盛碧琦、孫盛智、劉玉、劉鑫宇

（武警海警學院，寧波 315801）

1.摘要及關鍵詞

摘要：針對當前模擬訓練系統真實程度不高等問題，面向軍事訓練實戰化需求，利用數字孿生相關技術，探索構建軍事模擬訓練系統應用的總體框架與系統建設思路，創新設計了一套包括綜合支撐服務平臺、戰場環境建模與孿生、武器裝備建模與孿生、想定能力支撐、指控能力支撐、導調評估支撐、數字孿生聯合訓練共七部分組成的數字孿生模擬訓練系統，并針對指揮流程訓練、軍事科目訓練、體系聯合訓練、戰法訓法驗證等應用模式展開探討。

關鍵詞：數字孿生；模擬訓練；軍事訓練；仿真建模；聯合訓練；系統設計；軍事應用

2.引言

軍事訓練作為戰斗力生成和提高的基本途徑，為軍事斗爭準備提供最直接手段，并成為提高履行使命任務能力的重要保障。未來戰爭信息化、智能化以及無人化的發展，向軍事訓練提出更高的要求。在此要求下，全軍進一步掀起實戰化訓練的熱潮，模擬訓練也成為當前各國軍隊提升實戰化能力的一種重要訓練方式。物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術和人工智能技術的快速發展為各行業發展帶來了新的機遇，數字孿生、平行仿真、元宇宙等新概念也為軍事訓練提供了更多的選擇，并在國內外工業界和學術界得到廣泛關注。

與傳統圖上推演、實兵實裝演習等訓練方式方法相比，模擬訓練通過模擬實戰對抗、實景戰場、體系兵力等綜合要素，具備效費比高、安全性好、易于組織實施等優點，并且更契合部隊向信息化、智能化升級轉型的趨勢。未來戰爭的發展方向愈發趨向于聯合作戰與體系作戰，而構建滿足未來作戰需求的模擬訓練系統已成為世界各國的研究熱點。

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

當前模擬訓練系統存在綜合性、體系性不強，訓練真實程度不高，資源消耗較大等問題。為提高模擬訓練過程中的真實性，減少實裝訓練所帶來的裝備損耗問題，本文利用數字孿生技術理念，開展模擬訓練系統設計，實現訓練要素在虛擬空間中的近乎真實呈現，推動實裝訓練與模擬訓練優點的充分結合，在獨立訓練、聯合訓練、戰法驗證等多模式訓練中，擺脫地理時空、兵力規模、藍軍生成等約束條件與限制，為提高受訓人員能力水平，發揮模擬訓練效能提供有力支撐。

3.數字孿生技術應用于模擬訓練的必要性

模擬訓練系統主要利用計算機相關先進技術，基于現代仿真理論和技術，開展計算機仿真系統建設，從而實現武器裝備操作使用訓練、軍事作戰演習及戰法研究等。系統主要包括載體操縱型訓練系統、過程控制性訓練系統以及博弈決策性訓練系統三大類，分別針對駕駛裝備訓練、裝備使用過程訓練、指揮訓練展開模擬訓練系統建設。

美國作為世界上最早開展模擬訓練技術研究和應用的國家，其圍繞機構設置、管理體制、系統建設等多方面建立了較為完善的體系，實現對其模擬訓練工作的加強。美軍模擬訓練系統的最大特點主要體現在統一頂層規劃與體制、模擬訓練裝備體系化發展、注重虛擬現實等新技術應用等方面。與此同時，俄羅斯作為世界模擬訓練“大國”和“強國”，掌握約占世界半數模擬訓練設備，并在其先進武器裝備中幾乎均配備相應的模擬訓練系統，例如C-300系列地空導彈系統所配備的“音色-M”通用模擬訓練系統等［5］。英、法、德等西歐國家將發展模擬訓練系統作為參加軍備競賽重要方面，致使模擬訓練技術及應用也處于世界前列，并形成了一系列相關產品。

數字孿生技術方面，國外率先在國防軍工領域開展相關應用研究。NASA和美國空軍于2012年開展相關合作，并共同提出未來飛行器的數字孿生范例；美國海軍于2019年構建宙斯盾系統的數字孿生，實現了美國海軍武器系統形態以及升級模式的重大變革，成為數字孿生技術應用于復雜系統的里程碑事件。美國國防部在《數字工程戰略》中指出，旨在建立數字工程生態系統，將國防部以文檔為中心的裝備采辦流程或決策活動轉變為以數字模型為中心，而其中“數字孿生”被認為是推動工程實踐轉型的重點創新技術之一。

對模擬訓練系統而言，數字孿生的技術內涵是充分利用戰場傳感器，基于大數據、虛擬現實（VR）、人工智能等先進技術，對訓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，從而推動模擬訓練系統的實時化、真實化構建，實現系統復雜行為的鏡像化描述。

在研制應用過程中，通過構建數字孿生模擬訓練系統，能夠實時掌握系統運行狀態，利用對各型裝備的真實狀態反饋，提高模擬訓練過程中的實時效能。數字孿生的相關應用概念示意圖如圖1所示。

▲ 圖1 數字孿生應用概念

與傳統模擬訓練系統相比，數字孿生模擬訓練系統重點解決以下問題：

（1）精細度和真實性不足：數字孿生技術可以創建高度逼真的虛擬環境，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練效果，使受訓人員能夠更好地適應真實戰場環境。

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

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

（4）個性化與定制化欠缺：數字孿生技術使得模擬訓練系統可以更加個性化和可定制化，可以根據訓練者的需求和水平進行調整和優化，提供更加貼合個人實際作戰需求的培訓內容。

因此，數字孿生模擬訓練系統構建的必要性主要體現在以下方面：

（1）通過數字孿生模擬訓練系統建設，能夠適應多層次、多類型、多軍兵種的訓練需求。針對模擬訓練中涉及到的需求多樣性，數字孿生依托其虛擬化特點，主要通過模型演化的方式實現訓練過程的真實化映射，能夠針對復雜多樣的訓練需求，以低消耗成本來完成訓練方式與模式的迅速調整。此外，針對軍事訓練的實戰化要求，數字孿生系統的強近似性與高逼真性能夠實現有效支持，并在實體模型基礎上，對環境、過程、訓練、評估、保障等進行綜合建模，實現模擬訓練系統實戰化要求的充分滿足。

（2）數字孿生能夠滿足模擬訓練系統的智能化需求。一個完整的模擬訓練系統，需要充分結合模型、數據、算法等要素，共同構建訓練支撐環境。而數字孿生強調成長，重視模型與系統的綜合作用，作為新一代信息技術與人工智能技術背景下發展的建模手段，能夠對模型的不斷演進起到支持作用。

（3）模擬訓練系統的建設需要圍繞模型組織與模型管理進行綜合統籌。數字孿生強調模型集合的統一源頭和有限主線，能夠針對模擬訓練系統中涉及的多樣化物理實體與真實系統構建映射關系，形成虛實融合的建模仿真綜合應用新模式。

（4）數字孿生模擬訓練系統建設有助于實現系統的精準映射與體系能力智能優化。數字孿生的本質為物理域與信息域的精準映射，通過在虛擬域中對物理實體的狀態監控與能力模擬，助數據驅動模型進一步開發與優化仿真分析算法。此外，數字孿生通過裝備實驗與人在回路的模擬對抗性訓練，實現了裝備體系的持續運行與能力精準評估，從而推動體系能力的迭代優化。

4.數字孿生模擬訓練系統設計

數字孿生模擬訓練系統從系統概述、系統特點、系統功能組成、系統架構設計、關鍵技術分析等方面開展了探索性設計，為后續相關系統的開發與組織應用提供設計思路與參考依據。

4.1 系統概述

數字孿生模擬訓練系統主要針對軍事模擬訓練需要，通過數字孿生平臺，依托環境、兵力等孿生模型數據，實現裝備實體與孿生模型的虛實映射，通過有線/無線的網絡連接方式，系統能夠支持從專業級技術科目訓練到體系化聯合對抗訓練的多層次訓練需求，系統概念圖如圖2所示。

▲ 圖2 數字孿生模擬訓練系統概念

4.2 系統概述

傳統模擬訓練系統主要包括“導、控、裁、評、管”五大部分內容，綜合實現對指揮模擬訓練過程的模擬與能力訓練。本系統在此基礎上，以綜合支撐服務平臺為基座，創新打造戰場環境、武器裝備等孿生建模系統，實現模擬訓練場景與對象的充分模擬，此外，系統利用數字孿生聯合訓練分系統，引接實裝數據，實現真實數據與虛擬場景的充分映射，從而使得模擬訓練更加貼近實戰化，為提高軍事訓練效益提供充分支撐。

4.3功能與組成

數字孿生模擬訓練系統主要包括綜合支撐服務平臺、戰場環境建模與孿生分系統、武器裝備建模與孿生分系統、想定能力支撐分系統、指控能力支撐分系統、導調評估支撐分系統、數字孿生聯合訓練分系統共七部分，如圖3所示。

▲ 圖3 數字孿生模擬訓練系統組成

（1）綜合支撐服務平臺。

維權執法綜合支撐服務平臺是一個全方位、多元化的軟件服務架構，旨在提供一系列完善的支撐服務，包括基礎支撐、信息支持、模擬仿真與數字孿生等服務。該平臺的目標是提高工作效率、簡化操作流程，同時提供高質量的孿生平臺與環境。

（2）戰場環境建模與孿生分系統。

根據訓練需求和對抗場景的需要，提供虛擬戰場的戰場環境建模與孿生能力，包括目標環境（目標數量、目標特性、目標任務等）、自然環境、地理環境、電磁環境、精細化場景等。

（3）武器裝備建模與孿生分系統。

武器裝備建模與孿生分系統支持基于戰場環境和一定的交戰規則，生成兵力和裝備，模擬戰斗武器裝備能力的變化和發展，主要包括兵力孿生、裝備孿生、交戰規則孿生等內容。

（4）想定能力支撐分系統。

想定能力支撐分系統包括想定編輯、想定管理、想定識別和規則引擎等子系統，用于支撐用戶對想定案例進行統一組織和管理。

（5）指控能力支撐分系統。

指控能力支撐分系統是用于支持指揮與控制體系化訓練能力，提供指揮體系構建、指揮決策、偵察情報、態勢綜合、指揮保障、后裝保障、政治工作等指控綜合能力支撐。

（6）導調評估支撐分系統。

導調評估支撐分系統根據特定的訓練目標和要求，通過導調控制、進程控制、交戰裁決和復盤評估等環節來對整體訓練過程進行導調與評估。

（7）數字孿生聯合訓練分系統。

數字孿生聯合訓練分系統主要結合實裝孿生數據，基于任務籌劃、紅藍對抗等功能，開展多角色、多崗位協同編組訓練，對模擬訓練內容進行多類有機融合，使得模擬訓練更加貼近實戰化軍事訓練需求。根據聯合訓練過程的順序，可分為實裝接入、訓練準備、訓練實施和訓練評估等階段。

4.4　系統架構設計

數字孿生模擬訓練系統采用“平臺 插件”軟件結構，實現系統資源、數據、功能、應用等各方面按需裁切與靈活擴展，主要分為設施層、數據層、平臺層、功能層和應用層五部分，系統架構圖如圖4所示。

▲ 圖4 數字孿生模擬訓練系統架構設計

（1）設施層。

包括計算機及網絡系統、顯示系統、傳輸控制及中控系統、音頻系統、監控系統及會議系統、控制臺及配套設施、VR設備、數字孿生系統硬件等支撐數字孿生模擬訓練系統運行的相關設備設施等，在不同的需求下，根據現實情況進行設備配置。

（2）數據層。

數據層主要包括提供支撐系統運行的標準規范數據、業務知識數據、訓練管理數據、孿生裝備數據、孿生兵力數據、戰場環境數據、交戰規則數據等，通過結構化、半結構化、非結構化數據庫等形式進行統一存儲與管理。

（3）平臺層。

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

（4）功能層。

功能層主要包括戰場環境建模與孿生分系統、武器裝備建模與孿生分系統、想定能力支撐分系統、指控能力支撐分系統、導調評估支撐分系統、數字孿生聯合訓練分系統等系統功能，主要基于模擬訓練總體需求，考慮實際應用需要，建立具有針對性的功能合集。

（5）應用層。

應用層主要包括指揮訓練、科目訓練、聯合訓練、戰法驗證訓練等應用模式。

4.5　系統關鍵技術分析

（1）多線程并行離散仿真引擎驅動技術。數字孿生模擬訓練系統作為大型復雜系統，涉及戰場要素繁多，層級嵌套復雜，分布范圍廣，其內部模型、資源、數據、業務邏輯等均十分復雜。為保障實戰化訓練需求，滿足多用戶、多目標同時開展軍事訓練，本文通過設計高性能、穩定可靠的仿真運行策略，采用多線程并行離散仿真引擎驅動技術，實現系統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：針對大規模、長時間的軍事訓練需求，系統采用多中央處理器（CPU）多核架構，利用多線程并行計算技術與線程安全的模型構建技術，保障CPU計算資源的充分有效使用，實現計算機訓練所需開銷的最大限度降低，極大幅度提高后臺運行效率。

多源數據時空一致性處理機制：由于交戰雙方裝備類型多、規模大，涉及的數據采集項繁雜，系統基于統一時序標準，增設時空管理模塊，保障多源數據交匯融合的時空一致性需求，實現實裝采集數據的實時傳送和使用。

智能數據推送機制：為減輕分布式仿真對網絡帶寬的壓力，系統通過數據中繼服務、組播技術及遠程對象同步機制，實現系統之間的數據智能推送。

高效分布數據傳輸機制：為最小化數據傳輸對分布式網絡帶來的壓力，系統通過符號注冊機制以及數據壓縮技術，極大程度提升數字孿生模擬訓練系統的數據傳輸效率。

（2）孿生仿真模型快速開發與應用技術。數字孿生模擬訓練系統涉及模型種類、數量眾多，且會根據訓練需求動態調整和擴展，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“高內聚、松耦合、組件化和參數化”的建模思路，在統一的業務接口下，參照離散事件系統規范（DEVS）中的原子模型和耦合模型范式，開發組件模型，在訓練期可以通過靈活組配的方式快速生成實體模型，以適應模型的多樣化快速調整需求。

組件化孿生建模技術：仿真模型種類繁多，為實現模型的可重用與可組合，系統依據戰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建，并依托模型的通用及專用組件，實現裝備實體組裝，在推演過程中，基于統一的想定，開展仿真運行。

規則框架擴展技術：戰場空間環境要素多，變化復雜，為適應其特點，系統針對規則模型，通過規則參數配置以及參數化模型建立，實現規則拆分，在遵循一致的規則模型構建的標準與約束下，利用行為樹建模技術，實現規則邏輯的靈活配置，實現規則框架的擴展與編輯。

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

高精度模型構建技術：針對地形、建筑、場景、人員、裝備、工具等模型與場景構建需求，系統提供高精度三維模型與孿生場景的快速構建，采用網絡模型、點云模型等方式，針對模型幾何細節與紋理質量，完成高精度模型的表示與存儲，為受訓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：系統利用模塊化與可重用性的設計思想，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、著色器優化、陰影處理等渲染算法優化，實現真實光照效果與材質表現的綜合模擬。

（4）基于數字孿生的真實場景顯示優化技術。一個典型的數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，甚至會因為幀率不足造成系統卡頓。在基于真實場景的態勢顯示中，數據流驅動的目標經常需要位置發生變化，從而引起更新遍歷發生，當目標數量急劇增多時，這一過程的性能瓶頸往往造成整個態勢顯示性能低下。

本文面向真實地理環境與氣象水文環境等數字孿生場景的構建需求，為了滿足不同訓練場景中各級用戶掌握敵我雙方兵力布設、來襲目標、敵情威脅等戰場態勢，輔助決策的精細化保障需求，通過建立專項數據實時處理和層級歸檔技術體系，研究海量專項數據顯示優化技術，開展專項數據的引接、顯示、分析方面的技術創新，實現數據顯示應用的極大優化。通過該技術實現，能夠提高二三維態勢顯示的效率，提高同屏顯示目標數量和刷新流暢度，提升推演環境及場景的真實感和表現力，同時滿足實時顯示、歷史回放、統計分析等對態勢數據顆粒度的不同需求，增強不同視圖下的專項數據應用模式和可視化表現，可為實現符合各類用戶的數字孿生場景數據精細化保障提供技術支撐。

5.數字孿生模擬訓練系統應用模式

利用數字孿生模擬訓練系統開展軍事訓練，能夠極大程度提高模擬訓練的真實化程度，貼近實戰化訓練要求，且相比于實裝訓練而言，裝備耗損更低，訓練組織實施更加高效便捷。數字孿生模擬訓練系統能夠支撐指揮流程訓練、軍事科目訓練、體系聯合訓練、戰法訓法驗證等多種應用模式。

（1）指揮流程訓練。利用數字孿生模擬訓練系統，能夠實現多層次、多軍兵種、多型號裝備模型孿生構建，并依托綜合孿生環境，開展沉浸式想定、作戰籌劃、導調控制、推演評估等指揮訓練驗證，并能夠與實裝數據結合，根據實際作戰進程開展實裝預演，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，實現綜合指揮訓練，提高指揮對抗訓練效率及實戰化水平。

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

（3）體系聯合訓練。數字孿生模擬訓練系統能夠通過裝備實體與孿生裝備結合的方式，構建體系化聯合訓練場景，依托虛擬兵力與構造兵力，結合實裝兵力，開展LVC訓練環境構建，支撐虛實結合、遠程異地LVC訓練。依托數字孿生技術，極大提升體系化聯合訓練的訓練效果，使之貼近實裝訓練，且有效降低損耗。

（4）戰法訓法驗證。利用數字孿生模擬訓練系統，能夠有效保障并構建基于實裝的戰法驗證環境，通過虛擬實驗、仿真檢驗，充分驗證戰法設計的可行性、作戰行動的有效性；并結合演訓活動開展技術性能檢測，通過對武器裝備和信息系統的聚能與釋能實際情況分析，充分檢驗技術應用的功效和缺陷所在。

6.啟示分析

數字孿生作為將現實環境、裝備、兵力等作戰要素進行虛擬化映射的技術手段，其在軍事模擬訓練系統的應用，將會推動系統朝著更加貼近實裝訓練需求方向不斷發展，持續不斷發揮相關作用及效益：

（1）進一步推動現實系統能力建設。

數字孿生模擬訓練系統旨在構建一個虛擬空間，與現實系統完全一致的孿生模擬訓練系統，通過對“虛擬”系統的研究，實現對現實系統的精準預測與控制，從而提升模擬訓練系統能力建設的智能化水平。

（2）進一步開拓軍事訓練技術創新。

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

（3）進一步提高實戰教學訓練水平。

數字孿生模擬訓練系統充分發揮指揮流程訓練、軍事科目訓練、體系聯合訓練、戰法訓法驗證的集成效用，實現整體訓練保障條件改善，為組織全流程、全要素、近實戰的軍事模擬訓練提供支撐，將有效彌補和改善軍事人才培養中指揮籌劃、作戰推演、分析評估等方面的不足，大幅提升實戰化模訓教學水平，為提升學員軍事專業能力提供有力支撐。

（4）進一步提升軍事人才培養質量。

系統利用大數據、數字孿生、模擬仿真等先進技術，支撐模擬訓練教學人才培訓任務，保障各級、各類人員開展模擬訓練，支撐相關課程實踐教學和演訓演練任務，對于健全完善與實際作戰水平生成模式相適應的教學訓練模式、確定優化模擬訓練教學人才培養內容體系結構、創新適應各層次學員培養模式、發展精細化教育訓練管理考核手段具有重要意義。

7.結束語

以數字孿生為技術支撐的模擬訓練系統，能夠為受訓者提供一個完整、逼真且貼近實戰的訓練環境和平臺，能夠有效提升軍事訓練的智能化水平與綜合訓練效率。本文探索構建基于數字孿生的軍事模擬訓練系統應用的總體框架與系統建設思路，并針對其應用模式展開討論，為后續相關系統的開發與組織應用提供了參考依據。

本文來源：《戰術導彈技術》2024年第4期

DOI：10.16358/j.issn.1009-1300.20240011

【推薦閱讀】盛碧琦,孫盛智,劉玉,等.數字孿生技術在模擬訓練系統中的應用研究[J].戰術導彈技術,2024(4):152-160.