背景IEEE互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算雜志于2021年發(fā)表了一篇題為《數(shù)字孿生在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用》文章。文章指出，數(shù)字孿生技術(shù)在低容錯(cuò)性的軍事領(lǐng)域體現(xiàn)其更高的重要性，為該領(lǐng)域提供低成本，高效率和高質(zhì)量的解決方案。本文將評(píng)估當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)一步討論未來趨勢(shì)。 數(shù)字孿生是對(duì)物理實(shí)體或系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行建模的虛擬表示，源于美國(guó)密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯教授的“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），由三個(gè)部分組成，即物理空間的實(shí)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(gè)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(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合數(shù)據(jù)和情報(bào)分析對(duì)其結(jié)構(gòu)、環(huán)境和行為進(jìn)行仿真（圖 1）。數(shù)字孿生技術(shù)利用傳感器收集物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，在信息世界進(jìn)行等價(jià)映射，由此創(chuàng)建該物理實(shí)體的數(shù)字孿生。
圖1、數(shù)字孿生創(chuàng)建過程 無(wú)法在物理世界中預(yù)測(cè)結(jié)果的活動(dòng)，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(cè)試許多潛在場(chǎng)景，以對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)、改進(jìn)或優(yōu)化。 通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以對(duì)物理系統(tǒng)上的各種場(chǎng)景進(jìn)行分析、建模和測(cè)試，并提供了從參數(shù)角度或拓?fù)洌ㄐ螤?重量）角度對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行各種改進(jìn)和優(yōu)化的機(jī)會(huì)。數(shù)字孿生技術(shù)是仿真、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)等新興科技的集成：傳感器、仿真、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于物理實(shí)體數(shù)字建模；大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能用于分析數(shù)字孿生收集的數(shù)據(jù)、學(xué)習(xí)實(shí)體的行為、以及對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)。
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(lǐng)域中的應(yīng)用軍事領(lǐng)域的首批數(shù)字孿生研究之一是2010年自適應(yīng)車輛制造(AVM) 計(jì)劃，旨在縮短武器的研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)武器制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，以在網(wǎng)絡(luò)空間完成武器研發(fā)的所有過程，包括設(shè)計(jì)、模擬、實(shí)驗(yàn)、加工和生產(chǎn)。當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域的研發(fā)： 1.航空領(lǐng)域 早期故障檢測(cè)：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(xiàng)為期11年的協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生國(guó)家戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目在生產(chǎn)設(shè)施方面的全面應(yīng)用、減少生產(chǎn)錯(cuò)誤、以及加快生產(chǎn)速度。創(chuàng)建軍用飛機(jī)的數(shù)字孿生體成為軍事領(lǐng)域最重要和最熱門的發(fā)展之一。美軍計(jì)劃通過數(shù)字孿生技術(shù)軟件生成 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)的數(shù)字“克隆”，用來替代真實(shí)戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、預(yù)期壽命和故障率。 提高性能：美國(guó)陸軍正在轉(zhuǎn)向使用威奇托州立大學(xué)的數(shù)字孿生技術(shù)來解決黑鷹直升機(jī)中的問題并提高其性能。該大學(xué)在過去15年中為美國(guó)國(guó)防部進(jìn)行拆卸研究，并于2018年開始數(shù)字孿生研究。美國(guó)空軍已經(jīng)在2020年夏天開始拆除B-1轟炸機(jī)，以制造其數(shù)字孿生機(jī)。2022年3月美國(guó)空軍宣布已在佛羅里達(dá)州廷德爾空軍基地啟用“數(shù)字孿生全息實(shí)驗(yàn)室”。該實(shí)驗(yàn)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(cè)試技術(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可實(shí)戰(zhàn)的技術(shù)。
節(jié)省維護(hù)成本：美軍1.4萬(wàn)架飛機(jī)每年的維修費(fèi)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(shí)技術(shù)，加強(qiáng)軍事準(zhǔn)備流程，并有望通過數(shù)字孿生技術(shù)監(jiān)控機(jī)載傳感器的數(shù)據(jù)，提供部件更換時(shí)間或使用時(shí)長(zhǎng)的信息，從而降低維護(hù)成本。 2.航天領(lǐng)域 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展對(duì)軍事航天領(lǐng)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(cè)(FD-HM)，研究表明診斷結(jié)果大大增加了這方面的可解釋性和可表達(dá)性，并且數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法可以用于實(shí)施故障診斷和維護(hù)決策。該方法預(yù)計(jì)可適用于衛(wèi)星子系統(tǒng)，甚至所有具有成熟機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。基于數(shù)字孿生技術(shù)的系統(tǒng)，使用高精度的主動(dòng)虛擬模型（可實(shí)現(xiàn)超高保真度），將有助于衛(wèi)星電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，并制定合理的維護(hù)策略，以更好地適應(yīng)不斷變化的條件。
3.網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域 CPS：網(wǎng)絡(luò)安全/防御是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重要軍事領(lǐng)域。近年來隨著數(shù)字化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全/防御領(lǐng)域變得越來越重要，并作為各國(guó)物理防御機(jī)制的補(bǔ)充。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，包括物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間的通信和協(xié)調(diào)在內(nèi)的整個(gè)結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)時(shí)，利用過去的飛行信息和傳感器的即時(shí)飛行信息，在其生產(chǎn)階段使用了 CPS 架構(gòu)。 C2PS：云基CPS的數(shù)字孿生架構(gòu)參考模型，即C2PS方法，通過計(jì)算、控制和云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施來加強(qiáng)持續(xù)活躍的孿生反饋回路，以提高物理系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，從而使該方法變得更具可擴(kuò)展性。C2PS的數(shù)字孿生體將每一項(xiàng)物理資產(chǎn)數(shù)據(jù)保存在云端，當(dāng)物理世界發(fā)生變化時(shí)，物理傳感器也會(huì)更新其云端數(shù)字孿生代表的狀態(tài)。此外，通過關(guān)閉數(shù)字孿生體的訪問權(quán)限即可直接切斷外界對(duì)物理實(shí)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(shí)世界資產(chǎn)的高度安全性，這在軍事領(lǐng)域中是極其重要的。
五大優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)、建模和簡(jiǎn)單模擬之后產(chǎn)生的。如果出現(xiàn)任何問題，將審查其設(shè)計(jì)并進(jìn)行必要的更改。新原型的模擬、物理生產(chǎn)和測(cè)試等過程會(huì)循環(huán)進(jìn)行，直到達(dá)到需求標(biāo)準(zhǔn)。但是，當(dāng)使用數(shù)字孿生技術(shù)時(shí)，產(chǎn)品的數(shù)字孿生是從設(shè)計(jì)階段就開始創(chuàng)建的。因此，在決定是否對(duì)原型進(jìn)行物理更改之前，其孿生體會(huì)測(cè)試各種場(chǎng)景，以更快、更準(zhǔn)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(shí)間和原型生產(chǎn)成本。 2.高效的維護(hù)維修過程 具有數(shù)字孿生的產(chǎn)品會(huì)不斷地將數(shù)據(jù)從物理實(shí)體傳輸?shù)狡鋽?shù)字孿生體，因此可以對(duì)產(chǎn)品故障采取預(yù)防措施，并遠(yuǎn)程確定故障源。數(shù)字孿生技術(shù)還提供單獨(dú)的序列化資產(chǎn)檢查和服務(wù)計(jì)劃，以及提供生命周期支持合同以減少維護(hù)次數(shù)和成本。維護(hù)、維修和大修 (MRO) 服務(wù)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(hù)服務(wù)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(shí)現(xiàn)更快的維護(hù)維修服務(wù)，從而保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 3.更快的預(yù)測(cè) 借助大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)字孿生可以對(duì)產(chǎn)品未來情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。數(shù)字孿生通過模擬火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和石油鉆井平臺(tái)等資產(chǎn)，以監(jiān)測(cè)不同程度的壓力對(duì)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(shè)計(jì)。 在智能工廠中，數(shù)字孿生通過一段時(shí)間內(nèi)收集的機(jī)器數(shù)據(jù)來幫助操作員做出實(shí)時(shí)決策，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)生成生產(chǎn)數(shù)據(jù)，反映其物理實(shí)體的當(dāng)前狀態(tài)，與技術(shù)人員或其他感興趣的團(tuán)體遠(yuǎn)程共享。因此，數(shù)字孿生的虛擬表示將能夠預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，避免損失。
4.高度保真 保真度是軍事應(yīng)用的一項(xiàng)基本要求，準(zhǔn)確性在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。準(zhǔn)確度越高，數(shù)字孿生中的虛擬表示與物理實(shí)體就越接近，模擬、建模和優(yōu)化也就越準(zhǔn)確。在這一點(diǎn)上，數(shù)字孿生技術(shù)的高保真優(yōu)勢(shì)成為軍事領(lǐng)域首選的原因，也是提高系統(tǒng)可靠性的一個(gè)因素。 5.更高的適用性 數(shù)字孿生技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的適應(yīng)性。生產(chǎn)線變更過程中，生產(chǎn)活動(dòng)將會(huì)被迫停止。由于變更結(jié)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(shù)，可以很容易地判斷這些變化是否會(huì)提高效率。因此，數(shù)字孿生技術(shù)使研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以更有信心地改進(jìn)生產(chǎn)線。 未來趨勢(shì)和啟示文章指出，數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)使其在軍事技術(shù)研發(fā)方面具有巨大潛力，是軍事技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。據(jù)《軍事文摘》2022年8月刊一篇題為“數(shù)字孿生技術(shù)在智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用”的文章，數(shù)字孿生技術(shù)還將應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的設(shè)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(chǎng)環(huán)境能夠?yàn)樽鲬?zhàn)規(guī)劃、演練和行動(dòng)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(tái)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等物理戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)字孿生體，為指揮官展示實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)所有數(shù)字模型，反映真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)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(shù)的應(yīng)用已處于世界領(lǐng)先水平，初顯了數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的顛覆性影響。各國(guó)應(yīng)重視數(shù)字孿生在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，以更好地應(yīng)對(duì)智能化戰(zhàn)爭(zhēng)。 |
