背景IEEE互聯網計算雜志于2021年發表了一篇題為《數字孿生在軍事領域的應用》文章。文章指出，數字孿生技術在低容錯性的軍事領域體現其更高的重要性，為該領域提供低成本，高效率和高質量的解決方案。本文將評估當前數字孿生技術在軍事領域的應用及其優勢，并進一步討論未來趨勢。 數字孿生是對物理實體或系統的狀態進行建模的虛擬表示，源于美國密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯教授的“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），由三個部分組成，即物理空間的實體產品、虛擬空間的虛擬產品、物理空間和虛擬空間之間的數據和信息雙向傳遞。 數字孿生通過提供一個交互接口來連接物理世界和數字世界，以獲取任何物理系統的過去和現在的過程，并對未來進行預測，結合數據和情報分析對其結構、環境和行為進行仿真（圖 1）。數字孿生技術利用傳感器收集物理實體的數據，在信息世界進行等價映射，由此創建該物理實體的數字孿生。
圖1、數字孿生創建過程 無法在物理世界中預測結果的活動，可以在數字環境中通過數字孿生一遍又一遍地執行，并通過使用參數值來測試許多潛在場景，以對其進行預測、改進或優化。 通過數字孿生技術，可以對物理系統上的各種場景進行分析、建模和測試，并提供了從參數角度或拓撲（形狀/重量）角度對現有產品或系統的設計進行各種改進和優化的機會。數字孿生技術是仿真、傳感器、物聯網、大數據和人工智能技術等新興科技的集成：傳感器、仿真、物聯網技術用于物理實體數字建模；大數據、機器學習和人工智能用于分析數字孿生收集的數據、學習實體的行為、以及對未來進行預測。
數字孿生與仿真的不同之處主要在以下方面：
數字孿生在軍事領域中的應用軍事領域的首批數字孿生研究之一是2010年自適應車輛制造(AVM) 計劃，旨在縮短武器的研發周期，實現武器制造產業轉型，以在網絡空間完成武器研發的所有過程，包括設計、模擬、實驗、加工和生產。當前數字孿生技術主要應用于航天航空領域的研發： 1.航空領域 早期故障檢測：土耳其航空航天工業公司 (TAI) 與西門子產品生命周期管理 (PLM) 軟件簽署了一項為期11年的協議，以實現數字孿生國家戰斗機項目在生產設施方面的全面應用、減少生產錯誤、以及加快生產速度。創建軍用飛機的數字孿生體成為軍事領域最重要和最熱門的發展之一。美軍計劃通過數字孿生技術軟件生成 F-35 戰斗機的數字“克隆”，用來替代真實戰機進行測試，以預測產品性能、預期壽命和故障率。 提高性能：美國陸軍正在轉向使用威奇托州立大學的數字孿生技術來解決黑鷹直升機中的問題并提高其性能。該大學在過去15年中為美國國防部進行拆卸研究，并于2018年開始數字孿生研究。美國空軍已經在2020年夏天開始拆除B-1轟炸機，以制造其數字孿生機。2022年3月美國空軍宣布已在佛羅里達州廷德爾空軍基地啟用“數字孿生全息實驗室”。該實驗室將以數字模型形式展示空軍基地，使飛行員能夠在虛擬環境中測試技術，進而轉化為可實戰的技術。
節省維護成本：美軍1.4萬架飛機每年的維修費用約為750億美元。通用電氣公司通過數字孿生和虛擬現實技術，加強軍事準備流程，并有望通過數字孿生技術監控機載傳感器的數據，提供部件更換時間或使用時長的信息，從而降低維護成本。 2.航天領域 數字孿生技術的發展對軍事航天領域也產生了重要影響。一種開放式、可執行的數字孿生方法，用于衛星系統故障診斷和健康監測(FD-HM)，研究表明診斷結果大大增加了這方面的可解釋性和可表達性，并且數據驅動算法可以用于實施故障診斷和維護決策。該方法預計可適用于衛星子系統，甚至所有具有成熟機器學習技術的衛星系統。基于數字孿生技術的系統，使用高精度的主動虛擬模型（可實現超高保真度），將有助于衛星電力系統中的動態任務規劃，并制定合理的維護策略，以更好地適應不斷變化的條件。
3.網絡安全領域 CPS：網絡安全/防御是數字孿生技術應用的另一個重要軍事領域。近年來隨著數字化的發展，網絡安全/防御領域變得越來越重要，并作為各國物理防御機制的補充。隨著物聯網技術的使用，包括物理世界和網絡世界之間的通信和協調在內的整個結構被稱為“信息-物理系統”（CPS）。通用電氣和羅爾斯·羅伊斯公司已在聯合開發噴氣發動機時，利用過去的飛行信息和傳感器的即時飛行信息，在其生產階段使用了 CPS 架構。 C2PS：云基CPS的數字孿生架構參考模型，即C2PS方法，通過計算、控制和云計算的基礎設施來加強持續活躍的孿生反饋回路，以提高物理系統的服務質量，從而使該方法變得更具可擴展性。C2PS的數字孿生體將每一項物理資產數據保存在云端，當物理世界發生變化時，物理傳感器也會更新其云端數字孿生代表的狀態。此外，通過關閉數字孿生體的訪問權限即可直接切斷外界對物理實體的訪問。這些研究表明，數字孿生方法可以被積極地用于確保現實世界資產的高度安全性，這在軍事領域中是極其重要的。
五大優勢1.高效率、低成本的生產 根據一般產品生命周期，產品原型是在設計、建模和簡單模擬之后產生的。如果出現任何問題，將審查其設計并進行必要的更改。新原型的模擬、物理生產和測試等過程會循環進行，直到達到需求標準。但是，當使用數字孿生技術時，產品的數字孿生是從設計階段就開始創建的。因此，在決定是否對原型進行物理更改之前，其孿生體會測試各種場景，以更快、更準確地生產最終產品。這將為產品研發節省大量時間和原型生產成本。 2.高效的維護維修過程 具有數字孿生的產品會不斷地將數據從物理實體傳輸到其數字孿生體，因此可以對產品故障采取預防措施，并遠程確定故障源。數字孿生技術還提供單獨的序列化資產檢查和服務計劃，以及提供生命周期支持合同以減少維護次數和成本。維護、維修和大修 (MRO) 服務可以根據數字孿生的歷史數據和性能信息，重新定義特定資產的維護服務條款。因此，數字孿生可以通過提高全方位的數據輸出，幫助用戶實現更快的維護維修服務，從而保持競爭優勢。 3.更快的預測 借助大數據、人工智能和機器學習技術，數字孿生可以對產品未來情況進行預測。數字孿生通過模擬火箭發動機和石油鉆井平臺等資產，以監測不同程度的壓力對各零件的影響以及磨損。這些類型的輸入可以用于未來優化產品設計。 在智能工廠中，數字孿生通過一段時間內收集的機器數據來幫助操作員做出實時決策，同時還可以實時生成生產數據，反映其物理實體的當前狀態，與技術人員或其他感興趣的團體遠程共享。因此，數字孿生的虛擬表示將能夠預測錯誤，避免損失。
4.高度保真 保真度是軍事應用的一項基本要求，準確性在這些應用中至關重要。準確度越高，數字孿生中的虛擬表示與物理實體就越接近，模擬、建模和優化也就越準確。在這一點上，數字孿生技術的高保真優勢成為軍事領域首選的原因，也是提高系統可靠性的一個因素。 5.更高的適用性 數字孿生技術可以通過數據驅動的方法來實現對現實世界的適應性。生產線變更過程中，生產活動將會被迫停止。由于變更結果的不確定性，大型生產線通常難以變更。然而，借助數字孿生技術，可以很容易地判斷這些變化是否會提高效率。因此，數字孿生技術使研發團隊可以更有信心地改進生產線。 未來趨勢和啟示文章指出，數字孿生的優勢使其在軍事技術研發方面具有巨大潛力，是軍事技術發展的必然趨勢。據《軍事文摘》2022年8月刊一篇題為“數字孿生技術在智能化戰爭中的應用”的文章，數字孿生技術還將應用于戰場環境的設定、模擬和更新，以及指揮控制的觀察、判斷和決策：數字孿生戰場環境能夠為作戰規劃、演練和行動提供統一的數據，確保共享信息的一致性；通過在數字世界創建武器裝備系統、作戰平臺、戰場環境等物理戰場的數字孿生體，為指揮官展示實時戰場所有數字模型，反映真實戰場情況，從而更快更有效地輔助指揮官做出決策和規劃作戰方案。 美軍在數字孿生技術的應用已處于世界領先水平，初顯了數字孿生技術對未來戰爭的顛覆性影響。各國應重視數字孿生在軍事領域的應用，以更好地應對智能化戰爭。 |
