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以数字化为主要特征的信息革命，正推动人类社会进入数字时代，利用数字化技术将物理世界各类实体、行为映射到数字空间，借助数字空间数据高速流动、零成本试错等优势，通过“反复迭代、数字寻优”化解复杂系统的不确定性，实现资源高效配置、体系赋能增效，已成为解决海量、实时、碎片化、多场景、多领域等复杂问题的重要手段。本文所涉及的作战系统是指水面舰艇或潜艇平台上执行警戒、跟踪、目标识别、信息处理、威胁估计及控制武器等任务，对敌作战的各要素及人员的综合体，是承载海上联合作战体系作战能力的重要核心，是海上联合作战体系各类信息要素纵向流转、作战活动横向贯通的重要纽带。综合武器装备数字化的愿景和海上联合作战体系的特征来看，作战系统数字化将是重构海上联合作战体系发展和运用的新范式。 美军将数字工程视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇，自20世纪90年代，美军在装备采办各阶段广泛应用建模仿真技术，由装备设计向使用保障延伸。进入21世纪后，美军在装备采办中全面实行基于模型的系统工程（MBSE），推进装备全寿命周期管理，同时，持续开展装备协同设计工具与开发平台（CREATA）、工程强韧系统(ERS)等系统建设，推进基于统一模型数据驱动的采办决策，加强装备全生命周期管理活动的数字化建设。在经历了近20年的反恐战争后，美军开始重新聚焦大国竞争，将被称为第四次工业革命的数字化转型从装备采办活动向装备实体领域推广应用，意图通过使用数字孪生等数字化技术实现更快速、更灵活的设计迭代，强化与军事任务需求的对接，缩短装备研制周期、大幅提升装备质量。此外，美海军采用自动化测试与重新测试（ATRT）将复杂的数字化理念整合到基于模型的系统工程、数字孪生、持续集成(CI)以及自动化测试和分析中,整合形成用于自动测试大型复杂系统的过程和方法，扩大测试范围，提高效率和质量，提升对新技术的识别和整合能力，以满足快速涌现的系统需求。 数字孪生的概念最早由美国密歇根大学的Michael Grieves教授于2002年提出，最初被称为“信息镜像模型”，其概念内涵是通过综合物理模型、传感器实时数据以及所有历史数据，构建物理实体的镜像数字模型，持续动态反映、分析、预测物理实体全寿期的运行状态。2010年，NASA发布《建模、仿真、信息技术和处理路线图》，明确要构建飞行系统的数字孪生体，以解决故障诊断和寿命预测问题，自此，数字孪生概念进入美国政府和军方视野，并逐渐引起广泛重视。美军认为，数字孪生作为一种在信息世界刻画物理世界、仿真物理世界、优化物理世界、增强物理世界的数字化技术，是一种实现物理世界与信息世界交互共融的有效方法，应用数字孪生技术有助于虚拟地开展研发和保障活动，从军方的能力差距分析与需求研究阶段开始，通过数字化设计、数字化测试引领物理空间的各类研发生产活动，从而降低武器装备的研制时间和风险，并提升装备的运行效能。2013年，美空军发布《全球地平线》顶层科技规划文件，将数字孪生技术视为“改变游戏规则”的颠覆性技术，此后，美国军方开始组织洛克希德马丁公司、波音公司等军工巨头推进数字孪生关键技术研发，探索数字孪生在国防领域的应用。2018年，美国防部发布《数字工程战略》，围绕数字模型开发集成应用、权威真相源构建与使用、技术创新改进工程实践、基础设施环境建设、战略政策与机制建设5大目标，全面开启了基于数字孪生体的数字工程时代。美国防部数字工程战略的预期目标如图1所示。  图1 美国防部数字工程战略的预期目标 2008年，考虑搭载宙斯盾作战系统的舰队规模不断扩大，为确保能够战胜不断变化的威胁，实现技术领先，美海军开始了宙斯盾作战系统的数字化转型，并全面应用基于模型的工程管理，在确保产品质量的同时，提升作战系统的交付速度，实现在宙斯盾作战系统全生命周期中各个参与方的无缝衔接。2014年，美海军采用DevSecOps软件将宙斯盾作战系统转向敏捷软件开发流程，链接从开发到测试阶段的全部设计模型，在保持严格的系统工程规范的同时，改进了开发人员之间的协作，收集了用户的持续反馈，打通了持续集成/持续交付的系统流程，能够安全可靠地为作战人员提供新的作战能力。至此，美海军构建了涵盖整个宙斯盾作战系统生态环境的数字线程，将宙斯盾作战系统管理活动全面转向数字化管理模式。 2019年3月，美海军“阿利·伯克”级驱逐舰“托马斯·哈德纳”号使用“虚拟宙斯盾”系统成功进行首次实弹拦截试验，成为数字孪生技术应用于复杂系统的里程碑事件。“虚拟宙斯盾”系统通过复合训练单元试验（COMPTUEX）支持将更先进的算法持续引入宙斯盾作战系统的基线升级中，“虚拟宙斯盾”系统将面向与物理系统完全相同的场景，会接收与宙斯盾作战系统相同的所有输入，对其进行实时测试，并做出基于新算法的响应，从而无须额外的海上试验成本，一旦“虚拟宙斯盾”系统证明新算法的可靠易用，就可直接实现新算法的部署。此外，“虚拟宙斯盾”系统正在计划对整个宙斯盾作战系统的完全数字化和实装部署，从而支撑海上作战环境、实验室开发环境之间数据的无缝连接，以允许根据真实战场环境对新技术应用进行实时测试、实时认证、实时调整，然后将其快速部署至物理舰艇上，从而无须花费较长的时间周期进行重新编码、测试和认证。 2021年，美国海军组织洛克希德马丁、创新防御技术、亚马逊等公司联合开发了Ageis企业服务平台（PaaS），在云环境中托管了整个宙斯盾作战系统，为远程操作共享开辟道路，以确保可以在最需要的时间和地点向美国海军提供宙斯盾作战系统软件更新，并能够快速、安全地将软件更新部署到夏威夷高级雷达开发评估实验室（ARDEL）、新墨西哥白沙导弹靶场（WSMR）的“虚拟宙斯盾”系统中。未来，美海军水面训练中心将持续推广“虚拟宙斯盾”系统在军事院校、训练和保障基地的部署。尽管美海军舰队宙斯盾作战系统存在不同的基线和配置，但“虚拟宙斯盾”系统能够运行在通用的显控和计算环境上，并通过软件调度的方式进行基线状态和配置的快速切换，以满足不同舰艇作战人员的培训需求，并且能够将新推出的功能快速同步部署至“虚拟宙斯盾”系统中，从而帮助作战人员快速适应宙斯盾作战系统升级迭代。 洛克希德马丁公司认为“虚拟宙斯盾”系统有助于巩固美军对联合全域作战的愿景，“虚拟宙斯盾”系统使整个舰艇综合作战系统独立于庞大而复杂的舰载硬件基础环境并在小规模的计算机上运行变成了可能，从而支持“虚拟宙斯盾”系统进一步扩展到航空母舰、两栖舰艇上的自防卫系统，并逐渐发展成一个可全面部署的综合作战系统，可实现的功能范围包括从舰船自卫到空中导弹防御、从陆基导弹防御到对陆进攻性打击等。2021年，美国海军陆战队在阿拉斯加北部进行了“宙斯盾空降”演习，将“虚拟宙斯盾”系统部署在不同的平台后通过标准化接口之间的连接关系，在联合进攻和防御火力任务中成功连接了陆军、海军陆战队和水面舰艇，从而证明了“虚拟宙斯盾”系统支撑未来美军联合全域作战基于统一架构快速延伸部署的可行性。“虚拟宙斯盾”系统进行实弹测试期间发射了一枚标准导弹，如图2所示。  图2“虚拟宙斯盾”系统实弹测试期间发射了一枚标准导弹 2020年，美国海军水下作战中心纽波特分部创建并部署了一个虚拟化的AN/BYG-1潜艇作战控制系统（AN/BYG vTwin），该系统可提供等效的潜艇作战控制系统功能，但其硬件规模仅为潜艇作战控制系统物理实体的四分之一，且在24小时内可完成作战部署，在美国海军潜艇作战和武器控制项目办公室的指导下，AN/BYG vTwin首次实弹演习和新技术快速部署已经取得了重要成果。2020年6月， AN/BYG vTwin与第三批“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇集成并通过海上演示验证，如图3所示，9月成功发射两枚操雷，12月完成首次实弹发射试验。此外，在AN/BYG vTwin的海上演示验证过程中，该潜艇成功上传、执行了新的人工智能算法，并远程支持部署了一台测深仪，展示了其快速部署新技术的能力，体现了美军24小时编译作战（C2C24）的能力。一直以来，美国海军潜艇部队通过“技术插入（TI）”、“高级处理器构建（APB）”、“快速商用现货插入（RCI）”等方式来实现潜艇作战控制系统的快速发展与能力提升，但对于一艘服役中的潜艇来说，只能等到修理阶段才能进行更新，这个时间可能有六年甚至更久，AN/BYG vTwin成为了解决这一问题的又一努力与尝试。总的来说，AN/BYG-1 vTwin通过使用数字化技术重建了整个潜艇作战控制系统，验证了虚实互动和新技术快速部署的能力，为更大的潜艇作战系统数字化转型提供了技术支撑。  图3 AN/BYG vTwin与“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇集成并通过海上演示验证 美海军从管理活动和装备实体两个层面持续进行作战系统数字化建设，将作战系统从线性的、以文档为中心的装备建设模式转变为动态的、以数字模型为中心的数字工程生态系统，基本完成了作战系统以模型为中心的范式转型，降低了系统成本，提升了装备质量，大幅缩短作战系统新能力的升级和部署周期。从美海军作战系统数字化的发展历程来看，可以得到如下启示： 启示一 作战系统数字化是一种贯穿于系统全生命周期理念的转换和改变，需要建立与之匹配的流程体系来管理和组织，作战系统数字化必须面向作战系统全生命周期，全面布局，从装备采购管理到装备研制建设两个维度体系化推进流程、工具和方法建设，制定切实可行的实施路线，科学指导作战系统数字化转型。 启示二 作战系统是军事需求、电子技术、模型算法高度集成的复杂系统，战争艺术与信息技术互为支撑、快速迭代，作战系统的开发迭代速度应能与作战运用的变化同步、与信息技术的发展同步、与用户应用的需求同步，作战系统数字化必须采用敏捷开发、持续集成、持续交付、持续部署的思想，持续推进作战系统的敏捷化交付。 启示三 作战系统是完成对敌独立或协同作战的各要素及人员的综合体，是以体系架构开放、硬件周期更新、软件增量集成、能力螺旋迭代为目标的信息系统，作战系统数字化必须在系统模型、服务、数据的开放式架构基础上，推进作战系统管理、设计、运用和保障的虚实互动机制，加强作战系统数字化在用户使用和装备保障方面的应用，促进作战系统从交付装备向交付能力转变，有效支撑作战系统的基线式发展。 启示四 作战系统是海上联合作战体系能力生成的核心，是海上联合作战体系各类信息要素纵向流转、作战活动横向贯通的重要纽带，作战系统数字化应从体系层面加强战场各类信息标准的上下贯通和数据资源的统一整合，从而在海上联合作战空间内支持更加自由有序的数据分发和信息共享，并以水面舰艇和潜艇作战系统数字化为基础构建面向联合、统合体制的综合作战系统，确保海上联合作战体系的能力集成与快速迭代。 END 企业使命：以电子装备增强国防 以科技产业服务社会 企业愿景：建设信息系统与智能装备领域国内领先、国际先进的创新型高科技集团 核心价值观：人本 责任 团队 进取 |
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