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來(lái)源：系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)作者：毛子泉 高家隆 龔建興 劉權(quán) 轉(zhuǎn)自：系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)公眾號(hào) 摘 要 闡述了虛實(shí)結(jié)合仿真的概念與內(nèi)涵,。根據(jù)技術(shù)思路的不同,，從數(shù)字孿生、LVC(live-virtual-constructive)仿真和平行系統(tǒng)3個(gè)領(lǐng)域總結(jié)了當(dāng)前虛實(shí)結(jié)合仿真的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,，分析對(duì)比了3種方式的異同和優(yōu)缺點(diǎn),，并闡述了其主要適用領(lǐng)域。針對(duì)目前軍事訓(xùn)練,、作戰(zhàn)試驗(yàn),、裝備研發(fā)、維修維護(hù)遇到的困難,，以理論指導(dǎo),、案例對(duì)比、遷移運(yùn)用的方式提出了基于虛實(shí)結(jié)合的解決方法。針對(duì)軍事領(lǐng)域相關(guān)裝備和試驗(yàn)的高保真性,、保密性和安全性要求,，提出了未來(lái)虛實(shí)結(jié)合仿真的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞 虛實(shí)結(jié)合,；數(shù)字孿生,；平行系統(tǒng)；LVC,；軍事裝備 虛實(shí)結(jié)合仿真是在全物理仿真難以做到,，純虛擬仿真的可信度無(wú)法達(dá)到要求時(shí)，應(yīng)運(yùn)而生的一種仿真技術(shù),，半實(shí)物仿真是最早的虛實(shí)結(jié)合仿真,，其技術(shù)的快速發(fā)展要追溯到20世紀(jì)40年代伴隨著自動(dòng)化武器的誕生，半實(shí)物仿真與之一同發(fā)展起來(lái),。由于半實(shí)物仿真對(duì)導(dǎo)彈研制的巨大意義,，在這個(gè)時(shí)期，美國(guó),、蘇聯(lián)和歐洲等國(guó)都對(duì)其投入了大量資源進(jìn)行研究,。特別是電子技術(shù)發(fā)達(dá)的美國(guó)，在此領(lǐng)域更是獨(dú)占鰲頭,。由此可見(jiàn),，虛實(shí)結(jié)合仿真在誕生之初就與計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算能力緊緊關(guān)聯(lián)起來(lái)。自20世紀(jì)70年代以來(lái),，計(jì)算機(jī)技術(shù)與芯片制造技術(shù)飛速發(fā)展,，摩爾定律一次次得到印證，與此同時(shí),，80年代開(kāi)始出現(xiàn)LVC仿真,。2002年，密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授提出了數(shù)字孿生的概念,，并闡述了數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品管理中的應(yīng)用前景,。文獻(xiàn)提出了平行系統(tǒng)的概念，指出平行系統(tǒng)是一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng),。虛實(shí)結(jié)合是完成系統(tǒng)的虛擬仿真和實(shí)際待測(cè)設(shè)備互換互聯(lián)的結(jié)合方式,，該方式能發(fā)揮虛擬系統(tǒng)仿真具備的接口抽象、功能模擬和測(cè)試功能迭代開(kāi)發(fā)的特點(diǎn),，同時(shí)結(jié)合實(shí)際設(shè)備的真實(shí)性,，使得測(cè)試滿足全面、高效和可靠要求,。虛實(shí)結(jié)合的仿真方式,，充分調(diào)動(dòng)了仿真系統(tǒng)中的數(shù)字資源和物理資源，使原本如設(shè)計(jì)—建模—仿真—驗(yàn)證呈線性進(jìn)行的開(kāi)發(fā)流程,，能在仿真與驗(yàn)證階段并行開(kāi)展,，有效提高了開(kāi)發(fā)效率。科技是軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要組成部分,，當(dāng)一項(xiàng)新技術(shù)問(wèn)世時(shí),，應(yīng)當(dāng)首先考慮能否將其用于軍事領(lǐng)域。當(dāng)在科技的助力下,，兩支軍隊(duì)的武器技術(shù)存在代差時(shí),，勝利的天平就已經(jīng)向武器技術(shù)先進(jìn)的一方傾斜了，這一傾斜在如今陸?？仗祀娋W(wǎng)全域戰(zhàn)場(chǎng)中將會(huì)愈發(fā)明顯,，虛實(shí)結(jié)合技術(shù)作為未來(lái)極有希望的新興技術(shù)，對(duì)戰(zhàn)斗力的促進(jìn)作用已經(jīng)初步顯現(xiàn),，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)也將難以估量,。本文聚焦于軍事應(yīng)用，按照理論和技術(shù)的復(fù)雜程度由淺入深的順序,，調(diào)研了近年來(lái)虛實(shí)結(jié)合的3個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域(見(jiàn)圖1),，即LVC仿真,、數(shù)字孿生,、平行系統(tǒng)的學(xué)術(shù)成果和在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用?？偨Y(jié)了目前主要的應(yīng)用方式和已有的工程成果,，在此基礎(chǔ)上指出了當(dāng)下虛實(shí)結(jié)合應(yīng)用存在的一些問(wèn)題，探索了虛實(shí)結(jié)合在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景和待突破的技術(shù),，為未來(lái)虛實(shí)結(jié)合在軍事領(lǐng)域更好地提升戰(zhàn)斗力提供了理論和方法參考,。圖1 虛實(shí)結(jié)合仿真相關(guān)概念區(qū)分Fig. 1 Virtua I-real combined simulation-related concepts are distinguishe 由于LVC仿真出現(xiàn)較早，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,，體系已經(jīng)十分完備,，在定義上，LVC通過(guò)其組成部分來(lái)定義,，即LVC仿真由三個(gè)部分組成,，分別是Live—實(shí)物仿真，Virtual—虛擬仿真和Constructive—構(gòu)造仿真,，LVC不是這三種仿真技術(shù)的合稱,，而是集成了實(shí)物仿真、虛擬仿真,、構(gòu)造仿真的技術(shù)的統(tǒng)稱,，而使用LVC技術(shù)搭建的虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng)，稱為L(zhǎng)VC系統(tǒng)。實(shí)物仿真指在仿真世界中以實(shí)兵實(shí)裝的形式出現(xiàn)的部分,，如參訓(xùn)士兵,、坦克等；虛擬仿真則是以半實(shí)物形式出現(xiàn)在仿真世界中的部分,，如各種武器裝備的操作模擬器,；構(gòu)造仿真則是通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的部分，如虛擬無(wú)人機(jī)對(duì)象,、虛擬火炮等,。通過(guò)LVC仿真，可以實(shí)現(xiàn)多軍兵種跨空間演習(xí),，而不用出動(dòng)大量的實(shí)裝實(shí)兵,。通過(guò)這種方式可以有效提高軍事訓(xùn)練中人員的安全性和裝備的完好度，并且計(jì)算機(jī)生成的兵力可以通過(guò)人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí),，成為難度可編輯,、過(guò)程可復(fù)盤、結(jié)果可量化的作戰(zhàn)對(duì)手,。以美國(guó)為首的世界軍事強(qiáng)國(guó)都將LVC仿真技術(shù)作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù),，而隨著LVC技術(shù)的進(jìn)步，其在軍事訓(xùn)練中起到的作用也將更為重要,。美軍目前的LVC建設(shè)主要集中在空軍領(lǐng)域,，目前的主要應(yīng)用是建設(shè)F-15C和F-15任務(wù)培訓(xùn)中心，在未來(lái)的12年里,，美軍將重點(diǎn)發(fā)展將F-35融入LVC的方法,，包括F-35操作模擬器的開(kāi)發(fā)以及任務(wù)部署和執(zhí)行的相關(guān)軟件、環(huán)境的建設(shè),。在軍事訓(xùn)練中,，美軍通過(guò)“紅旗”軍演、“北方利刃(Northern Edge)”軍演和“虛擬旗(Virtual Flag)”軍演,，充分利用LVC技術(shù),，將不同駐地的飛行員和不同的戰(zhàn)機(jī)集成到一個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行演習(xí)，使飛行員能在高逼真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練,，有效提高了作戰(zhàn)能力,。LVC以其出眾的體系訓(xùn)練能力而備受各國(guó)關(guān)注，對(duì)于我軍來(lái)說(shuō),，也應(yīng)當(dāng)建設(shè)以未來(lái)主戰(zhàn)裝備為核心的LVC訓(xùn)練系統(tǒng),，通過(guò)體系訓(xùn)練才能有效提高部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)的能力。LVC仿真技術(shù)的主要研究發(fā)力點(diǎn),，在LVC仿真集成,、計(jì)算機(jī)生成兵力,、系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)和LVC仿真資源管理，這些技術(shù)從系統(tǒng)的集成,、運(yùn)行,、容錯(cuò)和管理4個(gè)領(lǐng)域?qū)VC仿真進(jìn)行建設(shè)，共同完善了LVC仿真體系,，以下從LVC仿真集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)生成兵力技術(shù)2個(gè)方面闡述有關(guān)技術(shù)發(fā)展情況,。LVC仿真集成技術(shù)，是將各個(gè)異構(gòu)的仿真系統(tǒng)和仿真資源集成到一個(gè)仿真世界的技術(shù),。為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的集成,，需要首先設(shè)計(jì)LVC的建模方法，在統(tǒng)一的模型框架內(nèi)進(jìn)行開(kāi)發(fā),，是實(shí)現(xiàn)集成的先決條件,。通用作戰(zhàn)單元組件化模型框架是LVC仿真模型資源的基礎(chǔ)框架，所有的作戰(zhàn)實(shí)體都在該框架之上進(jìn)行開(kāi)發(fā),，這是保證某個(gè)資源崩潰時(shí),，其他資源會(huì)進(jìn)入一個(gè)自穩(wěn)定的基礎(chǔ)狀態(tài)的方法。LVC仿真技術(shù)的本質(zhì)是多異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián),，LVC技術(shù)就是在不斷解決異構(gòu)系統(tǒng)集成和互聯(lián)過(guò)程中的數(shù)據(jù)交互,、邏輯聯(lián)系、擴(kuò)展性和組合性,、時(shí)空一致性等問(wèn)題的過(guò)程中逐漸發(fā)展的,。目前LVC的開(kāi)發(fā)工作正在朝著一個(gè)戰(zhàn)略、協(xié)作,、系統(tǒng)和整體的概念發(fā)展,，集成的整體系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)通過(guò)構(gòu)建可鏈接組件,，使不同組件在整體架構(gòu)中互操作,，為L(zhǎng)VC提供最大的靈活性和創(chuàng)新性。完成LVC集成框架建模后,，需要對(duì)系統(tǒng)的仿真時(shí)間推進(jìn)方法進(jìn)行規(guī)定,，即異構(gòu)仿真系統(tǒng)的時(shí)空統(tǒng)一技術(shù)。為了解決LVC仿真中異構(gòu)資源時(shí)空描述的問(wèn)題,，引入一種基于觀察者的仿真時(shí)間與物理狀態(tài)描述機(jī)制,。在這個(gè)機(jī)制中，仿真世界定義LVC仿真系統(tǒng)中的實(shí)體物理狀態(tài)描述與仿真時(shí)間的關(guān)系,，定義仿真實(shí)體觀察其他仿真實(shí)體時(shí)的時(shí)空邏輯,，并通過(guò)創(chuàng)建“態(tài)”來(lái)儲(chǔ)存每一個(gè)模型最新的狀態(tài)。當(dāng)觀察者需要獲取對(duì)應(yīng)實(shí)物實(shí)體狀態(tài)時(shí),，直接讀取仿真世界的“態(tài)”值,，這個(gè)值無(wú)需同步更新,。因此當(dāng)LVC仿真無(wú)法統(tǒng)一步長(zhǎng)時(shí)，仿真步長(zhǎng)較長(zhǎng)的組件也能獲取最新的仿真步長(zhǎng)較短組件的值,，而不是通過(guò)歷史數(shù)據(jù)來(lái)推斷,，提高了仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。多系統(tǒng)多模型聯(lián)合運(yùn)行時(shí),，保持交互狀態(tài)間的一致性將產(chǎn)生耗費(fèi)較大的時(shí)間和空間開(kāi)銷,，從而導(dǎo)致消息傳遞錯(cuò)亂和邏輯關(guān)系不合理的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，文獻(xiàn)[9]提出了多層分級(jí)時(shí)間管理的思路,，以試驗(yàn)訓(xùn)練一體化仿真支撐平臺(tái)(test and training integrated simulation architecture, TISA)為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在基礎(chǔ)層采用基于周期的邏輯時(shí)間推進(jìn)和基于事件的邏輯時(shí)間推進(jìn)的方式,，在更高層級(jí)則使用分級(jí)控制的方法,，即中間層級(jí)受限于基礎(chǔ)層級(jí)，但控制更高的層級(jí),，通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一時(shí)間推進(jìn),，進(jìn)而減少為了維持一致性產(chǎn)生的開(kāi)銷。在異構(gòu)仿真集成系統(tǒng)中,，通常采用定步長(zhǎng)仿真,，這種方式的仿真精度和速度無(wú)法調(diào)節(jié)，當(dāng)異構(gòu)系統(tǒng)仿真步長(zhǎng)差距較大時(shí),，仿真數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大誤差,。文獻(xiàn)提出了基于DDS(data distribution service)的LVC實(shí)時(shí)互聯(lián)技術(shù)和變步長(zhǎng)仿真技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整仿真精度與仿真速度的關(guān)系,，提高系統(tǒng)的仿真能力,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。但由于步長(zhǎng)預(yù)測(cè)計(jì)算步驟的引入,，也使得計(jì)算過(guò)程更為復(fù)雜,，運(yùn)算時(shí)間更長(zhǎng)。在LVC聯(lián)合試驗(yàn)環(huán)境的搭建上,，使用高層體系結(jié)構(gòu)(high level architecture, HLA)與DDS作為環(huán)境和通信方法,，實(shí)現(xiàn)仿真成員的動(dòng)態(tài)加入和成員間的穩(wěn)定通信。(3) 實(shí)時(shí)仿真中間件技術(shù)在多異構(gòu)系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)的發(fā)展中,，形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,，包括HLA、基本對(duì)象模型(browser object model, BOM),、試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)(test and training enabling architecture, TENA),、模型驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)(model driven architecture, MDA)等。以上4種架構(gòu)均采用發(fā)布/訂閱式的通信方式,，其中基于TENA的仿真一般提供3種交互模式,，分別是對(duì)象交互,、消息傳遞和方法調(diào)用。由于發(fā)布/訂閱模式會(huì)導(dǎo)致代碼冗余性,，導(dǎo)致LVC無(wú)法滿足武器體系快速響應(yīng)的試驗(yàn)任務(wù)需求,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)以訓(xùn)練使能體系架構(gòu)為基礎(chǔ)改造了LVC的仿真試驗(yàn)中間件和應(yīng)用模型框架,，體現(xiàn)了仿真即服務(wù)(simulation as a service, SaaS)的理念,。此中間件改善了消息的傳遞機(jī)制，使LVC能快速調(diào)動(dòng)復(fù)雜資源,，使仿真世界中各部分順利協(xié)同,。為了避免LVC仿真中物理域和邏輯域產(chǎn)生混淆，在中間件對(duì)消息進(jìn)行傳遞時(shí),，必須要采用信息域與物理域分離的配置方法,，確保系統(tǒng)能對(duì)精度鏈進(jìn)行高真實(shí)度仿真。在仿真集成系統(tǒng)的仿真資源的管理上,，文獻(xiàn)總結(jié)了目前存在的3種資源描述方法,，即元數(shù)據(jù)法、資源描述框架(resource description framework, RDF)方法和趕集參數(shù)標(biāo)記語(yǔ)言(simulation reference makeup language,SRML)方法在完整性,、互操作性,、平臺(tái)無(wú)關(guān)性、靈活性和可信性5個(gè)方面的特性,，并進(jìn)行了定性對(duì)比,。在此基礎(chǔ)上 提出了LVC仿真接口的設(shè)計(jì)原則、仿真資源設(shè)計(jì)規(guī)范和仿真資源描述規(guī)范,，為基于LVC的一體化仿真系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考,。2.2.2 計(jì)算機(jī)生成兵力技術(shù)計(jì)算機(jī)生成兵力，即LVC中的C為構(gòu)造仿真,。通過(guò)計(jì)算機(jī)生成兵力,，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員與虛擬兵力的虛實(shí)對(duì)抗，可以說(shuō),，計(jì)算機(jī)生成兵力的強(qiáng)弱,、真實(shí)程度決定了受訓(xùn)人員的訓(xùn)練效果,。由于目前人工智能技術(shù)的發(fā)展,，深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí),、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等為計(jì)算機(jī)生成兵力賦予智能,，難度可變更、決策更靈活,、流程更隨機(jī)成為了目前計(jì)算機(jī)生成兵力技術(shù)的發(fā)展方向,。計(jì)算機(jī)生成兵力需要解決好2個(gè)問(wèn)題：虛擬兵力打得到和虛擬兵力打得好,，即虛擬兵力能否被受訓(xùn)人員攻擊，與虛擬兵力決策是否與真實(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)中的情況相符合,。(1) 在LVC中,，存在參訓(xùn)人員無(wú)法通過(guò)肉眼觀測(cè)到計(jì)算機(jī)生成兵力的問(wèn)題，對(duì)于使用步槍等視距內(nèi)武器的兵種,，虛擬兵力無(wú)法被其攻擊,。當(dāng)這些兵種需要對(duì)視距內(nèi)的虛兵進(jìn)行打擊時(shí)，會(huì)造成LVC戰(zhàn)場(chǎng)中的邏輯錯(cuò)誤,。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,，文獻(xiàn)[13]以集合的方式規(guī)定了計(jì)算機(jī)生成兵力的范圍，確保需要肉眼觀察的裝備是實(shí)裝,，而通過(guò)儀器探測(cè)的裝備可以是虛擬裝備,。同時(shí)還提出了基于圖論的無(wú)向圖描述示例，并從訓(xùn)練需求角度分析,，把根據(jù)圖論獲取的求解結(jié)果分為自主式對(duì)抗,、控制式指揮、管理式演習(xí)三類的配置模式,，有效解決了虛實(shí)兵力在邏輯戰(zhàn)場(chǎng)上的不同步問(wèn)題,。但通過(guò)視距來(lái)對(duì)裝備進(jìn)行分類的方法仍然存在局限性，當(dāng)裝備生成時(shí),，已經(jīng)自帶了“視距內(nèi)”或“視距外”的屬性,，即能否被實(shí)裝操作人員通過(guò)肉眼觀察的屬性，這樣就對(duì)裝備的使用范圍進(jìn)行了限制,，使戰(zhàn)法的創(chuàng)新和裝備的使用受到局限,。(2) 虛擬兵力的決策模型是否完善，在創(chuàng)建虛擬兵力時(shí),，人類能做出的高層戰(zhàn)術(shù)決策是使用人工智能建模的最具挑戰(zhàn)性的決策,。目前在虛擬兵力的決策建模上，十分依賴相關(guān)專家提前完成的腳本,。已經(jīng)寫好的腳本無(wú)法做到戰(zhàn)法創(chuàng)新,，在摸透腳本后，訓(xùn)練成為了背書,，失去了訓(xùn)練本來(lái)的意義,。專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)完成的腳本也會(huì)引入人的主觀性問(wèn)題，知識(shí)的覆蓋面不足,，而且程序員與軍事專家需要溝通,，其中也會(huì)存在誤解。在這個(gè)問(wèn)題上,，文獻(xiàn)提出基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的分隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)決策建模,，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)大容量的“對(duì)手池”來(lái)讓決策模型學(xué)習(xí),，進(jìn)而達(dá)到根據(jù)受訓(xùn)者的戰(zhàn)法調(diào)整自身靈活多變的效果。最后提出了基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)矯正建模方法,，對(duì)計(jì)算機(jī)生成兵力的水平進(jìn)行靈活調(diào)整,，積極適應(yīng)受訓(xùn)者的水平，使不同水平的受訓(xùn)者都能獲得較好的訓(xùn)練效果,。文獻(xiàn)從用戶角度出發(fā)探討了智能算法在LVC中的應(yīng)用,。在LVC中，通過(guò)智能算法訓(xùn)練的代理可以充當(dāng)紅方隊(duì)員,，也可以作為訓(xùn)練的對(duì)手,。專家經(jīng)驗(yàn)是代理行為的重要依據(jù)，但僅依賴專家經(jīng)驗(yàn)的代理是靜態(tài)的,、腳本化的,，訓(xùn)練效果會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。借助智能算法可以充分提升代理的靈活性和可擴(kuò)展性,，并使算法的可重用性增加,。在針對(duì)特定受訓(xùn)人員的藍(lán)方?jīng)Q策實(shí)體的設(shè)計(jì)中，往往不需要對(duì)對(duì)手的決策進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì),，而是需要最符合特定受訓(xùn)人員的需求,，在針對(duì)空戰(zhàn)的藍(lán)方?jīng)Q策實(shí)體建模中，文獻(xiàn)采用將智能優(yōu)化方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,，并根據(jù)具體訓(xùn)練需求來(lái)構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)的方法來(lái)構(gòu)建藍(lán)方模型,，可以實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員與“特定作戰(zhàn)對(duì)手的化身”或者“以前的自己”展開(kāi)訓(xùn)練。LVC技術(shù)是軍事訓(xùn)練和部隊(duì)建設(shè)的重要技術(shù)支撐,，美軍提出了未來(lái)LVC發(fā)展的3個(gè)方向,，如圖2所示，分別是嵌入式訓(xùn)練,、多技術(shù)體系混合集成技術(shù)和聯(lián)邦LVC(joint LVC,，JLVC)。圖2 LVC技術(shù)發(fā)展方向示意圖Fig. 2 Development direction of LVC Technology 嵌入式訓(xùn)練(embedded training, ET)通過(guò)只建設(shè)LVC中的實(shí)物部分(L)和構(gòu)造部分(C)來(lái)縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期,、減少系統(tǒng)包含資源,、節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。嵌入式訓(xùn)練由于沒(méi)有實(shí)物模擬器的參與,，在LVC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建上更為簡(jiǎn)潔,，對(duì)仿真資源需求的更少，也無(wú)需大量人員對(duì)LVC訓(xùn)練進(jìn)行保障,，簡(jiǎn)潔的ET可以在單件裝備上部署,。在將計(jì)算機(jī)生成兵力集成在實(shí)物裝備上后，受訓(xùn)人員可以根據(jù)裝備實(shí)際操作方法來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練,，并通過(guò)計(jì)算機(jī)生成兵力實(shí)現(xiàn)一定程度上的虛實(shí)對(duì)抗,，這種方式相比于傳統(tǒng)的模擬器訓(xùn)練，提升了訓(xùn)練的真實(shí)程度,，這也是LVC訓(xùn)練中的關(guān)鍵核心技術(shù),。但由于缺少模擬器的參與，ET難以實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員之間的對(duì)抗訓(xùn)練,。(2) 多技術(shù)體系混合集成技術(shù)美軍認(rèn)為模擬器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化是美軍建設(shè)LVC重點(diǎn)考慮的方面,。不同的裝備模擬器采用不同的技術(shù)體系，因此多技術(shù)體系混合集成技術(shù)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)LVC訓(xùn)練的重點(diǎn)技術(shù),，在將多個(gè)異構(gòu)仿真系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建LVC訓(xùn)練環(huán)境需要注意各訓(xùn)練系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互識(shí)別,、聯(lián)合系統(tǒng)的邏輯合理性、可擴(kuò)展性,、可組合性的問(wèn)題,。多技術(shù)體系混合集成還包含集成在不同仿真架構(gòu)上搭建的仿真系統(tǒng)。包括分布式交互仿真技術(shù)體系(distributed interactive simulation, DIS),、HLA,、TENA和公共訓(xùn)練儀器體系在內(nèi)的仿真體系是目前搭建LVC訓(xùn)練系統(tǒng)常用架構(gòu)。多技術(shù)體系混合集成技術(shù)就需要在包含這些體系的LVC系統(tǒng)中搭建網(wǎng)橋,、網(wǎng)關(guān)等,，保證不同體系之間的通信順暢。(3) 面向聯(lián)合作戰(zhàn)的JLVC21世紀(jì)初,，美軍開(kāi)始建設(shè)JLVC作為L(zhǎng)VC訓(xùn)練的環(huán)境,。隨著聯(lián)合作戰(zhàn)概念的提出和發(fā)展，JLVC也逐步融入聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練中,。JLVC使用分布式仿真支持系統(tǒng),，采用了開(kāi)放的方式吸收了包括HLA/RTI、DIS,、TENA和Link16等協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),，因此JLVC能連接不同體系的武器設(shè)備、模擬器和構(gòu)造仿真系統(tǒng),。JLVC聯(lián)邦支持的LVC訓(xùn)練有效提升了美軍聯(lián)合作戰(zhàn)能力,，促進(jìn)了美軍戰(zhàn)斗力生成模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)信息化條件下的軍事訓(xùn)練起到了巨大的推動(dòng)作用,。JLVC在聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練中,，可以集成不同軍兵種的裝備、模擬器以及其他仿真資源,，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)背景統(tǒng)一規(guī)劃,、戰(zhàn)役進(jìn)程統(tǒng)一調(diào)度、戰(zhàn)斗資源統(tǒng)一調(diào)配、戰(zhàn)斗結(jié)果統(tǒng)一評(píng)估,?？梢詾閰⒓佑?xùn)練的指揮員、戰(zhàn)斗員提供真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境和優(yōu)質(zhì)的訓(xùn)練對(duì)手,。但由于JLVC本身的建設(shè)要求,，使JLVC的建設(shè)存在開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)維成本高,、復(fù)雜性上升的問(wèn)題,。為了解決這些問(wèn)題，美軍提出了基于云使能模塊服務(wù)(cloud-enabled modular service, CEMS)的JLVC2020框架,。CEMS主要有數(shù)據(jù)服務(wù)代理,，接口層、戰(zhàn)爭(zhēng)模擬層和環(huán)境層構(gòu)成,，其中數(shù)據(jù)服務(wù)代理是JLVC核心引擎,。通過(guò)發(fā)展云服務(wù)和提升計(jì)算機(jī)性能后，美軍認(rèn)為JLVC面臨的問(wèn)題挑戰(zhàn)能得到解決,，JLVC將成為未來(lái)聯(lián)合作戰(zhàn)訓(xùn)練的重要技術(shù)基礎(chǔ),。2.4 LVC技術(shù)的具體應(yīng)用 LVC應(yīng)用主要集中在軍事訓(xùn)練以及軍事設(shè)施的建設(shè)和管理上。文獻(xiàn)[20]分析了LVC在潛艇有關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景,，基于未來(lái)的應(yīng)用方式給出了潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)LVC仿真系統(tǒng)的組成與關(guān)系,，并提出了一種仿真引擎組件化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方式。通過(guò)組件化和模塊化的開(kāi)發(fā)方式,，可以實(shí)現(xiàn)引擎功能的可擴(kuò)展性,，在功能可編輯的同時(shí),，也能更方便地加入其他仿真組件,。文獻(xiàn)以某型水面艦艇單艦綜合防空作戰(zhàn)想定為應(yīng)用背景，解決水面艦艇作戰(zhàn)指標(biāo)無(wú)法充分考核的難題,。在LVC資源集成的條件下提出了水面艦艇作戰(zhàn)試驗(yàn)環(huán)境構(gòu)設(shè)資源組成及其相關(guān)關(guān)系,，構(gòu)建水面艦艇作戰(zhàn)仿真中實(shí)兵實(shí)裝在回路的仿真模式,，為水面艦艇作戰(zhàn)指標(biāo)考核提供了技術(shù)途徑。本文參考了美軍在聯(lián)合試驗(yàn)支撐環(huán)境的建設(shè)方法,，從平臺(tái)體系框架,、中間件兩個(gè)部分的建設(shè)提出了基于LVC的試驗(yàn)鑒定支撐平臺(tái)構(gòu)建的方法，通過(guò)建設(shè)支撐平臺(tái),，可以實(shí)現(xiàn)多軍兵種試驗(yàn)資源統(tǒng)一調(diào)度,、跨區(qū)域試驗(yàn)和資源靈活重組的效果。文獻(xiàn)[23]將LVC與混合現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來(lái),，研究了LVC在行人疏散領(lǐng)域的應(yīng)用,，在搜集行人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的同時(shí),，實(shí)現(xiàn)了行人之間和行人與環(huán)境的交互，體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的技術(shù)要點(diǎn),。此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中,，反恐行動(dòng)的解救人質(zhì)等行動(dòng)的訓(xùn)練，使受訓(xùn)人員在逼真的環(huán)境中獲得直觀的感受,。在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域,，文獻(xiàn)將LVC技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn),，搭建了在不同模型之間具有良好互操作性的Cy-through平臺(tái),，極大豐富了網(wǎng)絡(luò)安全仿真中的網(wǎng)絡(luò)攻擊場(chǎng)景。網(wǎng)絡(luò)安全是通信的基礎(chǔ),，隨著戰(zhàn)斗中信息化程度的加深,，對(duì)一個(gè)安全的通信網(wǎng)絡(luò)的需求也越來(lái)越強(qiáng)。將LVC技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全仿真是節(jié)約成本,、提高效率,、擴(kuò)大規(guī)模的要求體現(xiàn)。對(duì)于LVC分布式仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)本身的安全,，文獻(xiàn)將聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智能LVC網(wǎng)絡(luò),，可以避免LVC網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)篡改和由于單節(jié)點(diǎn)故障影響整體系統(tǒng)運(yùn)行效率的問(wèn)題，在跨域場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了安全有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享,。3 數(shù)字孿生的發(fā)展與應(yīng)用 數(shù)字孿生的概念在2002年被提出,，但由于當(dāng)時(shí)認(rèn)知觀念和技術(shù)的限制，并未受到學(xué)界和工業(yè)界的重視,。隨著技術(shù)的進(jìn)步,，在世界各國(guó)陸續(xù)提出工業(yè)4.0的規(guī)劃后，數(shù)字孿生作為一個(gè)熱門技術(shù)又重新進(jìn)入人們的視野,。根據(jù)美國(guó)國(guó)防部(the United States department of defense, DoD)的定義,，數(shù)字孿生是由數(shù)字線程支持的集成多物理、多尺度,、概率模擬的系統(tǒng),，其使用最佳可用模型、傳感器信息和輸入數(shù)據(jù)來(lái)在虛擬空間中預(yù)測(cè)其相應(yīng)實(shí)物實(shí)體在生命周期內(nèi)的活動(dòng),。文獻(xiàn)認(rèn)為數(shù)字孿生是一種集成多物理,、多尺度、多學(xué)科屬性,，具有實(shí)時(shí)同步,、忠實(shí)映射、高保真度特性,，能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界和信息世界交互與融合的技術(shù)手段,，數(shù)字孿生的根本特征如圖3所示。圖3 數(shù)字孿生的根本特征Fig. 3 Fundamental characteristics of digital twinning 在這兩個(gè)定義中，多物理,、多尺度,、信息、映射,、實(shí)時(shí),，這些詞語(yǔ)均有出現(xiàn)?？梢?jiàn),，在中外研究者看來(lái)，具有多物理,、多尺度,、實(shí)時(shí)映射、信息交互這些性質(zhì)是數(shù)字孿生的根本特征,，也是數(shù)字孿生在應(yīng)用中區(qū)別于其他仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì),。“數(shù)字孿生”是有上述根本特征的一種技術(shù),，而使用該技術(shù)搭建的虛實(shí)結(jié)合仿真系統(tǒng),，稱為數(shù)字孿生系統(tǒng)。數(shù)字孿生的發(fā)展程度可以分為3個(gè)階段,，分別是：①數(shù)字模型,；②數(shù)字陰影；③數(shù)字孿生,。這3個(gè)階段根據(jù)數(shù)據(jù)的更新來(lái)區(qū)分,，在數(shù)字模型階段，數(shù)據(jù)從虛擬實(shí)體到實(shí)物實(shí)體與從實(shí)物實(shí)體到虛擬實(shí)體,，都需要手動(dòng)進(jìn)行更新,；在數(shù)字陰影階段，虛擬實(shí)體作為實(shí)物實(shí)體的“影子”,，數(shù)據(jù)從實(shí)物實(shí)體到虛擬實(shí)體的流向是可以自動(dòng)進(jìn)行的,，而從虛擬實(shí)體到實(shí)物實(shí)體的流動(dòng)與更新仍然是手動(dòng)進(jìn)行；數(shù)字孿生階段的數(shù)據(jù),，則是兩個(gè)方向均是自動(dòng)進(jìn)行,，數(shù)據(jù)在雙向的順利流動(dòng)，使基于數(shù)據(jù)的算法,、模型,、仿真等在數(shù)字孿生的技術(shù)基礎(chǔ)上大力發(fā)展。3.2 數(shù)字孿生模型,、標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)體系 數(shù)字孿生的模型,、標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)體系是數(shù)字孿生從概念走向應(yīng)用的必要元素,。統(tǒng)一的數(shù)字孿生建模方法有助于開(kāi)發(fā)者和研究者們進(jìn)行交流，同時(shí)節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間,，一個(gè)合理的模型也是后續(xù)進(jìn)行技術(shù)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),。文獻(xiàn)使用Grieves提出的三維模型，即虛擬實(shí)體,、實(shí)物實(shí)體,、虛擬實(shí)體與實(shí)物實(shí)體之間的連接三者組成的模型，使用高斯過(guò)程(Gaussian process, GP)和深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep convolutional neural networks, DCNN)技術(shù),，分別建立了重型車輛行駛狀態(tài)的兩個(gè)數(shù)字孿生模型,，對(duì)重型車輛的駕駛進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)在Grieves教授的數(shù)字孿生三維模型的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生五維模型,，并提出了五維模型在數(shù)字孿生衛(wèi)星等十個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,。二者的區(qū)別如圖4所示,，實(shí)線部分為Grieves提出的三維模型,，虛線部分為陶飛團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新內(nèi)容。陶飛團(tuán)隊(duì)在Grieves的模型的基礎(chǔ)上,，增加了“數(shù)據(jù)”和“服務(wù)”兩個(gè)維度,，并拓展了“連接”的內(nèi)容。在保持?jǐn)?shù)字孿生主體要素不變的前提下,，使模型結(jié)構(gòu)更加清晰,，數(shù)據(jù)作為單獨(dú)一個(gè)維度也凸顯了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生中的重要性。圖4 三維模型與五維模型示意圖Fig. 4 3D model and 5D model 數(shù)字孿生五維模型將交互的數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)作的“動(dòng)力”,，數(shù)據(jù)也是數(shù)字孿生的特征中信息交互的載體,，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度直接決定了數(shù)字孿生的虛擬實(shí)體的準(zhǔn)確程度，以及對(duì)實(shí)物實(shí)體預(yù)測(cè)的正確與否,。文獻(xiàn)提出了面向數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建模與仿真方法,，并給出了應(yīng)用框架，指出在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,，可以將基于先驗(yàn)知識(shí)的信息物理模型(cyber physical system, CPS)與基于新數(shù)據(jù)的CPS通過(guò)貝葉斯理論融合起來(lái),，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生以實(shí)利虛的功能。傳統(tǒng)的基于物理模型的數(shù)字孿生可以生成正常物理資產(chǎn)的知識(shí),，但是在物理模型發(fā)生故障時(shí),，模型無(wú)法對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)故障的物理模型的行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外,，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)和量要求較高,，但是有些故障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可能無(wú)法用于訓(xùn)練，其中有的可能需要長(zhǎng)期的測(cè)試周期來(lái)生成,，比如材料的疲勞失效,，有的則是開(kāi)發(fā)一個(gè)故障系統(tǒng)的成本很高,，比如一些精密的儀器或者大型的武器裝備。針對(duì)以上問(wèn)題,，文獻(xiàn)提出了實(shí)時(shí)數(shù)字孿生(live digital twin, LDT)的概念和體系結(jié)構(gòu),。此模型通過(guò)學(xué)習(xí)(learn)、識(shí)別(identify),、驗(yàn)證(verify）,、拓展(extend)四個(gè)步驟，將數(shù)字孿生模型從第一階段的高保真—正向仿真模式發(fā)展到最后階段的高保真—反向仿真,，實(shí)現(xiàn)了使用模型的輸出數(shù)據(jù)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),。針對(duì)數(shù)字孿生存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的相關(guān)術(shù)語(yǔ)、架構(gòu),、模型等要素的問(wèn)題,，文獻(xiàn)從數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)建立、數(shù)字孿生落地實(shí)施,、數(shù)字孿生效益評(píng)價(jià)3個(gè)方面建立數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)體系,。數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建是數(shù)字孿生技術(shù)能否順利展開(kāi)的關(guān)鍵，在構(gòu)建了一套業(yè)界認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)體系之后,，相關(guān)技術(shù)的交流和開(kāi)發(fā),，不同領(lǐng)域技術(shù)的融合、未來(lái)技術(shù)的創(chuàng)新與評(píng)價(jià)才能消除壁壘,，提高效率,。一套數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)的建立能有效減少重復(fù)建設(shè)、排查缺漏建設(shè),、實(shí)施共通建設(shè),。例如在軍用裝備的設(shè)計(jì)和制造中，一架飛機(jī)的零部件可能來(lái)自全國(guó)各地甚至全世界各地的廠商,，如果他們使用不同的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn),，那將廠商提供的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)整合起來(lái)，形成整架飛機(jī)的數(shù)字孿生體,，就是一件十分困難的事情,，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。不同的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以檢測(cè),，后續(xù)開(kāi)發(fā)難以進(jìn)行等問(wèn)題,。因此，建立一套合適的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系,，是未來(lái)數(shù)字孿生建設(shè)的必要一環(huán),。文獻(xiàn)研究了數(shù)字孿生評(píng)價(jià)體系的建立，提出了數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)的8條準(zhǔn)則,，分別是有效性,、通用性,、高效性、直觀性,、連通性,、整體性、靈活性和智能性,。這8條準(zhǔn)則全面概括了一個(gè)良好的數(shù)字孿生模型所需要具備的性質(zhì),，有效性、通用性,、高效性評(píng)價(jià)數(shù)字孿生模型是否好用,，直觀性、連通性,、整體性則評(píng)價(jià)數(shù)字孿生是否便于理解,，靈活性和智能性則評(píng)價(jià)了數(shù)字孿生模型是否便于衍生和復(fù)用。在提出定性評(píng)價(jià)數(shù)字孿生的指標(biāo)后,，他們也提出了定量評(píng)估的參數(shù)和公式,。從準(zhǔn)則層的8個(gè)要素中推導(dǎo)出29項(xiàng)指標(biāo)的量化方法，通過(guò)歸一化和加權(quán)求和的方式,，得到最后的數(shù)字孿生模型評(píng)價(jià)的量化結(jié)果,。數(shù)字孿生評(píng)價(jià)體系是數(shù)字孿生建設(shè)的指揮棒與風(fēng)向標(biāo)，一個(gè)正確的評(píng)價(jià)體系能引導(dǎo)數(shù)字孿生技術(shù)向技術(shù)進(jìn)步梯度最大的方向發(fā)展,。在評(píng)價(jià)體系的建設(shè)中，指標(biāo)選取,、效能評(píng)估,、權(quán)重分配等是關(guān)鍵因素。在未來(lái)軍用裝備的建設(shè)中,，裝備的數(shù)字孿生技術(shù)評(píng)估也是裝備性能好壞的重要指標(biāo)之一,。因此，數(shù)字孿生評(píng)價(jià)體系在未來(lái)裝備性能指標(biāo)確定,、裝備效能評(píng)估審查,、裝備采購(gòu)參考依據(jù)等方面都將起到重要作用。3.3 數(shù)字孿生在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 作戰(zhàn)試驗(yàn)與軍用裝備仿真對(duì)仿真對(duì)象的高保真性有很高的要求,，而數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)在于數(shù)字對(duì)象與物理對(duì)象的高度一致性,，即在虛擬世界中進(jìn)行仿真時(shí)，能保持對(duì)物理對(duì)象的高保真性,。因此數(shù)字孿生在提出后,，迅速獲得了作戰(zhàn)試驗(yàn)和軍用裝備領(lǐng)域的關(guān)注。在軍事領(lǐng)域,，數(shù)字孿生在工業(yè)生產(chǎn),、信息安全,、算法訓(xùn)練、戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè),、裝備建設(shè)方面都有較多應(yīng)用,。3.3.1 數(shù)字孿生在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)是目前數(shù)字孿生應(yīng)用最多的領(lǐng)域，文獻(xiàn)調(diào)研了現(xiàn)有的研究成果,，在他們的調(diào)研范圍內(nèi),，約66%的案例研究都集中在制造領(lǐng)域，且目前已知的數(shù)字孿生優(yōu)勢(shì)最多的是制造領(lǐng)域,。洛克希德—馬丁公司使用數(shù)字線程和CAD模型直接驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制銑削復(fù)合編程系統(tǒng)來(lái)放置碳纖維,。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的成熟，洛克希德—馬丁公司將利用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)和制造新一代飛機(jī),，如F-35隱身戰(zhàn)斗機(jī),。在軍用裝備制造中，文獻(xiàn)提出在航天器裝配過(guò)程中運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)的思想,，構(gòu)建了一個(gè)裝配質(zhì)量監(jiān)控與預(yù)測(cè)體系,。通過(guò)建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以在產(chǎn)品裝配階段對(duì)原本在總裝完畢后才能測(cè)試的性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估測(cè)試,，有效縮短了測(cè)試周期,，并大大降低了產(chǎn)品返修和報(bào)廢的比率。但由于數(shù)字孿生系統(tǒng)是在信息有限的條件下完成數(shù)據(jù)計(jì)算與結(jié)果推導(dǎo),，因此在歷史數(shù)據(jù)較少時(shí),，會(huì)與實(shí)物模型有較大偏差。所以在數(shù)字孿生系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中,，要求系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)能力,，在不斷加入歷史數(shù)據(jù)后，能夠自我對(duì)模型進(jìn)行完善,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),。目前的裝備設(shè)計(jì)，往往需要多個(gè)單位協(xié)作進(jìn)行,，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)可以讓不同的使用者在不同的地域同時(shí)獲得關(guān)于物理對(duì)象更為直觀的信息,，進(jìn)行更直接的比較，實(shí)現(xiàn)了工作的更高水平的協(xié)同,，提高了效率,。3.3.2 數(shù)字孿生在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)字孿生在信息安全領(lǐng)域的技術(shù)主要有兩個(gè)方面：①數(shù)字孿生在信息網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)、維護(hù),、故障預(yù)測(cè)等方面的應(yīng)用,；②數(shù)字孿生本身信息網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)安全作為國(guó)家非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域的重要組成部分,，在如今這個(gè)智能時(shí)代顯得愈發(fā)重要,，目前數(shù)字孿生在工業(yè)應(yīng)用上越來(lái)越廣泛,，但很少有關(guān)于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)安全的研究。美國(guó)防部2021年1月發(fā)布的《增材制造戰(zhàn)略》指出,，在加強(qiáng)增材制造工作流的安全性保護(hù)方面,，美國(guó)將在機(jī)器間的數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)以及網(wǎng)絡(luò)連接上使用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,，確保數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改和偽造,，以保證數(shù)字供應(yīng)鏈的安全[38]。衛(wèi)星通信是目前各國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分,，在這個(gè)方面,，文獻(xiàn)[39]提出了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生(cyber digital twin, CDT)的應(yīng)用，CDT可以在無(wú)需實(shí)物實(shí)體中斷的情況下,，進(jìn)行原先必須在此情況下的研究,。這種技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)安全的研究人員提供了方便的研究環(huán)境，減少服務(wù)器停機(jī)維護(hù)的時(shí)間,，縮短網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的研發(fā)和測(cè)試周期,，通過(guò)這種方式可以提升通信系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。但是這種技術(shù)帶來(lái)的影響是惡意的攻擊者可以無(wú)需獲取實(shí)物,，通過(guò)虛擬實(shí)體即可以研究實(shí)物實(shí)體的系統(tǒng)漏洞和缺陷,。借助數(shù)字孿生可以對(duì)衛(wèi)星等位于通信網(wǎng)絡(luò)上的關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行攻擊，從而導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的癱瘓,。與之對(duì)應(yīng),，我方可以通過(guò)數(shù)字孿生發(fā)現(xiàn)友方衛(wèi)星的系統(tǒng)異常而提前進(jìn)行修復(fù)。因此,，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中,，開(kāi)戰(zhàn)前盡可能多次準(zhǔn)確地搜集對(duì)方數(shù)據(jù)成為必備的準(zhǔn)備工作。當(dāng)戰(zhàn)爭(zhēng)雙方獲取到對(duì)方的數(shù)字孿生信息時(shí),，可以借助孿生體研究對(duì)方網(wǎng)絡(luò)中可能發(fā)生的錯(cuò)誤。因此保證數(shù)字模型的安全和保密,，是未來(lái)軍事斗爭(zhēng)中網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的重要組成部分,，這也是數(shù)字孿生自身網(wǎng)絡(luò)安全的重要建設(shè)領(lǐng)域。3.3.3 數(shù)字孿生在算法訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)字孿生可以創(chuàng)建高保真的環(huán)境,，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室擁有的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以達(dá)到算法訓(xùn)練要求的環(huán)境時(shí),，可以通過(guò)數(shù)字孿生創(chuàng)造的虛擬環(huán)境代替。實(shí)物實(shí)體與虛擬環(huán)境結(jié)合,，形成了虛實(shí)結(jié)合的仿真系統(tǒng),，稱為信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS),。其復(fù)雜性,、動(dòng)態(tài)性和不確定性使得通過(guò)CPS獲取的數(shù)據(jù)大多存在偏差,。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)提出了面向數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模與仿真方法,，并提出通過(guò)隨機(jī)有限集(ranfom finite set, RFS)來(lái)支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模,，通過(guò)貝葉斯推理實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的仿真運(yùn)行，通過(guò)這種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)解決CPS產(chǎn)生數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題,。文獻(xiàn)介紹了一種新的基于RFS的戰(zhàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)算法,，并通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)。在數(shù)字孿生的幫助下,，算法可以消除真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)和虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的壁壘,，實(shí)現(xiàn)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)和虛擬戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)虛擬戰(zhàn)場(chǎng)和真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)的雙向?qū)崟r(shí)互操作,，指揮官可以實(shí)時(shí)了解到戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài),，作出及時(shí)的指令，這對(duì)于無(wú)人作戰(zhàn)的算法訓(xùn)練是十分有利的,。文獻(xiàn)提出了一種將數(shù)字孿生與深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)結(jié)合的方法,，用來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)集群的有關(guān)智能算法進(jìn)行策略學(xué)習(xí)。數(shù)字孿生可以為深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)提供逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境,，并通過(guò)數(shù)字孿生快速部署到實(shí)物無(wú)人機(jī)上,。由于真實(shí)環(huán)境中存在非線性和不確定因素，導(dǎo)致在仿真環(huán)境中通過(guò)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)學(xué)到的策略無(wú)法直接部署到真實(shí)的無(wú)人機(jī)上,。數(shù)字孿生可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù),、傳感器數(shù)據(jù)和物理對(duì)象來(lái)及時(shí)反應(yīng)真實(shí)世界的狀態(tài)。數(shù)字孿生創(chuàng)造了一個(gè)高保真的虛擬環(huán)境,，在此環(huán)境下,，可以提高無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集的速率，使無(wú)人機(jī)能在一個(gè)逼真的環(huán)境中以較快的速度學(xué)習(xí)到適合真實(shí)環(huán)境的策略,。在無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃算法的開(kāi)發(fā)上,，文獻(xiàn)提出了一種基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)方法，用以開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(unmanned aerial system, UAS)的數(shù)字孿生系統(tǒng),。這套系統(tǒng)集中于解決戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的“最后一公里”后勤物資補(bǔ)給問(wèn)題,，包括無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃算法。文章給出了利用數(shù)字孿生解決一個(gè)具體工程問(wèn)題的步驟和方法,，并對(duì)任務(wù)進(jìn)行了建模,，指出由于戰(zhàn)場(chǎng)的瞬息多變，使用數(shù)字孿生系統(tǒng)訓(xùn)練出來(lái)的算法,，可以幫助指揮員進(jìn)行決策,，使決策依賴的信息更為可靠，決策產(chǎn)生的效果更容易觀測(cè)，并提供不同方案的效益和損失的直觀評(píng)價(jià),。文獻(xiàn)介紹了基于陶飛團(tuán)隊(duì)的數(shù)字孿生五維模型的無(wú)人機(jī)數(shù)字孿生建模方法,。在無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，使用Gazebo構(gòu)建無(wú)人機(jī)的虛擬實(shí)體,，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)在數(shù)字世界和物理世界的同步運(yùn)行,，初步展現(xiàn)了數(shù)字孿生的應(yīng)用效果，但存在數(shù)字孿生只包含無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的缺點(diǎn),，無(wú)法做到無(wú)人機(jī)全狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步,。數(shù)字孿生對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能提出了更高的要求，如何在有限的計(jì)算資源和非理想的更新速度下完成數(shù)字孿生系統(tǒng)的更新與維護(hù),，使深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)能在非理想環(huán)境中仍保持較好的性能是未來(lái)研究的方向,。3.3.4 數(shù)字孿生在戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期的戰(zhàn)備工程，一直備受各國(guó)重視,，法國(guó)在二戰(zhàn)時(shí)期修筑了馬奇諾防線用以抵抗德軍的進(jìn)攻,，中國(guó)在古代也使用長(zhǎng)城這樣的防御工事抵御來(lái)自草原的威脅。如今的戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)手段也更加先進(jìn),，文獻(xiàn)提出了數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)的概念,，指出數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)的建設(shè)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括除了物理要素之外的抽象要素。數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)管理平臺(tái)為戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)提供了統(tǒng)一的接口與框架,，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行信息統(tǒng)籌與協(xié)調(diào),，可以實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)與地方信息的共享，使指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)更加深入,。在戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)與管理上,，數(shù)字孿生所創(chuàng)建虛擬世界具有權(quán)威、單一,、安全的特點(diǎn),，通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生建立的信息共享平臺(tái)可以使軍隊(duì)與政府、有關(guān)企業(yè)共同論證戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)與管理的方案,，有效避免戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的重復(fù)建設(shè)和無(wú)效建設(shè),。在數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)的模型構(gòu)建上，文獻(xiàn)對(duì)基于云的信息物理系統(tǒng)(cloud-based cyber physical system, C2PS)的數(shù)字孿生架構(gòu)參考模型進(jìn)行了分析描述,，提出了C2PS,、計(jì)算、通信和控制的關(guān)鍵特性的分析模型,，并在一個(gè)基于遠(yuǎn)程信息處理的車輛輔助駕駛上進(jìn)行了模型的應(yīng)用。通過(guò)C2PS體系結(jié)構(gòu)以及一種公共語(yǔ)言,，可以無(wú)縫地進(jìn)行跨域集成,，借助這個(gè)架構(gòu)可以形成一個(gè)數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)，作戰(zhàn)單位和后勤保障單位可以輕松地跨域訪問(wèn)數(shù)據(jù)，使不同要素在數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)中有機(jī)結(jié)合,。在戰(zhàn)場(chǎng)的各組件建設(shè)上,，文獻(xiàn)通過(guò)將數(shù)字孿生技術(shù)引入光通信領(lǐng)域，提出了一種適用于光通信的DT框架,，并借助深度學(xué)習(xí)算法,，在數(shù)字空間建立了故障管理、硬件配置,、動(dòng)態(tài)傳輸仿真模型,，以保證光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的高可靠性運(yùn)行和高效管理。文獻(xiàn)[48]以數(shù)字孿生五維模型為指導(dǎo)提出了基于數(shù)字孿生和GIS的公路交通建設(shè),，指出通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)能極大地提高工程在規(guī)劃,、設(shè)計(jì)、施工,、運(yùn)營(yíng),、安全方面的管理水平，實(shí)現(xiàn)交通管理決策協(xié)同化和智能化,。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域,，對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)涉及到的戰(zhàn)場(chǎng)要求進(jìn)行數(shù)字孿生建模，可以對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí),。在這次俄烏沖突中,，我們可以認(rèn)識(shí)到，公路機(jī)動(dòng)將是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的武器平臺(tái)主要機(jī)動(dòng)方式,，俄羅斯軍隊(duì)在公路上數(shù)次遭到烏克蘭軍隊(duì)的伏擊導(dǎo)致大量裝備損壞和人員傷亡,，如圖5所示。因此公路的信息就成為了戰(zhàn)術(shù)指揮以及戰(zhàn)略機(jī)動(dòng)的必須掌握的信息,。圖5 沿公路機(jī)動(dòng)被擊毀的俄軍車輛Fig. 5 Destroyed Russian military vehicles along the highway 數(shù)字孿生與GIS技術(shù)的結(jié)合在公路網(wǎng)的應(yīng)用,，可以協(xié)助指揮官對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中的道路實(shí)時(shí)情況進(jìn)行評(píng)估，制定部隊(duì)的機(jī)動(dòng)方式以及機(jī)動(dòng)路線,；對(duì)紅方交通狀況的評(píng)估有助于指揮官確定打擊對(duì)象和打擊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),。對(duì)藍(lán)方而言，公路狀況涉及到藍(lán)方的后勤保障,、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng),、裝備偽裝等，數(shù)字孿生較如今的數(shù)字沙盤而言,，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)使指揮官對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的掌握更加準(zhǔn)確,。孫子曰：“知己知彼，百戰(zhàn)不殆,?！敝挥袑?duì)藍(lán)方陣地和紅方陣地有充分了解,，才能制定出合理的戰(zhàn)術(shù)，減少傷亡的同時(shí)對(duì)紅方關(guān)鍵要害部位進(jìn)行精確打擊,。3.3.5 數(shù)字孿生裝備的研究與發(fā)展數(shù)字孿生裝備是未來(lái)高性能,、高智能裝備的發(fā)展方向之一，文獻(xiàn)介紹了未來(lái)的數(shù)字孿生裝備的構(gòu)想與發(fā)展前景,，提出了數(shù)字孿生裝備的理想特征,，即自感知、自認(rèn)知,、自學(xué)習(xí),、自決策、自執(zhí)行和自優(yōu)化,。數(shù)字孿生裝備由于其動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的特性,，自誕生時(shí)，就與機(jī)器學(xué)習(xí),、強(qiáng)化學(xué)習(xí),、知識(shí)圖譜等智能學(xué)習(xí)方法有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，而這些學(xué)習(xí)手段也是無(wú)人作戰(zhàn)裝備被賦予智能的重要方法,。未來(lái)的數(shù)字孿生軍用裝備,，不僅在設(shè)計(jì)、制造,、維修,、保養(yǎng)等方面可以通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)節(jié)省制造時(shí)間，預(yù)測(cè)裝備損傷,，更能通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)給出維修與保養(yǎng)建議,。軍用衛(wèi)星是未來(lái)典型的數(shù)字孿生裝備之一，文獻(xiàn)提出了數(shù)字孿生衛(wèi)星概念與內(nèi)涵,，指出數(shù)字孿生衛(wèi)星在空間維度上對(duì)各場(chǎng)景及對(duì)象的服務(wù)應(yīng)用,，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間維度上的系統(tǒng)工程管理。美軍為了縮短新型宙斯盾系統(tǒng)的測(cè)試周期,，并將宙斯盾系統(tǒng)引入作戰(zhàn)演習(xí)之中,，開(kāi)發(fā)了虛擬宙斯盾系統(tǒng)。美國(guó)印太司令部曾在2020年將用于導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng),，通過(guò)數(shù)字孿生手段,，將其“打包”成手提箱大小，帶上岸并與陸軍炮兵部隊(duì),、空軍指揮節(jié)點(diǎn)和F-35“閃電Ⅱ”聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)連接,。此外，通過(guò)虛擬宙斯盾系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,，一旦通過(guò),，則可以直接部署到真實(shí)系統(tǒng)上,，美軍則減少了額外的海試成本。對(duì)于智能無(wú)人裝備,，機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí),、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)將會(huì)通過(guò)數(shù)字孿生對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)算法,、戰(zhàn)法進(jìn)行仿真。由于數(shù)字孿生統(tǒng)一的接口和安全框架,，在未來(lái)的無(wú)人作戰(zhàn)裝備的算法訓(xùn)練中,，將極大地節(jié)省仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高訓(xùn)練效率,。同時(shí),，針對(duì)目前算法的計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際部署之間，由于復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境產(chǎn)生的效果差異性,，數(shù)字孿生也能通過(guò)其高保真的特性,，來(lái)有效降低這種效果差異，減少算法從設(shè)計(jì),、仿真,、部署、調(diào)試的迭代次數(shù),，使戰(zhàn)法能更快地部署在一線作戰(zhàn)裝備上,，達(dá)成更快的OODA循環(huán)。在裝備損傷預(yù)測(cè)上,，文獻(xiàn)提出了基于物理模型的貝葉斯損傷診斷方法,，可以自然地量化診斷中的不確定性。貝葉斯方法非常適合融合來(lái)自檢查,、以往的任務(wù)記錄和結(jié)構(gòu)維修的異構(gòu)信息,。作者使用貝葉斯方法融合來(lái)自不同來(lái)源的直覺(jué)和認(rèn)知不確定性，從而量化預(yù)測(cè)后的總體不確定性,。通過(guò)開(kāi)發(fā)了一個(gè)融合從概率損傷診斷和預(yù)測(cè)中獲得信息的數(shù)字孿生,，通過(guò)使用最新的信息和量化的不確定性來(lái)支持任務(wù)的智能規(guī)劃和決策。裝備損傷預(yù)測(cè)以及裝備維修的一個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域是飛行器的檢修與維護(hù),，加拿大國(guó)家研究委員會(huì)提出了一種飛機(jī)機(jī)身數(shù)字孿生(airframe digital twin, ADT)的建設(shè)計(jì)劃,，美國(guó)空軍的ADT框架是基于概率和預(yù)測(cè)單體飛機(jī)跟蹤(probabilistic and prognostic individual aircraft tracking, PPIAT)方法。該方法將飛機(jī)有關(guān)參數(shù)的不確定性(如飛機(jī)使用方法,、幾何形狀,、材料特性、材料初始不連續(xù)狀態(tài)等)納入單體飛機(jī)的概率疲勞壽命評(píng)估,。加拿大國(guó)家研究委員會(huì)根據(jù)美國(guó)國(guó)防部對(duì)數(shù)字孿生的定義提出了ADT的定義,，其中的5個(gè)要素為：①飛機(jī)通用數(shù)據(jù)庫(kù),；②個(gè)體的數(shù)字孿生；③定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,；④單個(gè)實(shí)物實(shí)體飛機(jī),；⑤貝葉斯推斷。當(dāng)每次從實(shí)物實(shí)體上獲取數(shù)據(jù)時(shí),，②~⑤都會(huì)更新一次,，這使得數(shù)字孿生體與實(shí)物實(shí)體愈發(fā)接近，降低了計(jì)算和推斷的不確定性水平,。因此,，如果數(shù)字孿生用于基于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、優(yōu)化維護(hù)和制定檢查計(jì)劃,，在最大限度提高可用性的同時(shí),，顯著降低管理飛機(jī)結(jié)構(gòu)的成本。4 平行系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用 文獻(xiàn)在提出平行系統(tǒng)時(shí)指出,，現(xiàn)代控制理論是成功應(yīng)用平行系統(tǒng)理念的典范,。但現(xiàn)代控制理論并未使用或很少使用人工系統(tǒng)的方法來(lái)對(duì)實(shí)物實(shí)體進(jìn)行預(yù)測(cè)，究其原因是以往的受控系統(tǒng)并沒(méi)有復(fù)雜到需要使用虛實(shí)結(jié)合的方式來(lái)創(chuàng)建人工系統(tǒng)的需要,。隨著人類社會(huì)的發(fā)展,，受控系統(tǒng)的復(fù)雜程度日益提升，諸如人類社會(huì),、軍事行動(dòng),、群體智能等復(fù)雜系統(tǒng)也成為目前研究的熱門領(lǐng)域。因此,，對(duì)于無(wú)法獲得準(zhǔn)確參數(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)模型,，平行系統(tǒng)成為了對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)并指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的重要方法。4.1 平行系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵 文獻(xiàn)[4]提出平行系統(tǒng)是指由某一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng),。這里的人工系統(tǒng)并不是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的完全復(fù)制體,，因?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)的許多參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，其內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)理也尚未完全弄清,。人工系統(tǒng)與真實(shí)系統(tǒng),，應(yīng)當(dāng)做到在全局宏觀和系統(tǒng)功能性上的“平行”與“等價(jià)”，而不以數(shù)學(xué)模型的精確性來(lái)逼近,，否則就從平行系統(tǒng)走向了數(shù)字孿生[54],。平行系統(tǒng)的本質(zhì)就是把復(fù)雜系統(tǒng)中難以認(rèn)知的“虛”和“軟”的部分，通過(guò)可定量,、可實(shí)施,、可重復(fù)、可實(shí)時(shí)的計(jì)算實(shí)驗(yàn),，使之硬化,，以解決實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)中不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè),、難以拆分還原、無(wú)法重復(fù)實(shí)驗(yàn)等問(wèn)題,。平行系統(tǒng)的最終目的是使所構(gòu)造的人工系統(tǒng)的觀測(cè)和實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)在某種意義上一致[55],，而構(gòu)建滿足上述要求的系統(tǒng)的技術(shù)，稱為平行系統(tǒng)技術(shù),。平行系統(tǒng)的核心是ACP(artificial system, computational experiments, parallel execution)方法,，其形式如圖6所示，ACP方法是指與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)宏觀等價(jià)的人工系統(tǒng)(A),，通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)(C)來(lái)獲取系統(tǒng)可能的發(fā)展方向，在獲取人工系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果后,，指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通過(guò)平行執(zhí)行(P)來(lái)達(dá)到人工系統(tǒng)所得到的理想的結(jié)果,。在平行系統(tǒng)的概念研究中，文獻(xiàn)建立了平行系統(tǒng)的模型,，給出了平行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示,，在數(shù)學(xué)表示的基礎(chǔ)上闡述了平行系統(tǒng)與數(shù)字孿生的異同點(diǎn)。對(duì)于平行系統(tǒng)的核心ACP方法,，給出了ACP方法的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算框架,，并針對(duì)ACP方法實(shí)現(xiàn)的三種方式“學(xué)習(xí)與訓(xùn)練”、“試驗(yàn)與評(píng)估”,、“管理與控制”給出了數(shù)學(xué)形式上的改寫,。從流程上而言，平行系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)獲取,、人工系統(tǒng)建模,、計(jì)算實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景推演、實(shí)驗(yàn)解析與預(yù)測(cè),、管控決策優(yōu)化與實(shí)施,、虛實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋、實(shí)施效果實(shí)時(shí)評(píng)估來(lái)完成閉環(huán)處理過(guò)程,。圖6 ACP方法框架Fig. 6 ACP methodology framework 同為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在虛擬空間中的映像,，平行系統(tǒng)與數(shù)字孿生卻有本質(zhì)的差異，文獻(xiàn)對(duì)比了數(shù)字孿生與平行系統(tǒng)的異同,，指出數(shù)字孿生與平行系統(tǒng)是兩類不同的原創(chuàng)范式,，在核心思想、研究對(duì)象,、架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法等方面都存在一定的區(qū)別,。在理論思想發(fā)展程度上，平行系統(tǒng)的復(fù)雜程度要超過(guò)數(shù)字孿生,，數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)保持?jǐn)?shù)學(xué)模型上的完全一致,，通過(guò)這種一致,，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。而平行系統(tǒng)則將虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)均看作該系統(tǒng)的一種發(fā)展可能,，計(jì)算實(shí)驗(yàn)是為了開(kāi)展在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中難以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn),，虛擬系統(tǒng)發(fā)生的變化并不會(huì)強(qiáng)制影響現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，虛擬系統(tǒng)只向觀察者展現(xiàn) 現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)未來(lái)的一種可能,。4.2 平行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 目前平行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在平行感知,、平行學(xué)習(xí)、平行區(qū)塊鏈,、平行控制和平行測(cè)試5個(gè)方面,，這5個(gè)方面是建立一個(gè)完整的平行系統(tǒng)從數(shù)據(jù)獲取到處理再到應(yīng)用的全流程。平行感知是平行系統(tǒng)獲取現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的方法,，隨著傳感器技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)可以傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)搜集能力也更加強(qiáng)大,。文獻(xiàn)提出了分布式獲取數(shù)據(jù)的方法,，在交通應(yīng)用場(chǎng)景中，將交通管控從原本的集中式搜集處理信息,，即在路口設(shè)置攝像頭并將數(shù)據(jù)傳輸回處理中心進(jìn)行處理的方式,，改變?yōu)榉植际降靥幚硇畔ⅲ赐ㄟ^(guò)車輛之間的物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計(jì)算方法,，更為快速高效地對(duì)交通進(jìn)行測(cè)量和管理,。文獻(xiàn)提出數(shù)據(jù)獲取后預(yù)處理的3個(gè)步驟：①對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化以減少誤差；②使用滑動(dòng)窗口或滯后窗口的方法準(zhǔn)備數(shù)據(jù)集,；③將數(shù)據(jù)集拆分成訓(xùn)練集和測(cè)試集兩個(gè)部分,，用以算法的學(xué)習(xí)和測(cè)試。準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的獲取是搭建合理人工系統(tǒng)的前提,，因此,，平行感知是平行系統(tǒng)中的一項(xiàng)首要工作。目前研究較多的平行學(xué)習(xí)方法,，包括深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí),。在使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)搭建推薦系統(tǒng)時(shí)，雖然能解決根據(jù)連續(xù)決策過(guò)程,，不斷學(xué)習(xí)用戶喜好來(lái)捕捉用戶偏好,。但由于采樣數(shù)據(jù)往往是不確定，且數(shù)據(jù)的概率分布也是可變的,，強(qiáng)化學(xué)習(xí)無(wú)法綜合考慮到推薦系統(tǒng)的狀態(tài)和行為,。為了解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)提出了基于ACP方法的平行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)減少現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的不確定性,，實(shí)現(xiàn)更好的推薦效果,。文獻(xiàn)在采集建筑物數(shù)據(jù)并通過(guò)深度學(xué)習(xí)來(lái)對(duì)建筑物能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，在預(yù)測(cè)模型中使用長(zhǎng)短期記憶算法(long short-term memory, LSTM)作為編碼器獲取被預(yù)處理后的數(shù)據(jù),，通過(guò)LSTM算法,，將搜集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特征，使用循環(huán)門單元(gated recurrent unit, GRU)作為解碼器,，預(yù)測(cè)輸出序列,，在結(jié)合ACP方法的深度學(xué)習(xí)下輸出的預(yù)測(cè)結(jié)果要優(yōu)于單一的混合深度學(xué)習(xí)算法。在平行系統(tǒng)中,，可以使用現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的小數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建宏觀一致的人工系統(tǒng),，在交通應(yīng)用場(chǎng)景中，通過(guò)人工交通系統(tǒng)生成數(shù)據(jù)能更為簡(jiǎn)便和廉價(jià)地獲取交通信息的相關(guān)數(shù)據(jù)[58],，中間涉及到平行系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一的平行學(xué)習(xí),，即如何通過(guò)較少的初始真實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)人工系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，從而使人工系統(tǒng)能自己產(chǎn)生偏差不大的人工數(shù)據(jù),。區(qū)塊鏈技術(shù)是與數(shù)字貨幣、去中心化與分布式認(rèn)證等技術(shù)一起提出來(lái)的一種計(jì)算范式,。平行區(qū)塊鏈通過(guò)人工系統(tǒng)計(jì)算在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中新增或減少節(jié)點(diǎn)對(duì)整體的影響,，進(jìn)而對(duì)區(qū)塊鏈的布局進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)利用平行區(qū)塊鏈的技術(shù),，創(chuàng)建金融沙箱,，借助平行系統(tǒng)對(duì)金融創(chuàng)新進(jìn)行監(jiān)管，有效規(guī)避金融創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn),。同時(shí),，基于ACP方法的監(jiān)管沙箱可以將人工智能引入金融領(lǐng)域，將新型的區(qū)塊鏈技術(shù)與智能監(jiān)管沙箱相結(jié)合,，以解決在金融領(lǐng)域顯著的數(shù)據(jù)流通不暢和監(jiān)管滯后的問(wèn)題,。在工業(yè)生產(chǎn)中，PID控制是一類簡(jiǎn)單而有效的控制方法,，是很多工業(yè)設(shè)備采用的控制方法,。隨著設(shè)備的日益復(fù)雜，雖然預(yù)測(cè)控制可以通過(guò)對(duì)被控系統(tǒng)的預(yù)測(cè),，動(dòng)態(tài)進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)節(jié),，但在一些復(fù)雜控制網(wǎng)絡(luò)中，仍然無(wú)法獲得最優(yōu)的控制參數(shù),，進(jìn)而降低控制器的效果,。平行控制通過(guò)搭建人工系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)可以在各種可能的情況中選擇最優(yōu)的控制參數(shù),，使控制器發(fā)揮最優(yōu)性能,。為了解決火力發(fā)電中的超臨界火電機(jī)組的控制問(wèn)題,，文獻(xiàn)提出了基于ACP方法的平行控制方案。通過(guò)人工系統(tǒng)對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí),、控制方法選擇和控制器參數(shù)初始化,，再使用計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行的方法在不同運(yùn)行條件下選擇最優(yōu)控制參數(shù)并執(zhí)行，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了基于ACP的平行控制方法相較于傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)算法具有更小的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間,，且不容易出現(xiàn)模型失配,，體現(xiàn)出了更好的控制性能。越是復(fù)雜的系統(tǒng),，對(duì)其需要進(jìn)行的測(cè)試就越多,。軍事裝備往往需要根據(jù)其使用環(huán)境，在各種嚴(yán)苛的條件下進(jìn)行大量測(cè)試,，而一些工業(yè)設(shè)備,，如火力發(fā)電機(jī)、汽車等需要進(jìn)行例如加速實(shí)驗(yàn),、壓力實(shí)驗(yàn)和邊界實(shí)驗(yàn)等,，通過(guò)大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r,，并將最優(yōu)狀況返回真實(shí)世界,，通過(guò)平行執(zhí)行的方式，引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)接近人工系統(tǒng)中的理想情況運(yùn)行,。4.3 平行系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 平行軍事體系由實(shí)際軍事組織及系統(tǒng)和相應(yīng)人工軍事組織及系統(tǒng)組成,，其特點(diǎn)是以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)實(shí)際軍事組織及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)構(gòu)建人工軍事組織及系統(tǒng),。軍事體系包含作戰(zhàn)行動(dòng),、后勤保障、戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè),、邊境管控,、裝備發(fā)展等領(lǐng)域，平行系統(tǒng)以其人工系統(tǒng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行的優(yōu)勢(shì),，在軍事體系中的許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,。4.3.1 裝備設(shè)計(jì)與應(yīng)用戰(zhàn)斗力是人、武器和人與武器的結(jié)合,，武器裝備的好壞對(duì)一支軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力有重大影響,。機(jī)械結(jié)構(gòu)是一件裝備的基礎(chǔ)，文獻(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域引入ACP方法,，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程無(wú)需真實(shí)的系統(tǒng),，ACP方法在虛擬與現(xiàn)實(shí)的交互中起到并行優(yōu)化、閉環(huán)反饋和協(xié)同優(yōu)化的作用。ACP方法可以加強(qiáng)人機(jī)交互,，從而建立起一種創(chuàng)造性和計(jì)算能力的互補(bǔ)機(jī)制,。通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造性地提出不同的設(shè)計(jì)思路,，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果,，最后由人類設(shè)計(jì)師來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，這種方式充分融合了人類的經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,，可以有效提升設(shè)計(jì)效率,，減少迭代次數(shù)。在航天器飛行控制和仿真方面,，文獻(xiàn)提出了一種航天器飛控仿真與平行系統(tǒng)架構(gòu),，以仿真與驗(yàn)證子系統(tǒng)為前端、決策與支持系統(tǒng)為后端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與處理,、過(guò)程的仿真與推演,、結(jié)果的評(píng)估與決策。并將此系統(tǒng)成功運(yùn)用到了嫦娥五號(hào)的飛行控制工作中,，驗(yàn)證了系統(tǒng)架構(gòu)的合理性和可行性,。目前衛(wèi)星組網(wǎng)組成大型星座是搭建天基衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)方法，文獻(xiàn)通過(guò)引入平行因子的概念,，將復(fù)雜天基組網(wǎng)星座的天地一體平行演化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平行系統(tǒng)理論,，即ACP框架下的平行因子的“平行預(yù)估”與“自適應(yīng)校正”問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,，提出了基于平行系統(tǒng)的自主運(yùn)行框架，將地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)注入平行系統(tǒng),，通過(guò)平行系統(tǒng)獲取的合理結(jié)果,，上注到衛(wèi)星中，完成最優(yōu)自主定軌,。這中間涉及到平行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)中的平行學(xué)習(xí),，即通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，完善平行系統(tǒng),，并輸出最優(yōu)的平行因子和軌道調(diào)節(jié)參數(shù),。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，包含環(huán)境,、人員,、裝備等諸多要素，作戰(zhàn)雙方均以作戰(zhàn)體系的形式參與戰(zhàn)爭(zhēng),，因此體系對(duì)抗作為軍事訓(xùn)練的的重要方面,，是世界各軍事大國(guó)大力發(fā)展的訓(xùn)練方式。文獻(xiàn)提出了以平行系統(tǒng)理論來(lái)研究體系對(duì)抗仿真的方法，并給出了訓(xùn)練各元素投影進(jìn)入虛擬空間的方法,。在平行系統(tǒng)的ACP架構(gòu)下,，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建立人工系統(tǒng)，并在此技術(shù)上開(kāi)展計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行,，執(zhí)行的結(jié)果可以用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)體系對(duì)抗訓(xùn)練的開(kāi)展,，現(xiàn)實(shí)體系對(duì)抗的演訓(xùn)結(jié)果可以充實(shí)人工系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和模型。4.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與資源調(diào)度邊境管控一直是各國(guó)邊防部隊(duì)的重要任務(wù),，邊境地區(qū)往往環(huán)境,、氣候條件十分惡劣，有些地方士兵巡邏難以到達(dá),。因此,，在傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展的今天，利用傳感器在邊境布置一張監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)成為智能邊境管控的選擇,。但由于環(huán)境和氣候的影響,，已布置的傳感器往往難以更換，因此傳感器能源的管理是影響傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵因素,。為了解決一體化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)管理與資源調(diào)度的需求,，文獻(xiàn)[67]提出了基于平型智能方法的一體化網(wǎng)絡(luò)協(xié)同任務(wù)管理建模，在能量效率資源分配的問(wèn)題中提出任務(wù)調(diào)度的建模方法和計(jì)算實(shí)驗(yàn)開(kāi)展方法,，有效減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力,，并提高了信息傳輸和頻譜效率。海洋環(huán)境資源監(jiān)測(cè),，對(duì)于軍事和民用領(lǐng)域均有舉足輕重的地位,，在軍事領(lǐng)域，海洋水文信息,、海底資源分布狀況,、海底建設(shè)開(kāi)發(fā)情況，都是一國(guó)重要的情報(bào)信息,。因此,，針對(duì)如何有效對(duì)海洋監(jiān)測(cè)資源進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)際上是海洋中的傳感器網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和資源調(diào)配問(wèn)題,，文獻(xiàn)提出了以平行系統(tǒng)的方法來(lái)建設(shè)海洋環(huán)境平行監(jiān)測(cè)體系,，對(duì)海洋監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行優(yōu)化融合，在平行系統(tǒng)的優(yōu)化融合決策過(guò)程中,，引入“體系融合熵”的概念,，定量確定融合后的系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重，確保優(yōu)化融合后的各個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)效能不降低,，并減少運(yùn)行成本,。4.3.4 無(wú)人作戰(zhàn)集群智能輔助決策在無(wú)人作戰(zhàn)中,，無(wú)人機(jī)集群是主要作戰(zhàn)力量，無(wú)人機(jī)集群的智能程度決定了一支集群的作戰(zhàn)能力,。文獻(xiàn)構(gòu)建了無(wú)人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃的平行系統(tǒng),，在人工系統(tǒng)中通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)獲取評(píng)估指標(biāo)最優(yōu)的航跡規(guī)劃方案，再將方案?jìng)鬟f給現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)執(zhí)行,，根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整航跡規(guī)劃算法的參數(shù)和模型參數(shù),，修正人工系統(tǒng)以重新進(jìn)行航跡規(guī)劃和輔助決策，從而達(dá)到平行執(zhí)行的目的,。文獻(xiàn)借助平行系統(tǒng)的思想,，在無(wú)人機(jī)群體智能的生成中，使用無(wú)人機(jī)集群平行系統(tǒng)來(lái)輔助無(wú)人機(jī)進(jìn)行決策,。在這個(gè)思路上,，提出了一種平行無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)架構(gòu)，并指出平行系統(tǒng)方法成立的前提,，應(yīng)該是地空通信延遲與地面計(jì)算能力滿足任務(wù)調(diào)整和航路再規(guī)劃的時(shí)限性要求,，這也為未來(lái)無(wú)人機(jī)集群平行系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。4.3.5 網(wǎng)絡(luò)輿情研究與引導(dǎo)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,，網(wǎng)絡(luò)輿情的重要性不言而喻,，在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍通過(guò)“拯救女兵林奇”的視頻,，在美國(guó)網(wǎng)絡(luò)上一掃戰(zhàn)爭(zhēng)失利的陰云,，網(wǎng)絡(luò)輿情由原本的反戰(zhàn)厭戰(zhàn)變?yōu)橹С置儡姷囊晾藨?zhàn)爭(zhēng)。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也有被稱為“1450”的臺(tái)灣綠營(yíng)網(wǎng)軍存在,，因此,，在未來(lái)可能到來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，把握并引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)輿情的走向是十分重要的無(wú)聲戰(zhàn)場(chǎng)之一,。文獻(xiàn)在ACP方法基礎(chǔ)上,，引入群體行為動(dòng)力學(xué)和社會(huì)運(yùn)動(dòng)組織理論，提出了動(dòng)態(tài)網(wǎng)民群體運(yùn)動(dòng)組織研究方法,。通過(guò)人工社區(qū)建模和計(jì)算實(shí)驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)網(wǎng)民群體運(yùn)動(dòng)的可能方向和結(jié)果,。隨著計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,，智能設(shè)備與人類的生活結(jié)合更加緊密，通過(guò)智能設(shè)備,，人類與物理系統(tǒng)進(jìn)行了更為深入和廣泛地交互,。計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)也進(jìn)入了萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng),，實(shí)物實(shí)體之間可以充分交換信息,，傳感器也更為廣泛地分布在人類社會(huì)中,。信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的深度交互，進(jìn)一步催生了信息物理系統(tǒng)(CPS),。在過(guò)去的60年中,，仿真的重點(diǎn)從系統(tǒng)分析到教育培訓(xùn)，再到數(shù)據(jù)獲取,、系統(tǒng)兼容,，最后到研究和娛樂(lè)。民用領(lǐng)域的逐漸完善意味著仿真技術(shù)在軍用領(lǐng)域也將迎來(lái)巨大發(fā)展機(jī)遇,，虛實(shí)結(jié)合仿真作為仿真技術(shù)研究的重點(diǎn)方向,，也必將取得突破性發(fā)展。5.1 LVC技術(shù)未來(lái)發(fā)展 LVC技術(shù)強(qiáng)調(diào)將現(xiàn)實(shí),、虛擬和構(gòu)造三個(gè)部分的元素集成到一個(gè)環(huán)境中,，實(shí)現(xiàn)虛中有實(shí)，實(shí)中有虛的虛實(shí)融合,。結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景,，LVC未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，如圖7所示,。圖7 LVC的發(fā)展方向Fig. 7 Development direction of LVC (1) 智能算法在計(jì)算機(jī)生成兵力上的應(yīng)用,。目前的計(jì)算機(jī)生成兵力的智能水平仍不能讓人滿意，智能算法在戰(zhàn)術(shù)層和決策層的應(yīng)用場(chǎng)景較少,，且實(shí)戰(zhàn)化程度不高,。未來(lái)的研究方向是使智能算法更符合作戰(zhàn)實(shí)際，打通智能算法在LVC訓(xùn)練系統(tǒng)中的落地流程,。在人機(jī)交互上,，簡(jiǎn)化管理人員修改計(jì)算機(jī)生成兵力戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的交互界面和開(kāi)發(fā)方法，使智能算法簡(jiǎn)單易用,，無(wú)需專業(yè)工程師長(zhǎng)時(shí)間參與,。(2) 信息共享與組件集成。實(shí)際作戰(zhàn)中,，各單位之間需要有信息的傳遞,，包括全流程的命令、情報(bào)等,。與之相應(yīng)的是,，LVC各參與方之間的信息共享是限制LVC規(guī)模的因素之一。目前不同國(guó)家軍隊(duì)之間的聯(lián)合作戰(zhàn)演習(xí)日漸頻繁,，他們采用的訓(xùn)練系統(tǒng)往往不盡相同,，LVC必須采用可擴(kuò)展的組件，為不同的需求提供最大的創(chuàng)新性,。未來(lái)LVC集成的領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越多,，需要解決不同形式的信息和組件如何快速加入到已有LVC系統(tǒng)的問(wèn)題,，使聯(lián)合訓(xùn)練所包含的成員更多、訓(xùn)練科目所包含的領(lǐng)域更廣,。(3) 大量數(shù)據(jù)的高效處理,。未來(lái)隨著LVC涵蓋的領(lǐng)域更加廣泛，需要處理的數(shù)據(jù)量也會(huì)隨之增大,，特別是對(duì)于分布式的LVC系統(tǒng),，龐大的數(shù)據(jù)將會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致時(shí)空一致性的錯(cuò)亂，引發(fā)邏輯錯(cuò)誤,。未來(lái)在大規(guī)模分布式仿真中,，需要使用更為高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理方式來(lái)代替集中式的數(shù)據(jù)處理， 包括邊緣計(jì)算,、云計(jì)算等,，完善LVC中的多分辨率建模技術(shù)，以減少工作量和網(wǎng)絡(luò)流量,。在LVC中,，大量的實(shí)體既是整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載，但同樣也是系統(tǒng)中的資源,。邊緣計(jì)算是一種新興的網(wǎng)絡(luò)輔助計(jì)算模型,，通過(guò)將計(jì)算(和存儲(chǔ))資源放置在靠近移動(dòng)或傳感器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邊緣(例如WiFi接入點(diǎn)、蜂窩基站)來(lái)優(yōu)化云計(jì)算,。利用LVC中的實(shí)物實(shí)體布置邊緣計(jì)算和云計(jì)算,，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)各個(gè)組件的延遲，將對(duì)LVC的時(shí)空一致性有重要意義,。5.2 數(shù)字孿生未來(lái)發(fā)展 數(shù)字孿生希望在虛擬空間建立一個(gè)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)完全一致的數(shù)字雙胞胎,，通過(guò)對(duì)數(shù)字對(duì)象的研究實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)或?qū)ΜF(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行控制。目前數(shù)字孿生已逐漸從理論研究走向工程實(shí)踐,，未來(lái)發(fā)展文獻(xiàn)如圖8所示,。圖8 數(shù)字孿生的發(fā)展方向Fig. 8 Development direction of digital twin (1) 規(guī)范數(shù)字孿生模型與開(kāi)發(fā)流程。目前數(shù)字孿生的模型主要有三維模型和五維模型兩種,，相比于三維模型,，五維模型的內(nèi)容更加豐富，分類更為清晰,，是未來(lái)主要采用的模型,。五維模型以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)其他四維的建設(shè)與發(fā)展,，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在五維模型中占據(jù)了核心位置。因此,，使動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可靠,、模型更精確,、服務(wù)結(jié)果可信度更高是數(shù)字孿生開(kāi)發(fā)的要求。未來(lái)應(yīng)提升數(shù)字孿生模型的完備程度,，目前數(shù)字孿生模型的學(xué)習(xí)能力尚未被歸納到五維模型的任何一個(gè)維度中,。數(shù)字孿生也沒(méi)有一個(gè)成熟的開(kāi)發(fā)流程，即在搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)時(shí),，模型各個(gè)維度的協(xié)同開(kāi)發(fā)方法及其聯(lián)系的實(shí)現(xiàn)方式,。(2) 增強(qiáng)數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的安全性。三軍之事,，莫重于秘,，對(duì)于軍事應(yīng)用來(lái)說(shuō)，安全保密是裝備最基本的要求,，對(duì)于商業(yè)公司也是一樣,，每家公司都有其不能泄露的商業(yè)秘密。目前數(shù)字孿生的安全性主要從CPS的安全性延伸而來(lái),，與自身特點(diǎn)仍有一些出入,，需要根據(jù)數(shù)字孿生自身的特點(diǎn)來(lái)完善安全性法規(guī)。數(shù)字孿生的安全性要求主要體現(xiàn)在如何防止數(shù)字孿生體被盜用或篡改,，如何在孿生體被竊取時(shí),，將實(shí)物實(shí)體受到的損失降到最低，以及大規(guī)模數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的防護(hù)問(wèn)題,。區(qū)塊鏈技術(shù)是去中心化的,，具有很強(qiáng)安全性的技術(shù)，如何將區(qū)塊鏈技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合起來(lái),，完善數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的安全性將是未來(lái)的重要研究方向,。(3) 提高數(shù)字孿生的學(xué)習(xí)能力。人工智能技術(shù)為機(jī)器人賦予智能,，賦予學(xué)習(xí)能力,，在智能賦能下，機(jī)器人在軍事,、家居,、助老、醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)揮的作用越來(lái)越大,。為數(shù)字孿生賦予智能,，不僅是擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的要求，也是以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生應(yīng)有之義,。如何自主地清洗數(shù)據(jù),、準(zhǔn)確地分析數(shù)據(jù)、高效地應(yīng)用數(shù)據(jù),，是增強(qiáng)數(shù)據(jù)這個(gè)原動(dòng)力所需要解決的問(wèn)題,。目前基于隨機(jī)有限集,、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法的數(shù)字孿生已有一定的發(fā)展,，未來(lái)需要沿著這個(gè)發(fā)展方向進(jìn)一步提升智能算法和數(shù)字孿生的融合程度,。5.3 平行系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展 平行系統(tǒng)在CPS的基礎(chǔ)上，將社會(huì)信息也加入其中,，形成了社會(huì)信息物理系統(tǒng)(cyber-physical-social systems, CPSS),，其研究仍然處于初級(jí)階段，在平行感知,、平行學(xué)習(xí),、平行控制、平行區(qū)塊鏈和平行測(cè)試領(lǐng)域仍然需要更深入的研究,。平行系統(tǒng)的發(fā)展方向如圖9所示,。圖9 平行系統(tǒng)的發(fā)展方向Fig. 9 Development direction of parallel system (1) 平行系統(tǒng)的統(tǒng)一的建模方法。平行系統(tǒng)與數(shù)字孿生都處于技術(shù)發(fā)展的早期,，模型,、方法、規(guī)范都不夠明晰,，但模型是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提工作,。因此，完善平行系統(tǒng)的建模方法是未來(lái)必須要進(jìn)行的工作,。目前采用語(yǔ)義系統(tǒng)描述的平行系統(tǒng)模型,，存在模型粗糙，難以直接使用的問(wèn)題,，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要對(duì)模型進(jìn)行大量地完善,，可重用性不好。未來(lái)需要發(fā)掘面向不同場(chǎng)景的平行系統(tǒng)建模中的相同點(diǎn),，以提高平行系統(tǒng)模型的可重用性,。(2) 面向平行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘方法。平行系統(tǒng)通過(guò)已有的,，準(zhǔn)確的“小數(shù)據(jù)”來(lái)搭建系統(tǒng),，并產(chǎn)生用于預(yù)測(cè)和決策的“大數(shù)據(jù)”。這種方式對(duì)作為“本源”的小數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求很高,。當(dāng)源數(shù)據(jù)失之毫厘時(shí),，產(chǎn)生出來(lái)的結(jié)果可能差之千里?；诟鼉?yōu)秀的硬件和更智能的算法的平行感知技術(shù),，是為平行系統(tǒng)篩選數(shù)據(jù)的重要技術(shù)領(lǐng)域。由此，制造性能更為優(yōu)越的硬件與完善硬件組成的網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)平行感知發(fā)展的方向之一,，其中就涉及到了嵌入式技術(shù),、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等,。先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘算法，則是使這些數(shù)據(jù)得到充分運(yùn)用的保障,?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘方法可以有效提取低價(jià)值密度數(shù)據(jù)中的有用信息,，但也存在無(wú)法綜合考慮系統(tǒng)狀態(tài)和信息的缺陷,。基于一些特殊問(wèn)題,，比如交通信息提取,，較為廣泛地采用基于自然語(yǔ)言處理文本數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行。因此,，改良機(jī)器學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法,，使之更適合平行感知，以及為不同領(lǐng)域設(shè)計(jì)更貼合的數(shù)據(jù)挖掘方法,，是未來(lái)的發(fā)展方向,。(3) 系統(tǒng)間的接口設(shè)計(jì)。LVC需要將真實(shí),、虛擬和構(gòu)造系統(tǒng)融合到一個(gè)系統(tǒng)中,，而平行系統(tǒng)則需要將感知、學(xué)習(xí),、服務(wù)融合到一個(gè)系統(tǒng)中,，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口該如何規(guī)范化設(shè)計(jì)、面向不同應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),、針對(duì)平行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)通信協(xié)議是未來(lái)在平行系統(tǒng)互聯(lián)互通方面需要努力的技術(shù)領(lǐng)域,。本文首先總結(jié)了近年來(lái)虛實(shí)結(jié)合相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況以及在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，分別闡述了LVC,、數(shù)字孿生,、平行系統(tǒng)的概念、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用方式,。通過(guò)對(duì)比,，探討了虛實(shí)結(jié)合三種主要技術(shù)的各自特點(diǎn)和聯(lián)系。虛實(shí)結(jié)合技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)充分發(fā)展后的產(chǎn)物,，也必將隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展而更加完善,。軍事領(lǐng)域作為人類斗爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域，是所有新技術(shù)的最佳試驗(yàn)田，在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái),，虛實(shí)結(jié)合技術(shù)也必將在軍事領(lǐng)域扎根生長(zhǎng),。虛擬系統(tǒng)從LVC中對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的補(bǔ)充，到數(shù)字孿生中作為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在虛擬空間中的存在,，再發(fā)展到平行系統(tǒng)中與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平行存在,，互相指導(dǎo)的關(guān)系，從LVC到數(shù)字孿生再到平行系統(tǒng),，系統(tǒng)的復(fù)雜度呈明顯的上升趨勢(shì),。相比于較為成熟的LVC技術(shù)，數(shù)字孿生與平行系統(tǒng)仍然處于發(fā)展的初級(jí)階段,，目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)并大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)并不多,，很多方面的應(yīng)用仍然處于構(gòu)想層面。相比于LVC和數(shù)字孿生,，平行系統(tǒng)更加適合未來(lái)人類社會(huì)的發(fā)展,，也更適合在軍事領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法創(chuàng)新、武器裝備建設(shè),、作戰(zhàn)模式探討等,。平行系統(tǒng)是一個(gè)充滿可能性的復(fù)雜系統(tǒng)，它不僅包含系統(tǒng)中的各個(gè)元素,，也包含元素之間的相互關(guān)系,，更能在動(dòng)態(tài)演變中不斷完善這些相互關(guān)系，并涌現(xiàn)出新的知識(shí),，必將成為未來(lái)人類社會(huì)和軍事體系評(píng)估預(yù)測(cè)的發(fā)展方向,。
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