數(shù)字孿生是什么？有哪些典型特征

作為元宇宙技術(shù)體系的一員，數(shù)字孿生技術(shù)與擴展現(xiàn)實、區(qū)塊鏈、云計算等技術(shù)共同構(gòu)成了一個虛擬時空間的集合。數(shù)字孿生的概念模型最早于2003年由美國密歇根大學Grieves教授在進行產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)課程講授時提出。經(jīng)過將近20年的迭代發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在不斷成熟的同時，逐漸展現(xiàn)出強大的軍事領(lǐng)域應(yīng)用潛力。

數(shù)字孿生是什么

近年來，世界各地頻頻發(fā)生空難。試想，如果能為物理世界找到一個數(shù)字映射，在虛擬實體中及時察覺飛機的故障，甚至提前預(yù)測到非正常狀態(tài)，那么空難就有可能避免，而這個“為物理世界提供數(shù)字映射”的“東西”已經(jīng)找到，它就是數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生技術(shù)是指在物聯(lián)網(wǎng)實時與歷史反饋信息的支持下，通過物理信息建模創(chuàng)建物理世界等價虛擬體，并基于計算機手段對物理實體進行實時監(jiān)控，動態(tài)仿真分析，達成對物理實體進行精確分析與決策的技術(shù)手段。數(shù)字孿生技術(shù)由多項技術(shù)支持，包括認知與控制輔助、建模支持、數(shù)據(jù)管理、數(shù)字孿生連接等技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)的原理并不復雜，和建筑行業(yè)做“模子”類似，建筑工地的“模子”是木板或其它制式材料，而數(shù)字孿生的“模子”是數(shù)字化。大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展及其集成應(yīng)用，使得復制數(shù)字“鏡像”具有運行層面的實際意義。

數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在較大區(qū)別。如果說虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的是一個完全虛擬的世界，那么數(shù)字孿生技術(shù)則構(gòu)建的是一個虛擬的真實世界。雖然兩者都是虛擬，但是數(shù)字孿生與物理世界有著強交互性，具備雙向影響的能力。比如，數(shù)字孿生可通過數(shù)字世界對物理世界的事物下達指令、計算控制，也可以反向?qū)⑽锢硎澜绲狞c滴變化實時映射到數(shù)字世界。

數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)點很多。一是使用便捷便于創(chuàng)新。數(shù)字孿生使用數(shù)字化手段把物理設(shè)備的屬性映射到虛擬空間，便于人們在孿生體上全面了解物理實體，也便于在虛擬環(huán)境中進行創(chuàng)新操作。二是測量快捷便于數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)測量物理實體屬性、參數(shù)和運行狀態(tài)的方法成本高，可通過數(shù)字孿生體直接采集，提高測量效率。

三是便于分析預(yù)測風險。孿生體捕獲風險因素、操作場景等數(shù)據(jù)重建模型，分析預(yù)測維護故障，延長本體壽命。四是便于提升效率。依托孿生體模擬實驗，可以在不終止物理實體運行的情況下，探索相關(guān)改善方案。

應(yīng)用意義

國防需求是顛覆性技術(shù)發(fā)展的重要推動力，各主要軍事強國紛紛抓住數(shù)字孿生技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，加大數(shù)字孿生技術(shù)軍事應(yīng)用研發(fā)力度。那么，數(shù)字孿生技術(shù)融入國防建設(shè)會對軍事領(lǐng)域帶來什么變化呢？

推動戰(zhàn)爭形態(tài)智能化演進。未來戰(zhàn)場，數(shù)字孿生戰(zhàn)場平臺對指控中心提供可靠的戰(zhàn)場情報，武器裝備實體與遠程人腦、孿生智腦自主協(xié)同決策，無人化智能裝備常態(tài)化部署，人機“孿生共智”的智能化戰(zhàn)爭形態(tài)將會出現(xiàn)。智慧感知戰(zhàn)場態(tài)勢。

數(shù)字孿生技術(shù)助力各類偵察手段智能組網(wǎng)，全方位、多維度捕獲戰(zhàn)場態(tài)勢，保障指揮員實時精確決策；智謀籌劃作戰(zhàn)決策。數(shù)字孿生推動傳統(tǒng)系統(tǒng)輔助決策向人機增強決策演進；精算控制作戰(zhàn)行動。雙向映射關(guān)系實時反饋行動數(shù)據(jù)，彌補“人在回路”指控能力的不足。

促進戰(zhàn)場信息體系重構(gòu)化升級。傳統(tǒng)戰(zhàn)場體系通常只能單一化保障作戰(zhàn)人員與武器裝備，而數(shù)字孿生戰(zhàn)場對現(xiàn)有信息體系重新調(diào)整和整合，做到多能一體、虛實一體、云邊一體，并逆向促進信息體系自身迭代升級。

利于武器裝備信息數(shù)字化建模。數(shù)字孿生技術(shù)是通過物理系統(tǒng)與虛擬空間的映射關(guān)系，形成虛實結(jié)合建模仿真應(yīng)用的新模式，達到武器裝備數(shù)字化設(shè)計、監(jiān)測與評估。數(shù)字孿生技術(shù)拓展了信息技術(shù)與人工智能技術(shù)融合背景下的建模仿真新方法，將數(shù)據(jù)、算法與模型有機地結(jié)合在一起。

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到武器裝備領(lǐng)域，能夠?qū)崟r掌握裝備體系的技術(shù)參數(shù)，通過建模與仿真的方法不斷提升科學決策水平，使裝備始終維持在最佳性能狀態(tài)。

潛力有多大

據(jù)報道，波音公司的波音777客機是由數(shù)字孿生的初期技術(shù)開發(fā)設(shè)計，研發(fā)過程涉及的300多萬個零部件，未使用任何圖紙模型，完全依靠數(shù)字仿真推演后量產(chǎn)，返工量減少50％，研發(fā)周期縮短40％。

數(shù)字孿生技術(shù)在社會領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在軍事領(lǐng)域也受到高度關(guān)注。數(shù)字孿生技術(shù)擁有巨大的科技優(yōu)勢、廣闊的應(yīng)用前景、深厚的發(fā)展?jié)摿?，將在未來軍事領(lǐng)域大有用武之地。

實景教學。在傳統(tǒng)教學中，面對復雜的裝備系統(tǒng)，原理構(gòu)造不直觀、裝備實操成本高、網(wǎng)絡(luò)教學體驗差的問題較為突出。將數(shù)字孿生技術(shù)引入教學領(lǐng)域，通過現(xiàn)實與虛擬場景雙向生態(tài)映射，構(gòu)建實景展示模型，不僅可以向?qū)W員展示逼真的景況，還能夠通過數(shù)字孿生體強化對現(xiàn)實設(shè)備的虛擬操作，既節(jié)省教學成本又提升教學效果。比如，航空發(fā)動機專業(yè)教學就用到數(shù)字孿生技術(shù)，解決復雜系統(tǒng)構(gòu)造原理難以在二維平面展示的難題。

沉浸訓練。傳統(tǒng)模擬器的開發(fā)不但需要軟硬件的支持，而且對于訓練場地還有較高的要求，開發(fā)難度和成本不亞于制造一套全新的裝備。基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)設(shè)逼真的軍事訓練環(huán)境，推動虛實互動的沉浸式訓練，利于提升軍事訓練實戰(zhàn)化水平。

數(shù)字孿生技術(shù)解決了培訓設(shè)備費用昂貴、傳統(tǒng)實景系統(tǒng)沉浸感不強以及人機交互系統(tǒng)構(gòu)建復雜且交互性不好的問題。例如，數(shù)字孿生技術(shù)已用于飛行模擬器上模擬復雜飛行環(huán)境及突發(fā)情況，訓練飛行員的應(yīng)急應(yīng)變能力。

輔助決策。觀察(Observe)、判斷(Orient)、決策(Decide)、行動(Act)構(gòu)成的循環(huán)殺傷鏈周期(OODA環(huán))是衡量戰(zhàn)場反應(yīng)速度的一個重要指標，籌劃決策必須做到快速準確、優(yōu)化高效、實時精準，才能滿足未來實戰(zhàn)需求。

數(shù)字孿生技術(shù)依據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境及武器裝備的數(shù)據(jù)參數(shù)，將現(xiàn)實戰(zhàn)斗景況映射至虛擬戰(zhàn)場，實時呈現(xiàn)跨域戰(zhàn)場態(tài)勢、快速提供決策部署、協(xié)同調(diào)配武器裝備等作戰(zhàn)要素，有助于解決多系統(tǒng)控制要求高、多兵種協(xié)調(diào)性差、跨平臺規(guī)劃作戰(zhàn)難等問題。

研發(fā)裝備。武器裝備的緊急研制、快速生產(chǎn)和維護維修是打贏戰(zhàn)爭、奪取勝利的重要保證。數(shù)字孿生實體模型改變傳統(tǒng)“設(shè)計-樣品-測試-模具-再樣品”的研發(fā)模式，變?yōu)椤皵?shù)字模型-測試-修改-定型”的虛擬研發(fā)模式，研發(fā)過程時間短、成本低、效率高。此外，數(shù)字孿生技術(shù)依據(jù)前期算法訓練，實現(xiàn)自動預(yù)測武器裝備故障，對于解決復雜武器裝備故障問題具有獨特優(yōu)勢。

審核編輯：劉清