1.2.1　数字孪生体的发展历程和概念内涵

数字孪生体是数字虚体的典型形式，要想理解数字孪生体的概念，首先应了解数字孪生的概念。数字孪生思想最初由密歇根大学的迈克尔·格里夫斯（Michael Grieves）通过“信息镜像模型”（Information Mirroring Model）提出，而后演变为“数字孪生”概念。数字孪生又称为数字双胞胎或数字化映射。数字孪生是在基于模型的工程定义（MBD）的基础上深入发展起来的，企业在实施基于模型的系统工程（MBSE）的过程中产生了大量的物理、数学模型，这些模型为数字孪生的发展奠定了基础。2012年美国国家航空航天局（NASA）给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器及运行历史等信息，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了对应物理实体产品的全生命周期过程。进入21世纪，美国和德国均提出了“信息-物理系统”（Cyber-Physical System，CPS），作为先进制造业的核心支撑技术。CPS 的目标是实现物理世界和信息世界的交互融合，通过大数据分析、人工智能等新一代信息技术对虚拟世界的仿真分析和预测，以最优的结果驱动物理世界运行。数字孪生的本质就是信息世界对物理世界的等价映射，因此数字孪生更好地诠释了CPS，成为实现CPS的最佳技术。可以说，数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

2003年，迈克尔·格里夫斯教授在密歇根大学的产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）课程中提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念，并给出定义：一个或一组特定装置的数字复制品，能够抽象表达真实装置并以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试。该概念源于更清晰地表达装置的信息和数据的意愿，希望能够将所有信息放在一起进行更高级的分析。虽然这个概念在当时并没有被命名为数字孪生体，但其概念模型已具备数字孪生体的所有组成要素，即物理空间、虚拟空间和两者之间的关联或接口，因此可以被认为是数字孪生体的雏形。之后，迈克尔·格里夫斯教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》一书中引用了其合作者Lohn Vickers用于描述该概念模型的名词—数字孪生体，并一直沿用至今。数字孪生体的概念模型主要包括3个部分：①物理空间（实体产品）；②虚拟空间（虚拟产品）；③物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。

2011年之后，数字孪生体迎来了新的发展契机。2011年，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）提出数字孪生体并进行进一步研究，其目的是解决未来复杂环境下的飞行器维护问题和寿命预测问题。该实验室计划在2025年交付一种新型号的空间飞行器及与其相对应的数字模型即数字孪生体。2012年，美国空军研究实验室和NASA合作并共同提出了未来飞行器的数字孪生体范例。他们针对飞行器、飞行系统和运载火箭等，给出数字孪生体的定义：一个面向飞行器或系统的集成的多物理、多尺度、概率仿真模型，该模型利用当前最佳可用物理模型、更新的传感器数据和历史数据等来反映与其相对应的飞行实体的状态。同年，NASA发布的“建模、仿真、信息技术和处理”路线图正式将数字孪生体展现在公众面前。该定义可以被认为是美国空军研究实验室和NASA对之前研究成果的一个阶段性总结，着重突出了数字孪生体的集成性、多物理性、多尺度性和概率性等特征，能够实时反映对应飞行产品的状态，使用的数据包括当前最佳可用物理模型、更新的传感器数据及产品组的历史数据等。

近年来，数字孪生体在理论层面和应用层面均取得了快速发展，应用范围也逐渐从产品设计阶段向产品制造和运维服务等阶段转移，并引起了国内外学者和企业的广泛关注，数字孪生和数字孪生体的概念内涵逐渐清晰。总体来说，数字孪生是指利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程与方法，也称为数字孪生技术。数字孪生体指与现实世界中的物理实体完全对应和一致的虚拟模型，它可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能。基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化，也称为数字孪生模型（一些学者也将数字孪生体称为数字镜像、数字映射、数字孪生或数字双胞胎等）。这就意味着，数字孪生体不只是物理世界的镜像，还要接受物理世界的实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，并且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

基于上述解释，可以认为数字孪生是技术、过程和方法，数字孪生体是对象、模型和数据。数字孪生不仅可利用人类已有理论和知识建立虚拟模型，而且可利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界，以寻找和发现更好的方法和途径、不断激发人类的创新思维、不断追求优化进步，并为当前制造业的创新和发展提供新的理念和工具。当前，数字孪生作为一种新型通用目的技术，它为物理空间和数字空间的交互提供了有效手段，其开放架构吸引了大量参与者，通过竞争加速数字孪生体专业化分工，最终实现企业数字化转型成本的大幅降低。未来，虚拟空间中将存在一个与物理空间中的物理实体对象完全一样的数字孪生体。例如，工厂、车间及生产线在虚拟空间中有对应的工厂数字孪生体、车间数字孪生体和生产线数字孪生体；而在军事领域，数字孪生理念驱动了军事革命，战场、装备等在虚拟空间中都有对应的数字孪生体。由于数字孪生思想主要来源于军事领域，下面就军事领域的数字孪生体进行详细介绍。