数字孪生是什么？有哪些典型特征

作为元宇宙技术体系的一员，数字孪生技术与扩展现实、区块链、云计算等技术共同构成了一个虚拟时空间的集合。数字孪生的概念模型最早于2003年由美国密歇根大学Grieves教授在进行产品全生命周期管理(PLM)课程讲授时提出。经过将近20年的迭代发展，数字孪生技术在不断成熟的同时，逐渐展现出强大的军事领域应用潜力。

数字孪生是什么

近年来，世界各地频频发生空难。试想，如果能为物理世界找到一个数字映射，在虚拟实体中及时察觉飞机的故障，甚至提前预测到非正常状态，那么空难就有可能避免，而这个“为物理世界提供数字映射”的“东西”已经找到，它就是数字孪生。

数字孪生技术是指在物联网实时与历史反馈信息的支持下，通过物理信息建模创建物理世界等价虚拟体，并基于计算机手段对物理实体进行实时监控，动态仿真分析，达成对物理实体进行精确分析与决策的技术手段。数字孪生技术由多项技术支持，包括认知与控制辅助、建模支持、数据管理、数字孪生连接等技术。

数字孪生技术的原理并不复杂，和建筑行业做“模子”类似，建筑工地的“模子”是木板或其它制式材料，而数字孪生的“模子”是数字化。大数据、云计算、人工智能等技术的不断发展及其集成应用，使得复制数字“镜像”具有运行层面的实际意义。

数字孪生技术与虚拟现实技术存在较大区别。如果说虚拟现实技术构建的是一个完全虚拟的世界，那么数字孪生技术则构建的是一个虚拟的真实世界。虽然两者都是虚拟，但是数字孪生与物理世界有着强交互性，具备双向影响的能力。比如，数字孪生可通过数字世界对物理世界的事物下达指令、计算控制，也可以反向将物理世界的点滴变化实时映射到数字世界。

数字孪生技术的优点很多。一是使用便捷便于创新。数字孪生使用数字化手段把物理设备的属性映射到虚拟空间，便于人们在孪生体上全面了解物理实体，也便于在虚拟环境中进行创新操作。二是测量快捷便于数据采集。传统测量物理实体属性、参数和运行状态的方法成本高，可通过数字孪生体直接采集，提高测量效率。

三是便于分析预测风险。孪生体捕获风险因素、操作场景等数据重建模型，分析预测维护故障，延长本体寿命。四是便于提升效率。依托孪生体模拟实验，可以在不终止物理实体运行的情况下，探索相关改善方案。

应用意义

国防需求是颠覆性技术发展的重要推动力，各主要军事强国纷纷抓住数字孪生技术在军事领域的应用潜力，加大数字孪生技术军事应用研发力度。那么，数字孪生技术融入国防建设会对军事领域带来什么变化呢？

推动战争形态智能化演进。未来战场，数字孪生战场平台对指控中心提供可靠的战场情报，武器装备实体与远程人脑、孪生智脑自主协同决策，无人化智能装备常态化部署，人机“孪生共智”的智能化战争形态将会出现。智慧感知战场态势。

数字孪生技术助力各类侦察手段智能组网，全方位、多维度捕获战场态势，保障指挥员实时精确决策；智谋筹划作战决策。数字孪生推动传统系统辅助决策向人机增强决策演进；精算控制作战行动。双向映射关系实时反馈行动数据，弥补“人在回路”指控能力的不足。

促进战场信息体系重构化升级。传统战场体系通常只能单一化保障作战人员与武器装备，而数字孪生战场对现有信息体系重新调整和整合，做到多能一体、虚实一体、云边一体，并逆向促进信息体系自身迭代升级。

利于武器装备信息数字化建模。数字孪生技术是通过物理系统与虚拟空间的映射关系，形成虚实结合建模仿真应用的新模式，达到武器装备数字化设计、监测与评估。数字孪生技术拓展了信息技术与人工智能技术融合背景下的建模仿真新方法，将数据、算法与模型有机地结合在一起。

将数字孪生技术应用到武器装备领域，能够实时掌握装备体系的技术参数，通过建模与仿真的方法不断提升科学决策水平，使装备始终维持在最佳性能状态。

潜力有多大

据报道，波音公司的波音777客机是由数字孪生的初期技术开发设计，研发过程涉及的300多万个零部件，未使用任何图纸模型，完全依靠数字仿真推演后量产，返工量减少50％，研发周期缩短40％。

数字孪生技术在社会领域得到广泛应用，在军事领域也受到高度关注。数字孪生技术拥有巨大的科技优势、广阔的应用前景、深厚的发展潜力，将在未来军事领域大有用武之地。

实景教学。在传统教学中，面对复杂的装备系统，原理构造不直观、装备实操成本高、网络教学体验差的问题较为突出。将数字孪生技术引入教学领域，通过现实与虚拟场景双向生态映射，构建实景展示模型，不仅可以向学员展示逼真的景况，还能够通过数字孪生体强化对现实设备的虚拟操作，既节省教学成本又提升教学效果。比如，航空发动机专业教学就用到数字孪生技术，解决复杂系统构造原理难以在二维平面展示的难题。

沉浸训练。传统模拟器的开发不但需要软硬件的支持，而且对于训练场地还有较高的要求，开发难度和成本不亚于制造一套全新的装备。基于数字孪生技术构设逼真的军事训练环境，推动虚实互动的沉浸式训练，利于提升军事训练实战化水平。

数字孪生技术解决了培训设备费用昂贵、传统实景系统沉浸感不强以及人机交互系统构建复杂且交互性不好的问题。例如，数字孪生技术已用于飞行模拟器上模拟复杂飞行环境及突发情况，训练飞行员的应急应变能力。

辅助决策。观察(Observe)、判断(Orient)、决策(Decide)、行动(Act)构成的循环杀伤链周期(OODA环)是衡量战场反应速度的一个重要指标，筹划决策必须做到快速准确、优化高效、实时精准，才能满足未来实战需求。

数字孪生技术依据战场环境及武器装备的数据参数，将现实战斗景况映射至虚拟战场，实时呈现跨域战场态势、快速提供决策部署、协同调配武器装备等作战要素，有助于解决多系统控制要求高、多兵种协调性差、跨平台规划作战难等问题。

研发装备。武器装备的紧急研制、快速生产和维护维修是打赢战争、夺取胜利的重要保证。数字孪生实体模型改变传统“设计-样品-测试-模具-再样品”的研发模式，变为“数字模型-测试-修改-定型”的虚拟研发模式，研发过程时间短、成本低、效率高。此外，数字孪生技术依据前期算法训练，实现自动预测武器装备故障，对于解决复杂武器装备故障问题具有独特优势。

审核编辑：刘清