元宇宙军事仿真应用探索

宋卫东, 马 宁, 孟庆良, 潘 越, 李云鑫

(上海无线电设备研究所,上海 201109)

0 引言

元宇宙(metaverse)概念起源于科幻小说《雪崩》,metaverse由meta和verse两个单词组成,meta表示超越,verse代表宇宙,合起来即为“超越宇宙”,即人通过设备能够以虚拟分身的方式进入由计算机模拟、与真实世界平行的虚拟世界。

清华大学沈阳教授给出了元宇宙的基本定义和特征:“元宇宙是整合多种新技术产生的下一代互联网应用和社会形态,它基于扩展现实和数字孪生技术实现时空拓展,基于人工智能和物联网技术实现人机虚实共生,基于web3.0及其区块链等技术实现身份认证确权,并将虚拟世界和现实世界的社交系统、经济系统密切融合,使得每个用户可以对内容进行生产或更改,对资产实现所有和增值。”[1]

元宇宙是继计算机时代、移动互联网时代之后的全息平台时代,是下一代的移动互联网技术,在游戏、社交、教育等领域有着广泛的应用前景。

随着元宇宙概念的发展,元宇宙在国防军事领域的应用也开始受到关注。

1 元宇宙技术特征

Roblox公司在招股书中列出了平台应具有的通向元宇宙的8个关键特征:身份(identity)、朋友 (friends)、沉浸感 (immersive)、随地(anywhere)、多样性 (variety)、低延迟 (low friction)、经济(economy)、文明(civility)。该8个特征成为元宇宙特征已形成共识。

元宇宙将是集科技大成者,支撑元宇宙的6大技术支柱“BIGANT”包括:区块链技术(block chain)、交互技术(interactivity)、电子游戏技术(game)、人工智能技术(AI)、网络及运算技术(network)、物联网技术(internet of things)[2]。

元宇宙由多种技术综合而成,依托于电子信息行业各类技术的集成式应用,尚处于初级发展阶段。

2 元宇宙发展现状

2.1 元宇宙科技产业领域发展现状

2021年被认为是元宇宙元年,Roblox、Facebook、微软、Snapchat等科技企业纷纷布局元宇宙。

国内紧跟元宇宙热潮,产业界和学术界积极布局研究元宇宙,一些地方政府已将元宇宙列入地方规划。腾讯、字节跳动等互联网企业纷纷布局投资元宇宙产业。《上海市电子信息制造业发展“十四五”规划》中前瞻部署了第三代半导体、6G通信和元宇宙等领域。清华等高校发布了《元宇宙发展研究报告2.0版》。

2.2 元宇宙军工领域发展现状

元宇宙在科技产业界发端,逐渐蔓延至军工领域。

在国外军工领域,微软公司获得了美陆军218.8亿美元合同,生产12万套Holo Lens混合现实头戴式显示设备;美国国防高级研究计划局(DARPA)开展了“面向目标支持的自主多模态吸收”项目研究,通过人工智能和增强现实技术为美军机械工程师和医护人员实时生成军事培训指导材料。2019年开始,基于元宇宙技术研制的DEIMOS军事训练系统已经成功应用于韩国武装部队[3]。

在国内军工领域,2021年12月14日,航天科工二院北京电子工程总体所发布“虚拟孪生-元宇宙协同建模仿真方法研究”公告。公告指出需针对元宇宙、虚拟孪生等新型虚拟环境交互理念对作战训练带来的新理念新启示,开展支撑虚拟孪生复杂性/动态性的元宇宙体系描述方法、物理引擎等技术预研。2021年12月29日,《指挥与控制学报》发布“元宇宙军事运用潜力探索”专刊征文通知。元宇宙在军工领域已经开始受到相关军工单位的关注。

综上,当前我国在元宇宙领域也已开始布局,但主要是地方规划和科技产业界投资,元宇宙在国防军事领域刚刚进入各方视野。

3 元宇宙衍生出的军事元宇宙

军事元宇宙是元宇宙的一种特殊类型,即在军事领域建立的元宇宙,表示元宇宙在军事领域应用的概念。元宇宙的出现将给军事应用带来一系列创新。

第一,元宇宙可以构建统一的虚拟时空访问架构。互联网协议规范了互联网的统一访问形式,元宇宙将在此基础上,统一规范虚拟时空(元宇宙)访问协议和体系架构,使人们能够自由访问和共享整个元宇宙世界[4]。军事元宇宙的设施部署将因此变得简便,不同的仿真模拟系统将统一网络接口,采用统一元宇宙架构下的基础设施,而且可以随时随地接入,空间互联共享,并迭代更新。

第二,元宇宙可以实现跨时空交流、群体性协作。元宇宙将过去各自独立运行的虚拟设施建立起协作关系,通过人机接口,实现与不同空间中的人、物、环境自由交互,建立起跨时空的关系。在军事元宇宙中,虚、实不同空间的部队可以协同作战,在现实战场上消灭敌人,在虚拟时空中影响社会。由于元宇宙“不同空间”和“面对面”等特点,不同时空人员间的协作,将完全不同于过去的远程交互方式[5]。

第三,元宇宙可以促进军事资产增长、激发军事人员和科研人员的创新能力。过去,军事活动属于纯消耗领域,很难通过市场变现去创造价值,也无法鼓励人们共享创新成果。训练数据、分析算法、模拟程序等都属于各家单位的知识产权和技术秘密,难以共享。元宇宙基于Web3.0和区块链技术建立的确权架构,和更合理的安全保密体系,有望改变当前不能共享知识产权的局面[6]。在军事元宇宙中,当他人应用你创造的资产时,也会为你提供价值,这将大大激发大家创造的热情和活力,从而带来军事资产的不断增长。比如军事训练,可以由各部队或个人给出创意和独立建造,并在军事元宇宙中被统一起来,供各军兵种部队独立或者联合使用。军事元宇宙中各种创意发明者和建造者则可以在后续他人的使用中不断获益,成为激发他们进一步创造的动力。

综上,元宇宙的特性非常适配军事领域,在军事领域具有广阔的应用前景。元宇宙是一种虚实结合的技术,采用大量仿真技术构建映射真实世界的虚拟世界,契合军事仿真应用。

4 元宇宙军事仿真应用探索

4.1 导弹武器装备试验方面

在导弹武器装备试验方面,军事元宇宙技术能提供实战化背景或大规模试验场景,将虚实装备纳入一个对等的环境中共同运行,并全面掌握装备的各种状态和参数的变化情况。

基于元宇宙此特征,可以将元宇宙技术应用于导引头半实物仿真试验。在设计论证阶段,可将导引头数字模型接入到军事元宇宙中,验证其在实战化场景中的表现,辅助设计师发现问题,改进设计。在导弹武器装备性能验证阶段,可将导引头实物接入到军事元宇宙中,验证导引头性能。在导弹武器系统体系作战效能验证阶段,可将导引头和整个导弹武器系统统一接入军事元宇宙中,其中每个分系统可以是数字模型,也可以是实物,通过虚实结合的方式,将不同分系统结合到一起,在军事元宇宙构建的实战化环境中进行体系作战性能验证。

在导弹武器装备试验验证方面,军事元宇宙能够有效降低试验成本,减少气候环境等因素对试验的制约,实现原先难以完成的复杂试验以及大规模作战体系的构建等。在导弹武器装备数字仿真方面,军事元宇宙带来的数字虚拟世界的无限发展,同样也是仿真专业的未来潜力之一。其未来持久化、去中心化、与现实相连的三大发展内核与仿真技术融合共生。

4.2 导弹作战推演验证方面

军事元宇宙能为新型装备运用和战法创新等作战推演提供验证平台。军事元宇宙可以协调各地专家资源,集中调用不同地区、不同单位的仿真算力,利用虚拟人工智能扮演各方作战力量,进行不间断的推演计算,得出海量数据样本,并通过人工智能学习分析大量数据样本。在推演过程中,不同地域的专家和研究人员可以共同交流协作,实时完善推演要素,以确保推演成果经得起实战检验。

基于元宇宙此特征,可以将元宇宙技术应用于导弹武器系统的作战推演。基于军事元宇宙实现导弹武器系统作战推演,可以预测导弹武器系统在实战环境中面临的各种问题,破解敌方采取的反制策略。比如,在元宇宙中推演导弹面临的战场复杂电磁环境、敌方目标采取的干扰策略,将这些因素在导弹设计阶段考虑进来,设计抗干扰手段,并进行推演验证。元宇宙作战推演示意如图1所示。在元宇宙中还可推演导弹武器系统在实战环境下的作战过程,辅助部队鉴定验收导弹武器装备,对武器作战能力做到心中有数,辅助制定作战计划,预测战役结果。

图1 元宇宙作战推演示意图

4.3 军工科研生产方面

元宇宙技术的应用将会改善复杂产品研制生产模式,优化科研生产流程。随着数字孪生技术的发展以及5G移动通信连接性的增强,在元宇宙中,可以形象地展示验证大型工程机械的原理、复杂精密零件的工艺流程,还原现实车间的生产环节,帮助科研生产人员及时发现问题和解决问题。

基于元宇宙此特征,可将元宇宙技术应用于军工科研生产中。在产品科研生产方面,元宇宙可提前呈现新成果的科研设计、制造装配和后期维护的图景,加快产品开发进程、特点发现和优势路径升级。军事元宇宙还能提供零物理风险的真实研发环境,减少不可行的研发生产项目,避免产生高昂的费用,加强装备服务和安全保障的竞争能力,提升国防工业现代化高质量发展效益,从而有力推动国防工业数字化转型[7]。

4.4 军事训练方面

元宇宙集成了大量的仿真技术,基于仿真技术已实现了不同场景、不同专业、不同层级的军事训练,如装备使用、体系对抗训练等。在军事元宇宙中,不同用户可以共享高度定制化的军事训练场景,契合了军事训练对多人、多单元、多平台协同以及快速定制作战想定的要求。军事元宇宙提供了新一代人机交互方式,为实战化演训提供了新手段。军事元宇宙系统与士兵交互迭代,通过人工智能大量复盘模拟,不断完善策略,有利于提升士兵和指挥官的作战应变能力和实战效果[8]。元宇宙军事训练示意如图2所示。

图2 元宇宙军事训练示意图

基于元宇宙此特征,可将元宇宙应用于导弹武器系统的军事训练中。对作战部队而言,导弹打靶或军事演习耗资巨大,且容易被侦察,难以做到严格保密。通过军事元宇宙,可以将导弹武器系统的军事训练转移到虚拟世界,通过虚实结合的方式,模拟真实战场,对导弹武器系统操作人员进行军事训练,磨练操作人员与武器系统的融合度,达到更好的训练效果[9]。

4.5 作战指挥方面

在作战指挥过程中,敌我双方的兵力布置,作战区域的地形地貌、电磁环境等特征,都可以在元宇宙中充分构建,并根据情报进行实时更新。分布在各地不同兵种的指挥官,可以从“上帝视角”观察战场态势,“面对面”共同探讨决策部署,开展指挥和控制。最终多个指挥官可以快速形成跨军种的集体决策,进行有效作战。军事元宇宙能够辅助军事指挥官掌握全面、真实、及时、直观的作战态势,为指挥官做出有效决策提供依据。元宇宙作战指挥示意如图3所示。

图3 元宇宙作战指挥示意图

5 发展建议

5.1 顶层布局元宇宙军事应用发展

在管理层面,建议国防科工局等国家相关部门顶层布局,引导军工科研院所关注元宇宙发展动向及技术趋势,探索构建多方认同的发展机制,试点发展元宇宙。国防科技工业的相对独立性和军工产品的特殊属性提供了元宇宙特殊应用场景。在技术层面,建议顶层布局半导体芯片、算法引擎、网络通信、视频编解码等基础软硬件技术研究,强化增强现实、人工智能、区块链等核心技术的研发能力,布局6G通信、脑科学、数字孪生等前瞻领域[10]。

5.2 关注元宇宙民用技术的军用转化

当前,元宇宙技术在民用领域快速发展,我国在元宇宙民用领域投资力度较大。因此,元宇宙军事应用可以搭乘元宇宙民用技术发展的顺风车。建议军工单位积极关注元宇宙民用技术发展,探索尝试将元宇宙民用技术转化到军事应用场景中。发展元宇宙实战化的研发能力和虚拟数字场,试点军事元宇宙场景设计和典型技术在武器装备领域的应用,促进传统行业与新兴技术的有机融合,推进元宇宙产品研发和生态建设。

5.3 警惕军事元宇宙发展带来的安全隐患

元宇宙集成了多种信息技术,因而存在更加多元的内生安全隐患。军事元宇宙面临网络攻击、关键基础设施故障、信息泄漏等风险。在催生新岗位、推动企业技术变革发展的同时,带来了就业替代和管理结构的变化,对传统行业造成了一定冲击。军工数字产业化转型面临竞争形势,一些数字化转型不成功的企业面临淘汰风险。此外,与以往的数字技术生态类似,军事元宇宙在各国的发展和国防军事应用将呈现不均衡状态,有些国家现有技术水平、用户群体、供应链环境会更适应元宇宙发展。我国在数字化方面具有一定优势,但在部分硬件和软件研发方面落后,如不积极发展,可能面临歧视性的准入门槛,导致对他国技术和标准的依赖。

6 结论

基于元宇宙的特征,元宇宙在军事仿真领域具有巨大的应用潜力。未来,元宇宙技术可能在导弹武器装备试验、作战推演、科研生产、军事训练、作战指挥等领域带来重大变革,改变原有的运行方式,提升各类军事活动的综合效益,有效激发军事人员和科研人员的创新能力,有力推动我国防工业数字化转型。在国防军事领域应高度重视元宇宙相关概念演进及其带来的潜在影响。

建议我国科技工业管理部门重视顶层布局元宇宙军事应用发展,关注元宇宙民用技术军用转化,警惕军事元宇宙发展可能带来的安全隐患。

地球资源是有限的,人类未来发展可能存在两大方向:一是探索广阔的星辰大海,二是进入消耗很少的虚拟世界。元宇宙将不可避免地成为第二个方向的必争之地。在发展星辰大海的同时,也应关注虚实结合的元宇宙的发展。