《联合作战中的数字化转型：数字孪生应用案例》

当今的一体化和联合作战需要借助利基技术来保持战略优势和作战效能。近来，数字孪生技术已成为军事应用领域的变革范例。本文全面回顾了世界各地正在进行的数字孪生研究，介绍了各种案例研究和研究成果。本文论述了数字孪生的定义，澄清了围绕数字孪生概念的一些迷思，介绍了数字孪生在战略和战术方面的影响，并列出了在军事应用中采用该技术所面临的挑战。最后，本文概述了数字孪生技术在联合作战中的持续发展和整合的未来前景，强调需要制定适应性战略，以充分发挥其潜力，同时应对相关挑战。

数字孪生的应用不仅限于一般的产品生命周期或研发。与国防应用类似，数字孪生的应用也不仅限于维护或保养。数字孪生的适应性、实施效率、互操作性、结果的保真度和准确性等特点使其成为一种利基技术，最适合于多元而复杂的联合作战机制。利用强大的数字孪生技术，可以克服各军种装备、训练和偏见的个性。随后的段落将重点介绍数字孪生技术在军事应用方面的已知和成熟应用。

作战和任务规划

数字孪生技术正在航空领域做出巨大贡献。航空的本质是昂贵和多维的。此外，飞机的培训、测试和维护也是非常昂贵和动态的。空中行动受到安全、天气和敌方战术的限制，这些都需要通过培训来适应。OEM 手册和程序通常对操作和维护的限制等方面进行指导。因此，可变因素可能很多，但学术或设计方面的限制将其松散地捆绑在一起。可用于扩展和测试这些操作参数的资源有限或无法模拟。在这些情况下，数字孪生就派上了用场。数字孪生技术在机载传感器的辅助下，为飞行员提供油耗、航线预测、机身压力、剖面图或导弹发射验证等方面的实时动态解决方案。此外，基于历史数据，还可以根据飞机在战斗或日常飞行中的行为预测未来的行动。可能出现的部件故障、疲劳和警报系统等方面可以增加飞机的价值并提高对态势的感知能力。

自适应飞行器制造（AVM）是美国国防部高级研究计划局（DARPA）于 2010 年启动的一个项目，旨在缩短武器系统的研发周期和成本。数字孪生有望在网络空间、模拟、实验、加工、测试和生产等所有作战领域为这些系统提供帮助。美国 F35 战斗机克隆预测组件故障、未来性能、预期寿命和故障率。美国陆军正在与威奇托州立大学合作构思数字孪生技术的使用，以提高 “黑鹰 ”直升机机队的效率和训练水平。通用电气已经启动了一个技术加速中心，将运营商、工程师和制造商聚集在一起，加强数字孪生技术的适应性。由于能够监控机载传感器的数据并在其数字孪生系统上验证参数，它可以确定复杂战争的作战方式。在一项基于模型的系统工程研究中，数字孪生技术被用于无人机，通过任务目标的实现来验证航线选择过程。研究结果令人满意，具有开创性。在图 4（a 和 b）中，无人机正在执行最后一英里投送任务，为友军目标提供补给，如蓝色所示。根据其历史记录，系统已通过机载传感器（电子战数据、地理位置数据、敌方武器系统的射程等）获得了敌方存在的信息。现在，这些数据已在无人机的数字孪生系统中试用。根据目标时间、有效载荷、速度、航程和续航时间等任务目标，数字孪生系统将在规定时间内优化航线。本研究中的数字孪生提出了 A、B 和 C 三条路线，并建议选择 B 路线，以确保无人机免受对手攻击。根据模拟设置和风险评估，这是最不受攻击的路线。

图4 (a)任务计划10 (b)系统建议路线

军事工程与装备

美国空军和美国国家航空航天局（NASA）提出了机身数字孪生体（ADT）框架，旨在用更健全、更概率化、基于风险的精确系统取代传统的确定性单机跟踪系统。该系统还通过了加拿大国家研究委员会（NRC）的验证。NRC 将 ADT 定义为 “as-built/as-maintained 飞机机身系统的数字表示，即对as-built 飞机机身系统进行多物理场、多尺度、概率性的综合仿真，该仿真使用最佳可用模型、传感器信息和输入数据，以反映和预测相应单个飞机机身系统在整个寿命期间的活动/性能”。NRC 对 ADT 的设想如图 6 所示。它由五个构件组成。其中 1 是通用机队数据库，2 是单个数字孪生系统，3 是定量风险评估，4 是单个物理飞机，5 是贝叶斯推理。