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(kuò)展現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算等技術(shù)共同構(gòu)成了一個(gè)虛擬時(shí)空間的集合。數(shù)字孿生的概念模型最早于2003年由美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves教授在進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)課程講授時(shí)提出。經(jīng)過(guò)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(shí)，逐漸展現(xiàn)出強(qiáng)大的軍事領(lǐng)域應(yīng)用潛力。

數(shù)字孿生是什么

近年來(lái)，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(gè)數(shù)字映射，在虛擬實(shí)體中及時(shí)察覺(jué)飛機(jī)的故障，甚至提前預(yù)測(cè)到非正常狀態(tài)，那么空難就有可能避免，而這個(gè)“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(shí)時(shí)與歷史反饋信息的支持下，通過(guò)物理信息建模創(chuàng)建物理世界等價(jià)虛擬體，并基于計(jì)算機(jī)手段對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)仿真分析，達(dá)成對(duì)物理實(shí)體進(jìn)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(xiàng)技術(shù)支持，包括認(rèn)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(fù)雜，和建筑行業(yè)做“模子”類(lèi)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(jì)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(fù)制數(shù)字“鏡像”具有運(yùn)行層面的實(shí)際意義。

數(shù)字孿生技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)存在較大區(qū)別。如果說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的是一個(gè)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(gè)虛擬的真實(shí)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(qiáng)交互性，具備雙向影響的能力。比如，數(shù)字孿生可通過(guò)數(shù)字世界對(duì)物理世界的事物下達(dá)指令、計(jì)算控制，也可以反向?qū)⑽锢硎澜绲狞c(diǎn)滴變化實(shí)時(shí)映射到數(shù)字世界。

數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)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?cè)趯\生體上全面了解物理實(shí)體，也便于在虛擬環(huán)境中進(jìn)行創(chuàng)新操作。二是測(cè)量快捷便于數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)測(cè)量物理實(shí)體屬性、參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的方法成本高，可通過(guò)數(shù)字孿生體直接采集，提高測(cè)量效率。

三是便于分析預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。孿生體捕獲風(fēng)險(xiǎn)因素、操作場(chǎng)景等數(shù)據(jù)重建模型，分析預(yù)測(cè)維護(hù)故障，延長(zhǎng)本體壽命。四是便于提升效率。依托孿生體模擬實(shí)驗(yàn)，可以在不終止物理實(shí)體運(yùn)行的情況下，探索相關(guān)改善方案。

應(yīng)用意義

國(guó)防需求是顛覆性技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)力，各主要軍事強(qiáng)國(guó)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(guó)防建設(shè)會(huì)對(duì)軍事領(lǐng)域帶來(lái)什么變化呢？

推動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)智能化演進(jìn)。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)平臺(tái)對(duì)指控中心提供可靠的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，武器裝備實(shí)體與遠(yuǎn)程人腦、孿生智腦自主協(xié)同決策，無(wú)人化智能裝備常態(tài)化部署，人機(jī)“孿生共智”的智能化戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)將會(huì)出現(xiàn)。智慧感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

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

促進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)信息體系重構(gòu)化升級(jí)。傳統(tǒng)戰(zhàn)場(chǎng)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(chǎng)對(duì)現(xiàn)有信息體系重新調(diào)整和整合，做到多能一體、虛實(shí)一體、云邊一體，并逆向促進(jìn)信息體系自身迭代升級(jí)。

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(guò)物理系統(tǒng)與虛擬空間的映射關(guān)系，形成虛實(shí)結(jié)合建模仿真應(yīng)用的新模式，達(dá)到武器裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)與評(píng)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(jī)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(shí)掌握裝備體系的技術(shù)參數(shù)，通過(guò)建模與仿真的方法不斷提升科學(xué)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(bào)道，波音公司的波音777客機(jī)是由數(shù)字孿生的初期技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，研發(fā)過(guò)程涉及的300多萬(wàn)個(gè)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(huì)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(shì)、廣闊的應(yīng)用前景、深厚的發(fā)展?jié)摿?，將在未?lái)軍事領(lǐng)域大有用武之地。

實(shí)景教學(xué)。在傳統(tǒng)教學(xué)中，面對(duì)復(fù)雜的裝備系統(tǒng)，原理構(gòu)造不直觀(guān)、裝備實(shí)操成本高、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體驗(yàn)差的問(wèn)題較為突出。將數(shù)字孿生技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)現(xiàn)實(shí)與虛擬場(chǎng)景雙向生態(tài)映射，構(gòu)建實(shí)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(guò)數(shù)字孿生體強(qiáng)化對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的虛擬操作，既節(jié)省教學(xué)成本又提升教學(xué)效果。比如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)教學(xué)就用到數(shù)字孿生技術(shù)，解決復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)造原理難以在二維平面展示的難題。

沉浸訓(xùn)練。傳統(tǒng)模擬器的開(kāi)發(fā)不但需要軟硬件的支持，而且對(duì)于訓(xùn)練場(chǎng)地還有較高的要求，開(kāi)發(fā)難度和成本不亞于制造一套全新的裝備?；跀?shù)字孿生技術(shù)構(gòu)設(shè)逼真的軍事訓(xùn)練環(huán)境，推動(dòng)虛實(shí)互動(dòng)的沉浸式訓(xùn)練，利于提升軍事訓(xùn)練實(shí)戰(zhàn)化水平。

數(shù)字孿生技術(shù)解決了培訓(xùn)設(shè)備費(fèi)用昂貴、傳統(tǒng)實(shí)景系統(tǒng)沉浸感不強(qiáng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜且交互性不好的問(wèn)題。例如，數(shù)字孿生技術(shù)已用于飛行模擬器上模擬復(fù)雜飛行環(huán)境及突發(fā)情況，訓(xùn)練飛行員的應(yīng)急應(yīng)變能力。

輔助決策。觀(guān)察(Observe)、判斷(Orient)、決策(Decide)、行動(dòng)(Act)構(gòu)成的循環(huán)殺傷鏈周期(OODA環(huán))是衡量戰(zhàn)場(chǎng)反應(yīng)速度的一個(gè)重要指標(biāo)，籌劃決策必須做到快速準(zhǔn)確、優(yōu)化高效、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)，才能滿(mǎn)足未來(lái)實(shí)戰(zhàn)需求。

數(shù)字孿生技術(shù)依據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及武器裝備的數(shù)據(jù)參數(shù)，將現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)斗景況映射至虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)跨域戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、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(tái)規(guī)劃作戰(zhàn)難等問(wèn)題。

研發(fā)裝備。武器裝備的緊急研制、快速生產(chǎn)和維護(hù)維修是打贏戰(zhàn)爭(zhēng)、奪取勝利的重要保證。數(shù)字孿生實(shí)體模型改變傳統(tǒng)“設(shè)計(jì)-樣品-測(cè)試-模具-再樣品”的研發(fā)模式，變?yōu)椤皵?shù)字模型-測(cè)試-修改-定型”的虛擬研發(fā)模式，研發(fā)過(guò)程時(shí)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(xùn)練，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)測(cè)武器裝備故障，對(duì)于解決復(fù)雜武器裝備故障問(wèn)題具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清