來源：解放軍報(bào)·中國(guó)軍號(hào) 數(shù)字孿生技術(shù)加速改寫未來戰(zhàn)爭(zhēng)■吳憲宇 許 偉 李 芮
美國(guó)海軍核動(dòng)力航母數(shù)字孿生體概念模型。資料圖片 6月27日，據(jù)國(guó)外航空網(wǎng)站報(bào)道，意大利最大的軍工和高科技公司——萊昂納多公司生產(chǎn)的AW609AC4飛機(jī)，順利完成了在意大利“加富爾號(hào)”航空母艦上的起降。此篇報(bào)道特別提到，數(shù)字孿生技術(shù)為這次航母的起降試驗(yàn)提供了技術(shù)支持。 通俗地說，數(shù)字孿生技術(shù)就像“復(fù)制—粘貼”快捷鍵，可以近乎無差別地模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，成為近年來世界各國(guó)軍事領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)。美海軍2024年發(fā)布的《海軍科技戰(zhàn)略》強(qiáng)調(diào)，“數(shù)字孿生化”是加速先進(jìn)技術(shù)快速轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。 那么，數(shù)字孿生技術(shù)源自何處？有哪些應(yīng)用？未來又能走多遠(yuǎn)？請(qǐng)看本期解讀。 追溯—— 數(shù)字孿生技術(shù)的來龍去脈 如何讓模擬的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境無限逼近真實(shí)？數(shù)字孿生技術(shù)給出了參考答案。 所謂數(shù)字孿生技術(shù)，是指綜合利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等技術(shù)，對(duì)真實(shí)世界中物理對(duì)象的特征、行為、運(yùn)行過程及性能進(jìn)行描述與建模的方法。 我們可以把它想象成一面鏡子：真實(shí)物體是什么樣子，在鏡子里就會(huì)呈現(xiàn)出什么樣子。和鏡子成像的感覺類似，數(shù)字孿生技術(shù)通過集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等多種來源數(shù)據(jù)，利用原理、機(jī)制和流程模型等工具，創(chuàng)建一個(gè)精確實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象狀態(tài)的數(shù)字模型，并為使用者提供實(shí)時(shí)的反饋與交互。 數(shù)字孿生技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)70年代末，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開始使用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)航天器進(jìn)行建模和仿真，當(dāng)時(shí)每個(gè)航行航天器都有一個(gè)被精確復(fù)制的“地球版本”，用于研究和模擬，供飛行機(jī)組人員使用。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以精準(zhǔn)測(cè)試航天器的設(shè)計(jì)情況，還能有效縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本。 不過此時(shí)還沒有“數(shù)字孿生”這個(gè)概念。直到2002年，美國(guó)密歇根州立大學(xué)教授邁克爾·格里弗斯在一次演講中，提及了類似“數(shù)字孿生”的相關(guān)概念。 2004年，我國(guó)科研人員王飛躍發(fā)表名為《平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制》文章，文中提出了平行系統(tǒng)的概念，這也和“數(shù)字孿生”的概念非常接近。 2009年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）首次明確提到了“數(shù)字孿生體”的概念框架及其工程實(shí)施路徑。次年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中開始正式使用“數(shù)字孿生”這一名稱。 2013年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，啟動(dòng)了驗(yàn)證數(shù)字孿生概念可行性的相關(guān)項(xiàng)目。 2017年，數(shù)字孿生技術(shù)被高德納科技咨詢公司列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢(shì)之一，同時(shí)西門子、波音、通用等企業(yè)均啟動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目，開發(fā)數(shù)字孿生模型，探索數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用落地，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。 隨后，數(shù)字孿生技術(shù)成為眾多科技企業(yè)戰(zhàn)略的技術(shù)重點(diǎn)，迎來了廣泛部署與應(yīng)用的黃金時(shí)期：在制造行業(yè)，預(yù)測(cè)機(jī)械設(shè)備的損耗并據(jù)此制訂維護(hù)計(jì)劃；在醫(yī)療領(lǐng)域，模擬人體器官功能，促進(jìn)醫(yī)生精準(zhǔn)診斷病情、推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療發(fā)展；在交通運(yùn)輸行業(yè)，模擬交通系統(tǒng)的人車流動(dòng)，為制定城市交通規(guī)劃提供參考依據(jù)；在軍事領(lǐng)域，助力裝備研制、部署、維護(hù)，并輔助教學(xué)訓(xùn)練…… 可以說，數(shù)字孿生技術(shù)不僅能夠復(fù)刻真實(shí)的世界，還能與物理世界實(shí)體互動(dòng)，向物理實(shí)體反饋信息，給人類生產(chǎn)生活帶來深刻變化，助力未來科技加速發(fā)展。 催化—— 軍事創(chuàng)新的風(fēng)向標(biāo)與加速器 憑借對(duì)真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、武器裝備及作戰(zhàn)人員狀態(tài)的精確模擬，數(shù)字孿生技術(shù)成為了推動(dòng)軍事領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。 當(dāng)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于模擬訓(xùn)練時(shí)，可以實(shí)時(shí)記錄并追蹤每位參訓(xùn)者的訓(xùn)練狀態(tài)與進(jìn)展。此外，通過數(shù)據(jù)分析與反饋機(jī)制，該技術(shù)還能幫助參訓(xùn)者輔助識(shí)別自己的訓(xùn)練強(qiáng)項(xiàng)和待改進(jìn)之處。 最常見的例子是數(shù)字孿生靶場(chǎng)系統(tǒng)。在具體運(yùn)行中，該系統(tǒng)可以模擬各種復(fù)雜多變的作戰(zhàn)場(chǎng)景測(cè)試，幫助參訓(xùn)者熟悉裝備的各項(xiàng)性能與操作，提升應(yīng)對(duì)復(fù)雜情況的能力，同時(shí)為裝備的性能驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)、訓(xùn)練提升及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有力的技術(shù)支持。這樣的精準(zhǔn)指導(dǎo)可有效提升訓(xùn)練效率，經(jīng)過模擬環(huán)境的一次次磨礪后，參訓(xùn)者的技能與戰(zhàn)斗力將得到快速提高。 在裝備的管理與維護(hù)中，數(shù)字孿生技術(shù)也能發(fā)揮重要作用。 借助該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)與維修保障信息的動(dòng)態(tài)捕捉與實(shí)時(shí)記錄。這有助于全面精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)戰(zhàn)機(jī)、軍艦、武器系統(tǒng)等的健康狀態(tài)，進(jìn)而促進(jìn)裝備持續(xù)優(yōu)化，提高裝備使用效率等。 此外，由于數(shù)字孿生技術(shù)可以無限制地模擬成千上萬次測(cè)試工作，會(huì)顯著地降低傳統(tǒng)實(shí)機(jī)測(cè)試所需的高昂成本和時(shí)間消耗，避免實(shí)際裝備測(cè)試中可能帶來的損耗和風(fēng)險(xiǎn)。 數(shù)字孿生技術(shù)還可以用于在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的輔助決策。 一方面，借助數(shù)字孿生技術(shù)建立數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)模型，指揮員通過實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)反饋的數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)了解戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)；另一方面，通過深度挖掘與利用海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建出高度仿真的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與作戰(zhàn)行動(dòng)模擬數(shù)字系統(tǒng)，打造的全方位、多維度戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知圖景，能夠協(xié)助指揮員在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中提前洞察戰(zhàn)場(chǎng)走向，針對(duì)潛在威脅與機(jī)遇做出迅速響應(yīng)，制訂出更加高效、靈活的作戰(zhàn)計(jì)劃。 當(dāng)然，如今數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也面臨不少挑戰(zhàn)。 一方面，由于尚未形成體系化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同數(shù)字孿生模型采用不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議限制了集成應(yīng)用，數(shù)字孿生模型的構(gòu)建及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致模型的一致性難以保證。另一方面，數(shù)字孿生技術(shù)成熟度不足，在處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系和不確定性的數(shù)據(jù)同化技術(shù)、實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體狀態(tài)的模型更新技術(shù)等方面仍需探索。此外，在數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)和使用過程中如何防范泄密，是數(shù)字孿生技術(shù)亟待解決的問題。 加速—— 走向未來戰(zhàn)場(chǎng)的必由之路 近年來，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的探索和研究初具規(guī)模，其在軍事領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用越來越深入、越來越廣泛，不少國(guó)家在這一領(lǐng)域紛紛發(fā)力。 2013年，美空軍發(fā)布《全球地平線》科技規(guī)劃，將發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)提升到戰(zhàn)略地位。2018年美國(guó)防部公布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，該戰(zhàn)略要求在裝備研發(fā)的全過程中全面融入基于數(shù)字孿生概念的數(shù)字工程技術(shù)，確保從設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用直至維護(hù)的整個(gè)生命周期均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。此后，美軍各軍種及其相關(guān)機(jī)構(gòu)加速了對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的引入進(jìn)程，致力于構(gòu)建以“數(shù)字孿生 ”為核心的應(yīng)用體系，借此推動(dòng)軍事能力的全面提升。 美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在數(shù)字孿生領(lǐng)域進(jìn)行廣泛布局和深入探索，開展了多個(gè)重要項(xiàng)目。其中，X-DATA項(xiàng)目構(gòu)建了“通用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施”，為數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)提供了重要支持；“在水下自主作戰(zhàn)中定義和利用數(shù)字孿生”（DELTA）項(xiàng)目，把數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于無人潛航器，目前該項(xiàng)目已完成第二階段海試，第三階段預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)軍事應(yīng)用。 美海軍也探索通過利用數(shù)字孿生技術(shù)來強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)。據(jù)悉，美海軍供應(yīng)商紐波特紐斯造船廠提出為其產(chǎn)品提供“全生命周期數(shù)字孿生體”數(shù)字化服務(wù)。此外，美海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（NAVWAR）為“林肯”號(hào)航母構(gòu)建的數(shù)字孿生模型“數(shù)字林肯”，也于2020年安裝。 與此同時(shí)，在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用拓展中，美軍除了構(gòu)建精細(xì)的數(shù)字孿生裝備模型外，還包括致力于打造一個(gè)全面的數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境——使用者通過為衛(wèi)星、雷達(dá)、戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備等關(guān)鍵要素建立數(shù)字孿生模型，進(jìn)而形成基于高度集成數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的電子戰(zhàn)體系；使用者基于數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)的兵棋推演平臺(tái)，深度融合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)分析戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下的戰(zhàn)術(shù)效果，為指揮人員提供決策支持，提升部隊(duì)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)對(duì)能力和作戰(zhàn)效能。比如，美軍就為F-35戰(zhàn)機(jī)專門開發(fā)了一個(gè)數(shù)字孿生靶場(chǎng)系統(tǒng)，用于對(duì)F-35戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)試驗(yàn)與鑒定。在此基礎(chǔ)上，他們計(jì)劃2035年前在所有靶場(chǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生化建設(shè)。 目前，越來越多的國(guó)家正加入到探索應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的陣營(yíng)中來——法國(guó)達(dá)索飛機(jī)制造公司建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3DExperience平臺(tái)，用于“陣風(fēng)”系列戰(zhàn)斗機(jī)及土耳其TF-X第五代戰(zhàn)斗機(jī)的研制；德國(guó)西門子公司開發(fā)了Simcenter平臺(tái)支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)相關(guān)業(yè)務(wù)；日本發(fā)動(dòng)機(jī)公司J-ENG聯(lián)手日本船級(jí)社，開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)字孿生體研究；俄羅斯2021年發(fā)布了世界上首個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生通用標(biāo)準(zhǔn)》，該國(guó)土星公司、克里莫夫公司、禮炮公司積極探索數(shù)字孿生體的開發(fā)及應(yīng)用。 可以推斷，未來隨著與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)進(jìn)一步融合，數(shù)字孿生技術(shù)必將實(shí)現(xiàn)更加高效的采集、傳輸、處理和分析數(shù)據(jù)，朝著更加智能化、可視化和集成化的方向加速發(fā)展，滿足更多軍事領(lǐng)域的創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用需求，成為走向未來戰(zhàn)場(chǎng)的必經(jīng)之路。 （解放軍報(bào)·中國(guó)軍號(hào)出品） |
