国防领域的数字孪生：概述与应用

摘要

由于能够创建物理系统的虚拟副本，实现实时监控、优化与仿真，数字孪生技术在各行业中获得了越来越多的关注。本文探讨了数字孪生在国防领域的融合应用，重点关注从系统设计与开发、作战规划与训练，到任务执行与复盘等关键使用场景。通过考察数字孪生技术在不同防务平台中的应用，我们强调了其主要优势，包括提升作战性能、增强预测能力以及提高系统可用性。此外，我们提出了一种新的数字孪生表征框架，旨在在防务领域的不同应用场景中实现标准化与统一化，以促进互操作性。随后，我们结合科学文献、当前行业实践、政府战略，以及面向工业利益相关方和多国国防部的大规模调研结果，讨论了在防务组织中实施与采用数字孪生所面临的主要挑战、缺口与局限。最后，我们概述了未来研究方向与发展机遇，强调需要构建稳健框架并加强跨学科协作，以充分释放数字孪生在国防领域的潜力。

I. 引言

数字孪生（Digital Twin, DT）技术是一项突破性进展，它融合了实时数据集成、人工智能（AI）和仿真技术，用以创建高保真、持续更新的物理系统、流程和环境的虚拟副本，即“孪生体”。这些数字模型具有动态性与交互性，能够对其物理对应体进行实时监控、分析、控制与优化，使组织能够开展深入的“假设（what-if）”情景分析。借助数字孪生技术，组织能够获得深度洞察、提升运营效率，并在无需昂贵物理干预的前提下做出更为明智的决策。近年来，数字孪生在制造、医疗、航空航天和能源等多个领域获得显著关注，成为众多先进技术趋势的核心组成部分。美国技术研究与咨询公司 Gartner 预测，到 2027 年，全球超过 40% 的大型组织将集成数字孪生技术[1], [2]。尽管如此，数字孪生在国防等行业的采用仍然复杂，受制于技术局限、监管障碍以及跨领域集成与协作的需求。军事领域可从数字孪生技术中获得巨大收益。通过构建军事资产、作战行动与基础设施的数字副本，国防组织能够执行细致仿真、优化资源并开展预测性评估。该技术支持对军事装备与设施的实时监控、主动维护与后勤优化，大幅提升装备可用性与运维效率。物联网（IoT）与人工智能（AI）等技术的并行发展进一步强化了数字孪生的能力，使其能够预测系统故障、进行异常检测，并基于实时数据提供可执行洞察。然而，随着数字孪生从单一系统模型向互联、多系统仿真的方向演进，关于标准化、互操作性与跨领域适用性的新挑战也随之而来。在对数字孪生技术进行初步概述（第 III 节）之后，本文首先探讨如何在不同防务领域对数字孪生技术进行表征与标准化（第 IV 节），以提供统一框架促进更广泛的采用。随后，我们全面调查其在国防领域的应用，分别从技术维度（第 V 节）与作战维度（第 VI 节）讨论影响其部署的因素。此外，我们还纳入了一份针对工业利益相关方与欧洲国防部（MoDs）的问卷调查结果，揭示当前数字孪生应用的实际情况以及私营企业与公共机构面临的核心挑战。本研究进一步识别了阻碍数字孪生在防务场景中成功发展与部署的关键缺口与局限（第 VII 节）。总而言之，本综述的主要贡献如下： * 对数字孪生技术在军事领域的全面调查，涵盖其当前应用与未来潜力。 * 提出一种数字孪生表征框架，旨在于多个防务领域与使用场景中实现统一与标准化。 * 分析向工业利益相关者与国防部发放问卷的结果，提供有关实际挑战与趋势的洞察。 * 识别军事领域数字孪生技术的主要缺口与局限，为未来改进提供方向。