數字孿生技術及其軍事應用探析

于知勻 方 政

當前，以大數據、物聯網、5G通信等新技術為代表的數字浪潮正在驅動新一輪科技革命，物理世界和與之相稱的虛擬世界逐步形成兩大體系平行發展、相互影響。數字孿生技術通過數字化建模的方式建立物理世界和數字世界之間精準映射關系，實現了現實物理系統向虛擬空間數字化模型的反饋。在此背景下，數字孿生技術憑借其虛實相生、智能交融的獨特優勢已經在城市建設、航空航天、車間生產等多個行業成功應用，并隨著科技的發展不斷擴大應用場景。深入分析數字孿生技術的特點優勢和軍事領域應用，是軍隊加快機械化、信息化、智能化融合發展，制勝智能化戰爭面臨的重大課題。

數字孿生技術的內涵及特征

基本概念一項新技術或一個新概念的出現，術語定義是后續發展應用的基礎。與其他新興技術概念相同，目前對于數字孿生的定義也是見仁見智。科研機構、制造廠商、軍工企業或知名學者均對其有不同的定義或解釋。中國電子信息產業發展研究院認為數字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、診斷、預測、決策，進而實現物理空間與賽博空間的交互映射。通用公司認為數字孿生是對物理對象或系統在全生命周期內的虛擬表達，并通過使用實時數據實現理解、學習和推理。洛克希德·馬丁、雷神、波音等公司認為，數字孿生是一套模擬單個的實物資產或一組實物資產結構、環境和行為的虛擬信息架構，利用其全壽命周期內的物理孿生數據來進行動態更新，并給出有助于實現價值的決策。總的看來，發展運用數字孿生技術，物理模型是核心，運行數據是基礎，平臺軟件是載體。通過在數字空間實時構建物理對象來模擬、驗證、預測、控制物理實體。綜合分析和參考各方的概念后，本文對于數字孿生定義如下：通過數字化建模的方式建立物理世界和數字世界之間精準映射關系、實時反饋機制，構建起虛擬世界對物理世界描述、診斷、預測和決策新體系，從而反映相對應的實體空間的全生命周期。

主要特征數字孿生的重要意義在于實現了現實物理系統向虛擬空間數字化模型的反饋。通過分析數字孿生技術的概念內涵，可以總結出其具有以下主要特征：

一是實時同步。物理實體有準確的結構模型，依據智能化算法對其外觀、狀態、屬性、內在機理進行動態仿真，數字孿生體和物理實體彼此之間可實現動態數據同步更新，并依據相互之間的變化即刻做出相應映射。二是虛實映射。物理空間和虛擬空間可雙向交互演進：不但數字孿生體能夠實時反饋物理實體的狀態，并且還要向物理實體反饋信息，根據需要對物理實體進行必要的干預和控制。三是共生演進。數字孿生體所模擬過程是物理實體的全生命周期，包括其設計、生產、運行、維護、修理、退役、報廢等一系列實際活動，與物理實體一樣具有客觀唯一性。四是多維操作。物理對象和數字孿生體能夠動態交互和實時連接，因此數字孿生技術具備以多樣的數字模型映射物理實體的能力，具備在不同數字模型之間轉換、合并、操作的特性。五是自主優化。數字孿生體可以不斷收集實際系統的數據，與其上一個狀態進行比較分析，基于數據進行結果分析，調整物理實體的運行方向，從而達到優化生產計劃、降低潛在風險等目的。

數字孿生與虛實映射

數字孿生技術發展歷程

關于數字孿生技術起源及發展的觀點眾說紛紜，總體來看，可以大致歸納為以下四個時期。

技術準備期（2002年之前）數字孿生起源于傳統仿真建模。通過對物理世界的觀察，將其運行機理和內外部關系等以數學模型、物理模型或者計算機模型的方式進行重構，進而模擬真實世界。19世紀60年代開始，出現了以CAD、CAE為代表的一批仿真軟件。1969年，在“阿波羅”計劃中，美國家航空航天局（NASA）利用仿真建模技術制作了一組完全相同的空間飛行器，其中之一被留在地球上，命名為“孿生體”，以便反饋大氣層外實際執行任務的空間飛行器運行狀態。任務準備期間，孿生體與實體一樣全程參與訓練；執行任務期間，對空間飛行器輸入的指令和操作同步加載到孿生體上，使其近似真實地反映運行情況，以便復現或模擬飛行器的實際狀態來輔助決策。可以說仿真技術的普及和發展為數字孿生概念的提出奠定了堅實的技術基礎。

概念提出期（2002—2010年）美密歇根大學Michael Grieves教授于2002年12月在該校產品生命周期管理（PLM）開發聯盟成立時的講稿中首次圖示了數字孿生的概念內涵；2003年在其所講授的產品生命周期管理課程中引入了“鏡像空間模型（信息鏡像模型）”的概念，并提出類似數字孿生的思想；2010年，NASA直接使用“數字孿生”這一名稱，他們認為在航空航天任務中，數字孿生技術可以用于分析飛行器執行任務情況，預測飛行狀態和防范飛行隱患。顯然，NASA起初對數字孿生的定義還局限于航空航天領域，將其主要運用在對航天器力學分析、飛行性能的預測當中。這一時期，仿真技術日趨成熟，工程科學領域出現了基于模型的系統工程、仿真驅動設計等先進設計范式，美軍方機構相繼開始提出數字孿生的相關概念和發展構想。

NASA利用孿生體模仿本體

萌芽探索期（2010—2020年）2011年，美空軍研究實驗室（AFRL）將數字孿生技術應用到飛行器的健康管理。隨后NASA和AFRL將數字孿生定義為一個集合了多物理場和多維度的建模仿真技術，并以空間飛行器為例提出數字孿生設計模型：整合傳感器和歷史數據資源，構建出一個虛擬空間的映射模型，動態刻畫出飛行器全周期運行過程，在數據空間內達成飛行器狀態分析、故障判斷及壽命預測等。目的是及時發現并解決問題，延長飛行系統的使用時間。在工業制造方面，數字孿生技術同樣成為關注焦點。

2017年，洛克希德·馬丁公司將數字孿生技術列為未來國防和航天工業六大頂尖技術之首。Gartner公司從2017年開始，連續三年將數字孿生列為十大戰略性科技趨勢之一。西門子公司在2016年開始嘗試利用數字孿生技術完善工業4.0應用，到2017年，正式發布完整的數字孿生應用模型，成為數字孿生技術的倡導者和實踐者。在此階段，波音公司、通用公司等多家企業均啟動相關工程，開始探索數字孿生技術在本領域的實際應用，推進數字孿生技術在制造行業的快速發展。

推廣應用期（2020年之后）進入2020年后，數字孿生技術被納入眾多科技企業戰略大方向，迎來了推廣應用的高潮。國外主要發達國家從政府層面制定相關政策、成立聯盟團體，協同開發攻關，加速數字孿生技術發展。美國將數字孿生作為數字化工業互聯網落地的平臺載體，側重智能化生產和重點軍工裝備領域應用。仿真巨頭Ansys公司依托數字孿生技術對復雜產品對象全生命周期建模，結合仿真分析，打通從產品設計研發到生產的數據流；微軟公司與Ansys合作，在物聯網平臺上拓展數字孿生功能模塊。

數字孿生技術軍事應用構想

數字孿生技術所展現的特點和優勢，同樣契合了軍事領域發展運用的特殊需求。特別是在智能化戰爭中，依托數字孿生技術開展作戰指揮、信息通信、戰場建設和裝備維護將會是大勢所趨。

數字孿生+作戰指揮數字孿生技術可以通過自主學習，同步復制與實戰環境一致的虛擬場景，輔助指揮員實施遠程高效的作戰指揮。一是優化作戰指揮體系。數字孿生技術為各級指揮員與數字孿生系統之間提供清晰準確的交流通道，理想情況下該交流包括但不限于觸覺、視覺、聽覺，讓操作者能夠迅速掌握物理實體的屬性和實時性能，為指揮決策提供科學支持。相比傳統文書管理、指令管理系統的多級中轉，可有效增強不同層次指揮對象之間平行和交叉的縱橫聯通能力。二是創新作戰指揮模式。數字孿生技術可以區分不同作戰任務構建出真實的作戰場景，采用作戰體系建模的方法對各類作戰資源實體進行數字孿生建模，既包括飛機、艦船、導彈等實體類，指揮所、保障分隊等機構類，也包括部隊機動、火力打擊等操作類，從而核算出最佳單位編組和行動策略，實施戰略或戰役級的推算，實現遠程高效指揮。三是提高指揮決策效率。未來武器裝備的無人化、高速度、遠射程等發展趨勢使得戰爭節奏顯著加快，人腦很難在巨大的作戰壓力下快速高效處理海量戰場信息。數字孿生技術具有自主數據挖掘、聯合態勢感知、智能輔助決策和協同指揮控制等能力，通過虛擬映射形成數字孿生體，將實時展現戰場變化和態勢走向。指揮員可以及時挖掘支撐指揮決策的關鍵信息，大大壓縮作戰構想、任務分配、目標打擊、毀傷評估的指揮周期。

數字孿生概念提出者——Michael Grieves教授

數字孿生指揮所

數字孿生+信息通信依靠數字孿生技術賦能，將使整個戰場信息通信保障組織更加穩定高效。一是管理信息通信力量。數字孿生技術通過各類偵察傳感設備實現數據獲取，經過云端或各類通信節點傳輸，最后利用數字孿生平臺進行數據的計算和處理，從而實現對整個戰場信息通信全要素全時空的動態精準管控。例如，通信衛星變軌及引導、信息通信設備調控、通信車輛精確部署等。二是提高電子對抗能力。信息通信裝備要提升電子對抗能力，最核心的就是持續提高對抗強度，通過對抗的海量測試數據，改進調整自身設計方案。傳感系統從信息通信裝備中采集電子對抗數據傳遞到虛擬空間，完成信息通信裝備數字孿生體的精準仿真。基于數字孿生環境，真實反映信息通信裝備的電子對抗性能和真實狀態，自由組合構建電子對抗測試環境，在云端實現云仿真環境的強電磁能、強定向能、強聲能的測試，分析干擾樣式、干擾頻率、干擾帶寬和干擾強度，從而規避或對抗干擾。三是處理通信網絡故障。在虛擬空間復制與物理空間結構一致的信息通信網絡數字孿生體，可以實時觀察設備運行狀態和信號流轉質量，及時預測網絡擁堵或信號誤碼等情況。當遇到網絡攻擊時，可以迅速定位故障點，自適應多結構組網，得出最佳設計方案。

多源數據支撐數字孿生戰場

數字孿生助力裝備修理

數字孿生+戰場建設數字孿生戰場是智能化戰爭形態下數字孿生技術發展的必然產物。數字孿生戰場涵蓋物理域、信息域、認知域、社會域的多域融合虛擬空間，包含偵察預警、指揮控制、兵力火力、信息通信、后勤保障，甚至歷史文化、政治經濟等所有具體或抽象的戰爭要素，是實際戰場的數字化形態展現。一是推進戰爭形態演進。數字孿生戰場所構建的戰場環境，為未來智能化戰爭提供充分技術支撐。基于網絡信息體系支撐的智能化、無人化聯合作戰樣式將得到充分論證；“網—云—端”架構服務應用可以有效融合各作戰要素和作戰單元，實現戰場“偵—控—打—評—保” 鏈路閉合；二是促進戰場體系融合。數字孿生戰場搭建了一個融合武裝力量、武器系統、戰場設施、戰場環境等要素信息為一體的智能平臺，相比傳統的數字化、信息化戰場更加強調體系融合，其價值突出體現在虛實映射、實時聯動上。在特定系統的支持下，各類作戰資源“在用”“飽和”“空閑”等狀態即時感知，并完整映射到“基礎網+作戰云+數字孿生體”的虛擬空間，形成“全息”對照的戰場態勢，每一個作戰平臺都可以“全維”抽取關鍵信息，“全域”拼接作戰場景、“全程”推演打擊行動，并實時感知友鄰平臺的運行狀態。在這樣的全透明戰場空間，任何個體要想避免被其他成員拋棄，必須主動向體系貢獻自己的能力，從而自然地產生出一種自適應調整的體系能力。三是節約戰場建設成本。戰場建設項目工程量大，投資經費多、建設范圍廣、建設周期長，統籌規劃不當容易出現使用效益低、征地矛盾多、容量不足或重復建設浪費資源等問題。數字孿生戰場可實現在虛擬空間開展“規劃—論證—建設—使用—退役”的全生命周期管理，全面提升戰場建設人力、物力、財力的優化配置效益。

數字孿生+裝備管理隨著人工智能的成熟和廣泛應用，軍用裝備的復雜程度也逐漸提高。數字孿生技術在提升裝備管理效能方面具有獨特優勢。一是縮短裝備研發周期。傳統的“設計－樣品－測試－修改－定型－批量生產”的實體研發流程，成本高、效率低。基于數字孿生技術的“數字模型－虛擬測試－修改－定型－批量生產”的裝備研發流程，在產品的設計階段，利用數字孿生技術模擬仿真出裝備物理實體，提高設計的科學性和準確性；在不同外部環境的影響下，通過一系列可重復、可加速的試驗鑒定，記錄虛擬裝備的技戰術指標，驗證產品的適應性，可大大節約時間和經濟成本。二是建立裝備數據檔案。未來戰爭軍事裝備的集成度、精確度會愈發提高，科技含量和智能化水平也不斷增強，傳統的人工填報、逐層匯總模式逐漸不能適應軍事裝備管理需要。數字孿生模型可以利用虛擬現實、射頻識別等技術，動態收集記錄裝備運行數據、維修保障數據，實時記錄裝備運行狀態。根據其運行數據自主分析出其性能指標、適用場景及優勢特點，為裝備使用管理插上“信息化的翅膀”。三是預測裝備健康狀態。數字孿生技術可基于裝備運行提供維修保養需求分析。在虛擬空間，軍事裝備的數字孿生體與其實體一樣同步開展相關活動，在大數據和云計算的輔助支撐下，利用神經網絡等智能算法分析裝備狀態數據，找出裝備健康與天氣、時間、地理等要素之間的規律聯系，判斷健康狀態與維修需求基本關系，及時對任一模塊單元的運行情況進行分析，對臨近故障的裝備或狀態異常的事件進行預警提示，提前發現裝備故障苗頭，指導保障人員提前準備和及時維修。

結 語

數字孿生技術經過技術準備、概念提出、萌芽探索、推廣應用四個時期的發展，已經在經濟社會各領域中廣泛實踐，這也為其在軍事領域探索應用提供了參考依據。在未來智能化戰爭中，依托數字孿生技術開展作戰指揮、信息通信、戰場建設和裝備管理將會是大勢所趨。