說到數(shù)字孿生的起源，不得不提Michael Grieves教授。國內(nèi)關(guān)于數(shù)字孿生的論文似乎形成了一個(gè)共識(shí)：2003（或者2002）年，Grieves教授在美國密歇根大學(xué)產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程上首次提出了數(shù)字孿生的概念。
▲Michael Grieves教授
Grieves教授主要研究PLM，與NASA等美國機(jī)構(gòu)也有千絲萬縷的聯(lián)系
可惜的是，這個(gè)課程的具體內(nèi)容現(xiàn)在已不得而知，只能從Grieves教授2014年撰寫的白皮書《Digital twin: Manufacturing excellence through virtual factory replication》中窺探一二。當(dāng)年在這門課上，Grieves教授提出了“虛擬數(shù)字等價(jià)”和“全生命周期映射”的理念，即通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字化、虛擬化等價(jià)體來進(jìn)行產(chǎn)品的全生命周期管理。在此之后Grieves教授還相繼提出了mirrored spaced model（鏡像空間模型）和information mirroring model（信息鏡像模型）這兩個(gè)類似的概念，而信息鏡像模型已經(jīng)是包含真實(shí)空間、虛擬空間和信息數(shù)據(jù)流這三要素的一種完備體系，這與后來的數(shù)字孿生體概念不謀而合。
▲信息鏡像模型
早期針對(duì)產(chǎn)品的鏡像模型構(gòu)想相當(dāng)超前與后來數(shù)字孿生模型有一定的相似性
但有意思的是，在2003到2011年間Grieves教授并沒有直接提出數(shù)字孿生這一名詞或者闡述信息鏡像模型的具體構(gòu)建技術(shù)，更沒有自稱為數(shù)字孿生概念的首創(chuàng)者，數(shù)字孿生研究的鼻祖其實(shí)還尚存疑問。Grieves教授信息鏡像理念沒有得到廣泛推廣的最大問題在于過于超前，由于時(shí)代的局限性無論是數(shù)據(jù)采集技術(shù)還是計(jì)算機(jī)建模技術(shù)都無法支撐這種“科幻構(gòu)想”，所以學(xué)術(shù)界當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)一步的跟進(jìn)研究。
目前真正可以檢索到的最早直接提及數(shù)字孿生的論文或者報(bào)告是2011-2012年NASA和AFRL（美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室）發(fā)布的一系列關(guān)于數(shù)字孿生在航空器中應(yīng)用的展望，NASA當(dāng)時(shí)期望2025年時(shí)，每向美軍交付一架戰(zhàn)機(jī)，能夠同步交付一套實(shí)作模型（as-built digital model），通過實(shí)作模型可以在虛擬場(chǎng)景下進(jìn)行壽命和可靠性的估算。
NASA定義的航空器數(shù)字孿生體是一種綜合多物理、多尺度、概率仿真的實(shí)作飛行器模型或系統(tǒng)，而實(shí)作飛行器模型本身應(yīng)當(dāng)是外模線、內(nèi)部構(gòu)造、計(jì)算流體力學(xué)模型的緊耦合，并且可以通過接受傳感器數(shù)據(jù)和飛行歷史數(shù)據(jù)來映射飛行器實(shí)體。
雖然數(shù)字孿生出現(xiàn)不過十年，但NASA關(guān)于孿生體的研究可以追溯到上世紀(jì)60年代的阿波羅計(jì)劃，NASA在登月計(jì)劃中會(huì)制造兩個(gè)完全相同的太空飛船，在實(shí)驗(yàn)室中作為鏡像的飛行器就稱為孿生體,用以反映太空中真實(shí)飛行器的狀態(tài)。阿波羅時(shí)期的孿生體可以理解為一種同步動(dòng)態(tài)的物理樣機(jī)，與數(shù)字孿生體對(duì)應(yīng)可稱之為“物理孿生體”。
▲NASA構(gòu)想的孿生體
阿波羅時(shí)期的孿生體還是一個(gè)真實(shí)存在的實(shí)物
數(shù)字孿生體的理念雖然脫胎于阿波羅“孿生體”，但在信息化、智能化的趨勢(shì)下數(shù)字孿生體在“模型數(shù)字化”、“場(chǎng)景虛擬化”、“數(shù)據(jù)深度融合交互”等方面有了極大的拓展。不過NASA也承認(rèn)以當(dāng)時(shí)的技術(shù)無法完全實(shí)現(xiàn)這一系列具有顛覆性的功能，只能從某些方面開始進(jìn)行數(shù)字孿生體的實(shí)踐嘗試。
目前的數(shù)字孿生體也與1990年代開始就蓬勃發(fā)展的數(shù)字樣機(jī)、虛擬樣機(jī)技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。我國成功在“飛豹”戰(zhàn)機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中全面使用數(shù)字樣機(jī)，NASA將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了“探路者”號(hào)火星探測(cè)器上，西門子、波音等企業(yè)也在設(shè)計(jì)與制造階段廣泛使用數(shù)字樣機(jī)。但這一階段的虛擬樣機(jī)更側(cè)重于三維建模和虛擬仿真，在產(chǎn)品全生命周期中無法形成實(shí)物與模型的信息交互。雖然也出現(xiàn)了MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）和在線仿真等理念，但主要應(yīng)用仍集中于產(chǎn)品模型管理、狀態(tài)監(jiān)控或者企業(yè)的SCADA系統(tǒng)。
▲殲轟七（飛豹）
航空工業(yè)一飛院在殲轟七戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)過程時(shí)，構(gòu)建了世界上第一架全電子飛機(jī)樣機(jī)
另一個(gè)與數(shù)字孿生有深度聯(lián)系的概念是CPS（信息物理系統(tǒng)/賽博物理系統(tǒng)）。CPS是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computation、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的虛實(shí)互操作。CPS的出現(xiàn)相對(duì)于數(shù)字孿生更早，體系和概念建設(shè)也更為完善，學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用也更充分。單純從定義上看數(shù)字孿生和CPS存在很多的相通之處，國內(nèi)外對(duì)這兩者的區(qū)分認(rèn)識(shí)也處于模糊狀態(tài)，許多文獻(xiàn)和報(bào)告中這兩者也存在混用。筆者認(rèn)為CPS更偏向于一種設(shè)想或者說是一門學(xué)科，它的范疇更廣；而數(shù)字孿生偏向技術(shù)，數(shù)字孿生體偏向模型，是踐行CPS的一種手段。
▲孿生體發(fā)展歷程
2011年數(shù)字孿生正式誕生之后，經(jīng)過了幾年的技術(shù)沉淀， 2017年開始數(shù)字孿生的相關(guān)研究呈現(xiàn)井噴式增長，現(xiàn)在已經(jīng)位列Gartner公布的2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一?？梢钥闯鰺o論是Grieves教授還是NASA/AFRL，他們?nèi)灾饕塾诋a(chǎn)品特別是航天器的全生命周期數(shù)字孿生，而2017年開始的數(shù)字孿生研究浪潮要?dú)w功于許多學(xué)者將數(shù)字孿生的理念引入了智能制造、智慧城市以及醫(yī)療、電網(wǎng)甚至農(nóng)牧業(yè)等眾多領(lǐng)域。
▲數(shù)字孿生相關(guān)論文發(fā)表趨勢(shì)
此圖引自參考文獻(xiàn)[5]
目前最為活躍且極具影響力的數(shù)字孿生學(xué)者非陶飛教授莫屬，陶飛是國內(nèi)數(shù)字孿生理論的主要推廣人，他將數(shù)字孿生引入制造車間，闡述了數(shù)字孿生應(yīng)由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和各部分間的連接五部分組成。
▲陶飛提出的數(shù)字孿生五維模型
此圖引自參考文獻(xiàn)[7]
目前數(shù)字孿生的研究仍然方興未艾，國際上形成了中、美、德三足鼎立的局勢(shì)，德國主要側(cè)重于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用（西門子已建成數(shù)字孿生工廠并為機(jī)床搭建孿生體模型），美國側(cè)重于產(chǎn)品管理和孿生理論（SpaceX已在載人龍飛船上使用了數(shù)字孿生技術(shù)），中國在理論和數(shù)字孿生創(chuàng)新應(yīng)用方面有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)（中國航天科工三院打造的“孿生反演，智驅(qū)未來”數(shù)字孿生城市已在重慶落地）。
由于數(shù)字孿生仍然是個(gè)新興領(lǐng)域，目前國內(nèi)數(shù)字孿生的研究者主要來自于三個(gè)方向，其一是最初研究CPS和仿真的一批學(xué)者，其二是原先研究可視化以及建模的一批學(xué)者，其三是嘗試將數(shù)字孿生引入自己領(lǐng)域的學(xué)者。理論體系方面數(shù)字孿生雖然日趨完善，但由于數(shù)字孿生的跨學(xué)科性，這些學(xué)者在實(shí)際應(yīng)用過程中仍局限于原有的研究方向。最終造成目前大部分的數(shù)字孿生成果仍然未脫離傳統(tǒng)的監(jiān)控與仿真的范疇，只是從監(jiān)控進(jìn)階為數(shù)據(jù)可視化，從仿真進(jìn)階為動(dòng)態(tài)的評(píng)估分析，仍未達(dá)到數(shù)字孿生體自適應(yīng)、自演化、虛實(shí)融合的高級(jí)目標(biāo)。學(xué)術(shù)界基本都認(rèn)識(shí)的了數(shù)字孿生的廣闊前景，各國政府力量也開始加大投入，如何在應(yīng)用中突破技術(shù)瓶頸實(shí)現(xiàn)真實(shí)意義上的數(shù)字孿生將會(huì)是未來的核心熱點(diǎn)。
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