一文读懂数字孪生

数字孪生之火热

数字孪生（Digital Twins）之火热，已经成为了一个不争的事实。数字孪生的概念，起源于制造业，现在已广泛应用到了智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等行业。简而言之，数字孪生无处不在。 

本文首先简单回顾了国内外在数字孪生方面的研究与应用的典型工作，将现有的数字孪生方面的工作依据其性质的不同分为两大类：一类工作的重点在如何进行工程应用，解决实际问题；另一类工作的重点在于探讨数字孪生自身的运作机理、运行方法或运行模式。在此基础上，给出了我们对德国工程师协会/德国电气工程师协会（VDI/VDE）技术委员会于2020年2月发布的报告《设备生命周期中的仿真与数字孪生》的评论。

NASA更具工程应用含义的数字孪生

在上世界六十年代，美国的NASA（美国宇航局）实施了一系列载人登月飞行任务，简称阿波罗计划（Apollo program），目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察。在Apollo program工程中，NASA建设了一套完整的、高水准的地面半物理仿真系统，用于培训宇航员和任务控制人员所用到的全部任务操作，当然包括了多种故障场景的处理使命。

其中一些故障场景处理，在Apollo 11与 Apollo 13的任务完成过程中，证明了其价值所在。这些功能各式各样的模拟器，由联网的多台计算机控制。其中十台模拟器被联网用以模拟一个单独的大问题。指令舱模拟器用了四台计算机，登月舱模拟器用了三台计算机。在模拟培训中，唯一真实的东西是乘员、座舱和任务控制台，其他所有的一切，都是由一堆计算机、许多的公式以及经验丰富的技术人员仿真而创造出来的。

NASA在其特定的工程实践中，首先认识到了建设物理孪生的重要性。随着计算机、网络技术的高速发展，特别是软件技术与仿真技术的高度发展，使得各种物理孪生对象，从功能上、行为上完全可以用计算机系统进行仿真替代，在此基础上，提出数字孪生的理念，就成为水到渠成的事了。

NASA基于其成功的工程实践，在之后2010年发布的Area 11技术路线图的Simulation-Based Systems Engineering部分中，首次提出了数字孪生（Digital Twins）的概念。其定义为：“一个数字孪生，是一种集成化了的多种物理量、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、飞行的历史等等，来镜像出其对应的飞行当中孪生对象的生存状态。”

2010年NASA提出数字孪生概念，有明确的工程背景，即服务于自身未来宇航任务的需要。NASA认为基于Apollo时代积累起来的航天器设计、制造、飞行管理与支持等方式方法（相似性、统计模式的失效的分析、原型验证等），无论在技术方面还是在成本方面等，均不能满足未来深空探索（更大的空间尺度、更极端的环境、更多未知因数）的需要，需要找到一种全新的工作模式，称之为数字孪生。

在其Area 12技术路线图中，列举出来材料、结构、机构等多方面的技术探索内容，其中的一个重要内容就是对应任务的各种各样的仿真，见下图这些仿真要能够对运载工具全生命周期提供支持。而将这些仿真集成到一起，再加上实时状态数据，历史维护数据，以及机载健康管理（IVHM）等，就是其数字孪生含义，一种NASA追求的全新的工作模式。