自2014年以来，数字孪生概念疾风暴雨般地席卷了各行各业，特别是在国内，异常火爆。各行各业都在使用数字孪生这一概念，如果你能找到哪一个行业还没有使用数字孪生，反倒有些凤毛麟角了。但对于数字孪生这一概念，人们并没有达成广泛的共识。笔者曾经撰写过《理解数字孪生，你必须回答33个问题》的文章，其中最基本的问题是，谁首先提出了数字孪生这一个概念？其定义的数字孪生的内涵是什么？到了现在这个阶段，数字孪生的概念的内涵已经严重泛化了，从一个有着特定含义的专业术语演变为了一个大众化的概念，成为了一个非常时髦的热词。此时再来探讨这一问题，似乎有些无足轻重，有点无聊。但笔者认为，搞清楚是谁首先提出了数字孪生这一概念的问题，还是具有一定的历史价值，是对前人辛勤的探索工作的最大褒奖。同时对于后来的吃瓜者而言，也有着极其重要的现实意义，通过探讨该问题，可以准确理解各种数字孪生概念的内涵、提出的背景、尝试要解决的问题、局限性与适用性，这对于数字孪生的应用，具有重要的理论指导意义。关于数字孪生概念的起源，学术界、工业界有三种主要的观点。
这种观点认为， NASA（美国国家航空航天局）首先提出了数字孪生概念。这种观点有公开发布的文献为证。NASA在2010年11月发布的其技术路线图第十一、十二部分《DRAFT Modelling，Simulation，Information Technology & Processing Roadmap Technology Area 11》与《DRAFT Materials, Structures, Mechanical Systems, and Manufacturing Roadmap Technology Area 12》中，提出了数字孪生概念——Digital Twin，并给出了其规范的定义。需要强调的是，NASA当时并没有启动任何相关的工程应用项目，而是提到了计划在2027年实现其Venus Lander数字孪生的工程目标。
在路线图11中，其给出了数字孪生的规范定义：一个数字孪生，是一种集成化的多种物理量、多种空间尺度的运载工具或系统的概率性仿真，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、飞行工具的历史，等等，以镜像出其对应的飞行中孪生对象的生存状态。这种数字孪生，是超现实的，考虑到了一个或多个相互依赖的运载工具系统，包括推进/能源存储，宇航电子，生命支持，运载工具结构，温度管理/TPS，等系统。
除了高精度物理模型这一核心，数字孪生集成了，来自运载工具机载的运载集成健康管理（IVHM）系统的传感器数据，维护的历史，以及使用数据挖掘和文本挖掘得到的全部可用的历史或飞行数据。机载数字孪生系统，也能够减少损伤或降级，通过建议改变使命任务清单，来提高运载工具的生存时长和使命成功的概率。能够影响到运载工具的制造时的缺陷，也明确地被考虑到了。
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.”在路线图11中，其数字孪生概念，是作为一种解决复杂问题的方法提出的。这种方法，属于系统工程思想的具体实现，所以NASA将数字孪生又称之为基于仿真的系统工程，即“Simulation-Based Systems Engineering (TABS 3.3): NASA Digital Twin”，是一种系统化的仿真，而不是指简单的单项内容的仿真。
而在路线图12中，给出了其数字孪生包含了未来深空探测所需的运载工具的健康诊断与预测所涉及到的各种技术内容。如下图。
- ◉ NASA提出数字孪生，是用于解决未来几十年间深空探测所需的运载工具的健康诊断与预测问题。
- ◉ NASA提出数字孪生，是问题驱动的，而不是技术驱动的。
- ◉ NASA提出数字孪生，是用于解决其未来所要面临的全新的、现有的方法解决不了的复杂问题。而不是用于解决，那些现有方法或技术已经能够解决了的问题的一种新方法。
- ◉ NASA的数字孪生，是一组极其复杂的多学科最新技术进展的综合。而不是依靠数字孪生概念本身或某个特定专业就能够包打天下的。
- ◉ NASA的数字孪生的实现，需要花费巨大的人力物力，需要花费数十年的时间。
- ◉ NASA定义的数字孪生，具有极高的探索、创新性质。最终的结果，还需要实践检验。有可能成功，也有可能失败。
- ◉ NASA定义的数字孪生，作为一种方法，可以概括为“基于仿真的系统工程”。这也是现实中，将仿真理解为数字孪生的一个重要原因。现在已经演变成“基于模型的系统工程”
- ◉ NASA定义的数字孪生，也用来指代其采用了其数字孪生概念而建成的软件及系统，也可以理解为是一个工程项目的名称。
- ◉ NASA的这种数字孪生的定义方式，并不具有普遍性意义，难以将数字孪生进行大范围的推广。这也是提出数字孪生概念后的一段实践内，并没有得到广泛响应的重要原因。
这种观点认为是，AFRL（美国空军研究实验室）在2009年提出了数字孪生的概念，但这种观点缺少公开发布的强有力的直接文献的佐证。我们在公开发表的文献中，能找到的文献是AFRL在2011年3月的一次项目合作推介会上Pamela A. Kobryn & Eric J. Tuegel所做的题目为《Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin》（可以直译为：将基于条件的维护应用于结构完整性中与机身数字孪生）演讲PPT。在该PPT中，提到了2009年2月AFRL曾召开过一个关于CBM+SI 研讨会，在那次会上，是作为CBM+SI计划的远期愿景，而提到了数字孪生的概念，见下图，
其数字孪生的含义为：由尾号标识的基于健康状态感知而使能的、单架飞机的、实时的、高精度的运营决策。其具体过程如下：
- ● 当交付一架物理飞机时，由尾号标识的该架飞机的一个数字模型，同时被交付，包括了与设计标准的偏差。
- ● 该数字模型将进行虚拟飞行，飞过同样的、由真实飞机的机载SHM系统记录下的飞行轨迹。
- ● 模型产生的结果，将会与放置在关键位置上的SHM系统记录下的传感器读数，进行比较，来更新/标定/验证该模型。
- ● 当未预料到的损伤被发现时，其将被添加到该数字模型中，来确保该模型能够反映出实际飞机的当前状态。
- ● 机身状态的预测，将通过“飞”模型，来经历未来可能的飞行任务，来实现的。
- ● 该模型将被用于决定，何时何地，机身结构损伤，将会发生。进而确定什么时间进行维护工作。
正是基于这份文档，国内外都有学者认为是AFRL在2009年首先提出了数字孪生，其根源所在。直到2011年，同NASA一样，AFRL也没有正式启动任何相关的工程应用项目，而仅仅是提出了一个总体构想或者进行了总体方案的设计。其数字孪生概念的核心要点是，用于机身结构完成性分析预测的一组模型，见下图，以及基于该模型组构建的一套系统。
由于该文献不够直接，其佐证价值存在某种程度的缺陷。更为有价值的文献是，直到2011年10月，AFRL 的Tuegel E.J.等人公开发表的论文《Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin》。在该文章，作者明确提到“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”，即数字孪生概念，来自于本文的主要作者，与范德堡大学名誉教授前AFRL首席科学家T.A. Cruse，和康奈尔大学教授A. R. Ingraffea（本文的第二作者），研讨后得出的。这可以看做是对NASA提出数字孪生的某种回应。不过这篇文献发表的时间是2011年10月，却晚于NASA提出数字孪生的时间。这就是关于NASA与AFRL是谁首先提出了数字孪生概念存在争议的重要事实。在这篇文献中，作者建议，充分利用在高性能数字计算领域的进展，重新构建飞机结构寿命的预测过程。这个建议的过程，使用了一个由尾号标识的单架飞机的超高保真模型——一个数字孪生，将依据飞行环境不同，进行的结构变形计算和温度计算，与正在发生的局部损伤和材料状态的演变，集成起来。这算是AFRL给出的数字孪生的定义。在其后AFRL发表的文章中，表示略有不同，但核心内涵并没有实质性变化。在经过前期的技术评估、总体方案设计后，到了2013年，AFRL正式启动了耗资庞大的工程验证项目——机身数字孪生计划的第一阶段工作，“The Airframe Digital Twin Spiral 1 Program”。项目使用了真实的F15战机全尺寸的外机翼作为验证对象。其方法是，在AFRL结构验证基地的地面实验室内，以每个工作周200次仿真飞行的频次，对机翼施加模拟出来的飞机飞行时机翼承受的外部动力学负荷，同时利用安装的传感器，测得机翼的状态，然后与开发的机体数字孪生给出的结果，进行比对，来验证数字孪生的准确性。到目前为止，AFRL公开了部分项目结果，还没有公开项目的最终结论，也没有见到启动“The Airframe Digital Twin Spiral 2 Program”、“The Airframe Digital Twin Spiral 3 Program”等的计划。
个人认为，该项目过于庞大复杂，不可控的因数过多，模型全面验证起来十分困难。更为重要的是，项目中建立的模型——机体数字孪生，与具体产品型号（设计、制造、运营）密切相关。当F15退役后，为本项目而建立起的针对F15的数字孪生模型，自然失去了相当部分的存在价值，或者说基于F15构建的数字孪生，未必就能应用与F22等其它型号的飞机。但其解决问题的思路，可以参考借鉴。AFRL的数字孪生项目，是一种基于机理的机身状态预测方法，多少有点超前。个人认为，只有当飞机设计、制造、运维等所涉及的各个学科充分成熟起来后，各种模型作为标准配置存在之时，而不是为了预测机身状态的需要而从重新建立并验证所需要的模型，该方法才会发挥更有价值的作用。所以，同NASA类似，AFRL的数字孪生概念，是用于解决复制的飞机机身结构完整性预测问题，AFRL认为这是一个将会跨越30年时间的、多组织、多学科协同的工作。而且值得注意的是，AFRL的技术人员在之后发表的文章中，却从来也没有引用NASA的技术路线图作为参考文献。显然AFRL的技术人员是不认可NASA首先提出了数字孪生概念这一观点的。如果说AFRL的技术人员不认可是NASA首先提出了数字孪生的概念，两者之间存在冲突的话，那么NASA与AFRL的高层，却在2012年联合发表了题为《The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles》的论文，则似乎是为了调和、平息两者之间的矛盾了而有意为之了。需要指出的是，该篇文章是以NASA的表述为核心的，最大限度体现了两个机构的共识。但有意思的是，在此之后，AFRL的技术人员发表的文章中，依旧没有引用NASA的技术路线图作为参考文献。◉AFRL提出数字孪生，是用于解决大量的老旧飞机的健康诊断与预测问题。目的时降低这些飞机运维成本，提高飞机的利用率。◉AFRL提出数字孪生，是问题驱动的，而不是技术驱动的。◉AFRL提出数字孪生，是用于解决其当前面临的、现有的方法解决不了的复杂问题。而不是用作解决那些现有方法或技术已经能够解决了的问题的一种新方法。◉AFRL的数字孪生，是一种极其复杂的多学科最新技术进展的综合，需要众多学科的专业人士的深度密切协同工作，而不是依靠数字孪生概念本身或某个特定专业就能够包打天下的。这正是AFRL在2011年3月召开项目合作推介会的目的所在。，◉AFRL的机身数字孪生的实现，需要花费巨大的人力物力，需要花费数十年的时间。◉AFRL定义的数字孪生，具有极高的探索、创新性质。最终的结果，还需要实践检验。有可能成功，也有可能失败。◉AFRL定义的数字孪生，作为一种方法，提出时并没有用到了仿真的表述，用的是模型。但如果你仔细阅读其预测性诊断的全过程，事实上就是用到了仿真的内涵，是基于该组模型的仿真。而且在后期，也用到了仿真这一概念，来更新其数字孪生的定义。同样地“基于仿真的系统工程”，也同样适用于AFRL数字孪生的定义。◉AFRL定义的数字孪生，也用来指代其采用了数字孪生概念而建成的软件与系统，也可以理解为是一个工程项目的名称，如机体数字孪生（the Airframe Digital Twin）。◉AFRL定义的数字孪生，非常强调各种计算用的机理模型。这也是后人将模型理解为数字孪生的源头所在。
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