美國國防領域數字孿生技術發展態勢分析

北方科技信息研究所 李曉紅

數字孿生技術自2011 年由美國空軍研究實驗室提出并開展應用研究以來，受到各軍事強國的高度關注。美國在數字孿生技術應用研究方面的表現尤為突出，國防領域引領數字孿生應用達到先進水平，數字孿生技術在武器裝備全壽命周期的應用初見成效，軍工巨頭參與數字孿生聯盟運作，加速技術推廣應用，其具體做法值得我們借鑒。

一、數字孿生的概念與特點

數字孿生強調充分利用物理實體的物理模型與傳感器反饋數據、運行歷史數據等信息數據，在虛擬世界中構建一個物理實體的鏡像數字模型，通過兩者的實時連接、映射、分析、反饋，來了解、分析和優化物理實體，全局掌控其實時狀態，提供更完善的全壽期支持服務，涉及物理實體、數字孿生體、孿生數據、連接交互、服務等核心要素。

數字孿生技術主要有以下特點：一是實時性。數字孿生體可對物理實體進行動態仿真，兩者之間可實現動態數據實時交互，并根據彼此的動態變化實時做出響應。二是雙向性。除物理實體向數字孿生體輸出數據外，數字孿生體也要向物理實體反饋信息，并根據反饋信息，對物理實體采取進一步的行動和干預。三是全周期。數字孿生可以貫穿產品設計、開發、制造、維護乃至報廢的整個周期。

二、美國國防領域引領數字孿生 應用先進水平

（一）美國軍方在全球率先探索數字孿生應用

“數字孿生”的概念最早由美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授于2003 年提出，主要用于產品全壽命周期管理的學術研究。受當時技術和認知水平局限，這一概念并沒有得到重視。2011 年，美國空軍研究實驗室為解決復雜服役環境下的飛行器維護及壽命預測問題，首次提出開展數字孿生應用研究。2012 年，美國國家航空航天局（NASA）發布《建模、仿真、信息技術和處理路線圖》，數字孿生的概念開始引起廣泛重視。2013 年，美國空軍發布《全球地平線》頂層科技規劃文件，將數字孿生技術視為“改變游戲規則”的顛覆性技術。從2014 年起，美軍組織美國洛克希德·馬丁公司、美國波音公司等軍工巨頭結合各自應用需求積極推進數字孿生關鍵技術研發，開展應用研究，并陸續取得成果。

美國空軍研究實驗室采用數字孿生來解決戰斗機機體維護問題時，充分考慮了材料、結構、機械系統、制造、載荷與環境等多目標因素，重點突破了多尺度高逼真損傷模型構建、實時狀態感知及數據采集、基于概率統計的虛擬仿真驗證、故障概率統計分析、壽命預測等關鍵技術。美國海軍正在研究構建艦船平臺的數字孿生模型，用來預測最佳的平臺性能，提升戰場感知能力，涉及的關鍵技術主要包括分布式數據分析、機器學習、壓縮采樣算法、數字傳感網絡、多物理解算器、多目標優化等。美國通用電氣公司將數字孿生應用于發動機、能源等業務領域，目標是利用物聯網來連接設備傳感器、數據和模型，涉及物理實體模型構建、人工智能、傳感網絡、數字線索、物聯網等關鍵技術。

（二）國防領域積極進行數字孿生戰略布局

美國數字制造創新機構由美國國防部牽頭組建，是國家制造創新網絡計劃的14 個創新機構之一，該創新機構近幾年都將數字孿生列為戰略投資重點，2018 年開始進行工廠數字孿生試點研究，研究構建了供應鏈數字孿生模型，積極向機構內成員宣傳數字孿生等新技術的發展前景。2019 年，該機構將“工廠數字孿生”列為第一重點投資方向，旨在通過推廣應用數字線索和數字孿生技術，提高離散/流程制造業的生產力，策劃實施了7 個研究項目，涉及產品數字孿生、人工智能與數字孿生融合應用、數控設備數字孿生、數字孿生用于預測性維護等方向。2020 年，該機構在繼續完成2019 年項目研究的基礎上，策劃了“采用數字孿生與供應鏈進行虛擬交互”等項目，將于2021 年開始啟動實施。

2018 年6 月，美國國防部正式對外發布“國防部數字工程戰略”，將數字孿生視為推動裝備工程實踐轉型、應對構建數字工程生態系統關鍵挑戰的重點創新技術之一，旨在通過提供數字化的權威信息源，為工業界的數字復雜組織體和國防部的數字復雜組織體搭建橋梁，使政府和工業界之間建立互信，以應對塑造數字工程生態系統所面臨的關鍵挑戰。

（三）推進數字孿生深入應用，在武器裝備全壽命周期的應用初見成效

在相關戰略的推動下，近兩年數字孿生開始部署應用在美軍武器裝備研制、生產與運行維護等多個環節，顯著提升了武器裝備研制生產決策水平，應用成效初顯，主要體現在以下幾個方面：

一是借助數字孿生執行迭代設計優化、預測裝備性能與質量，提高設計的準確性。通過建立數字孿生體，在實際制造出任何零部件之前就可以預測其成品性能與質量，識別設計缺陷，并在數字孿生體中直接進行迭代設計，重新進行制造仿真，保證所有的設計技術指標都可以準確無誤地實現，提高設計的準確性，并可大幅縮短研制周期、降低研發成本。

2019 年10 月，美國海軍信息戰系統司令部為“林肯”號航母構建了首個名為“數字林肯”的數字孿生體。基于虛擬試驗環境，該數字孿生體可對航母下一代綜合戰術環境系統、海上全球指揮控制系統等5 個信息系統的性能進行測試，在實裝部署前通過仿真分析確定其能力差距，提高系統的可靠性、安全性和兼容性。該技術還將推廣應用在“艾森豪威爾”號航母的模型構建過程。

二是借助數字孿生技術提升制造資源管控效率和質量，降本增效。將產品本身的數字孿生體與生產設備、生產過程等其他形態的數字孿生體形成共智關系，可優化制造流程，合理配置制造資源，減少設備停機時間，提升車間管控效率和質量，進而提高生產資源利用率，降低生產成本。

2017 年12 月，洛克希德·馬丁公司在F-35戰機沃斯堡生產廠家部署采用數字孿生技術的“智能空間平臺”，將實際生產數據映射到數字孿生模型中，并與制造規劃及執行系統相銜接，提前規劃和調配制造資源。2019 年4 月，美國海軍海上系統司令部將數字孿生技術應用于4 家船廠的廠區配置，主要目標包括：研究船廠焊接車間、物料倉庫、辦公空間的新布局，改進工作流程、減少無效工時。預計該計劃完成后，船廠每年可節省30 多萬個工時。

三是借助數字孿生實時精準監測裝備運行狀態和實際效能，實現裝備健康管理。數字孿生技術通過與工業物聯網、大數據等技術集成應用，可實時、遠程、精準地監測物理實體的運行狀態和實際發揮的效能，進行物理實體故障診斷，提高故障分析效率；提早發現潛在的風險和問題，并進行預測性維修；通過實時監控產品的運行狀態，并利用大數據分析技術，將裝備的真實使用情況反饋到設計端，有助于實現裝備的持續有效改進。

2019 年9 月，美國紐波特紐斯造船廠建立了“福特級”航母先進武器升降機的數字孿生模型，全力解決“福特級”航母先進武器升降機出現的故障，確保升降機正常交付使用。2020 年8 月，美國國家制造科學中心表示其正通過美國國防部“用于維修活動的民用技術（CTMA）”為一架1985 年開始服役的B-1B“槍騎兵”戰略轟炸機創建整機數字孿生模型，用于預測飛機性能，實時診斷飛機結構的健康狀況，實現轟炸機服役到2040 年的目標。

四是借助數字孿生在實驗室或其他條件下測試裝備使用系統功能，加快系統升級改造速度。“數字孿生”技術以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，增加或擴展物理實體的新功能。隨著技術體系的不斷成熟，數字孿生技術將更廣泛地應用于戰場作戰的輔助決策、態勢評估、對抗演練及單兵訓練等方向。

2019 年3 月，美國安裝了“虛擬宙斯盾”系統的“宙斯盾”艦發射“標準-2”導彈，成功攔截目標。“虛擬宙斯盾”系統利用數字孿生技術，模擬了“宙斯盾”系統的核心硬件，可執行“宙斯盾”作戰系統的全部功能，并在艦船上開展硬件、軟件、算法的同步測試。這使艦載作戰軟件的更新和部署周期從18～24 個月縮短為近實時。同時，實戰數據引入后進一步提高了軟件測試的可信度。2020 年3 月，美國空軍宣布正在利用數字孿生技術保障GPS 2R 衛星的網絡安全，在數字孿生模型中開展網絡安全滲透測試，查找GPS 系統的網絡漏洞。

三、美國軍工巨頭參與數字孿生聯盟運作，加速技術推廣應用

2020 年5 月，美國Ansys 公司、微軟公司、戴爾公司、Lendlease 公司等共同宣布成立數字孿生聯盟，旨在制定數字孿生路線圖及行業應用指南，開發相關標準，增強數字孿生的可移植性和互操作性，推動數字孿生技術在更多行業的應用。該聯盟成立短短幾個月以來，就已經吸納了來自全球政府機構、工業界、學術界的會員單位150 余家。美國空軍研究實驗室、通用電氣公司、諾格公司等軍工巨頭均是該聯盟的創始成員，其在數字孿生技術應用方面的成功經驗將為加速數字孿生技術的推廣應用奠定堅實基礎。

2020 年8 月，數字孿生聯盟與工業互聯網聯盟達成協議，希望加快數字孿生技術的開發、應用速度并創造經濟效益。其聯合活動主要包括：在標準化要求方面進行協作；通過協調技術組件及其他要素來實現互操作性；協調在術語、安全、模型、支撐技術等方面的工作，以便在各領域中獲得應用；組織進行信息交流，聯合召開研討會和進行市場營銷。

四、啟示建議

數字孿生作為一項新興前沿科技，對裝備和技術發展的顛覆性影響正在逐步顯現，數字孿生聯盟組建后將推動美國數字孿生技術的發展步入快車道。為在數字孿生方面實現對美國的“追跑”，以及后續“并跑”，我國國防領域應盡早進行整體規劃布局，突破關鍵技術，推進數字孿生技術的深入應用。

一是加強數字孿生技術的頂層謀劃，在相關規劃計劃中制定明確的數字孿生技術應用戰略和目標，搭建關鍵技術、標準規范、軟硬件配套等數字孿生總體發展架構，制定數字孿生技術發展路線圖。

二是以需求迫切、基礎較好、潛力巨大的應用場景為突破口，前瞻性地開展“數字孿生”項目研究，選取裝備設計、生產制造、預測性維修等若干典型應用場景，在重點領域、重點環節率先實現突破。

三是聚焦復雜系統快速設計與制造、精準保障等發展需求，重點加快以下關鍵技術的研發進度：高速傳感網絡及數據采集技術，以獲取系統實時狀態；多專業數字孿生建模技術，以構建系統全要素、高保真模型；高性能計算、人工智能技術，以實現系統、模型、環境等海量數據的高速高效處理、迭代優化及智能決策；開發物聯網平臺，以實現復雜系統“虛”“實”融合。