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            軍事
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            數字孿生技術:“智勝”未來戰場
            發布時間:2022年07月29日 06:00:00  來源: 解放軍報

            原標題:數字孿生技術:“智勝”未來戰場

            圖片制作:張 麒

            7月21日,阿里云在北京正式發布超融合數字孿生平臺。這個平臺可以將感知、仿真、控制、可視等四域數據進行融合和計算,保障孿生世界中分析推演的速度和準確性,并在相對應的真實世界場景中實現業務價值。目前,該平臺已廣泛應用于高速管理、城市交通、港口調度、機場運營、車路協同等場景。

            所謂數字孿生,就是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡單來說,數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上,創造一個數字版的“克隆體”。

            作為元宇宙技術體系的一員,數字孿生技術與擴展現實、區塊鏈、云計算等技術共同構成了一個虛擬時空的集合。隨著數字孿生技術的不斷迭代發展,其在社會領域得到廣泛應用的同時,逐漸展現出強大的軍事應用潛力。

            實景教學 讓晦澀的授課變得通俗易懂

            要想學習一個新的機器或部件,最直接的方法就是將其拆解開來。但如果沒有實物或不便于拆解呢?

            以俄羅斯AL-31航空發動機為例。該航空發動機的結構極其復雜,采用雙軸、后燃器設計,全發動機零部件數量高達數萬個。假如采取分解展示的方式進行教學,實踐起來極其困難;通過二維構造圖講解裝備理論,又枯燥難懂。

            數字孿生技術的出現,為航空發動機專業教學提供了新思路,有效解決了二維平面圖紙難以展示復雜系統構造及原理的難題。

            基于數字孿生技術的實景教學,通過現實與虛擬場景雙向映射,構建實景展示模型。這樣不僅可以實現與VR全景展示類似的實景虛構功能,而且能夠通過數字孿生體強化對實體設備的虛擬操作。

            這樣的實景教學模式,在一些設有VR展館的博物館中已經得到了運用。在基于虛擬現實技術的展示平臺中,人們可以隨意放大、縮小或旋轉數字化展品,甚至可以看到文物的內部。人們還可靈活切換不同文物,并同步聆聽講解員的專業講解。

            試想一下,當復雜的裝備教學也像參觀文物一樣可以對各種細節一目了然,晦澀的授課將會變得通俗易懂。

            數字孿生技術可將結構復雜、不便于拆解的部件進行數字可視化展示。構建數字化孿生體能夠更加直觀地展現裝備結構、機件狀態、行動原理,教學內容因此變得更加豐富且便于接受。

            如果用于教學的裝備均制作數字孿生體,孿生體的參數和物理實體一一對應,學員可以在物理實體上進行實踐操作,交互數據實時傳回孿生體,孿生體根據操作動作實時反饋有效信息。這樣既解決了傳統教學裝備實操成本高、網絡教學體驗差等問題,又能節省教學成本、提升教學效果。

            輔助決策 讓虛擬場景與戰場數據擦出火花

            當前,我們即將迎來智能化戰爭時代。在不確定因素導致諸多變量的未來戰場,面對復雜的敵情和戰場環境,決策者只有客觀認知、理性判斷、科學分析,才能作出正確的決策,而在決策方式的支持手段上,場景想定推演預判正在扮演著越來越重要的角色。

            近幾十年,美軍先后研發了收集戰場信息的“智能微塵”系統、遠程監視戰場環境的“倫巴斯”系統、偵聽武器平臺運動的“沙地直線”系統、專門偵收電磁信號的“狼群”系統等一系列傳感網絡,整合戰場信息,構建起統一的戰場傳感網絡體系,以實現戰場實體基礎設施與信息基礎設施互聯互通的目標。

            通過數字孿生技術可以將現實戰斗景況映射至虛擬戰場,實時呈現戰場數據。指揮員通過孿生體掌握各作戰單元、任務部隊的情況,能夠更為快速正確地下定戰場決心。此外,各級指揮員通過虛擬場景交互,實現戰場信息的高度共享,有助于解決多系統控制要求高、多兵種協調性差、跨平臺規劃作戰難等問題。

            通過數字孿生技術構建的虛擬戰場,實際上是一種綜合運用大數據技術、人工智能技術、3R(虛擬現實VR、增強現實AR、混合現實MR)技術、知識圖譜技術等于一體的智能化戰場。這樣的虛擬戰場環境場景更加逼真,對戰場態勢的演化過程計算模擬得更精確,推演過程、推演結果也都更加貼近實戰。

            第十一屆中國國際國防電子展覽會上,北京某公司展示出了一款聯合作戰態勢可視化平臺系統。這個系統運用了數字孿生技術,支持海量數據資源整合、戰場態勢可視化顯示、多軍兵種作戰輔助決策等。

            沉浸訓練 讓受訓者身臨其境感受戰火硝煙

            一群穿戴全套訓練設備的士兵正在訓練,有的在車輛中緊張地做著駕駛動作,有的在左右轉動車頂的機槍并狂扣扳機,有的在地面“原地”做出各種戰術動作……這群士兵操縱的并非真實的武器裝備,卻能依托呈現設備感受到作戰訓練“實況”。

            數字孿生技術融合實景三維建模技術、大數據技術等,構建軍事訓練場景數字孿生平臺,可以實現人、裝備、環境虛擬與現實的有機結合,形成戰場環境的動態虛擬呈現。在虛擬與現實相融合的訓練環境中,參訓者的觸覺、嗅覺、視覺、聽覺全面沉浸,虛擬裝備和設備的數據及時反饋,訓練效果顯著提升。

            美國彈弓宇航公司(Slingshot Aerospace)為美國太空軍開發了一款數字孿生訓練工具。它基于物理學的模擬,結合在軌物體實時跟蹤映射、先進的空間天氣數據等,可準確模擬當前的太空狀態,最大限度提升太空訓練的沉浸感。

            通過搭建訓練“新基地”,將數字化技術深度融入戰術訓練,可在實現資源共享的同時,大幅降低訓練資源獲取成本。建造基于數字孿生的實景三維模擬訓練場,能夠“把大的戰場縮小來訓、把遠的戰場拉近來訓、讓少數人訓變成大多數人訓、把境外戰場放到境內來訓”。培訓設備費用昂貴、傳統實景系統沉浸感不強以及人機交互系統構建復雜且交互性不好等問題,也能得以有效解決。

            目前,世界各軍事大國均已認識到數字孿生技術的應用潛力,紛紛通過完善虛擬訓練系統提升訓練質效。各國紛紛將數字孿生技術應用于飛行模擬器,通過模擬復雜飛行環境及突發情況,訓練飛行員應急應變能力。

            研發裝備 讓數字模型從虛擬向實體蛻變

            武器裝備的及時研制、快速生產和維護維修是打贏戰爭、奪取勝利的重要保證。數字孿生模型將傳統“設計-樣品-測試-模具-再樣品”的實體研發模式,變為“數字模型-測試-修改-定型”的虛擬研發模式,研發過程時間短、成本低、效率高。

            如今,不少國家已經“嘗到了甜頭”。法國達索飛機公司利用數字孿生技術打造先進的智能裝備測試系統,將某新型戰斗機的研發成本降低25%。英國宇航系統公司(BAE Systems Plc)公布了用于設計英國“暴風”第六代戰斗機的數字技術,通過數字孿生模型和三維打印技術的結合,加快了戰機的研發。美國依托數字孿生智能試驗平臺測試F-35戰斗機,將生產周期縮短了5個月。

            基于數字孿生技術的虛擬研發模式,避免了在樣品實體上進行繁瑣修正,而是依托數字模型進行設計方案的優化。只需通過調整參數,即可快速、靈活地切換至指定型號產品進行測試,大幅縮減新型裝備的研發和定型時間。

            裝備的科技含量越高,維護難度及成本也就越大。數字孿生技術對解決復雜武器裝備故障問題也具有獨特優勢。裝備交付使用前,通過虛擬空間獲取裝備詳細運行參數,存入數字模型。裝備使用過程中,通過傳感器實時反饋裝備運轉數據,與模型參數進行比對,從而達到實時監測裝備運行狀態的目的。

            在數字孿生技術誕生之初,美軍已經提出將其應用于航空航天飛行器的健康維護與保障。比如戰機試飛,在數字空間建立孿生體模型,并通過傳感器與飛機真實狀態完全同步。每次試飛后,即可根據現有狀況和過往載荷,及時分析評估是否需要維修,能否承受下次任務載荷等。(張震 尚敦敏)

            責任編輯:小云
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