背景IEEE互聯(lián)網(wǎng)計算雜志于2021年發(fā)表了一篇題為《數(shù)字孿生在軍事領域的應用》文章。文章指出，數(shù)字孿生技術在低容錯性的軍事領域體現(xiàn)其更高的重要性，為該領域提供低成本，高效率和高質量的解決方案。本文將評估當前數(shù)字孿生技術在軍事領域的應用及其優(yōu)勢，并進一步討論未來趨勢。 數(shù)字孿生是對物理實體或系統(tǒng)的狀態(tài)進行建模的虛擬表示，源于美國密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯教授的“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），由三個部分組成，即物理空間的實體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息雙向傳遞。 數(shù)字孿生通過提供一個交互接口來連接物理世界和數(shù)字世界，以獲取任何物理系統(tǒng)的過去和現(xiàn)在的過程，并對未來進行預測，結合數(shù)據(jù)和情報分析對其結構、環(huán)境和行為進行仿真（圖 1）。數(shù)字孿生技術利用傳感器收集物理實體的數(shù)據(jù)，在信息世界進行等價映射，由此創(chuàng)建該物理實體的數(shù)字孿生。
圖1、數(shù)字孿生創(chuàng)建過程 無法在物理世界中預測結果的活動，可以在數(shù)字環(huán)境中通過數(shù)字孿生一遍又一遍地執(zhí)行，并通過使用參數(shù)值來測試許多潛在場景，以對其進行預測、改進或優(yōu)化。 通過數(shù)字孿生技術，可以對物理系統(tǒng)上的各種場景進行分析、建模和測試，并提供了從參數(shù)角度或拓撲（形狀/重量）角度對現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的設計進行各種改進和優(yōu)化的機會。數(shù)字孿生技術是仿真、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術等新興科技的集成：傳感器、仿真、物聯(lián)網(wǎng)技術用于物理實體數(shù)字建模；大數(shù)據(jù)、機器學習和人工智能用于分析數(shù)字孿生收集的數(shù)據(jù)、學習實體的行為、以及對未來進行預測。
數(shù)字孿生與仿真的不同之處主要在以下方面：
數(shù)字孿生在軍事領域中的應用軍事領域的首批數(shù)字孿生研究之一是2010年自適應車輛制造(AVM) 計劃，旨在縮短武器的研發(fā)周期，實現(xiàn)武器制造產(chǎn)業(yè)轉型，以在網(wǎng)絡空間完成武器研發(fā)的所有過程，包括設計、模擬、實驗、加工和生產(chǎn)。當前數(shù)字孿生技術主要應用于航天航空領域的研發(fā)： 1.航空領域 早期故障檢測：土耳其航空航天工業(yè)公司 (TAI) 與西門子產(chǎn)品生命周期管理 (PLM) 軟件簽署了一項為期11年的協(xié)議，以實現(xiàn)數(shù)字孿生國家戰(zhàn)斗機項目在生產(chǎn)設施方面的全面應用、減少生產(chǎn)錯誤、以及加快生產(chǎn)速度。創(chuàng)建軍用飛機的數(shù)字孿生體成為軍事領域最重要和最熱門的發(fā)展之一。美軍計劃通過數(shù)字孿生技術軟件生成 F-35 戰(zhàn)斗機的數(shù)字“克隆”，用來替代真實戰(zhàn)機進行測試，以預測產(chǎn)品性能、預期壽命和故障率。 提高性能：美國陸軍正在轉向使用威奇托州立大學的數(shù)字孿生技術來解決黑鷹直升機中的問題并提高其性能。該大學在過去15年中為美國國防部進行拆卸研究，并于2018年開始數(shù)字孿生研究。美國空軍已經(jīng)在2020年夏天開始拆除B-1轟炸機，以制造其數(shù)字孿生機。2022年3月美國空軍宣布已在佛羅里達州廷德爾空軍基地啟用“數(shù)字孿生全息實驗室”。該實驗室將以數(shù)字模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環(huán)境中測試技術，進而轉化為可實戰(zhàn)的技術。
節(jié)省維護成本：美軍1.4萬架飛機每年的維修費用約為750億美元。通用電氣公司通過數(shù)字孿生和虛擬現(xiàn)實技術，加強軍事準備流程，并有望通過數(shù)字孿生技術監(jiān)控機載傳感器的數(shù)據(jù)，提供部件更換時間或使用時長的信息，從而降低維護成本。 2.航天領域 數(shù)字孿生技術的發(fā)展對軍事航天領域也產(chǎn)生了重要影響。一種開放式、可執(zhí)行的數(shù)字孿生方法，用于衛(wèi)星系統(tǒng)故障診斷和健康監(jiān)測(FD-HM)，研究表明診斷結果大大增加了這方面的可解釋性和可表達性，并且數(shù)據(jù)驅動算法可以用于實施故障診斷和維護決策。該方法預計可適用于衛(wèi)星子系統(tǒng)，甚至所有具有成熟機器學習技術的衛(wèi)星系統(tǒng)。基于數(shù)字孿生技術的系統(tǒng)，使用高精度的主動虛擬模型（可實現(xiàn)超高保真度），將有助于衛(wèi)星電力系統(tǒng)中的動態(tài)任務規(guī)劃，并制定合理的維護策略，以更好地適應不斷變化的條件。
3.網(wǎng)絡安全領域 CPS：網(wǎng)絡安全/防御是數(shù)字孿生技術應用的另一個重要軍事領域。近年來隨著數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡安全/防御領域變得越來越重要，并作為各國物理防御機制的補充。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的使用，包括物理世界和網(wǎng)絡世界之間的通信和協(xié)調在內的整個結構被稱為“信息-物理系統(tǒng)”（CPS）。通用電氣和羅爾斯·羅伊斯公司已在聯(lián)合開發(fā)噴氣發(fā)動機時，利用過去的飛行信息和傳感器的即時飛行信息，在其生產(chǎn)階段使用了 CPS 架構。 C2PS：云基CPS的數(shù)字孿生架構參考模型，即C2PS方法，通過計算、控制和云計算的基礎設施來加強持續(xù)活躍的孿生反饋回路，以提高物理系統(tǒng)的服務質量，從而使該方法變得更具可擴展性。C2PS的數(shù)字孿生體將每一項物理資產(chǎn)數(shù)據(jù)保存在云端，當物理世界發(fā)生變化時，物理傳感器也會更新其云端數(shù)字孿生代表的狀態(tài)。此外，通過關閉數(shù)字孿生體的訪問權限即可直接切斷外界對物理實體的訪問。這些研究表明，數(shù)字孿生方法可以被積極地用于確保現(xiàn)實世界資產(chǎn)的高度安全性，這在軍事領域中是極其重要的。
五大優(yōu)勢1.高效率、低成本的生產(chǎn) 根據(jù)一般產(chǎn)品生命周期，產(chǎn)品原型是在設計、建模和簡單模擬之后產(chǎn)生的。如果出現(xiàn)任何問題，將審查其設計并進行必要的更改。新原型的模擬、物理生產(chǎn)和測試等過程會循環(huán)進行，直到達到需求標準。但是，當使用數(shù)字孿生技術時，產(chǎn)品的數(shù)字孿生是從設計階段就開始創(chuàng)建的。因此，在決定是否對原型進行物理更改之前，其孿生體會測試各種場景，以更快、更準確地生產(chǎn)最終產(chǎn)品。這將為產(chǎn)品研發(fā)節(jié)省大量時間和原型生產(chǎn)成本。 2.高效的維護維修過程 具有數(shù)字孿生的產(chǎn)品會不斷地將數(shù)據(jù)從物理實體傳輸?shù)狡鋽?shù)字孿生體，因此可以對產(chǎn)品故障采取預防措施，并遠程確定故障源。數(shù)字孿生技術還提供單獨的序列化資產(chǎn)檢查和服務計劃，以及提供生命周期支持合同以減少維護次數(shù)和成本。維護、維修和大修 (MRO) 服務可以根據(jù)數(shù)字孿生的歷史數(shù)據(jù)和性能信息，重新定義特定資產(chǎn)的維護服務條款。因此，數(shù)字孿生可以通過提高全方位的數(shù)據(jù)輸出，幫助用戶實現(xiàn)更快的維護維修服務，從而保持競爭優(yōu)勢。 3.更快的預測 借助大數(shù)據(jù)、人工智能和機器學習技術，數(shù)字孿生可以對產(chǎn)品未來情況進行預測。數(shù)字孿生通過模擬火箭發(fā)動機和石油鉆井平臺等資產(chǎn)，以監(jiān)測不同程度的壓力對各零件的影響以及磨損。這些類型的輸入可以用于未來優(yōu)化產(chǎn)品設計。 在智能工廠中，數(shù)字孿生通過一段時間內收集的機器數(shù)據(jù)來幫助操作員做出實時決策，同時還可以實時生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)，反映其物理實體的當前狀態(tài)，與技術人員或其他感興趣的團體遠程共享。因此，數(shù)字孿生的虛擬表示將能夠預測錯誤，避免損失。
4.高度保真 保真度是軍事應用的一項基本要求，準確性在這些應用中至關重要。準確度越高，數(shù)字孿生中的虛擬表示與物理實體就越接近，模擬、建模和優(yōu)化也就越準確。在這一點上，數(shù)字孿生技術的高保真優(yōu)勢成為軍事領域首選的原因，也是提高系統(tǒng)可靠性的一個因素。 5.更高的適用性 數(shù)字孿生技術可以通過數(shù)據(jù)驅動的方法來實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的適應性。生產(chǎn)線變更過程中，生產(chǎn)活動將會被迫停止。由于變更結果的不確定性，大型生產(chǎn)線通常難以變更。然而，借助數(shù)字孿生技術，可以很容易地判斷這些變化是否會提高效率。因此，數(shù)字孿生技術使研發(fā)團隊可以更有信心地改進生產(chǎn)線。 未來趨勢和啟示文章指出，數(shù)字孿生的優(yōu)勢使其在軍事技術研發(fā)方面具有巨大潛力，是軍事技術發(fā)展的必然趨勢。據(jù)《軍事文摘》2022年8月刊一篇題為“數(shù)字孿生技術在智能化戰(zhàn)爭中的應用”的文章，數(shù)字孿生技術還將應用于戰(zhàn)場環(huán)境的設定、模擬和更新，以及指揮控制的觀察、判斷和決策：數(shù)字孿生戰(zhàn)場環(huán)境能夠為作戰(zhàn)規(guī)劃、演練和行動提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，確保共享信息的一致性；通過在數(shù)字世界創(chuàng)建武器裝備系統(tǒng)、作戰(zhàn)平臺、戰(zhàn)場環(huán)境等物理戰(zhàn)場的數(shù)字孿生體，為指揮官展示實時戰(zhàn)場所有數(shù)字模型，反映真實戰(zhàn)場情況，從而更快更有效地輔助指揮官做出決策和規(guī)劃作戰(zhàn)方案。 美軍在數(shù)字孿生技術的應用已處于世界領先水平，初顯了數(shù)字孿生技術對未來戰(zhàn)爭的顛覆性影響。各國應重視數(shù)字孿生在軍事領域的應用，以更好地應對智能化戰(zhàn)爭。 |
