1.1 物理孪生和数字孪生

北京时间2021年4月29日11时23分，长征五号B遥二运载火箭搭载着空间站天和核心舱从海南文昌航天发射场一飞冲天，正式拉开我国空间站在轨建造序幕。北京时间2021年6月17日15时54分，神舟十二号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口，与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱（船）组合体，整个交会对接过程历时约6.5小时。这是天和核心舱发射入轨后，首次与载人飞船进行的交会对接。按任务实施计划，3名航天员随后从神舟十二号载人飞船进入天和核心舱，中国人第一次进入了自己的空间站！

在中国航天科技集团空间技术研究院的实验室，一台与太空中运行的天和核心舱一模一样的装备也正在运行中，它被形象地称作“地面空间站”。这是地面的1∶1的物理在轨运营支持系统，主要作用是它可以接收在轨的遥测数据，可以设置成跟天上一样的飞行状态，来验证整个飞行程序。同时，如果需要对空间站进行维护调整，可以在地面空间站上进行模拟操作，各类操作步骤优化和确定后再指导太空中的航天员进行操作，以保证太空中各类动作一次成功完成。

这个地面空间站和太空中的空间站是一起设计和制造的，通过太空空间站的数据导入，让地面空间站的运行和太空空间站一致，这个地面空间站可以看作是太空空间站的“物理孪生体”。图1-1所示的在中国科学技术馆展出的1∶1实物验证件，是天和核心舱众多实物孪生体中的一个。

图1-1 天和核心舱1:1实物验证件

《辞海》中对“孪生”的释义是：“双生。一胎生两个婴儿。《方言》第三：‘自关而东赵、魏之间，凡人兽乳而双产谓之孪生。’”两个孪生体往往是十分相似的，也称为“双胞胎”。这个概念引用到产品和系统，就是指一模一样的两个或多个产品或系统。和人的“双胞胎”不同，双胞胎一出生，就是孪生无疑，而同一个时间下线的两件一样的工业产品，还不能称为“孪生体”。因为当代的工业体系，能保证同时生产出来的产品是“一模一样”的，其性能也是基本一致的。但是如果两件产品运行环境不同、运行参数不同，其行为和寿命是不同的。只有不同的两件产品在后期运行过程中，通过数据同步，实现两件产品运行过程状态一致，才能称之为“孪生体”。物理孪生的概念在20世纪60年代就由美国国家航空航天局（NASA）提出，当时的概念就是在太空中的飞行器，地面需要构建一个物理孪生，模拟各类指令的操作，保障太空飞行器各类动作的正确性和安全性。

如果物理对象在数字空间有一个与其一致的孪生体，那就是“数字孪生”。2003年，美国密歇根大学Michael Grieves教授提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念，这可以看作是产品数字孪生的一个启蒙。2010年，NASA描述了航天器数字孪生的概念和功能。2011年3月，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity（CBM+SI）&the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，首次明确提到了数字孪生（Digital Twin）这个词汇。2012年，NASA和AFRL合作共同提出了未来飞行器的数字孪生体范例，以应对未来飞行器高负载、轻质量以及极端环境下服役更长时间的需求[1，2]。

航天器的信息镜像模型（Information Mirroring Model），主要利用数字孪生技术对航空航天飞行器进行健康维护与保障。具体实现流程是，需要在虚拟空间中建立真实飞行器各零部件的模型，然后在物理实体飞行器上装置各类传感器，用于对飞行器各类数据的收集，通过此种方式来达到模型状态和真实状态的完全同步，如此一来，飞行器每次使用完后可以根据飞行器的实际情况和过往载荷，及时分析与评估飞行器的健康情况，是否需要保养维修，能否承受下次任务等。信息镜像模型如图1-2所示，它是数字孪生模型的概念模型，主要包括三个部分：现实世界的物理产品、虚拟世界的虚拟产品、连接虚拟和现实空间的数据和信息。

图1-2 信息镜像模型[3]

由于当时的信息技术、硬件计算能力、智能化算法方面的局限，数字孪生概念提出初期并未引起国内外学者的广泛重视。近年来，数字孪生无论在理论还是应用层面都得到较为全面快速的发展，覆盖范围也从原先较为单一的产品设计阶段扩展到生产制造、工艺优化、使用运维、故障预测、产品健康管理等方面。其之所以能迅速发展主要得益于：

1）基于模型的定义（MBD）、基于模型的系统工程（MBSE）、基于数据驱动的全要素、精准细致的建模方式等技术使得产品全生命周期的准确表达成为可能。

2）计算机硬件平台性能的大幅提升，云计算、边缘计算、雾计算等大规模、高性能计算方式的普及，4G/5G等新一代移动通信技术快速发展，强化学习、深度学习等智能算法的广泛应用，增强现实等新型人机交互方式的出现，为海量动态数据实时采集、存储与处理，虚拟与现实世界的交互联动融合，实体对象行为的推演和决策提供了重要的技术支撑。

3）各研究机构、企业以及政府等开始意识到数字孪生技术巨大的潜在价值，参与到数字孪生技术的理论研究与工程实践中，形成了良性的研究氛围。

数字孪生以物理模型、信息世界中建立的与物理实体相对应的多维度、多尺度、多物理量、多方位、高保真度/高拟实性的数字化模型和多源异构、多维、多模态的孪生数据为基础，通过虚实两侧的双向全要素、全过程的细致、精准、忠实的映射，交互联动，协同发展，完成实体对象、系统状态的实时模拟、预测以及其决策行为的优化和管理调控。数字孪生为实现CPS深度融合提供了合理、有效的途径和方法，是观察、认知、理解、引导、控制、改造物理世界的可行手段，是数字化、智能化、服务化等先进理念的重要使能技术，因而得到了国内外学术界、工业界、金融界、政府部门的广泛关注[4-6]。