《数字孪生在军事领域的应用》

世界上许多国家都在投资数字孪生技术，并将其积极应用于从飞机发动机到航天器等许多领域。数字孪生是一种虚拟表示，可以模拟物理实体或系统的状态，它是通过传感器从物理实体收集到的数据数字化后创建的，因此可以通过了解物理实体的行为进行各种预测。在军事领域等容错率较低的关键系统中，数字孪生技术的重要性更加突出。在军事领域，数字孪生技术在提供具有成本效益的解决方案、提高效率和质量方面具有突出优势。本研究将评估数字孪生技术目前在军事领域的应用情况，以及使用该技术可获得的优势，然后讨论对未来的预测。

引言

人们看到，由于新兴技术的成熟和广泛应用，它已开始成为我们日常生活的一部分，塑造着生活，并为数字化铺平了道路。数字化的主要原因之一是不再需要人力。据预测，随着工业 4.0 的到来，今天 30% 的工作将由机器人完成，包括所有部门的白领岗位。事实上，用智能算法和机器取代人类员工的工作预计将在 2020 年左右开始。由于物联网（IoT）技术和工业 4.0 革命的发展，数字化变得更加重要，创新的数字化转型之旅已经开启。以物理系统数字化为基础的数字孪生技术作为关键技术，在这一进程中占有重要地位。如果采用数字孪生技术，并利用该技术开发出解决方案，那么各国的发展水平就会迅速提高，生产者和消费者也会在成本、时间和质量方面获得优势。这种技术的优势促使许多研究机构在这一领域开展工作。然而，在对技术进行投资之前，为了使投资更具成本效益，详细调查是非常重要的。

世界领先的研究机构之一 Gartner 发布了 '新兴技术成熟度曲线'（Hype Cycle for Emerging Technology）研究报告，宣布数字孪生技术是引发其他技术的 '创新触发技术'，人们对该技术的兴趣正在逐渐增加。根据图 1 所示的研究成果，人们认为该技术将在五到十年内活跃于市场，并拥有强大的供应商。

图 1. Gartner 新兴技术成熟度曲线。

此外，在 Gartner 的 '数字政府技术成熟度曲线'报告中，数字孪生技术被认为是影响其他技术发展的 '创新触发技术'，预计将在未来五到十年内对政府机构产生最大影响（见图 2）。

图 2. Gartner 政府技术成熟度曲线。

我们看到，这项可能应用于我们生活中许多领域的技术吸引了技术开发者、用户和投资者的极大关注。此前，IDC 在对数字孪生的优势进行预测时曾提出，到 2018 年，使用这项技术可以将关键流程的速度提高 30%。数字孪生技术之所以能脱颖而出，是因为它能提高关键流程的速度，并具有许多其他优势。因此，许多投资者更青睐这项技术。

数字孪生被称为一种技术虚拟表示，可以对物理对象或系统的状态进行建模，它起源于迈克尔-格里夫斯（Michael Grieves）和他与美国国家航空航天局（NASA）约翰-维克斯（John Vickers）的合作。格里夫斯对从虚拟表示到物理表示的过程做出了具体定义。根据定义，数字孪生包括一个物理产品、该产品的虚拟表示、从物理表示到虚拟表示的双向数据连接，以及信息和知识传输的三个组成部分。数字孪生是物理世界和数字世界的桥梁，它提供了一个界面，通过数据和智能的结合，代表任何物理系统的结构、背景和行为，从而了解过去和现在的过程，并对未来做出预测（见图 3）。数字孪生可以使物理资产难以开展、成本高昂、风险大的活动以更优化的方式进行。通过传感器将从物理实体收集到的数据投射到数字孪生上，就形成了数字孪生。由于数字孪生体的存在，那些不在物理世界中进行就无法预测结果的活动可以在数字环境中反复进行。根据获得的结果，可以通过了解物理实体的行为进行预测，并实现各种改进或优化。

图 3. 数字孪生创建流程。

通过使用系统的数字孪生，可以对物理系统的各种情况进行分析、建模和测试。通过改变产品或系统的设计，可以观察到物理资产会发生什么变化。此外，这项技术还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。在创建数字孪生时，会用到仿真、传感器、物联网、大数据和人工智能技术。传感器、仿真、物联网技术用于物理实体的数字建模，大数据、机器学习和人工智能用于分析数字孪生所收集的数据，学习实体的行为，并对未来进行预测。由于这些技术的发展，数字孪生技术也受到了这些发展的积极影响。数字孪生与目前使用的模拟技术主要有两点不同。

• 模拟可用于优化某些设计和测试活动，而数字孪生则可在所有产品开发和生命周期过程中实时使用。此外，模拟通常用于培训目的。
• 在模拟中，人们试图借助各种模型来了解真实世界的情况，而数字孪生系统则通过直接从物理实体获取实时数据来了解真实世界的情况，从而逼真地显示系统在真实世界中的行为方式。模拟通常用于培训目的，而数字孪生通常用于改进生产/维护流程。

纵观新一代技术的出现，我们可以发现，它一般首先是为军事目的而开发的。在军事领域成功应用后，技术的传播得到了保证，并引导了其他领域的新研究。数字孪生技术将有助于改善军事和航空等领域的流程，在这些领域中，时间至关重要，必要时可快速做出决策。因此，许多研究和开发活动都围绕这一主题展开。当我们研究世界各地的数字孪生应用时，会发现模拟、物联网、大数据和人工智能等技术也与这项技术结合使用，促进了这项技术的发展。此外，在关键系统中，如容错性较低的军事领域，数字孪生技术的重要性更加凸显。在军事领域，数字孪生技术在新兴技术中脱颖而出，其优势在于能提供具有成本效益的解决方案，并能提高效率和质量。本研究将评估数字孪生技术目前在军事领域的应用情况，以及使用该技术的优势。最后，还将讨论对未来的预测。

资料和方法

• 资料

在研究范围内，首先对现有的学术研究进行了审查，以确定数字孪生技术的定义、审查其前景并做出预测。此外，还汇编了描述世界各地现有应用实例的资料来源。对市场和技术进行分析的资源也被用作主要材料。

• 方法

在研究方法上，我们在对该技术进行详细分析后，研究了当前在军事领域的使用实例。然后，对为什么要投资这项技术进行了评估，并指出了这项技术的优势。最后，根据这些实例和优势，讨论了计划中的研究和未来预测。详细方法见图 4。

图4. 方法。

工作现状

目前的应用

在航空航天领域，测试和未来预测过程、建立真实条件和了解待测飞行器的行为都是非常复杂的过程。利用数字孪生技术，可以借助传感器将数据从物理实体传输到数字环境，从而了解资产的行为。因此，各种场景都可以在数字环境中进行真实测试。例如，在航空航天领域，考虑到飞机生产，生产和测试新机型的成本非常高昂。在这里，平衡成本和效益分析是一个重要因素。现代飞机发动机拥有成千上万个传感器，每秒产生数 TB 的数据。数字孪生以及机器学习和预测模型可提供建议，帮助制造商和飞行员优化油耗，主动进行必要的维护，并管理机队成本。在装有数字孪生系统的飞机上，可以根据过去收集的实时数据预测未来的发动机故障（图 5）。这项技术在对飞机和发动机系统进行测试、对乘客安全进行控制以及预测可能发生的危险方面具有重要作用。传统的控制室也有各种预测分析，但数字孪生集成提高了处理任何危险的效率。该技术不仅能让工程师有效工作，还能降低测试成本，并在工程师无法亲临系统时提供维护、修理和大修（MRO）机会。

图5. 飞机的数字孪生。

军事领域最早的数字孪生研究之一是自适应车辆生产（AVM）计划，该计划始于 2010 年，以美国国防部高级研究计划局（DARPA）的 '再发现 '概念为基础。

制造飞机的数字孪生体是军事领域最重要和最新颖的发展之一。据悉，美国军方计划创建 F-35 战斗机的数字 '克隆'，以预测部件何时会出现故障。

数字孪生系统在军事领域的应用不仅限于飞机。考虑到卫星系统在军事领域使用的重要性，该领域的发展对军事领域产生了严重影响。在一项涉及卫星系统故障诊断和健康监测（FD-HM）的开放式可执行数字孪生方法的研究中，观察到诊断结果大大提高了可解释性和可表达性，数据驱动算法可用于实施故障诊断和维护决策。

近年来，随着数字化的发展，网络安全/国防领域变得越来越重要，成为各国实体防御机制的补充，也是我们看到数字孪生技术应用的另一个重要军事领域。

优势

由于数字孪生技术的各种优势，全球许多研究人员和投资者都在积极研究它。我们将分五大类来探讨数字孪生技术最重要的优势，这些优势使其成为许多投资者的首选。

更快，更低成本的生产

在对产品生命周期的一般流程进行研究时，我们会发现，产品原型是在产品设计、建模和简单模拟之后生产出来的。如果出现任何问题，则对设计进行审查并做出必要的修改。

维护和维修流程的效率

工业设备行业副总裁 Philippe Bartissol 分享了维护服务为工业机械生产行业相关企业带来更多利润的信息。他强调，销售利润为 0%-5%，而维护服务的利润为 30%-40%。由于具有数字孪生的产品会不断地将数据从物理实体传输到数字孪生中，因此可以对产品的任何故障采取预防措施，并远程确定故障源。在不久的将来，虽然预计会出现远程维修活动，但维修保养服务有望加快，成本也会降低。数字孪生技术还可提供个性化的序列化资产检查和服务计划，并有机会提供生命周期支持合同，从而减少维护次数和成本。例如，MRO 服务可以根据数字孪生的历史和性能，重新定义特定资产维护的服务合同条款，从而使航空公司能够专注于其核心业务，为乘客提供飞行服务。因此，数字孪生使企业能够通过提高总体产量来保持竞争优势，帮助实现更快的维护和维修服务。