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當(dāng)前，世界正處于百年未有之大變局，在變局和危機(jī)中，各行各業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求十分迫切。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級已經(jīng)成為釋放巨大發(fā)展動能的關(guān)鍵因素，也成為了各國關(guān)于未來全球發(fā)展的共識。以制造業(yè)為例，美、德、英、法等紛紛提出了各自的國家制造發(fā)展戰(zhàn)略，“制造強(qiáng)國”也成為了我國的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，其中最基礎(chǔ)的技術(shù)驅(qū)動因素就是數(shù)字化和智能化。數(shù)字孿生是以多維模型和融合數(shù)據(jù)為驅(qū)動，通過實時連接、映射、分析、交互來刻畫、仿真、預(yù)測、優(yōu)化和控制物理世界，使物理系統(tǒng)的全要素、全過程、全價值鏈達(dá)到最大限度的優(yōu)化。數(shù)字孿生與各產(chǎn)業(yè)的深化融合能夠有力推動各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為了產(chǎn)業(yè)變革的強(qiáng)大助力^[1]。數(shù)字孿生契合了我國以信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能的戰(zhàn)略需求，成為了應(yīng)對當(dāng)前百年未有之大變局的關(guān)鍵因素。數(shù)字孿生日趨成為各界研究熱點(diǎn)，應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。

「1.哪里來：數(shù)字孿生的起源」

模型是數(shù)字孿生的核心要素，而從模型到數(shù)字孿生經(jīng)歷了物理的“實物模型”到數(shù)字化展示的“數(shù)字化模型”再到物理對象與虛擬模型交互共生的數(shù)字孿生的技術(shù)發(fā)展過程。筆者團(tuán)隊 2021 年在《計算機(jī)集成制造系統(tǒng)》期刊上發(fā)表的“數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論及應(yīng)用”文章中分析了從模型到數(shù)字孿生的過程^{^[2]}:

模型是生產(chǎn)制造活動中的重要要素，在不同歷史階段和不同技術(shù)背景下，呈現(xiàn)出不同形式，發(fā)揮了不同作用。人類從青銅時代就開始借助“模型”制造青銅器。例如我國在商周時代鑄造青銅器采用的“塊范法”和“失蠟法”即是以模型為基礎(chǔ)的。“塊范法”和“失蠟法”首先選用陶、木、竹、骨、石、蠟等材料制成青銅器的“實物模型”，然后再在該模型的基礎(chǔ)上做成鑄型，通過向型腔內(nèi)澆鑄銅液，凝固冷卻后得到青銅鑄器。類似地，清朝負(fù)責(zé)皇室建筑(如宮殿、皇陵、園林等)的樣式雷家族利用建筑的“燙樣”(即“實物模型”)將設(shè)計方案變成立體的微縮景觀，從而提前了解建筑效果，進(jìn)而指導(dǎo)實際建造。這些在實際建筑動工之前按 1/100 或 1/200 比例先制作的“燙樣”不僅在外觀上展示了建筑的樣貌，還體現(xiàn)了建筑的臺基、瓦頂、柱枋、門窗等詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，實際物理對象的“實物模型”除了能輔助生產(chǎn)制造外，還能替代其原型的部分功能。例如，著名的秦始皇陵兵馬俑就是代替了活人為秦始皇陪葬。為真實再現(xiàn)秦軍士兵精神面貌，這些兵俑被工匠們用高超技藝表現(xiàn)地十分逼真，臉型、眼睛、表情、年齡等各不相同又活靈活現(xiàn)。另外，三國時代諸葛亮為給蜀漢十萬大軍運(yùn)輸糧食而發(fā) 明的運(yùn)輸工具“木牛流馬”具備了真實牛馬的功能和作用，從而代替了真實的牛馬進(jìn)行糧食運(yùn)輸^[2]。

上述“實物模型”可實現(xiàn)對應(yīng)的物理對象或功能的復(fù)制，但這類模型存在一定程度的時空局限。如在時間尺度上，實物模型主要以靜態(tài)再現(xiàn)外觀或結(jié)構(gòu)為主，不能充分表現(xiàn)物理對象隨時間的變化特性;在空間尺度上，針對大場景的(如整座城市、整個園區(qū))、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的(如發(fā)動機(jī))物理對象，這類實物模型難以完整刻畫。隨著計算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的成熟和普及使用，人們可以利用數(shù)字化技術(shù)突破時空局限，建立物理對象的“數(shù)字化模型”，從而解決上述問題。如利用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)已實現(xiàn)了在虛擬世界中創(chuàng)建數(shù)字化圓明園(即圓明園的數(shù)字化模型)，從而再現(xiàn)了圓明園的歷史原貌。另外，采用全息影像技術(shù)，復(fù)活已故歌手在舞臺上的演唱表演，觀眾不僅可以看到和歌手外貌一樣的數(shù)字化虛擬歌手，還可以聽到和歌手一模一樣的歌聲，實現(xiàn)了對已故人物的虛擬復(fù)活^[2]。

無論是上述輔助制造和進(jìn)行部分功能替代的“實物模型”，還是進(jìn)行數(shù)字化展示的“數(shù)字化模型”，對物理對象在多維多時空尺度上的刻畫還不夠;此外其工作或運(yùn)行過程都相對獨(dú)立，缺乏與對應(yīng)物理對象的動態(tài)交互。隨著新一代信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和深入落地應(yīng)用，人們?nèi)找嫣嵘墓I(yè)和生活實際需求對模型提出了能夠與物理對象進(jìn)行交互的要求。同時，人們還想知道物理世界不同尺度的時空有什么，正在發(fā)生什么，未來會發(fā)生什么?從而預(yù)測可能出現(xiàn)的問題并制訂相應(yīng)的措施。數(shù)字孿生在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，并引起了深刻的產(chǎn)業(yè)變革。物理實體及其對應(yīng)的虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心組成部分。通過多維虛擬模型和融合數(shù)據(jù)雙驅(qū)動，以及物理對象和虛擬模型的交互，數(shù)字孿生能夠描述物理對象的多維屬性，刻畫物理對象的實際行為和實時狀態(tài)，分析物理對象的未來發(fā)展趨勢，從而實現(xiàn)對物理對象的監(jiān)控、仿真、預(yù)測、優(yōu)化等實際功能服務(wù)和應(yīng)用需求，甚至在一定程度達(dá)到物理對象與虛擬模型的共生^[2]。

如圖1所示，數(shù)字孿生可追溯至美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授2002年在其產(chǎn)品生命周期管理(product lifecycle management, PLM)課程上提出的“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字表達(dá)”(a virtual, digital equivalent to a physical product)的概念^[3]。雖然這個概念在當(dāng)時并沒有稱為數(shù)字孿生，但卻具備了數(shù)字孿生的基本組成要素，因此可以被認(rèn)為是數(shù)字孿生的雛形。受限于當(dāng)時數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)字化描述技術(shù)、計算機(jī)性能和算法不夠成熟， Michael Grieves 教授所提出的早期概念并未受到廣泛關(guān)注。

圖1 數(shù)字孿生起源與發(fā)展

如圖 1 所示，2010 年，“數(shù)字孿生”才由美國國家航空航天局(NASA)首次書面提出并得到了進(jìn)一步發(fā)展^[4]。NASA 在《Modeling, simulation, information technology & processing roadmap》中詳細(xì)說明了對于航天器數(shù)字孿生的定義和功能，該路線圖的草案最早在 2010 年就已出現(xiàn)并傳播，但正式版直到 2012 年才發(fā)表^[5]。與此同時，2011 年，美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)在一次演講中也明確提到了數(shù)字孿生，AFRL希望利用數(shù)字孿生來解決戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體(Airframe)的維護(hù)問題。2012 年，NASA 和 AFRL 合作共同提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體范例^[6]，以應(yīng)對面對未來飛行器高負(fù)載、輕質(zhì)量以及極端環(huán)境下服役更長時間的需求。

如圖 1 所示，2014 年 Grieves 教授發(fā)表了關(guān)于數(shù)字孿生的白皮書，根據(jù)該白皮書，數(shù) 字孿生的基本概念模型包括三個主要部分:(a)實體空間中的物理產(chǎn)品;(b)虛擬空間中的虛擬產(chǎn)品;(c) 將虛擬產(chǎn)品和物理產(chǎn)品聯(lián)系在一起的數(shù)據(jù)和信息的連接^[7]。Gartner 連續(xù) 3 年將數(shù)字孿生列為 2017 年至 2019 年間具有戰(zhàn)略價值的 10 大技術(shù)趨勢之一^[8-9]。數(shù)字孿生日益受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。同時，如圖 2 所示，筆者團(tuán)隊在 2017 年提出了數(shù)字孿生車間的概念，設(shè)計了數(shù)字孿生車間的運(yùn)行機(jī)制，討論了數(shù)字孿生車間的特點(diǎn)以及關(guān) 鍵技術(shù)，為數(shù)字孿生在制造中的應(yīng)用提供了理論支持^[10]。之后，為了促進(jìn)數(shù)字孿生在更多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，筆者團(tuán)隊擴(kuò)展了三維數(shù)字孿生模型，提出了數(shù)字孿生五維模型^[11]。為推動數(shù)字孿生理念和技術(shù)進(jìn)一步落地推廣應(yīng)用，筆者團(tuán)隊研究并建立了數(shù)字孿生建模準(zhǔn)則和理論體系^[12]、數(shù)字孿生技術(shù)和工具體系^[12]，以及數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系^[13]，指導(dǎo)了數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)制定并立項，并受邀在 Nature 發(fā)表數(shù)字孿生評述文章^[1]。此外，筆者團(tuán)隊的相關(guān)工作總結(jié)形成了數(shù)字孿生在設(shè)計、制造和服務(wù)中的系列英文專著，其中關(guān)注設(shè)計的Digital Twin Driven Smart Design，和關(guān)注智能制造的Digital Twin Driven Smart Manufacturing已出版，關(guān)注服務(wù)的Digital Twin Driven Service截至 2020 年 12 月 31 日已完成初稿，并將于2021年出版。2021年3月北航陶飛教授在Taylor & Francis上創(chuàng)辦了Digital Twin國際期刊，該期刊目標(biāo)是出版數(shù)字孿生及其在制造、工業(yè)工程、城市、醫(yī)療、船舶等領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用，該期刊是數(shù)字孿生方面的國際綜合類期刊。

圖2 筆者團(tuán)隊數(shù)字孿生相關(guān)工作

「 2．是什么:數(shù)字孿生概念」

2017 年以來，數(shù)字孿生的研究和應(yīng)用越來越熱。在學(xué)術(shù)界，數(shù)字孿生的研究論文每年呈指數(shù)級增長，全世界各主要國家的高校和科研機(jī)構(gòu)幾乎都有學(xué)者關(guān)注和研究數(shù)字孿生，并取得了很多研究成果和進(jìn)展^[14]。在工業(yè)界，各大工業(yè)軟件的巨頭，如西門子公司、PTC 公司、達(dá)索公司等以及知名實業(yè)公司，如空客集團(tuán)、波音、特斯拉等都在積極實踐數(shù)字孿生^[12]。雖然數(shù)字孿生得到了業(yè)界廣泛關(guān)注和研究，但數(shù)字孿生在概念和內(nèi)涵上卻并沒有一個統(tǒng)一的定義。隨著數(shù)字孿生研究和實踐的不斷推進(jìn)，人們賦予了數(shù)字孿生的各種定義。

Michael Grieves 教授在 2016 年發(fā)表的Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems一文中稱:其最早在 2002 年的 PLM 課程上提出的 PLM 的概念模型已具有了數(shù)字孿生的所有元素，即真實空間、虛擬空間、從真實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流鏈接，從虛擬空間到真實空間和虛擬子空間的信息流鏈接^[3]。并進(jìn)一步定義了數(shù)字孿生^[3]:“數(shù)字孿生(DT)是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的或?qū)嶋H的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息?！蓖瑫r Grieves 教授將數(shù)字孿生可以解決的問題分成了 2 類:一是可預(yù)測的行為(predicted behavior);二是不可預(yù)測的行為(unpredicted behavior)。隨后又進(jìn)一步將行為分為期望值(desirable)和非期望值(undesirable)。從而得到 4 類結(jié)果,如圖 3 所示，(1)預(yù)計得到的期望結(jié)果;(2)預(yù)計得到的非期望結(jié)果;(3)未預(yù)料到的期望結(jié)果(4) 未預(yù)料到的非期望結(jié)果^[3]。Michael Grieves 定義數(shù)字孿生過于籠統(tǒng)，沒有具體的描述和解釋。直到 2010 年 NASA 發(fā)布了關(guān)于航天器的數(shù)字孿生的詳細(xì)定義，即“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度、多物理量、多概率的仿真過程，從而虛擬空間反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程^[5]”。