)應(yīng)用的功效和缺陷所在。

6.啟示分析

數(shù)字孿生作為將現(xiàn)實環(huán)境、裝備、兵力等作戰(zhàn)要素進行虛擬化映射的技術(shù)手段，其在軍事模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用，將會推動系統(tǒng)朝著更加貼近實裝訓(xùn)練需求方向不斷發(fā)展，持續(xù)不斷發(fā)揮相關(guān)作用及效益：

（1）進一步推動現(xiàn)實系統(tǒng)能力建設(shè)。

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)旨在構(gòu)建一個虛擬空間，與現(xiàn)實系統(tǒng)完全一致的孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，通過對“虛擬”系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)對現(xiàn)實系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)測與控制，從而提升模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能力建設(shè)的智能化水平。

（2）進一步開拓軍事訓(xùn)練技術(shù)創(chuàng)新。

數(shù)字孿生技術(shù)呈現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)在軍事領(lǐng)域的巨大潛力。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以將復(fù)雜的實戰(zhàn)情景模擬到虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)了在實際場景下無法實現(xiàn)的多種訓(xùn)練模式和演練，從而為軍事訓(xùn)練注入了新的活力。此外，數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)在提高軍事訓(xùn)練效率方面體現(xiàn)出巨大的技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字孿生理念推動了訓(xùn)練靈活性、可行性的極大提升，并逐步擺脫訓(xùn)練場地、資源等的限制，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出更加先進、更加逼真的訓(xùn)練系統(tǒng)，使得訓(xùn)練更加貼近實戰(zhàn)，更加有效地提升訓(xùn)練效率。

（3）進一步提高實戰(zhàn)教學(xué)訓(xùn)練水平。

數(shù)字孿生模擬訓(xùn)練系統(tǒng)充分發(fā)揮指揮流程訓(xùn)練、軍事科目訓(xùn)練、體系聯(lián)合訓(xùn)練、戰(zhàn)法訓(xùn)法驗證的集成效用，實現(xiàn)整體訓(xùn)練保障條件改善，為組織全流程、全要素、近實戰(zhàn)的軍事模擬訓(xùn)練提供支撐，將有效彌補和改善軍事人才培養(yǎng)中指揮籌劃、作戰(zhàn)推演、分析評估等方面的不足，大幅提升實戰(zhàn)化模訓(xùn)教學(xué)水平，為提升學(xué)員軍事專業(yè)能力提供有力支撐。

（4）進一步提升軍事人才培養(yǎng)質(zhì)量。

系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、模擬仿真等先進技術(shù)，支撐模擬訓(xùn)練教學(xué)人才培訓(xùn)任務(wù)，保障各級、各類人員開展模擬訓(xùn)練，支撐相關(guān)課程實踐教學(xué)和演訓(xùn)演練任務(wù)，對于健全完善與實際作戰(zhàn)水平生成模式相適應(yīng)的教學(xué)訓(xùn)練模式、確定優(yōu)化模擬訓(xùn)練教學(xué)人才培養(yǎng)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新適應(yīng)各層次學(xué)員培養(yǎng)模式、發(fā)展精細化教育訓(xùn)練管理考核手段具有重要意義。

7.結(jié)束語

以數(shù)字孿生為技術(shù)支撐的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠為受訓(xùn)者提供一個完整、逼真且貼近實戰(zhàn)的訓(xùn)練環(huán)境和平臺，能夠有效提升軍事訓(xùn)練的智能化水平與綜合訓(xùn)練效率。本文探索構(gòu)建基于數(shù)字孿生的軍事模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用的總體框架與系統(tǒng)建設(shè)思路，并針對其應(yīng)用模式展開討論，為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)與組織應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

本文來源：《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)》2024年第4期

DOI：10.16358/j.issn.1009-1300.20240011

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