联合侦察监视体系数字孪生需求与构建

引用格式：楚威，李达维，吴青松，等 . 联合侦察监视体系数字孪生需求与构建［J］. 指挥信息系统与技术，2024，15（3）：66-71.

数字孪生可构建虚拟世界对物理世界描述、研究、评估和预测的新机制，具有广阔的军事应用前景。首先，以支撑联合侦察监视体系的设计、建设、运用和评估为目标，分析了该体系数字孪生面临的典型试验研究任务和任务特点，提出了数字孪生的能力需求和典型应用模式；然后，研究了面向联合侦察监视体系建、用、研的数字孪生构建总体思路和方法，设计了该体系数字孪生的架构；最后，建立了数字孪生的模型谱系。该项研究可为联合侦察监视体系数字化应用研究提供构建方法和技术指导。

1.1  数字孪生任务特点分析

构建联合侦察监视体系数字孪生的目的是：针对联合侦察监视体系建设和运用中存在诸多现实问题，基于数字化手段构建真实物理战场的虚拟平行空间，在该平行空间中综合利用建模仿真、数据驱动和人机交互等技术，逼真地再现联合侦察监视体系的全生命周期活动，为研究联合侦察监视体系如何建设、设计、运用和评估等提供科学分析手段。

联合侦察监视体系数字孪生的用途定位如图1所示。具体如下：1) 支撑装备作战应用部门开展体系对抗仿真条件下联合侦察监视体系的组织运用研究、战法效果分析和作战方案推演等；2) 支撑装备建设管理部门开展联合侦察监视体系设计、规划拟制、装备论证和立项综合评估等；3) 支撑装备集成研制部门开展联合侦察监视体系的装备设计、协同研制、体系集成和试验验证等。

基于构建目的和用途定位，联合侦察监视体系数字孪生主要承担体系结构分析论证、节点配系部署分析、装备指标验证分析和体系组织运用研究4类典型任务。表1从任务需求、孪生运行模式、模型粒度、时效性和评估能力方面归纳了这4类典型任务对数字孪生的能力需求。

分析上述4类典型任务，联合侦察监视体系数字孪生具备以下能力特点：

1) 解空间的海量性：联合侦察监视体系试验涉及多种变化的因素，包括体系的组成、结果、数量、性能参数和交互关系等，每类可变化的因素均构成一个维度的解集，因此试验解空间呈现海量特性，体系试验就是在这海量的解空间中寻找到较优的分析结果。

2) 试验方案多样性：联合侦察监视体系的分析评估需建立在多次试验基础上，同时体系试验需要在海量解空间基础上进行搜索式或多试验方案迭代推演，通过对海量输出结果进行统计分析才能形成可信度较高的体系试验结果。

3) 孪生运行超实时性：由于联合侦察监视体系数字化试验需对多个关键因素进行大量探索性分析与评估，需开展大量试验，关注重点是试验结果，而非试验过程，因此需具备超实时运行能力，在尽可能短时间内完成体系试验与评估分析。

4) 层次化模型体系：为满足不同场景下联合侦察监视体系孪生试验任务，数字孪生模型的层次应包含交战级、任务级和战役级等多个不同层次，而为了提高模型的逼真度和运行效率，低分辨率模型的建模依据和数据应来自高分辨率模型通过大量计算形成的拟合曲线和统计性能。

5) 数字孪生的快速演化：传统仿真系统大多是面向特定任务构建的，与研究任务密切关联、相对固化，难以满足试验环境快速灵活变化的要求。联合侦察监视体系孪生试验呈现出需求多、场景大、环境多变和动态演变等特点，孪生试验环境应能快速构建和响应。

6) 虚实空间双向闭环控制：针对在线作战辅助决策支持的应用场景，数字孪生需实时接收联合侦察监视体系的感知态势、装备状态和作战方案/计划等信息，进行一系列的建模、推演、分析和评估；另外，数字孪生预测的战场态势与推演结果等数据，需尽可能快地反馈至实际系统，影响或改变真实系统的行为。

1.2.1  运行交互机理

虚拟空间的数字孪生体与物理空间的联合侦察监视体系呈平行运行状态。数字孪生体能够接收联合侦察监视体系输出的状态信息、战场态势、情报方案和作战计划等，通过基于模型的信息处理、能力计算、结构优化和分析评估后，向联合侦察监视体系反馈运行结果，为体系设计、能力评估和作战方案等的分析和优化提供量化数据支撑。数字孪生应用交互机理如图2所示。

图2  数字孪生应用交互机理

1.2.2 典型运行流程

联合侦察监视体系数字孪生支撑开展4类典型任务的典型运行流程如图3所示。共分为9个步骤。1) 模型设计与装配：按照试验场景需要快速构建孪生模型；2) 想定规划与编辑：生成典型试验场景下的试验想定文件；3) 试验导调控制：选择本次试验想定并进行统一调控，为整个试验运转提供剧情数据支撑；4) 模型运行与交互：通过剧情数据的推动，实现模型间的交互与运行；5) 综合态势显示与导调：实现对红蓝实体状态的实时展现和干预；6) 试验数据采集：为事后分析评估提供数据支撑；7) 试验数据预处理：试验结束后，导入试验数据，并对数据进行预处理加工；8) 评估方案设计：评估模型设计建模，并完成评估模型的可视化编辑和效能计算；9) 评估结果显示：实现评估结果的多维度可视化展示和对比分析。

图3  数字孪生典型运行流程

2.1  数字孪生构建方法

以支撑开展联合侦察监视体系结构分析论证、节点配系部署分析、装备指标验证分析和体系组织运用研究等任务为目标，构建联合侦察监视体系数字孪生。数字孪生构建方法示意图如图4所示。

在顶层设计方面，联合侦察监视体系数字孪生的构建以模型为基础、数据为驱动，综合运用虚拟化、体系仿真、LVC（实物-虚拟-构造）和参数化建模等技术方法，强调数字孪生的实时性、开放性和交互性，既支持离线仿真运行，也支持在线交互运行。

在孪生组成方面，主要由基础设施环境、侦察监视手段、联合情报指挥控制（指控）、典型蓝军孪生环境和孪生运行支撑环境等组成。在孪生运行支撑环境的连接下，实现孪生系统各模块的一体化集成和互操作。

在孪生模型方面，采用虚实结合的方法。对于基础设施环境，采用虚拟化方法构建计算与存储资源，采用半实物方式搭建通信网络环境；对于传感器（平台），提取传感器主要能力参数，采用功能级仿真方法对侦探测行为和能力进行建模；针对武器平台，建立其能力模型，可接收目标指示（目指）信息以及引导打击模拟指令；对于联合情报指控，集成实装系统的核心算法，实现对情报侦察节点的管理调度。

在虚实赋能方面，利用通信保障网络在线引接传感器实侦数据，在进行协议转换后，完成传感器实侦数据在数字孪生环境中的实时分发；孪生计算输出的结果会实时分发，驱动实际情报侦察体系全要素的一体化运行。

在数据共享方面，将可共享的数据分为实侦数据、孪生数据、评估数据和装备数据等，定义数据描述规范，构建支持在线和离线运用的数据共享服务，实现联合侦察监视体系与数字孪生环境间的数据转换和分发利用。

2.2  数字孪生架构设计

根据功能层次不同，建立联合侦察监视体系数字孪生架构，分为资源层、服务层、应用层和能力生成层共4层。数字孪生架构如图5所示。

图5  数字孪生架构

数字孪生资源层包括通信网络、操作系统、计算存储、安全保密、时空基准、数据资源以及共用模型资源等，为系统互连互通、资源管理与调控等提供基础支撑。服务层包括共性服务和专用服务。共性服务是数字孪生的基础，包括传输服务、显示服务、服务支撑、数据支撑和智能处理等；专用服务层紧贴联合侦察监视体系孪生需求，包括孪生运行服务、模型管理服务和仿真支撑服务。应用层主要是利用资源层和服务层提供的服务能力，构建各类传感器模拟器、武器平台模拟器、红军模拟系统和蓝军模拟系统等。能力生成层面向联合侦察监视体系数字孪生4类应用场景，通过服务层与应用层功能模块的组合，形成体系支撑能力。

图6  数字孪生模型谱系组成

1) 需求模型。对体系的军事需求、运用场景、战技指标和通用质量特性等进行数字化描述，实现能力需求准确生成。

2) 设计模型。用于围绕作战需求开展联合作战体系级问题分析，构建体系运用场景、体系能力及体系构成等。

3.2  装备模型

1) 作战平台模型。模拟各类侦察平台装备，包括陆基平台、海基平台、空基平台、临空平台和天基平台等。平台模型主要对侦察/武器平台的运动参数、机动性能、物理特征、红外特征和雷达特性等进行模拟。

2) 感知手段模型。模拟各类侦察监视手段装备，包括雷达探测、电子侦察、通信侦察、图像侦察、红外侦察和光电侦察等，采用功能建模的方法构建。

3.3  系统模型

1) 指挥决策模型。模拟与联合侦察监视体系相关的作战指挥过程，包括任务规划、态势生成、行动控制、传感器管控、体系分析和威胁估计等模型。任务模型可以沿用联合情报信息系统的相关软件模块和核心算法等进行建模。

2) 信息处理模型。构建任务分配、图像处理、电子侦察数据处理、雷情数据处理、分布式融合处理、情报信息分发、传感器控制和战场态势生成等模型，可以沿用联合情报信息系统的相关软件模块和核心算法等进行建模。

3.4  环境模型

提供红蓝对抗模拟所需的自然环境信息，包括地理测绘模型、气象水文模型和电磁环境模型等。

3.5  典型蓝军模型

分为蓝方目标兵力模型和蓝方打击对抗装备2类。蓝方目标兵力模型用于模拟红方侦察装备的探测目标对象，包括蓝方部队、舰船和飞机等，重点模拟蓝方装备或兵力的状态和物理特征；蓝方打击对抗装备用于模拟红蓝对抗条件下干扰、压制和打击红方侦察体系的武器装备，包括威胁红方侦察体系安全或影响其效能发挥的各类物理打击装备和软杀伤装备，重点模拟对抗效果。