美國海軍核動力航母數字孿生體概念模型。資料圖片

  6月27日，據國外航空網站報道，意大利最大的軍工和高科技公司——萊昂納多公司生産的AW609AC4飛機，順利完成了在意大利“加富爾號”航空母艦上的起降。此篇報道特別提到，數字孿生技術為這次航母的起降試驗提供了技術支持。

  通俗地説，數字孿生技術就像“複製—粘貼”快捷鍵，可以近乎無差別地模擬真實戰場環境，成為近年來世界各國軍事領域備受關注的技術。美海軍2024年發布的《海軍科技戰略》強調，“數字孿生化”是加速先進技術快速轉化為戰鬥力的關鍵。

  那麼，數字孿生技術源自何處？有哪些應用？未來又能走多遠？請看本期解讀。

  追溯——

  數字孿生技術的來龍去脈

  如何讓模擬的虛擬戰場環境無限逼近真實？數字孿生技術給出了參考答案。

  所謂數字孿生技術，是指綜合利用傳感器、物聯網、虛擬現實、人工智能等技術，對真實世界中物理對象的特徵、行為、運行過程及性能進行描述與建模的方法。

  我們可以把它想象成一面鏡子：真實物體是什麼樣子，在鏡子裏就會呈現出什麼樣子。和鏡子成像的感覺類似，數字孿生技術通過集成實時數據、歷史數據等多種來源數據，利用原理、機制和流程模型等工具，創建一個精確實時反映實體對象狀態的數字模型，並為使用者提供實時的反饋與交互。

  數字孿生技術最早可以追溯到20世紀70年代末，美國國家航空航天局（NASA）開始使用數字孿生技術對航天器進行建模和倣真，當時每個航行航天器都有一個被精確複製的“地球版本”，用於研究和模擬，供飛行機組人員使用。該項技術不僅可以精準測試航天器的設計情況，還能有效縮短研發周期、減少研發成本。

  不過此時還沒有“數字孿生”這個概念。直到2002年，美國密歇根州立大學教授邁克爾·格裏弗斯在一次演講中，提及了類似“數字孿生”的相關概念。

  2004年，我國科研人員王飛躍發表名為《平行系統方法與複雜系統的管理和控制》文章，文中提出了平行系統的概念，這也和“數字孿生”的概念非常接近。

  2009年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）首次明確提到了“數字孿生體”的概念框架及其工程實施路徑。次年，美國國家航空航天局（NASA）在《建模、倣真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和製造》兩份技術路線圖中開始正式使用“數字孿生”這一名稱。

  2013年，美國空軍研究實驗室（AFRL）在此基礎上更進一步，啟動了驗證數字孿生概念可行性的相關項目。

  2017年，數字孿生技術被高德納科技諮詢公司列為十大戰略性科技趨勢之一，同時西門子、波音、通用等企業均啟動相關項目，開發數字孿生模型，探索數字孿生技術的應用落地，推動數字孿生技術在製造業領域的蓬勃發展。

  隨後，數字孿生技術成為眾多科技企業戰略的技術重點，迎來了廣泛部署與應用的黃金時期：在製造行業，預測機械設備的損耗並據此制訂維護計劃；在醫療領域，模擬人體器官功能，促進醫生精準診斷病情、推動個性化醫療發展；在交通運輸行業，模擬交通系統的人車流動，為制定城市交通規劃提供參考依據；在軍事領域，助力裝備研製、部署、維護，並輔助教學訓練……

  可以説，數字孿生技術不僅能夠復刻真實的世界，還能與物理世界實體互動，向物理實體反饋信息，給人類生産生活帶來深刻變化，助力未來科技加速發展。

  催化——

  軍事創新的風向標與加速器

  憑藉對真實戰場環境、武器裝備及作戰人員狀態的精確模擬，數字孿生技術成為了推動軍事領域數字化轉型的關鍵技術之一。

  當數字孿生技術應用於模擬訓練時，可以實時記錄並追蹤每位參訓者的訓練狀態與進展。此外，通過數據分析與反饋機制，該技術還能幫助參訓者輔助識別自己的訓練強項和待改進之處。

  最常見的例子是數字孿生靶場系統。在具體運行中，該系統可以模擬各種複雜多變的作戰場景測試，幫助參訓者熟悉裝備的各項性能與操作，提升應對複雜情況的能力，同時為裝備的性能驗證、優化設計、訓練提升及風險評估提供有力的技術支持。這樣的精準指導可有效提升訓練效率，經過模擬環境的一次次磨礪後，參訓者的技能與戰鬥力將得到快速提高。

  在裝備的管理與維護中，數字孿生技術也能發揮重要作用。

  借助該技術，可以實現對裝備運行數據與維修保障信息的動態捕捉與實時記錄。這有助於全面精準地監測戰機、軍艦、武器系統等的健康狀態，進而促進裝備持續優化，提高裝備使用效率等。

  此外，由於數字孿生技術可以無限制地模擬成千上萬次測試工作，會顯著地降低傳統實機測試所需的高昂成本和時間消耗，避免實際裝備測試中可能帶來的損耗和風險。

  數字孿生技術還可以用於在戰場環境中的輔助決策。

  一方面，借助數字孿生技術建立數字戰場模型，指揮員通過實時更新和動態反饋的數據，能夠及時了解戰場動態；另一方面，通過深度挖掘與利用海量數據，構建出高度倣真的戰場環境與作戰行動模擬數字系統，打造的全方位、多維度戰場態勢感知圖景，能夠協助指揮員在複雜多變的戰場環境中提前洞察戰場走向，針對潛在威脅與機遇做出迅速響應，制訂出更加高效、靈活的作戰計劃。

  當然，如今數字孿生技術的發展也面臨不少挑戰。

  一方面，由於尚未形成體系化的統一標準，不同數字孿生模型採用不同的標準和協議限制了集成應用，數字孿生模型的構建及數據標準不統一，導致模型的一致性難以保證。另一方面，數字孿生技術成熟度不足，在處理複雜的數據關係和不確定性的數據同化技術、實時反映物理實體狀態的模型更新技術等方面仍需探索。此外，在數據的採集、傳輸、存儲和使用過程中如何防範泄密，是數字孿生技術亟待解決的問題。

  加速——

  走向未來戰場的必由之路

  近年來，隨着數字孿生技術的探索和研究初具規模，其在軍事領域的實踐應用越來越深入、越來越廣泛，不少國家在這一領域紛紛發力。

  2013年，美空軍發布《全球地平線》科技規劃，將發展數字孿生技術提升到戰略地位。2018年美國防部公布了《數字工程戰略》，該戰略要求在裝備研發的全過程中全面融入基於數字孿生概念的數字工程技術，確保從設計、製造、應用直至維護的整個生命周期均實現數字化。此後，美軍各軍種及其相關機構加速了對數字孿生技術的引入進程，致力於構建以“數字孿生+”為核心的應用體系，借此推動軍事能力的全面提升。

  美國國防高級研究計劃局（DARPA）在數字孿生領域進行廣泛布局和深入探索，開展了多個重要項目。其中，X-DATA項目構建了“通用數據網絡基礎設施”，為數字孿生技術基礎設施的實現提供了重要支持；“在水下自主作戰中定義和利用數字孿生”（DELTA）項目，把數字孿生技術應用於無人潛航器，目前該項目已完成第二階段海試，第三階段預計將實現軍事應用。

  美海軍也探索通過利用數字孿生技術來強化優勢。據悉，美海軍供應商紐波特紐斯造船廠提出為其産品提供“全生命周期數字孿生體”數字化服務。此外，美海軍信息戰系統司令部（NAVWAR）為“林肯”號航母構建的數字孿生模型“數字林肯”，也於2020年安裝。

  與此同時，在數字孿生技術應用拓展中，美軍除了構建精細的數字孿生裝備模型外，還包括致力於打造一個全面的數字孿生戰場環境——使用者通過為衛星、雷達、戰術通信設備等關鍵要素建立數字孿生模型，進而形成基於高度集成數字孿生網絡的電子戰體系；使用者基於數字孿生戰場的兵棋推演&&，深度融合人工智能和大數據技術實時分析戰場數據，模擬不同作戰場景下的戰術效果，為指揮人員提供決策支持，提升部隊在複雜戰場環境下的應對能力和作戰效能。比如，美軍就為F-35戰機專門開發了一個數字孿生靶場系統，用於對F-35戰機進行作戰試驗與鑒定。在此基礎上，他們計劃2035年前在所有靶場實現數字孿生化建設。

  目前，越來越多的國家正加入到探索應用數字孿生技術的陣營中來——法國達索飛機製造公司建立了基於數字孿生技術的3DExperience&&，用於“陣風”系列戰鬥機及土耳其TF-X第五代戰鬥機的研製；德國西門子公司開發了Simcenter&&支持數字孿生技術相關業務；日本發動機公司J-ENG聯手日本船級社，開展狀態監測和數字孿生體研究；俄羅斯2021年發布了世界上首個産品數字孿生標準《航空發動機及地面燃氣輪機數字孿生通用標準》，該國土星公司、克裏莫夫公司、禮炮公司積極探索數字孿生體的開發及應用。

  可以推斷，未來隨着與大數據、雲計算、人工智能等前沿技術進一步融合，數字孿生技術必將實現更加高效的採集、傳輸、處理和分析數據，朝着更加智能化、可視化和集成化的方向加速發展，滿足更多軍事領域的創新和實際應用需求，成為走向未來戰場的必經之路。（吳憲宇 許偉 李芮）