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設(shè)備與工具導(dǎo)讀
數(shù)字孿生的概念最早由密歇根大學(xué)教授MichaelGrieves于2003年提出，該概念在提出時(shí)并未引起國內(nèi)外軍事領(lǐng)域的重視，這是因?yàn)椋海?）當(dāng)時(shí)收集裝備實(shí)體信息的技術(shù)手段有限，難以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)和裝備數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)采集；（2）資源要素的數(shù)字化描述尚不成熟，相關(guān)的軟硬件無法支持在數(shù)字空間中精確定義和描述軍事實(shí)體、軍事活動和軍事知識等模型；（3）當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)算力和算法難以實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，高速率、大容量和低時(shí)延的戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)尚不成熟，虛實(shí)之間數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。
01/數(shù)字孿生介紹
2011年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等IT技術(shù)以及人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)等智能化技術(shù)的持續(xù)和深入發(fā)展，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)逐漸在軍民用領(lǐng)域得到重視，從產(chǎn)品研發(fā)、裝備制造和智慧城市逐漸拓展到復(fù)雜軍事信息系統(tǒng)。典型的杭州數(shù)字孿生城市，已實(shí)現(xiàn)交通信號的智能配置，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，試點(diǎn)區(qū)域通行時(shí)間減少15%，杭州蕭山區(qū)的120救護(hù)車到達(dá)現(xiàn)場時(shí)間縮短一半；美海軍“數(shù)字林肯”作戰(zhàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了借助數(shù)字孿生控制作戰(zhàn)力量和發(fā)射導(dǎo)彈。這就說明數(shù)字孿生技術(shù)某種程度上已具備實(shí)際場景應(yīng)用的成熟度。
作為近年來迅速發(fā)展的新興研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生的內(nèi)涵逐漸清晰，雖然在其定義方面還未能達(dá)成一致的認(rèn)識。但其主要的元素一定包括物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)。
針對不同的對象，從不同的維度進(jìn)行思考，數(shù)字孿生技術(shù)具有不同的認(rèn)識與特征。
物理層面
物理實(shí)體是整套系統(tǒng)的基礎(chǔ)，不同的物理實(shí)體決定不同的物理模型，不同的實(shí)體特征決定不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，不同的現(xiàn)實(shí)需求決定不同的服務(wù)拓展；模型(虛擬)層面：理想數(shù)字孿生模型包括幾何模型、規(guī)則模型、物理模型、行為模型等多空間多尺度模型。有別于傳統(tǒng)模型，更加強(qiáng)調(diào)與實(shí)體空間的相互映射與高度一致性；
數(shù)據(jù)層面
數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心驅(qū)動力，數(shù)據(jù)的來源不光要包括實(shí)體空間、虛擬空間，也要包括虛實(shí)結(jié)合的融合數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)層面還應(yīng)包括物理層實(shí)時(shí)交互、響應(yīng)更新、決策迭代等內(nèi)容；
連接層面
物理實(shí)體與虛擬空間的連接必須具有雙向性和兼容性。雙向性具體表現(xiàn)為雙向連接、雙向驅(qū)動與雙向交互，兼容性表現(xiàn)為跨平臺、跨接口、跨協(xié)議；
服務(wù)層面
針對不同的對象、不同的需求，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以在產(chǎn)品的全生命周期各個(gè)階段提供相應(yīng)的可靠服務(wù)。
02/國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在國外，數(shù)字孿生的概念最早于2003年誕生，卻因?yàn)閿?shù)據(jù)采集能力和信息技術(shù)條件的不成熟，未能得到重視。直到2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室與NASA合作提出構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，并將數(shù)字孿生定義為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多概率、多尺度的仿真模型之后，才在相關(guān)研究領(lǐng)域真正引起關(guān)注，并在近些年得到飛速發(fā)展。
而在國內(nèi)，劉青等學(xué)者對數(shù)字孿生的研究所進(jìn)行的綜述，認(rèn)為2017年是數(shù)字孿生發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2017年之前，對于數(shù)字孿生的認(rèn)識還處于模糊階段，故相關(guān)研究主要集中于概念的討論，同時(shí)也探索了幾種理論實(shí)現(xiàn)模型。到了2017年以后，研究數(shù)量大幅度增加，國內(nèi)也有相當(dāng)數(shù)量的學(xué)者參與研究，在對概念進(jìn)行擴(kuò)展、完善外，更探索出多種應(yīng)用框架、新的模型和方式。進(jìn)而國內(nèi)數(shù)字孿生的研究逐漸向落地產(chǎn)品與實(shí)物驗(yàn)證過渡。其中包括，莊存波等提出的一種數(shù)字框架，主要用于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配車間的數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建；郭東升等則充分利用數(shù)字孿生系統(tǒng)的可交互性、可計(jì)算性等特征，搭建了以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的航空結(jié)構(gòu)件車間；北航陶飛團(tuán)隊(duì)則將研究重心放到對數(shù)字孿生系統(tǒng)框架地設(shè)計(jì)與探索中，包括需求分析、任務(wù)劃分、框架設(shè)計(jì)、概念實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)。而在具體的工程實(shí)例方面，數(shù)控機(jī)床、自動導(dǎo)軌運(yùn)輸車、3D打印機(jī)等制造設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)也相繼落地，對該新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到指導(dǎo)意義。與此同時(shí)，隨著數(shù)字孿生價(jià)值的不斷上升，使用什么樣的平臺進(jìn)行數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
03/飛思集群仿真平臺
飛思集群仿真平臺基于以上需求，提出了如下圖所示虛實(shí)結(jié)合的仿真構(gòu)架，將仿真節(jié)點(diǎn)分為兩類：實(shí)體節(jié)點(diǎn)和虛擬節(jié)點(diǎn)。其中，實(shí)體節(jié)點(diǎn)具有較高的模型精度，且將飛控系統(tǒng)、機(jī)載視覺計(jì)算機(jī)、組網(wǎng)通信鏈路等硬件實(shí)體直接接入仿真閉環(huán)，形成半物理仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更高精度和可信度的模擬實(shí)驗(yàn)效果；而虛擬節(jié)點(diǎn)基于專家知識、物理模型、物理空間等多維數(shù)據(jù)，進(jìn)行建模和分析，構(gòu)建物理實(shí)體的高保真數(shù)字孿生模型，在保證基本仿真精度需求的情況下，采用了簡化的運(yùn)動和控制模型，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模無人機(jī)集群節(jié)點(diǎn)的快速模擬。因此，實(shí)體飛機(jī)節(jié)點(diǎn)精度高，但是占用硬件和計(jì)算資源多，在整體集群仿真中少量部署；而虛擬飛機(jī)節(jié)點(diǎn)精度稍低，但是占用資源少成本低，可在集群仿真中大量部署。通過合理配置實(shí)體飛機(jī)節(jié)點(diǎn)和虛擬飛機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)在成本與精度的平衡，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集群仿真較好的算法驗(yàn)證效果，同時(shí)，結(jié)合人工智能技術(shù)，通過數(shù)據(jù)融合分析、虛實(shí)交互反饋和決策迭代優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體空間與數(shù)字虛擬空間的交互共融和智能化操作，提供無人系統(tǒng)集群智能方向的數(shù)字孿生解決方案。
"無人機(jī)集群虛實(shí)結(jié)合仿真構(gòu)架"
"大規(guī)模無人機(jī)集群仿真"
"無人機(jī)視覺仿真開發(fā)"
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