数字孪生体范式

托马斯·S.库恩（Thomas S. Kuhn）在《科学革命的结构》（The Structure of Scientific Revolutions）一书中专门开辟了一章对范式^[3]进行了描述，数字孪生体范式受益于库恩的解释。按照库恩的描述，作为一种范式，数字孪生体必须有一定的规则，如果演化成功，就将成为常态科学。对于希望构建范式的学者来说，设定一系列研制目标则是显而易见的。

美国科学研究的传统比较悠久，对于完全不同于传统仿真的系统工程方法，NASA兰利研究中心科学家爱德华·格莱斯根和美国空军科学研究办公室的戴维·斯塔格尔对此颇感兴趣，他们经过一年多时间的交流和讨论，决定共同撰写一篇论文，阐释一下数字孪生体范式。

在2012年举办的“第53届结构、结构动力学和材料大会”上，他们做了关于“数字孪生体范式”的发言，发布了他们撰写的《未来NASA和美国空军车辆数字孪生体范式》一文。迄今为止，这篇文章中所提出的建设目标仍具有意义，成为数字孪生体研究学者引用较多的论文。

两位作者在论文中指出，数字孪生体概念来自DARPA国防科学办公室，想必他们感恩于当时举办的未来制造研讨会所受的启发。不过由于这个说明仅以脚注方式呈现，并无太多解释，往往被其他学者忽略。工业4.0研究院在进行数字孪生体发展史课题的研究中几经周折，梳理了这个发展脉络，见表1-1。

为了说明数字孪生体概念产生的必要性，两位作者对传统方法做了介绍。通过引用NASA和美国国防部的多项标准（设定的标准非常高），如NASASTD-5001A、NASA-STD-5019等，导致最终设计完成的飞行器负荷能力不够高，从而影响了投入产出比。

不仅如此，即便按照最高标准设计出了飞行器，但由于现在出现了很多极端需求，例如超音速等，难以在实验室环境中测试，这些“不知道的未知问题”才是未来制造需要解决的困难，显然它们不太可能通过传统的仿真方法得到圆满解决。

在提出问题之后，两位作者开始展现数字孪生体概念。他们指出，仅仅从部件级别进行质量控制，显然不能满足验证和确认的需要，故需要从系统级别考虑颠覆性的方法。从已有物理模型、传感器和机队历史等数据构建一个多物理、多尺度和概率性仿真系统，被作者们称为数字孪生体。

不过，作者们显然没有再深入下去，最后用了两页多篇幅介绍了一个数字孪生体范式图示，这只是一个描述性的说明，主要是因为当时还缺少任何实际的应用案例。虽然DARPA 2009年提出了机身数字孪生体项目，但等到该项目筹措到资金并招标已经是2013年的事情了，再到项目成果提交，则为2016年。

在DARPA提出数字孪生体概念之后，多家单位参与了相关研究工作，主要单位及项目如下。

（1）NASA首席技术专家办公室在2010年起草了《空间技术路线图》，其中明确提出了NASA在2027年实现数字孪生体^[4]的发展目标，在2012年正式发布了该技术路线图并于2015年和2020年又进行了更新，加强了其数字孪生体发展目标。

（2）美国空军研究实验室发布了一些飞行器结构动力学的数字孪生体应用论文，这为后来启动机身数字孪生体项目奠定了理论研究基础。

（3）美国国家科学基金会主要在基于仿真的系统科学（SBES，SimulationBased Engineering Science）方面发力，这个工作大致从2002年就开始启动，到2006年专门做了主题研讨会。

（4）美国国家研究委员会主要在集成计算材料工程（ICME，Integrated Computational Materials Engineering）和材料状态感知（MSA，Materials State Awareness）等项目方面做了不少工作，该工作目前仍在开展。

除美国空军研究实验室启动了机身数字孪生体项目，呈现了不少有价值的工程实践以外，其他单位并未见有系统的数字孪生体范式研究成果，虽有部分学者发表了一些论文，但均没有详细论述，主要原因估计是缺少工程实践，或者因为保密原因，并没有对外公开相关研究成果。例如，DARPA对外就比较少提及数字孪生体相关的研究成果。

数字孪生体产生了十年时间，其间大致有两种类型的定义：一种是研究机构或标准组织按照范式要求给出的定义，本书主要列了它们给出的一些定义，供深入了解数字孪生体参考；另一种是一些商业企业根据营销需要给出的定义，它们的主要目的不是给出严肃的说明，而是为了多销售自己公司的产品，目前大家所了解的仿真、产品生命周期管理等“定义”，都属于这样的商业目的，需要读者自行甄别。

2019年，帕梅拉·科布伦在“工程前沿学术研讨会”的演讲中回顾了数字孪生体概念发展的十年，她判定，数字孪生体范式已基本成熟，开始往产业化方向发展，并举了美国食品药品监督管理局（FDA，Food and Drug Administration）推进的虚拟人体项目，认为这是数字孪生体的表现。

与此同时，她在同期撰写的《数字孪生体概念》（The Digital Twin Concept）一文中给出了数字孪生体的定义，“数字孪生体概念包含基于现有关于系统和运行的知识对特定产品或系统未来性能的模拟。”

作为美国国防部体系的科学家，帕梅拉·科布伦能够接触到过去十年的相关资料，对DARPA在2009年提出数字孪生体概念的初衷有较好的判断，同时也对她的工作单位——美国空军研究实验室2013年启动的机身数字孪生体项目有更直接的理解，因此，她给出的定义具有较高的参考价值。

工业4.0研究院过去5年时间开展了相关的理论研究和研发实践，对数字孪生体技术、范式和模式等有深入的思考，最终提出“数字孪生体是新一代通用目的技术”的判断。与此同时，笔者提出了数字孪生体的定义：“数字孪生体是物理世界和数字空间交互的概念体系，它是一种通用目的技术，具有广泛的应用场景。”

国际标准化组织推进的数字孪生组织标准ISO 23247给出了定义，指出：“数字孪生体为通过可见制造元素和以适当同步的数字表达（Digital Representation）融合的手段。”

据笔者观察，其他机构或企业给出的数字孪生体定义，大都是基于以上几种情况的丰富或具象化，特别是企业在给出数字孪生体定义的时候，难免会考虑到自身提供的产品和系统服务，具有特定的含义在其中。

国际上对数字孪生体的各种定义汇总见表1-2。