背景IEEE互联网计算杂志于2021年发表了一篇题为《数字孪生在军事领域的应用》文章。文章指出，数字孪生技术在低容错性的军事领域体现其更高的重要性，为该领域提供低成本，高效率和高质量的解决方案。本文将评估当前数字孪生技术在军事领域的应用及其优势，并进一步讨论未来趋势。 数字孪生是对物理实体或系统的状态进行建模的虚拟表示，源于美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯教授的“信息镜像模型”（Information Mirroring Model），由三个部分组成，即物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息双向传递。 数字孪生通过提供一个交互接口来连接物理世界和数字世界，以获取任何物理系统的过去和现在的过程，并对未来进行预测，结合数据和情报分析对其结构、环境和行为进行仿真（图 1）。数字孪生技术利用传感器收集物理实体的数据，在信息世界进行等价映射，由此创建该物理实体的数字孪生。
图1、数字孪生创建过程 无法在物理世界中预测结果的活动，可以在数字环境中通过数字孪生一遍又一遍地执行，并通过使用参数值来测试许多潜在场景，以对其进行预测、改进或优化。 通过数字孪生技术，可以对物理系统上的各种场景进行分析、建模和测试，并提供了从参数角度或拓扑（形状/重量）角度对现有产品或系统的设计进行各种改进和优化的机会。数字孪生技术是仿真、传感器、物联网、大数据和人工智能技术等新兴科技的集成：传感器、仿真、物联网技术用于物理实体数字建模；大数据、机器学习和人工智能用于分析数字孪生收集的数据、学习实体的行为、以及对未来进行预测。
数字孪生与仿真的不同之处主要在以下方面：
数字孪生在军事领域中的应用军事领域的首批数字孪生研究之一是2010年自适应车辆制造(AVM) 计划，旨在缩短武器的研发周期，实现武器制造产业转型，以在网络空间完成武器研发的所有过程，包括设计、模拟、实验、加工和生产。当前数字孪生技术主要应用于航天航空领域的研发： 1.航空领域 早期故障检测：土耳其航空航天工业公司 (TAI) 与西门子产品生命周期管理 (PLM) 软件签署了一项为期11年的协议，以实现数字孪生国家战斗机项目在生产设施方面的全面应用、减少生产错误、以及加快生产速度。创建军用飞机的数字孪生体成为军事领域最重要和最热门的发展之一。美军计划通过数字孪生技术软件生成 F-35 战斗机的数字“克隆”，用来替代真实战机进行测试，以预测产品性能、预期寿命和故障率。 提高性能：美国陆军正在转向使用威奇托州立大学的数字孪生技术来解决黑鹰直升机中的问题并提高其性能。该大学在过去15年中为美国国防部进行拆卸研究，并于2018年开始数字孪生研究。美国空军已经在2020年夏天开始拆除B-1轰炸机，以制造其数字孪生机。2022年3月美国空军宣布已在佛罗里达州廷德尔空军基地启用“数字孪生全息实验室”。该实验室将以数字模型形式展示空军基地，使飞行员能够在虚拟环境中测试技术，进而转化为可实战的技术。
节省维护成本：美军1.4万架飞机每年的维修费用约为750亿美元。通用电气公司通过数字孪生和虚拟现实技术，加强军事准备流程，并有望通过数字孪生技术监控机载传感器的数据，提供部件更换时间或使用时长的信息，从而降低维护成本。 2.航天领域 数字孪生技术的发展对军事航天领域也产生了重要影响。一种开放式、可执行的数字孪生方法，用于卫星系统故障诊断和健康监测(FD-HM)，研究表明诊断结果大大增加了这方面的可解释性和可表达性，并且数据驱动算法可以用于实施故障诊断和维护决策。该方法预计可适用于卫星子系统，甚至所有具有成熟机器学习技术的卫星系统。基于数字孪生技术的系统，使用高精度的主动虚拟模型（可实现超高保真度），将有助于卫星电力系统中的动态任务规划，并制定合理的维护策略，以更好地适应不断变化的条件。
3.网络安全领域 CPS：网络安全/防御是数字孪生技术应用的另一个重要军事领域。近年来随着数字化的发展，网络安全/防御领域变得越来越重要，并作为各国物理防御机制的补充。随着物联网技术的使用，包括物理世界和网络世界之间的通信和协调在内的整个结构被称为“信息-物理系统”（CPS）。通用电气和罗尔斯·罗伊斯公司已在联合开发喷气发动机时，利用过去的飞行信息和传感器的即时飞行信息，在其生产阶段使用了 CPS 架构。 C2PS：云基CPS的数字孪生架构参考模型，即C2PS方法，通过计算、控制和云计算的基础设施来加强持续活跃的孪生反馈回路，以提高物理系统的服务质量，从而使该方法变得更具可扩展性。C2PS的数字孪生体将每一项物理资产数据保存在云端，当物理世界发生变化时，物理传感器也会更新其云端数字孪生代表的状态。此外，通过关闭数字孪生体的访问权限即可直接切断外界对物理实体的访问。这些研究表明，数字孪生方法可以被积极地用于确保现实世界资产的高度安全性，这在军事领域中是极其重要的。
五大优势1.高效率、低成本的生产 根据一般产品生命周期，产品原型是在设计、建模和简单模拟之后产生的。如果出现任何问题，将审查其设计并进行必要的更改。新原型的模拟、物理生产和测试等过程会循环进行，直到达到需求标准。但是，当使用数字孪生技术时，产品的数字孪生是从设计阶段就开始创建的。因此，在决定是否对原型进行物理更改之前，其孪生体会测试各种场景，以更快、更准确地生产最终产品。这将为产品研发节省大量时间和原型生产成本。 2.高效的维护维修过程 具有数字孪生的产品会不断地将数据从物理实体传输到其数字孪生体，因此可以对产品故障采取预防措施，并远程确定故障源。数字孪生技术还提供单独的序列化资产检查和服务计划，以及提供生命周期支持合同以减少维护次数和成本。维护、维修和大修 (MRO) 服务可以根据数字孪生的历史数据和性能信息，重新定义特定资产的维护服务条款。因此，数字孪生可以通过提高全方位的数据输出，帮助用户实现更快的维护维修服务，从而保持竞争优势。 3.更快的预测 借助大数据、人工智能和机器学习技术，数字孪生可以对产品未来情况进行预测。数字孪生通过模拟火箭发动机和石油钻井平台等资产，以监测不同程度的压力对各零件的影响以及磨损。这些类型的输入可以用于未来优化产品设计。 在智能工厂中，数字孪生通过一段时间内收集的机器数据来帮助操作员做出实时决策，同时还可以实时生成生产数据，反映其物理实体的当前状态，与技术人员或其他感兴趣的团体远程共享。因此，数字孪生的虚拟表示将能够预测错误，避免损失。
4.高度保真 保真度是军事应用的一项基本要求，准确性在这些应用中至关重要。准确度越高，数字孪生中的虚拟表示与物理实体就越接近，模拟、建模和优化也就越准确。在这一点上，数字孪生技术的高保真优势成为军事领域首选的原因，也是提高系统可靠性的一个因素。 5.更高的适用性 数字孪生技术可以通过数据驱动的方法来实现对现实世界的适应性。生产线变更过程中，生产活动将会被迫停止。由于变更结果的不确定性，大型生产线通常难以变更。然而，借助数字孪生技术，可以很容易地判断这些变化是否会提高效率。因此，数字孪生技术使研发团队可以更有信心地改进生产线。 未来趋势和启示文章指出，数字孪生的优势使其在军事技术研发方面具有巨大潜力，是军事技术发展的必然趋势。据《军事文摘》2022年8月刊一篇题为“数字孪生技术在智能化战争中的应用”的文章，数字孪生技术还将应用于战场环境的设定、模拟和更新，以及指挥控制的观察、判断和决策：数字孪生战场环境能够为作战规划、演练和行动提供统一的数据，确保共享信息的一致性；通过在数字世界创建武器装备系统、作战平台、战场环境等物理战场的数字孪生体，为指挥官展示实时战场所有数字模型，反映真实战场情况，从而更快更有效地辅助指挥官做出决策和规划作战方案。 美军在数字孪生技术的应用已处于世界领先水平，初显了数字孪生技术对未来战争的颠覆性影响。各国应重视数字孪生在军事领域的应用，以更好地应对智能化战争。 |
