數字孿生有兩層意思，一是指物理實(shí)體與其數字虛體之間的精確映射的孿生關(guān)系；二是將具有孿生關(guān)系的物理實(shí)體、數字虛體分別稱(chēng)作物理孿生體、數字孿生體。默認情況下，數字孿生亦指數字孿生體。

　　實(shí)踐先行，概念后成

　　數字孿生是客觀(guān)世界中的物化事物及其發(fā)展規律被軟件定義后的一種結果。豐富的工業(yè)軟件內涵以及強大的軟件定義效果，讓數字孿生的研究在國內外呈現出百花齊放的態(tài)勢。作者認為數字孿生與計算機輔助（CAX）軟件（尤其是廣義仿真軟件）以及數據采集/分析的發(fā)展關(guān)系十分密切。

　　在工業(yè)界，人們用軟件來(lái)模仿和增強人的行為方式，例如，計算機繪圖軟件早模仿的是人在紙面上作畫(huà)的行為。人機交互技術(shù)發(fā)展成熟后，以下模仿行為開(kāi)始出現：

　　用CAD軟件模仿產(chǎn)品的結構與外觀(guān)

　　CAE軟件模仿產(chǎn)品在各種物理場(chǎng)情況下的力學(xué)性能

　　CAM軟件模仿零部件和夾具在加工過(guò)程中的刀軌情況

　　CAPP軟件模仿工藝過(guò)程

　　CAT軟件模仿產(chǎn)品的測量/測試過(guò)程

　　OA軟件模仿行政事務(wù)的管理過(guò)程

　　MES軟件模仿車(chē)間生產(chǎn)的管理過(guò)程

　　SCM軟件模仿企業(yè)的供應鏈管理

　　CRM軟件模仿企業(yè)的銷(xiāo)售管理過(guò)程

　　MRO軟件模仿產(chǎn)品的維修過(guò)程管理，等等

　　依靠軟件中的某些特定算法，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了某些具有一定智能水平的工業(yè)軟件，如具有關(guān)聯(lián)設計效果的產(chǎn)品設計系統。

　　在文學(xué)與娛樂(lè )界，人們用軟件來(lái)模仿和增強人的體驗方式，例如：

　　用電子書(shū)來(lái)模仿紙質(zhì)書(shū)

　　用電子音樂(lè )來(lái)模仿現場(chǎng)音樂(lè )

　　用電子琴軟件來(lái)彈琴

　　用評書(shū)軟件來(lái)說(shuō)書(shū)

　　用卡通軟件來(lái)模仿漫畫(huà)

　　用動(dòng)漫軟件來(lái)模仿動(dòng)畫(huà)影片

　　用游戲軟件來(lái)模仿各種真實(shí)游戲

　　用百年歷軟件來(lái)快速查找某個(gè)特殊日期或“吉時(shí)”等

　　人們不僅可以模仿已知的、有經(jīng)驗的各種事物，還可以創(chuàng )造性地模仿各種未知的、從未體驗過(guò)的事物，例如影視界可以用軟件創(chuàng )造出諸如龍、鳳、麒麟、阿凡達、白雪公主、七個(gè)小矮人等故事中的形象，當然也可以創(chuàng )造出更多的聞所未聞、見(jiàn)所未見(jiàn)的各種形象。

　　特別是當這種模仿與VR/AR技術(shù)結合在一起的時(shí)候，所有的場(chǎng)景都栩栩如生，直入心境。于是，在由數字虛體構成的虛擬世界中，所有的不可能都變成有可能，所有的在物理世界無(wú)法體驗和重復的奇妙、驚險和刺激場(chǎng)景，都可以在數字空間得以實(shí)現，最大限度地滿(mǎn)足了人的感官體驗和精神需求。

　　事實(shí)上，十幾年前在汽車(chē)、飛機等復雜產(chǎn)品工程領(lǐng)域出現的“數字樣機”的概念，就是對數字孿生的一種先行實(shí)踐活動(dòng)，一種技術(shù)上的孕育和前奏。

　　數字樣機最初是指在CAD系統中通過(guò)三維實(shí)體造型和數字化預裝配后，得到一個(gè)可視化的產(chǎn)品數字模型（幾何樣機），可以用于協(xié)調零件之間的關(guān)系，進(jìn)行可制造性檢查，因此可以基本上代替物理樣機的協(xié)調功能。

　　但隨著(zhù)數字化技術(shù)的發(fā)展，數字樣機的作用也在不斷增強，人們在預裝配模型上進(jìn)行運動(dòng)、人機交互、空間漫游、機械操縱等飛機功能的模擬仿真。之后又進(jìn)一步與機器的各種性能分析計算技術(shù)結合起來(lái)，使之能夠模擬仿真出機器的各種性能。因此將數字樣機按其作用從幾何樣機，擴展到功能樣機和性能樣機。

　　以復雜產(chǎn)品研制而著(zhù)稱(chēng)的飛機行業(yè)，在數字樣機的應用上走在了全國前列。某些型號飛機研制工作在20世紀末就已經(jīng)圍繞著(zhù)數字樣機展開(kāi)。數字樣機將承載幾乎完整的產(chǎn)品信息。

　　因此，人們可以通過(guò)數字樣機進(jìn)行飛機方案的選擇，利用數字樣機進(jìn)行可制造的各種仿真，在數字樣機上檢查未來(lái)飛機的各種功能和性能，發(fā)現需要改進(jìn)的地方，最終創(chuàng )建出符合要求的“數字飛機”，并將其交給工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)，制造成真正的物理飛機，完成整個(gè)研制過(guò)程。

　　無(wú)論是幾何樣機、功能樣機和性能樣機，都屬于數字孿生的范疇。數字孿生的術(shù)語(yǔ)雖然是最近幾年才出現的，但是數字孿生技術(shù)內涵的探索與實(shí)踐，早已經(jīng)在十多年前就開(kāi)始并且取得了相當多的成果。

　　例如中國航空工業(yè)集團第一飛機研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“一飛院”）在21世紀初開(kāi)發(fā)的飛豹全數字樣機與已經(jīng)服役的飛機形成了簡(jiǎn)明意義上的“數字孿生”（盡管當時(shí)沒(méi)有這個(gè)術(shù)語(yǔ)）關(guān)系，如圖5-1所示。

▲圖5-1 飛豹全數字樣機與服役飛機

　　發(fā)展到現在，人們發(fā)現在數字世界里做了這么多年的數字設計、仿真、工藝、生產(chǎn)等結果，越來(lái)越虛實(shí)對應，越來(lái)越虛實(shí)融合，越來(lái)越廣泛應用，數字虛體越來(lái)越賦能于物理實(shí)體系統。

　　近些年，當人們提出了希望物理空間中的實(shí)體事物與數字空間中的虛擬事物之間具有可以聯(lián)接數據通道、相互傳輸數據和指令的交互關(guān)系之后，數字孿生概念基本成形，并且作為智能制造中一種基于IT視角的新型應用技術(shù)，逐漸走進(jìn)人們的視野。

　　事實(shí)上，現有的工業(yè)軟件研發(fā)與生產(chǎn)數據以及沉積在工業(yè)領(lǐng)域內的大量的工業(yè)技術(shù)和知識，都是實(shí)現數字孿生的上好“原料”和基礎構件，數字孿生在工業(yè)現實(shí)場(chǎng)景中已經(jīng)具有了實(shí)現和推廣應用的巨大潛力。

　　內涵解讀，見(jiàn)仁見(jiàn)智

　　根據目前看到的資料，數字孿生術(shù)語(yǔ)由邁克爾·格里夫（Michael Grieves）教授在美國密歇根大學(xué)任教時(shí)首先提出。

　　2002年12月3日他在該?！癙LM開(kāi)發(fā)聯(lián)盟”成立時(shí)的講稿中首次圖示了數字孿生的概念內涵，2003年他在講授PLM課程時(shí)使用了“Digital Twin（數字孿生）”，在2014年他撰寫(xiě)的“數字孿生：通過(guò)虛擬工廠(chǎng)復制實(shí)現卓越制造（Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication）”文章中進(jìn)行了較為詳細的闡述，奠定了數字孿生的基本內涵。

　　在航太領(lǐng)域和工業(yè)界，較早開(kāi)始使用數字孿生術(shù)語(yǔ)。2009年美國空軍實(shí)驗室提出了“機身數字孿生（Airframe Digital Twin）”的概念。2010年NASA也開(kāi)始在技術(shù)路線(xiàn)圖中使用“數字孿生（Digital Twin）”術(shù)語(yǔ)。

　　大約從2014年開(kāi)始，西門(mén)子、達索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業(yè)軟件公司，都在市場(chǎng)宣傳中使用“Digital Twin”術(shù)語(yǔ)，并陸續在技術(shù)構建、概念內涵上做了很多深入研究和拓展。

　　數字孿生尚無(wú)業(yè)界公認的標準定義，概念還在發(fā)展與演變中。下面舉例幾個(gè)國內外企業(yè)或組織做的數字孿生定義，供讀者參考。

　　美國國防采辦大學(xué)認為：數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成對物理實(shí)體的映射，從而反映物理實(shí)體的全生命周期過(guò)程。

　　ANSYS公司認為：數字孿生是在數字世界建立一個(gè)與真實(shí)世界系統的運行性能完全一致，且可實(shí)現實(shí)時(shí)仿真的仿真模型。利用安裝在真實(shí)系統上的傳感器數據作為該仿真模型的邊界條件，實(shí)現真實(shí)世界的系統與數字世界的系統同步運行。

　　中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心劉亞威認為：從本質(zhì)上來(lái)看，數字孿生是一個(gè)對物理實(shí)體或流程的數字化鏡像。創(chuàng )建數字孿生的過(guò)程，集成了人工智能、機器學(xué)習和傳感器數據，以建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的、現場(chǎng)感極強的“真實(shí)”模型，用來(lái)支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動(dòng)的決策。

　　上海優(yōu)也信息科技有限公司首席技術(shù)官林詩(shī)萬(wàn)博士對數字孿生的理解是，數字孿生體可有多種基于數字模型的表現形式，在圖形上，有幾何、高保真、高分辨率渲染、抽象簡(jiǎn)圖等；在狀態(tài)和行為上，有設備運行、受力、磨損、報警、宕機、事故等；在質(zhì)地上，有材質(zhì)、表面特性、微觀(guān)材料結構等。如圖5-2所示。

▲圖5-2 數字孿生示意圖（來(lái)自?xún)?yōu)也公司）

　　北京航空航天大學(xué)張霖教授認為，“數字孿生是物理對象的數字模型，該模型可以通過(guò)接收來(lái)自物理對象的數據而實(shí)時(shí)演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致?！?/p>

　　作者經(jīng)過(guò)多年研究，也給出了自己的理解和定義：數字孿生是在“數字化一切可以數字化的事物”大背景下，通過(guò)軟件定義和數據驅動(dòng)，在數字虛體空間中創(chuàng )建的虛擬事物，與物理實(shí)體空間中的現實(shí)事物形成了在形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規律上都極為相似的虛實(shí)精確映射關(guān)系，讓物理孿生體與數字孿生體具有了多元化映射關(guān)系，具備了不同的保真度（逼真、抽象等）。

　　數字孿生不但持續發(fā)生在物理孿生體全生命周期中，而且數字孿生體會(huì )超越物理孿生體生命周期，在數字空間持久存續。充分利用數字孿生可在智能制造中孕育出大量新技術(shù)和新模式。

　　數字孿生，非雙非胎

　　“Digital Twin”在翻譯和理解上頗有不同，歧義性發(fā)生在數字孿生應用場(chǎng)景中人們對“Twin”的理解上?！癟win”作為名稱(chēng)在英漢詞典中有幾種翻譯結果：“孿生子之一，雙胞胎之一；兩個(gè)相像的人或物之一；成對、成雙的東西；孿晶；雙人床”。

　　如果僅看直譯結果，雙胞胎是準確翻譯，但是如果仔細分析該術(shù)語(yǔ)的應用場(chǎng)景，上述翻譯結果都不貼切，只有“孿生子之一”還算接近“Digital Twin”所描述的應用場(chǎng)景中的概念。而作者恰恰要強調的是“Digital Twin”術(shù)語(yǔ)的應用場(chǎng)景。

　　1. 只有“相像”而無(wú)“相等”

　　在相像程度上，從“生物場(chǎng)景/物理場(chǎng)景”的“Twin”，引申到“數字化場(chǎng)景”的“Digital Twin”，其本意是強調在數字空間構建的數字虛體與物理空間的物理實(shí)體非常相像。

　　但是，相像歸相像，無(wú)論彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的關(guān)系，因為本非同源或同生，一個(gè)數字虛體無(wú)論多么像一個(gè)物理實(shí)體，它也不是物理實(shí)體——這個(gè)客觀(guān)事實(shí)必須界定清楚。

　　“Digital Twin”描述的“相像”，通常都僅僅是指數字虛體和物理實(shí)體在外觀(guān)和宏觀(guān)結構上的“相像”，而從形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規律等多方面的評價(jià)指標來(lái)看，其實(shí)差異極大，本質(zhì)本源不同。

　　“數字雙胞胎”一詞，較容易引導人們把二者完全等同起來(lái)，把“貌似一模一樣”誤認為“就是一模一樣”甚至“相等”，從而形成認知錯覺(jué)。

　　2. 數字孿生關(guān)系并不止于“雙”

　　即使從“相像”來(lái)看，在所指上也并非限于“雙”，因為“雙”字會(huì )把更多的潛在應用場(chǎng)景限制住——彼此相像的虛實(shí)映射事物未必只有貌似常見(jiàn)的“一對一”關(guān)系，其實(shí)還有以下虛實(shí)映射對應關(guān)系：

　　“一對多”——一個(gè)物理實(shí)體對應多個(gè)數字虛體（一臺汽車(chē)發(fā)動(dòng)機可有D /N/S等不同的駕駛擋位，啟動(dòng)/高速/低速/磨合/磨損等不同的工作狀態(tài)，對此，在車(chē)載軟件中用不同的參數和軟件模型來(lái)描述和調控）；

　　“多對一”——多個(gè)物理實(shí)體對應一個(gè)數字虛體（例如同型號不同尺寸的螺栓或鉚釘對應同一個(gè)三維CAD模型）；

　　“多對多”——更為一般化的設備工作場(chǎng)景（例如設計階段因數字化“構型/配置”不同而產(chǎn)生了系列化物理設備及其數字孿生體，這些設備及其數字孿生體又置身于多種實(shí)物工作場(chǎng)景和數字場(chǎng)景）。

　　3. 需要考慮的特殊對應模式

　　在一些特殊場(chǎng)景中，數字孿生還存在“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”的特殊對應模式：

　　“一對少”——一個(gè)物理實(shí)體對應一個(gè)高度抽象的數字虛體（例如一輛高鐵在調度上對應一個(gè)高度簡(jiǎn)化的數字化線(xiàn)框模型）；

　　“少對一”——以一部分物理實(shí)體對應一個(gè)完整數字虛體（例如一個(gè)齒輪副對應一個(gè)減速箱的“三維CAD模型+力學(xué)載荷模型”）；

　　“一對零”——因為不知其規律、缺乏機理模型導致某些已知物理實(shí)體沒(méi)有對應的數字虛體（例如暗物質(zhì)、氣候變化規律等）；

　　“零對一”——人類(lèi)憑想象和創(chuàng )意在數字空間創(chuàng )造的“數字虛體”，現實(shí)中沒(méi)有與其對應的“物理實(shí)體”（例如數字創(chuàng )意中的各種形象）。

　　一架戰斗機由數萬(wàn)個(gè)結構件、幾十萬(wàn)個(gè)標準件、大量的電子元器件和機載設備構成。

　　在從飛機的方案設計，到初步設計、詳細設計、試制、試驗，再到批生產(chǎn)、交付、運行、維護、維修，最后再到報廢的全生命周期中，一個(gè)標準件數字模型會(huì )對應成千上萬(wàn)個(gè)實(shí)物零件，一個(gè)實(shí)物零件也會(huì )對應產(chǎn)品設計模型、多個(gè)仿真模型、工藝模型、工藝仿真模型、生產(chǎn)模型、裝配模型、維護維修模型等，由此形成了物理實(shí)體和數字虛體的多元化對應關(guān)系，即“一對一”“一對多”“多對一”“多對多”“一對少”“少對一”“一對零”“零對一”。因此只談“一對一”就顯得在理解上過(guò)于簡(jiǎn)單了。

　　綜上所述，“Digital Twin”一詞在翻譯和理解時(shí)，既不應限定在“雙”，也不宜理解為“胎”。該詞借用“Twin”之意，所表達的是一種數字虛體與物理實(shí)體非常相像的多元化虛實(shí)映射關(guān)系。

　　應用場(chǎng)景和對應模式是多種多樣的。

　　虛體測試，實(shí)體創(chuàng )新

　　數字虛體與物理實(shí)體之間的孿生關(guān)系，其實(shí)早就有之，只不過(guò)此前沒(méi)有使用嚴格定義的術(shù)語(yǔ)來(lái)表達。

　　平時(shí)大家所說(shuō)的“比特（bit）與原子（atom）”“賽博與物理”“虛擬與現實(shí)”“數字樣機與物理樣機”“數字孿生體與物理孿生體”“數字端（C）與物理端（P）”“數字世界與物理世界”“數字空間與物理空間”等不同的虛實(shí)對應詞匯，實(shí)際上都是在以不同的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，或近似或準確地描述兩種“體”之間的虛實(shí)映射關(guān)系。

　　從映射關(guān)系上看，一虛、一實(shí)，兩種“體”相互對應，數量不限。數字虛體是物理實(shí)體的“數字孿生體”，反之，物理實(shí)體也是數字虛體的“物理孿生體”，這是二者的基本關(guān)系和事實(shí)。

　　從誕生順序上看，先有物理實(shí)體，后有數字虛體。以工業(yè)視角來(lái)看，實(shí)體是第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命的產(chǎn)物，虛體是第三次工業(yè)革命的產(chǎn)物。而虛體對實(shí)體的描述、定義、放大與控制，以及二者的逐漸融合，正在促成新工業(yè)革命。

　　從重要性上看，沒(méi)有物理實(shí)體，就無(wú)法執行工業(yè)必需的物理過(guò)程，無(wú)法保障國計民生；沒(méi)有數字虛體，就無(wú)法實(shí)現對物理實(shí)體的賦值、賦能和賦智，就失去了工業(yè)轉型升級的技術(shù)途徑。虛實(shí)必須融合，二者均不可缺。但是最終體現的，是轉型升級之后的“新工業(yè)實(shí)體”，是有了數字虛體作為大腦、神經(jīng)特別是靈魂的全新機器和設備。

　　從創(chuàng )新性上看，虛實(shí)融合，相互放大價(jià)值。而且，在產(chǎn)品研制上，先做物理實(shí)體還是先做數字虛體，人們有了更多的選擇，無(wú)論是誰(shuí)先誰(shuí)后，或是同時(shí)生成，都可產(chǎn)生諸多創(chuàng )新，智能制造中的很多新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)也就此產(chǎn)生。

　　波音公司為F-15C型飛機創(chuàng )建了數字孿生體，不同工況條件、不同場(chǎng)景的模型都可以在數字孿生體上加載，每個(gè)階段、每個(gè)環(huán)節都可以衍生出一個(gè)或多個(gè)不同的數字孿生體，從而對飛機進(jìn)行全生命周期各項活動(dòng)的仿真分析、評估和決策，讓物理產(chǎn)品獲得更好的可制造性、裝配性、檢測性和保障性。如圖5-3所示。

▲圖5-3 波音F-15C飛機的多個(gè)數字孿生模型

　　據報道，美國陸軍環(huán)境醫學(xué)研究所2010年開(kāi)始啟動(dòng)一個(gè)項目，旨在創(chuàng )建完整的“阿凡達”單兵。該所研究人員希望給每名軍人都創(chuàng )建出自己的數字虛擬形象，無(wú)論高矮胖瘦和脾氣秉性。目前已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)了250名“阿凡達”單兵。

　　在一個(gè)復雜的虛擬訓練系統中，研究人員讓這些虛擬單兵穿上不同的作戰服，變換不同的姿勢和位置，不斷加載戰場(chǎng)環(huán)境的數字孿生體來(lái)進(jìn)行各種逼真的高風(fēng)險模擬，從而替代實(shí)戰測試。通過(guò)各種數字化測試來(lái)找出他們的弱點(diǎn)，甚至模擬各種惡劣氣候環(huán)境來(lái)測試這些單兵的生理環(huán)境適應能力。所有測試過(guò)程無(wú)人身危險，可以隨意反復試驗。