（一）数字孪生——起源

数字孪生的来源

1. 国外发展

• 美国国防部最早提出利用Digital Twin技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。现在数字空间建立真实飞机的模型，通过传感器实现与飞机真实状态的完全同步。
• 2002年，美国密歇根大学成立了一个PLM（产品生命周期）中心，Michael Grieves教授面向工业界发表《PLM的概念性设想》，首次提出了一个PLM概念模型，在这里提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”，出现了现实空间、虚拟空间的描述。下图介绍了从现实空间到虚拟空间的数据流连接，以及从虚拟空间到现实空间和虚拟空间的信息流连接。

• • Michael Grieves教授提到，驱动该模型的前提是每个系统都由两个系统组成：一个是一直存在的物理系统，一个是包含了物理系统所有信息的新虚拟系统。
  • 这意味着现实空间中存在的系统和虚拟空间中的系统之间存在 一个镜像，或叫做“系统的孪生”。
  • 在产品全生命周期管理意味着不再是静态地谁表达谁，而是两个系统——即虚拟系统和现实系统将在整个生命周期中彼此连接。
• 2003年初，这个概念模型在密歇根大学第一期PLM课程中使用，当时被称作”镜像空间模型”。2005年，在一份刊物中他又提到这个模型。
• 2006年，Michael Grieves博士又发表了《产品生命周期管理：驱动下一代精益思想》，在这这篇文章里他又给了数字孪生第二世，叫“信息镜像模型”。

，

（美国国家航空航天局）在其

中首次引入了数字孪生的表述，被认为是数字孪生技术最早的实地应用。
• 这是一段关于Apollo 13登月飞行中发生的事：50年前，阿波罗13号宇宙飞船在远离地球的210000英里处其生活舱中的一个氧气罐发生爆炸，宇航员们怎么回家呢？这是一个巨大的挑战。NASA做到了，这一切的关键是在NASA的身后有一套完整的、高水准的地面仿真系统，用于培训宇航员和任务控制人员所用到的全部任务操作，包括了多种故障场景的处理。任务控制人员和宇航员进行协商确定了一个着陆计划，而后安排备宇航员在模拟器上进行演练，证明了方案的可行性。
• NASA的数字孪生定义诞生了，在2010年发布的技术路线图Area 11的Simulation-Based System Egineering部分是这样定义的：“一个数字孪生，是一种集成化的多种物理量、多种空间尺度的运载工具或系统的仿真，该仿真使用了当前最为有效的物理模型、传感器数据的更新、飞行的历史等，来镜像出其对应的飞行当孪生对象的生存状态。”
• 2009年，AFRL（美国空军研究实验室）发起了一个“机身数字孪生”项目，简称ADT。该项目综合了：每架飞机制造时的机身静态强度数据，每架飞机的飞行历史数据，以及日常运维数据，采用仿真的方法，来预测飞机机身的疲劳裂纹，实现了飞机结构的寿命管理，有效提高了机身运维效率，以及机身的使用寿命。
• Gartner在2017年、2018年连续将数字孪生列为十大技术趋势之一。其将数字孪生定义为对象的数字化表示，进而将数字孪生分为三类：
  • 离散数字孪生（Discrete digital twins）：单个产品/设备，人或任务的虚拟复制品，用于监视和优化单个资产、人和其他物理资源。
  • 复合数字孪生（Composite digital twins）：用于监视和优化关联在仪器的离散数字孪生的组合使用，如轿车和工业机器这样的多部件系统。
  • 组织数据孪生（Digital twins of organizations -DTOs）：DTOs是复杂与大型实体的虚拟模型，由它们组成部分的数字孪生构成。
• 进入21世纪，美国和德国均提出了Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系统”，作为先进制造业的核心技术。（CPS的目标是实现物理世界和信息世界的交互融合，通过大数据分析、人工智能等新一代信息技术在虚拟世界的仿真分析和预测，以最优的结果驱动物理世界的运行。）

2. 国内发展

• 2004年，中国科学院自动化研究所的王飞跃研究院发表了《平行系统方法与复杂系统的管理和控制》的文章，首次提出了平行系统（Parallel Systems）的概念。
  • 平行系统是指：由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统所组成的共同系统。
  • 通过实际系统与人工系统的相互连接，对二者之间的行为进行实时的动态对比与分析，以虚实互动的方式，完成对各自未来的状况的“借鉴”和“预估”。我们可以将平行系统中的人工系统，理解为物理系统的数字孪生这样的结论。
• 走向智能研究院的赵敏与宁振波在《铸魂——软件定义制造》一书中，对数字孪生有如下的认识和定位：“数字孪生是在‘一切可以数字化的事物’的大背景下，通过软件定义，在数字虚体空间所创立的虚拟事物与物理实体空间的显示事物形成了在形、态、质地、行为和发展规律上都极为相似的虚实精确映射，让物理孪生体和数字孪生体之间有了多元化的映射关系，具备了不同的保真度（逼真/抽象等）。”
• 南山工业书院的林雪萍在“知识自动化”微信公众号上发表的《数字孪生：第四象限的崛起》一文中，使用二维象限工具，完美地诠释了一个产品，从设计，到制造，再到使用与运营，全生命周期地数字孪生的动态演变过程。

3. 百花齐放的数字孪生（数字孪生的演进历史）

• 2002-2010，是数字孪生体的概念产生期，指数字孪生体模型的出现和英文术语名称的确定。
• 2010-2020，是数字孪生的领先应用期，主要指NASA、美军方和达索、ANSYS、GE等航空航天、国防军工机构或工业领域的领先应用。
• 2010-2014，NASA和AFRL更是促进了数字孪生的应用，国际上，有很多大厂提出了基于数字孪生的产品落地方案，主要集中在2014年前后，比如达索、GE、西门子、ANSYS等国际大厂提出的。
  • 达索——3D Experience
  • ANSYS——Twinbuilder：拥有一套完整仿真解决方案。
  • 通用电气GE：根据GE的定义，数字孪生是资产和流程的软件形式的代表，可用于理解、预测和优化性能。GE认为，数字孪生由三个数字化的部分组成：数据模型、分析或算法、知识。

4. 小结

　　2010年到如今数字孪生还在蓬勃发展，得到了各行各业人士的热情追捧，数字孪生也开始应用到了智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等行业，而且2020年国务院国有资产监督委员会也发了一个“关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知”，通知在建设基础数字技术平台，明确提到：运用5G、云计算、区块链、人工智能、数字孪生、北斗通信等新一代信息技术，探索构建适应企业业务特点和发展需求的“数据中台”“业务中台”等新型IT架构模式，建设敏捷高效可复用的新一代数字技术基础设施，加快形成集团级数字技术赋能平台，提升核心架构自主研发水平，为业务数字化创新提供高效数据及一体化服务支撑。