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數字孿生概念的起源與內涵的歷史變遷

作者：彭慧來源：數字化企業網址：https://mp.weixin.qq.com/s/xRsMiJJ8xs-5NqQ-42KPpg

NASA或AFRL提出的數字孿生，是指一種運載工具的健康診斷與預測的極其復雜的工程應用方法或基于該方法建成的系統，Michael Grieves提出的數字孿生，初期是指孿生對象狀態的數字化表示，后期是指孿生對象的數字化等價物，本質上是一種高度抽象的計算機應用的基本思想方法。而現實當中為數眾多的數字孿生的定義，則是基于上述三種數字孿生概念內涵的多維度的某種組合。

一、引言

自2014年以來，數字孿生概念疾風暴雨般地席卷了各行各業，特別是在國內，異?；鸨?。各行各業都在使用數字孿生這一概念，如果你能找到哪一個行業還沒有使用數字孿生，反倒有些鳳毛麟角了。但對于數字孿生這一概念，人們并沒有達成廣泛的共識。

到了現在這個階段，數字孿生的概念的內涵已經嚴重泛化了，從一個有著特定含義的專業術語演變為了一個大眾化的概念，成為了一個非常時髦的熱詞。此時再來探討這一問題，似乎有些無足輕重，有點無聊。但筆者認為，搞清楚是誰首先提出了數字孿生這一概念的問題，還是具有一定的歷史價值，是對前人辛勤的探索工作的最大褒獎。同時對于后來的吃瓜者而言，也有著極其重要的現實意義，通過探討該問題，可以準確理解各種數字孿生概念的內涵、提出的背景、嘗試要解決的問題、局限性與適用性，這對于數字孿生的應用，具有重要的理論指導意義。

關于數字孿生概念的起源，學術界、工業界有三種主要的觀點。

二、NASA提出了數字孿生概念

這種觀點認為， NASA（美國國家航空航天局）首先提出了數字孿生概念。這種觀點有公開發布的文獻為證。

NASA在2010年11月發布的其技術路線圖第十一、十二部分《DRAFT Modelling，Simulation，Information Technology & Processing Roadmap Technology Area 11》與《DRAFT Materials, Structures, Mechanical Systems, and Manufacturing Roadmap Technology Area 12》中，提出了數字孿生概念——Digital Twin，并給出了其規范的定義。需要強調的是，NASA當時并沒有啟動任何相關的工程應用項目，而是提到了計劃在2027年實現其Venus Lander數字孿生的工程目標。

在路線圖11中，其給出了數字孿生的規范定義：一個數字孿生，是一種集成化的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統的概率性仿真，該仿真使用了當前最為有效的物理模型、傳感器數據的更新、飛行工具的歷史，等等，以鏡像出其對應的飛行中孿生對象的生存狀態。這種數字孿生，是超現實的，考慮到了一個或多個相互依賴的運載工具系統，包括推進/能源存儲，宇航電子，生命支持，運載工具結構，溫度管理/TPS，等系統。

除了高精度物理模型這一核心，數字孿生集成了，來自運載工具機載的運載集成健康管理（IVHM）系統的傳感器數據，維護的歷史，以及使用數據挖掘和文本挖掘得到的全部可用的歷史或飛行數據。機載數字孿生系統，也能夠減少損傷或降級，通過建議改變使命任務清單，來提高運載工具的生存時長和使命成功的概率。能夠影響到運載工具的制造時的缺陷，也明確地被考慮到了。

其原文如下：“NASA Digital Twin: A digital twin is an integrated multi-physics, multi-scale, probabilistic simulation of a vehicle or system that uses the best available physical models, sensor updates, fleet history, etc., to mirror the life of its flying twin. The digital twin is ultra-realistic and may consider one or more important and interdependent vehicle systems, including propulsion/energy storage, avionics, life support, vehicle structure, thermal management/TPS, etc.

In addition to the backbone of high-fidelity physical models, the digital twin integrates sensor data from the vehicle’s on-board integrated vehicle health management (IVHM) system, maintenance history, and all available historical/fleet data obtained using data mining and text mining. The systems on board the digital twin are also capable of mitigating damage or degradation by recommending changes in mission profile to increase both the life span and the probability of mission success.”

在路線圖11中，其數字孿生概念，是作為一種解決復雜問題的方法提出的。這種方法，屬于系統工程思想的具體實現，所以NASA將數字孿生又稱之為基于仿真的系統工程，即“Simulation-Based Systems Engineering (TABS 3.3): NASA Digital Twin”，是一種系統化的仿真，而不是指簡單的單項內容的仿真。

而在路線圖12中，給出了其數字孿生包含了未來深空探測所需的運載工具的健康診斷與預測所涉及到的各種技術內容。如下圖。

NASA提出的數字孿生概念要點如下：

? NASA提出數字孿生，是用于解決未來幾十年間深空探測所需的運載工具的健康診斷與預測問題。
? NASA提出數字孿生，是問題驅動的，而不是技術驅動的。
? NASA提出數字孿生，是用于解決其未來所要面臨的全新的、現有的方法解決不了的復雜問題。而不是用于解決，那些現有方法或技術已經能夠解決了的問題的一種新方法。
? NASA的數字孿生，是一組極其復雜的多學科最新技術進展的綜合。而不是依靠數字孿生概念本身或某個特定專業就能夠包打天下的。
? NASA的數字孿生的實現，需要花費巨大的人力物力，需要花費數十年的時間。
? NASA定義的數字孿生，具有極高的探索、創新性質。最終的結果，還需要實踐檢驗。有可能成功，也有可能失敗。
? NASA定義的數字孿生，作為一種方法，可以概括為“基于仿真的系統工程”。這也是現實中，將仿真理解為數字孿生的一個重要原因?，F在已經演變成“基于模型的系統工程”
? NASA定義的數字孿生，也用來指代其采用了其數字孿生概念而建成的軟件及系統，也可以理解為是一個工程項目的名稱。
? NASA的這種數字孿生的定義方式，并不具有普遍性意義，難以將數字孿生進行大范圍的推廣。這也是提出數字孿生概念后的一段實踐內，并沒有得到廣泛響應的重要原因。

三、AFRL提出了數字孿生概念

這種觀點認為是，AFRL（美國空軍研究實驗室）在2009年提出了數字孿生的概念，但這種觀點缺少公開發布的強有力的直接文獻的佐證。我們在公開發表的文獻中，能找到的文獻是AFRL在2011年3月的一次項目合作推介會上Pamela A. Kobryn & Eric J. Tuegel所做的題目為《Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin》（可以直譯為：將基于條件的維護應用于結構完整性中與機身數字孿生）演講PPT。在該PPT中，提到了2009年2月AFRL曾召開過一個關于CBM+SI 研討會，在那次會上，是作為CBM+SI計劃的遠期愿景，而提到了數字孿生的概念，見下圖，

其數字孿生的含義為：由尾號標識的基于健康狀態感知而使能的、單架飛機的、實時的、高精度的運營決策。其具體過程如下：

● 當交付一架物理飛機時，由尾號標識的該架飛機的一個數字模型，同時被交付，包括了與設計標準的偏差。
● 該數字模型將進行虛擬飛行，飛過同樣的、由真實飛機的機載SHM系統記錄下的飛行軌跡。
● 模型產生的結果，將會與放置在關鍵位置上的SHM系統記錄下的傳感器讀數，進行比較，來更新/標定/驗證該模型。
● 當未預料到的損傷被發現時，其將被添加到該數字模型中，來確保該模型能夠反映出實際飛機的當前狀態。
● 機身狀態的預測，將通過“飛”模型，來經歷未來可能的飛行任務，來實現的。
● 該模型將被用于決定，何時何地，機身結構損傷，將會發生。進而確定什么時間進行維護工作。

正是基于這份文檔，國內外都有學者認為是AFRL在2009年首先提出了數字孿生，其根源所在。

直到2011年，同NASA一樣，AFRL也沒有正式啟動任何相關的工程應用項目，而僅僅是提出了一個總體構想或者進行了總體方案的設計。

其數字孿生概念的核心要點是，用于機身結構完成性分析預測的一組模型，見下圖，以及基于該模型組構建的一套系統。

由于該文獻不夠直接，其佐證價值存在某種程度的缺陷。

更為有價值的文獻是，直到2011年10月，AFRL 的Tuegel E.J.等人公開發表的論文《Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin》。在該文章，作者明確提到“The Digital Twin concept developed from discussions the primary author had with T.A. Cruse, Professor Emeritus at Vanderbilt University and former Chief Scientist of the Air Force Research Laboratory, and A. R. Ingraffea, Professor at Cornell University”，即數字孿生概念，來自于本文的主要作者，與范德堡大學名譽教授前AFRL首席科學家T.A. Cruse，和康奈爾大學教授A. R. Ingraffea（本文的第二作者），研討后得出的。這可以看做是對NASA提出數字孿生的某種回應。

不過這篇文獻發表的時間是2011年10月，卻晚于NASA提出數字孿生的時間。這就是關于NASA與AFRL是誰首先提出了數字孿生概念存在爭議的重要事實。

在這篇文獻中，作者建議，充分利用在高性能數字計算領域的進展，重新構建飛機結構壽命的預測過程。這個建議的過程，使用了一個由尾號標識的單架飛機的超高保真模型——一個數字孿生，將依據飛行環境不同，進行的結構變形計算和溫度計算，與正在發生的局部損傷和材料狀態的演變，集成起來。這算是AFRL給出的數字孿生的定義。在其后AFRL發表的文章中，表示略有不同，但核心內涵并沒有實質性變化。

在經過前期的技術評估、總體方案設計后，到了2013年，AFRL正式啟動了耗資龐大的工程驗證項目——機身數字孿生計劃的第一階段工作，“The Airframe Digital Twin Spiral 1 Program”。項目使用了真實的F15戰機全尺寸的外機翼作為驗證對象。其方法是，在AFRL結構驗證基地的地面實驗室內，以每個工作周200次仿真飛行的頻次，對機翼施加模擬出來的飛機飛行時機翼承受的外部動力學負荷，同時利用安裝的傳感器，測得機翼的狀態，然后與開發的機體數字孿生給出的結果，進行比對，來驗證數字孿生的準確性。到目前為止，AFRL公開了部分項目結果，還沒有公開項目的最終結論，也沒有見到啟動“The Airframe Digital Twin Spiral 2 Program”、“The Airframe Digital Twin Spiral 3 Program”等的計劃。

個人認為，該項目過于龐大復雜，不可控的因數過多，模型全面驗證起來十分困難。更為重要的是，項目中建立的模型——機體數字孿生，與具體產品型號（設計、制造、運營）密切相關。當F15退役后，為本項目而建立起的針對F15的數字孿生模型，自然失去了相當部分的存在價值，或者說基于F15構建的數字孿生，未必就能應用與F22等其它型號的飛機。但其解決問題的思路，可以參考借鑒。AFRL的數字孿生項目，是一種基于機理的機身狀態預測方法，多少有點超前。個人認為，只有當飛機設計、制造、運維等所涉及的各個學科充分成熟起來后，各種模型作為標準配置存在之時，而不是為了預測機身狀態的需要而從重新建立并驗證所需要的模型，該方法才會發揮更有價值的作用。

所以，同NASA類似，AFRL的數字孿生概念，是用于解決復制的飛機機身結構完整性預測問題，AFRL認為這是一個將會跨越30年時間的、多組織、多學科協同的工作。

而且值得注意的是，AFRL的技術人員在之后發表的文章中，卻從來也沒有引用NASA的技術路線圖作為參考文獻。顯然AFRL的技術人員是不認可NASA首先提出了數字孿生概念這一觀點的。

如果說AFRL的技術人員不認可是NASA首先提出了數字孿生的概念，兩者之間存在沖突的話，那么NASA與AFRL的高層，卻在2012年聯合發表了題為《The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles》的論文，則似乎是為了調和、平息兩者之間的矛盾了而有意為之了。需要指出的是，該篇文章是以NASA的表述為核心的，最大限度體現了兩個機構的共識。但有意思的是，在此之后，AFRL的技術人員發表的文章中，依舊沒有引用NASA的技術路線圖作為參考文獻。

AFRL提出的數字孿生概念要點如下：

?AFRL提出數字孿生，是用于解決大量的老舊飛機的健康診斷與預測問題。目的時降低這些飛機運維成本，提高飛機的利用率。

?AFRL提出數字孿生，是問題驅動的，而不是技術驅動的。

?AFRL提出數字孿生，是用于解決其當前面臨的、現有的方法解決不了的復雜問題。而不是用作解決那些現有方法或技術已經能夠解決了的問題的一種新方法。

?AFRL的數字孿生，是一種極其復雜的多學科最新技術進展的綜合，需要眾多學科的專業人士的深度密切協同工作，而不是依靠數字孿生概念本身或某個特定專業就能夠包打天下的。這正是AFRL在2011年3月召開項目合作推介會的目的所在。，

?AFRL的機身數字孿生的實現，需要花費巨大的人力物力，需要花費數十年的時間。

?AFRL定義的數字孿生，具有極高的探索、創新性質。最終的結果，還需要實踐檢驗。有可能成功，也有可能失敗。

?AFRL定義的數字孿生，作為一種方法，提出時并沒有用到了仿真的表述，用的是模型。但如果你仔細閱讀其預測性診斷的全過程，事實上就是用到了仿真的內涵，是基于該組模型的仿真。而且在后期，也用到了仿真這一概念，來更新其數字孿生的定義。同樣地“基于仿真的系統工程”，也同樣適用于AFRL數字孿生的定義。

?AFRL定義的數字孿生，也用來指代其采用了數字孿生概念而建成的軟件與系統，也可以理解為是一個工程項目的名稱，如機體數字孿生（the Airframe Digital Twin）。

?AFRL定義的數字孿生，非常強調各種計算用的機理模型。這也是后人將模型理解為數字孿生的源頭所在。

四、Michael Grieves提出了數字孿生概念

在現實世界中，無論是國內還是國外，特別是國內，持這種觀點的人，占了絕大數。

4.1 / Michael Grieves數字孿生的定義

這種觀點認為，是Michael Grieves（Professor, Florida Institute of Technology，USA）在2002年的一次PLM的演講中的PPT中（見下圖），提出了數字孿生的概念。而對于比較嚴謹一點的學者而言，認為是提出了數字孿生的基本思想。

Michael Grieves是PLM（產品生命周期管理）領域的先驅。在Michael Grieves的演講PPT中，的的確確并沒有出現數字孿生的字樣。但為什么業界好多人會認為是Michael Grieves提出了數字孿生概念或數字孿生思想呢？

這與Michael Grieves在2014年撰寫的一份白皮書有著莫大的關系。在2014年，Michael Grieves發表了其撰寫的由Dassault Systèmes公司發起的名為《Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication》白皮書。

在白皮書的注釋部分，Michael Grieves說，是其在《Virtually Perfect：Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management》，中文為《虛擬完美：使用產品生命周期管理，來推出創新性的與精益的產品》書中，引入了術語“數字孿生”（第133頁）。我將其歸因于與我一同工作的NASA的John Vickers。我們隨后在當前的項目中一直在使用這個術語。其白皮書原文如下：I introduced the term “Digital Twin” in Virtually Perfect: Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management (pg. 133). I attributed it to John Vickers of NASA whom I work with. We have subsequently used this term in current projects.

但，這是一段不太清晰、有些模糊、甚至有些歧義的表述?！?/span>attributed it to John Vickers”是說John Vickers提出了數字孿生？還是他們一起提出了數字孿生？亦或是，在John Vickers的建議下Michael Grieves使用了數字孿生？讓人浮想聯翩，莫衷一是。值得注意的是，《Virtually Perfect：Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management》這本書的正式出版時間為：2011年11月18日。晚于NASA和AFRL提出數字孿生的時間。

至此，數字孿生這一概念是由Michael Grieves教授提出的觀點面世了，而且廣為流傳。在公開發表的文章中，或各種媒體報導中，這種說法占據了主流，特別是在國內。認為Michael Grieves提出數字孿生，一個重要原因是，該白皮書在各大廠商的加持下廣為流傳，影響力極大，數字孿生已經成為了各大軟件廠商重新包裝其產品，實現產品升級換代的重要手法。而NASA或AFRL定義的數字孿生，受其內涵的束縛，相對而言難以推廣應用。

這之后的相當長的時間內，在Michael Grieves發表的文章中，既沒有承認，也沒有否定這一觀點。一直到2022年5月25日，《Digital Twin》期刊發表了Michael Grieves撰寫的文章《Intelligent Digital Twins and the Development and Management of Complex Systems》。文章中，Michael Grieves明確指出，數字孿生的命名，來自于 2010 年由美國宇航局的約翰·維克斯 (John Vickers)。原文如下：This logically centralized information about the product throughout its lifecycle was in essence the “Digital Twin.” It received its current name in 2010 from John Vickers of NASA (Piascik et al., 2010)。

如果我的追蹤沒有遺漏的話，這是Michael Grieves首次正式、明確提出，數字孿生概念，來自于NASA的 John Vickers，而不是共同提出的。雖然這種澄清來得有些晚，已在后來者的文章介紹、引用、實際應用中造成了相當程度的誤解與混亂，但還是來了。我們應該為Michael Grieves教授的坦誠感到欣慰！

順便提一下，AFRL在之后發表的一系列文章中，也從來沒有引用這篇白皮書。AFRL應該是不認可Michael Grieves首先提出了數字孿生這一概念的觀點。

4.2 / Michael Grieves“數字孿生”概念的演變

認為是Michael Grieves提出了數字孿生概念的依據，除了與前面提到的《Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication》白皮書之外，還與2017年Michael Grieves 與 NASA的John Vickers合寫了《Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems 》的文章有著很大的關系。在這篇文章中，Michael Grieves用了相當大的篇幅，更為系統地描述了其“數字孿生”概念的起源，并給出了其著名的“數字孿生”的概念模型。

在2014年的白皮書中，Michael Grieves將“數字孿生”定義為：一個覆蓋產品全生命周期的邏輯上中心化的產品信息構件，用于闡明PLM系統是如何在產品生命周期的各個階段進行信息交互的，或者說PLM內部的各個功能是如何集成到一起的。事實上等價于我們所說的產品數據空間的概念。

該定義的核心內容是：“數字孿生”是關于某個物理對象的數字化的信息構件，這種信息構件是其對應的物理對象的信息孿生，而且該數字孿生與物理對象，在其整個生命周期之間，存在信息連接。這里的信息構件，用計算機軟件的術語來講，實質上是某種形式的數據結構，比如軟件開發中的面向對象的數據結構。而這種連接，之后還有一個更為時尚的邏輯概念——數字線程，不過數字線程可不是Michael Grieves提出的。

這樣一種定義，其實內涵從計算機專業角度來講，并沒有什么創新之處，這是一種常用的軟件工程做法。但，Michael Grieves所作的最有價值的工作是，用其之前其用來描述PLM的模型，重新定義或解讀了“數字孿生”概念。而這種模型，的確是其從2002年開始就一直在使用的，這是一個沒有任何爭議的事實。

如前圖，在2002年其向工業界演講的PPT種，該模型最初叫“Conceptual Ideal for PLM”，可以譯作PLM的概念理想或概念模型。Michael Grieves給出該模型的目的，是為了讓其培訓的對象——非計算機軟件專業的使用人士更容易理解，而采用一種更為形象化的方式，來講解PLM運作的機理?；蛘哒f是為了解釋在整個產品生命周期中，不同階段相關信息是如何共享交換的。

在2003年其開始的PLM課程中，該模型被稱之為“Mirrored Space Model”，可以譯作鏡像空間模型。與“PLM的概念模型”相比，更為形象具體。

在2006年，Michael Grieves發表的著作《Product Lifecycle Management：Driving the Next Generation of Lean Thinking》中，該模型被稱之為信息鏡像模型。注意是信息的鏡像，而不是行為的鏡像，而NASA或AFRL的數字孿生，用的是仿真表述，即包含了信息鏡像，更包含的行為鏡像。

在2011年，Michael Grieves在其發表的著作——Virtually Perfect：Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management中，PLM概念模型仍然被稱之為信息鏡像模型。

在2017年，Michael Grieves發表了題為《Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems 》的文章。文章中花費了相當篇幅詳細解釋了其數字孿生概念的起源，將其在2002年開始使用的PLM概念模型正式改名為數字孿生模型。文章中，將數字孿生定義為：一個物理產品的一種虛擬的、數字的等價物。其原文“Digital Twin ：a virtual, digital equivalent to a physical product”。等價物，當然可以是孿生對象狀態信息的等價物，也可以是孿生對象行為的等價物，這算是對其前提提出的模型的一種修正與擴展，而不僅僅是改個名字這么簡單。

還是在2017年的這篇文章中，Michael Grieves進一步豐富了其數字孿生模型的構成，提出了數字孿生的類型——Digital Twin Prototype (DTP) 、數字孿生的實例——Digital Twin Instance (DTI)、數字孿生的集合——Digital Twin Aggregate (DTA)、數字孿生的環境——Digital Twin Environment (DTE)等概念。如下圖所示。但這本質上是面向對象軟件工程方法的一個簡單應用，做到了孿生對象的狀態與行為的統一表述。

?數字孿生原型 (DTP)，具有變體或所有可構建產品的原型產品

?數字孿生實例 (DTI)，單個產品本身或所有構建的產品

?數字孿生聚合 (DTA)，所有 DTI 或所有已構建產品的聚合

數字孿生模型是這樣一個概念，如下圖所示，由三個主要元素組成：左側的實際或預期的物理元素，當前存在或將存在于物理世界中（“物理孿生”），右側存在于虛擬或數字世界中的虛擬或數字對應物（“數字孿生”），以及這兩個元素之間的連接——數據和信息通信通道，這種連接，之后有了一個更為響亮的名字——數字線程。

真正讓Michael Grieves成名的，或產生巨大影響力的，是他提出的數字孿生模型，而不是其數字孿生定義。對該模型的引用率，遠遠高于對其給出的數字孿生的定義。甚至將該模型，就作為了數字孿生的定義。如下圖：

其定義的數字孿生模型，在PLM中起到了核心作用，如下圖所示：

自此，Michael Grieves定義的數字孿生概念，為整個制造業所廣泛接受，進而擴散到其它行業，徹底改變了數字孿生概念之后的走勢。Michael Grieves，成為了大眾眼中的數字孿生之父。不過以一點需要強調的是，同NASA與AFRL一樣，Michael Grieves是將數字孿生作為解決復雜系統性問題的工具，而不是用來解決簡單問題的。

4.3 / Michael Grieves“數字孿生”概念的深度分析

前面提到，Michael Grieves定義的數字孿生概念，能夠廣為接受、傳播的一個原因是各大廠商的加持推廣。另一個重要原因是，Michael Grieves用了一個更為普遍意義、更容易為大眾所理解的方式——虛實映射模型重新定義了數字孿生。

如果將數字孿生定義為“一個覆蓋產品全生命周期的邏輯上中心化的產品信息構件”，離在計算機上的軟件實現太靠近，大概只有計算機軟件專業背景的人士或者具有軟件開發知識的人士，才能夠更好地理解與使用。

如果將數字孿生定義為“一個物理產品的一種虛擬的、數字的等價物”，在一定程度上忽略了在計算機上的軟件實現的細節，大概只需稍微懂計算機基礎知識的人士，能夠理解并使用。而且，改定義將孿生對象的特征表示與行為表示統一起來。

如果將數字孿生定義為“從物理空間到數字空間的映射”，即給出了結果，也解釋了來源，還強調了兩者之間的時間、空間的統一性，形象生動，易于理解，表述起來也簡單明了。大概非計算機的人士既可以理解并使用。這種定義方式，徹底與使用者的計算機背景知識無關了。

Michael Grieves定義的數字孿生概念，從具體到抽象，從特殊到一般，從形象思維到抽象思維，具有強大的生命力。而“從物理空間到數字空間的映射”，正是對計算機應用或數字化原理的最簡單明了的抽象，而這種抽象正是其虛實映射說的基石。Michael Grieves定義的“數字孿生”，更易于具有不同專業背景知識的人們的理解，能夠覆蓋更為廣泛的問題范圍，讓人們有了更為豐富的想象。

這也就是其數字孿生概念，迅速覆蓋了制造業，進而擴展到其它各行各業的內在原因。數字孿生，已差不多成為了當前數字化或數字化轉型的同義語。

在Michael Grieves之后，各大公司、咨詢機構、學者，紛紛給出了其數字孿生的定義，但絕大多數基本上是Michael Grieves數字孿生定義的某種變種。只不過，出于使用背景的不同，將其定義中的“物理對象”，依據需要進行了擴展，可以是觸手可摸的實體對象，如設備、產品、人體、工廠、車間、城市、機構、河流、山川……等，也可以是只可意會、言傳的虛擬對象，如軟件、流程等，還可以是上述兩方面的組合。這極大的擴展了數字孿生的應用領域與范圍。

當在IT行業影響力巨大的咨詢公司Gartner，將數字孿生連續列入了2017-2019年度的十大戰略性技術后，對數字孿生的廣泛傳播，起到了推波助瀾的作用。

Gartner采用面向對象的方法，將數字孿生定義為：一個數字孿生是，一種真實世界實體或系統的數字表示。一個數字孿生的實現，是一個封裝好的軟件對象或模型，其鏡像了一個唯一的物理對象特征，或一個唯一的物理對象集合。其給出了一個使用數字孿生與不使用數字孿生的例子，如下圖。從第一性原理的思路來看，就是面向對象與非面向對象方法或技術的區別。但這與其將數字孿生連續列入了2017-2019年度的十大戰略性技的壯舉反差極大。

在此基礎上，Gartner結合系統化的方法，提出了組織數字孿生、復合數字孿生、原子數字孿生。使用這三種數字孿生，可以構建起一個商業應用體現。如下圖

需要強調的是，Gartner的數字孿生，同Michael Grieves一樣，是指一個對象或系統的表示，而與NASA與AFRL不一樣的地方，并沒有指仿真或模型。問題是，沒有模型，怎么能得到有實際意義的真實世界實體或系統的數字表示呢？

所以，將模型理解為表示的更高層次的抽象，邏輯上就能統一起來了。從這個角度來看，它們的定義包容性質的。而仿真，則是基于模型的更高層次的應用。這樣一來，我們可以得出結論，各種數字孿生的定義，實際上是對計算機軟件應用的基本原理，在不同層次的抽象表達。本質上，它們是兼容的。

如果不考慮數字孿生的應用對象或背景，單純從技術實現的角度來看，可以認為，NASA的數字孿生處于最高層次，AFRL的數字孿生處于中間層次，而Michael Grieves于Gartner定義的數字孿生處于最低層次。

但現實之中，一個有趣的事實是，盡管一些學者承認NASA或AFRL首先提出了數字孿生，引用了NASA或AFRL數字孿生的定義，但卻是實實在在地使用了Michael Grieves數字孿生的內涵。存在著邏輯上不一致的缺憾。

4.4 / Michael Grieves“數字孿生”概念的要點如下：

?Michael Grieves最初提出數字孿生，是與PLM產品生命周期管理密切相關的。是用于解決PLM系統內部各個功能的集成問題。這也是PLM廠商首先大規模使用數字孿生概念的歷史重要原因。

?Michael Grieves之后將數字孿生定義為，產品、對象或系統，在數字空間與物理空間的之間的映射，脫離了具體實現的約束，這將數字孿生的應用領域大為擴展，從邏輯上講，基本上沒有什么限制了。

?Michael Grieves提出的數字孿生，開始是問題驅動的，用于解決PLM內部各個部分的集成，之后逐漸演變為技術驅動的。

?Michael Grieves提出的數字孿生，理論上雖然可以用于解決各種問題，但其多次發文強調，使用數字孿生來解決復雜系統產品生命周期中的不確定性問題。而不是簡單問題。

?Michael Grieves提出的數字孿生，如果映射的結果，是用產品模型、制造模型、運維模型等來表述，再考慮到PLM得系統化思維，那么也可稱之為基于模型的系統工程。

?Michael Grieves定義的數字孿生，也用來指代其采用了數字孿生概念或技術而建成的軟件與系統

五、三種數字孿生說的要點：

通過追蹤數字孿生概念文獻，我們可以初步得到如下結論：

? 從公開發表的文獻來看，我們可以確定是NASA或AFRL首先提出了數字孿生術語。
? 認為是NASA提出了數字孿生觀點，存在直接的文獻支持。認為是ARFL提出了數字孿生，也存在文獻支持，但不夠直接，支持強度弱了一些。
? 從將數字孿生概念應用于工程實際，ARFL要早于NASA。但NASA有更早的工程應用來支撐其數字孿生的思想。
? NASA與AFRL提出的數字孿生，均作為解決全新的、復雜的、當前還沒有解決方法的問題的解決方案。從實際工程驗證角度，需要數十年的時間。到目前為止，還沒有最終成功的公開結論。
? NASA提出的數字孿生，與AFRL提出的數字孿生，存在共性，但也明顯存在差異。
NASA與AFRL，是誰首先提出的數字孿生，還是一個疑問，或許是一個永遠不會有答案的問題。取決于對支持文獻的理解，以及判定標準。
? Michael Grieves并沒有首先提出了數字孿生。
? Michael Grieves重新定義了與NASA和AFRL不一樣的“數字孿生”。如果非要認為? Michael Grieves首先提出了數字孿生，那也是Michael Grieves意義下的“數字孿生”。
? Michael Grieves的數字孿生概念，慢慢脫離的問題驅動的軌道，最終演變為技術驅動的。與NASA與AFRL提出的數字孿生相比較，更具一般性，是計算機基本工作原理的一種更為抽象的表述，具有第一性原理的特征。從這個意義上而言，Michael Grieves提出的數字孿生，在孿生對象的等價物的層面上，可以包容了NASA與AFRL提出的數字孿生。而NASA與AFRL提出的數字孿生，可以看成是Michael Grieves提出的數字孿生的一個具體應用。兩者之間的差別，在于理解問題的所處的層次、角度。
? 當我們使用數字孿生概念時，應當明確給出數字孿生的準確含義。避免在同一語境下，混用不同數字孿生的內涵。保持自身邏輯上的自洽性。

六、與Michael Grieves數字孿生“鏡像說”

七、NASA提出數字孿生前的工作——

Apollo 13號宇宙飛船事故救援

1970年4月14日，已經飛離了地球210,000英里的Apollo 13號宇宙飛船發生了嚴重事故。Apollo 13生活艙中的一個氧氣罐發生了爆炸，爆炸嚴重地損壞了主推進器，同時對宇航員們生命價值非凡的氧氣，被泄露到了太空之中。時間每經過一分種，受損的太空飛船就會飛離地球400英里。這種狀況是人類歷史上的首次。如何讓三名宇航員安全回家，成為了數千名NASA地面支持人員在之后3天半時間里夜以繼日工作的唯一目標！

NASA做到了，成功地將宇航史上很可能的發生的最大災難，轉化為一個巨大的令人興奮的成功。做到這一切的一個關鍵是，在NASA的身后，有一套完整的、高水準的地面仿真系統，用于培訓宇航員和任務控制人員所用到的全部任務操作，當然包括了多種故障場景的處理。其中一些故障場景處理，在Apollo 11與 Apollo 13的任務完成過程中，證明了其價值所在。這些功能各式各樣的模擬器，由聯網的多臺計算機控制。其中十臺模擬器被聯網用以模擬一個單獨的大問題。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。這些計算機使用了256K字節的公共內存進行通訊。模擬器是整個太空計劃中技術最復雜的部分內容，在模擬培訓中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務控制臺，其他所有的一切，都是由一堆計算機、許多的公式以及經驗豐富的技術人員創造出來的。

任務控制人員和宇航員們，在綜合考慮到飛船的受損、可用的電力、剩余的氧氣、飲用水等因數的情況后，制定了一個大膽的、前所未有的返回地球的計劃，其要點如下：重啟指令艙將其改變為手段操作模式（節省寶貴的動力）、使用登月艙作為救生艇（服務艙受損無動力）、途中進行三次發動機點火變軌（進入自由返回軌道）、手動導航操控飛船（導航計算機省電關閉，節省寶貴的動力）。

問題是，這種回家模式，遠遠超出飛船設計的邊界，從來沒有人實踐過，是否可行，任務控制人員與乘員心里都有一個大大的問號！記住，一旦發生任何錯誤，由于動力、氧氣有限的緣故，宇航員們就沒有任何回家的機會了。沮喪的指令長Jim Lovell說，“Why the hell are we maneuvering like this, are we still venting”，大意是“我們為什么要這么干？我們是在發泄什么嗎？”

地面的任務控制中心，將其模擬器進行調整以適配到不同尋常的Apollo 13當前的配置狀態，按質量、質心、推力等參數為這艘新飛船的主機進行了重新編程。與登月艙制造廠商協同工作，確定了一個新的著陸過程。然后，安排后備宇航員在模擬器上進行操作演練，演練證明了方案的可行性，這極大地增加了任務控制人員與宇航員們的信心。剩下的工作，就是宇航員們按演練形成的操作指令清單，百分之一百地執行就可以了，他們做到了，他們安全回家了。

是NASA成功了？當然是！但更應該將NASA的成功，歸為其身后的模擬器。這些模擬器，或者叫做仿真器，才是真正的英雄。這些模擬器，難道不是現在火熱的數字孿生的一個實實在在的實例？準確的說，應該是數字孿生和物理孿生的結合體。所以，西門子工程師Stephen Ferguson說：“Apollo 13: The First Digital Twin”。

事實上，仿真器在Apollo號發射之前也發揮了重要的作用。人們都為Apollo13號宇航員與任務控制人員在事故發生后的沉著冷靜所欽佩，但那是相關人員在模擬器上數萬小時訓練的結果。此外在Apollo 11的模擬訓練中，也曾經發現過，計算機內存不足報警的缺陷。

Apollo 13號宇宙飛船事故救援的實踐，可以視為NASA提出其數字孿生概念的一個工程實踐背景，或其提出數字孿生概念的源泉。

八、數字孿生概念的泛化

除了上述三種數字孿生概念起源、內涵外，現實種我們經常遇到的是內涵泛化后的數字孿生，不妨稱之為“數字孿生”的數字孿生，是某種程度上的“望文生義”的數字孿生，逐漸拋開了實際問題或工程應用背景。強調一下，這么說倒也不是貶義，只能說數字孿生這個術語，極為精妙，極具想象的空間。

數字孿生這一概念，如果拆開來看，是數字、孿生兩個單詞構成。數字是對“孿生”的構成方式的限定，而不是鋼制孿生、木制孿生、……。而孿生最為神奇，是指兩個對象的相似性，而不是指兩個對象完全相同，否則數字孿生這個概念也就沒有存在的意義了。我們可以羅列出相似的各種維度，它們都沒有嚴格的定義：

? 兩個對象，相似到什么程度叫孿生呢？沒有精確定義！
? 是形似，還是神似？或者形神兼似？沒有精確定義！
? 是狀態特征相似，還是功能或行為相似？沒有精確定義！
? 兩個對象的連接，是人工輸入輸出實現的，還是基于某種數據采集技術、自動化技術或物聯網來自動完成的？沒有精確定義！
? 是靜態相似，還是動態相似呢？沒有精確定義！
? 是宏觀尺度意義上的相似，還是微觀尺度（比如原子級別）意義上的相似？沒有精確定義！
? 是某個時間片段內的相似，還是全生命周期的相似？沒有精確定義！
? 對于一個復雜系統而言，是整體性相似，還是組成系統的各個部分相似？沒有精確定義！
? 對于一個巨星復雜系統而言，是整體性相似，還是組成巨型復雜系統的各個系統之間的相似？沒有精確定義！

既然沒有精確定義，那就誰都可以使用，誰都可以自行進一步定義之。

結合實際要解決問題的背景，再將上述各種維度的具體特征指標，進行排列組合，就可以得到數量眾多的數字孿生定義了，這取決于定義者的個人的理解，以及如何滿足其相應的應用場景的需要。這也是數字孿生定義如此眾多的原因之一。北航的張霖教授在《數字孿生的冷思考》一文中，曾列出了國內外學者的數十種數字孿生的定義，其根源就在于此。實際上，數字孿生的定義種類，遠遠不止這些。

不過現實中的數字孿生定義，基本上是包含在上述提到的各種相似維度的排列組合之中。

2021年，Maulshree Singh等人在《Digital Twin: Origin to Future》一文中，歸納出描述數字孿生的典型術語：a virtual or digital model，layout ，counterpart，doppelganger，clone， footprint， software analogue，representation，information constructs，or simulation of its physical counterpart。而初期作用對象則從‘aircraft’，‘vehicle’，or ‘airframe’變為了‘system’，‘machine’，‘product’，‘object’，‘entity’，‘asset’，‘device’or‘process’。這也反映出，數字孿生使用，逐漸從具體到抽象，從制造業擴展到其它行業的趨勢。除了用數字孿生指代無生命的對象，還有一部分學者，用數字孿生指代有生命的對象，跨入到哲學領域，令人噓唏。

除此之外，還可以綜合上述因素或維度，依據組成因素的多少或復雜程度，對字孿生進行分類。并將其按簡單到復雜的順序進行排列，這樣我們就可以得到了各種各樣的數字孿生分類以及成熟模型。

在2018年，Kritzinger等人在《Digital Twin in manufacturing: A categorical literature review and classification》文章中，基于上述思路，將數字孿生分為三類，如下圖：

● 數字模型（digital model）
● 數字影像（digital Shadow）
● 數字孿生（digital Twin）

2020年，安世亞太的段海波等在《The development of Standardized Model of Digital Twin》文章中，提出了數字孿生成熟度模型，如下圖：

2022年，北航的陶飛等人在《數字孿生成熟度模型》提出了另一種數字孿生成熟度模型，將數字孿生成熟度分為“以虛仿實（L0）、以虛映實（L1）、以虛控實（L2）、以虛預實（L3）、以虛優實（L4）、虛實共生（L5）”六個等級。見下圖。

其實，早在2006年，Michael Grieves發表的著作《Product Lifecycle Management：Driving the Next Generation of Lean Thinking》中，給出了其數字孿生（當時還稱之為信息鏡像）的演化過程，可以視為是另一種數字孿生成熟度模型。

總體而言，即使那些關于數字孿生方面的文章、案例介紹，在開頭引用了NASA或AFRL數字孿生的定義，但絕大多數，也僅僅引用，實質上還是使用了“數字孿生”的數字孿生的某種內涵。但無論如何，也逃不脫Michael Grieves定義的數字孿生的概念范疇，因為Michael Grieves定義的數字孿生，是思想方法驅動的，是基于使用計算機的基本原理而提出的。所以，從數字孿生概念普及的角度來看，Michael Grieves功不可沒，從這個角度說Michael Grieves為數字孿生之父，也不為過，當然得是加個引號的數字孿生，或者羅嗦點，直接說Michael Grieves的數字孿生。而NASA或AFRL數字孿生的定義，出于其復雜應用背景的約束，使用范圍遠遠比不上Michael Grieves定義的數字孿生。

當對數字孿生的定義與理解存在如此多的不確定性的情況下，專家們無論怎樣努力地解釋數字孿生，區分什么是數字孿生、什么不是數字孿生，大概率不會取得成效。最根本的原因，沒有一個客觀存在公認的評定標準。

九、數字孿生是一種通用的技術嗎？

這是一個極其復雜又極難回答的問題。只有當我們搞清楚了數字孿生概念本身的各種內涵，我們才能對數字孿生的作用，給出邏輯上清晰的解讀。

如果是NASA或AFRL含義下的數字孿生，顯然，數字孿生并不是一種通用的技術。而是解決特定的復雜問題的特定的方法或技術。并不具有普適性。

如果是Michael Grieves含義下的數字孿生，從軟件實現的角度，可以認為是一種通用的技術。但這種通用技術，實際上也只能是計算機技術，或者是數字化技術。當使用數字孿生來解決實際問題時，僅僅理解“映射”或“等價物”是遠遠不夠的，你更多的是需要理解待解決的問題的機理、方法、特定技術等，只有成為特定領域的專業人士，你才有可能實現“映射”并創建“等價物”，你才有可能將你期望的數字孿生落地。當然還得有各種各樣的數字化工具的支撐。

總體而言，數字孿生概念本身，僅僅指明了前進的方向，并沒有指出前進的路線。

除非你將計算機發明之后的數十年間積累起的的各種各樣的數字化技術，視為一個整體，忽略這些技術專業分工方面的差異與適用性的不同，這時倒可以將數字孿生稱之為一種通用技術。數字孿生是否是一項通用技術，關鍵在于語境、對問題的抽象程度以及看問題的角度的不同，結論差異較大。

數字孿生，作為人的意識世界的產物，可以起到連接人的意識世界與物理世界的橋梁和紐帶作用。但數字孿生，本就是信息世界的一部分，如果說數字孿生，能夠起到連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，則存在著邏輯上遞歸的不一致的缺陷。

十、小結

現實中的任何含義下的數字孿生，總可以看到來自NASA或AFRL數字孿生定義的身影，如果看不到這種身影，卻也總能看到Michael Grieves數字孿生定義的身影，更多的是這兩種數字孿生內涵的混用。

比如，著名的工業軟件廠商西門子，就提出了其數字孿生的產品體系，將其眾多產品統一在數字孿生的概念之下，見下圖。西門子對數字孿生概念的使用，達到了無與倫比的高度。

-END-

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數字孿生概念的起源與內涵的歷史變遷

一、引言

二、NASA提出了數字孿生概念

三、AFRL提出了數字孿生概念

四、Michael Grieves提出了數字孿生概念

五、三種數字孿生說的要點：

六、與Michael Grieves數字孿生“鏡像說”

相關的前人的工作

七、NASA提出數字孿生前的工作——