内容提要

数字孪生体（Digital Twin）是物理世界和数字空间交互的概念体系，它既是一种新技术，也是一种新范式。自2009 年正式诞生以来，经过十年时间的发展，数字孪生体已经演化为一个新产业。作为一种通用目的技术，数字孪生体除了在制造业不断深化发展，还在智慧城市、能源工业、医疗健康和国防工业等领域得到应用。本书围绕数字孪生体历史渊源、关键技术、创新生态和产业发展四个方面，从产业的视角展望数字孪生体下一个十年的发展，提出了基于数字孪生体的数字化转型方法论和实践指南。

本书适合关注新一代数字技术和数字化转型的行业人士、政府官员、企业管理者等广大读者阅读参考。

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自序

数字孪生体的本质

自1946年电子计算机诞生之后，人类社会开始进入数字时代，早期这种数字变革并不明显，直到20世纪80年代，消费和工业两个领域的数字化转型才逐渐显现，不过前者转型的速度显然快于后者。具有开放架构的消费电子和软件行业吸引了众多企业加入，发展非常迅速；工业领域涉及材料、工艺、流程和质量等复杂要素，非标（即“非标准化”）特征明显，导致其数字化转型周期较长，落后于消费领域的发展。

20世纪80年代是日美贸易战时期，为了缓和美国对日本的压制，日本通产省于1989年启动了智能制造系统计划，力图利用“人工智能+制造”的方式，打造一套教科书式的智能制造范式。事实证明，这是一次好高骛远的尝试。2010年日本退出了自己一手建立的智能制造系统委员会，宣告探索通用性智能制造范式的失败。

1989年，美国空军下属莱特实验室为了抢夺德国和日本在工业系统的领导地位，启动了“下一代控制器”计划，该计划于1994年结束。美国毫不掩饰誓要争夺工业系统产业制高点的雄心，表示将通过开放架构工业系统产生的数据，引领该行业发展，虽然该计划最终并未达到预期目标，但同期美国国家标准与技术研究院（NIST，National Institute of Standards and Technology）推进ISO TC184/SC4小组委员会的工作，加强工业数据标准的研制，确定了美国在数字制造领域的领先地位。

日本和美国的尝试是基于不同的工业哲学，前者认为高度集成才具有实施价值，而后者坚信开放架构带来的通用性价值更高。这种工业哲学的争议，一直延续到了21世纪20年代，德国和日本仍然坚持高度集成的方法，它们主要采用计算机集成制造、嵌入式系统、信息物理系统等方法，而美国则在工业互联网、数字孪生体和数字制造等领域不断探索，明确要开拓第四次工业革命新领地。

2009年，美国国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）国防科学办公室举办了一次未来制造研讨会，来自美国国家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）、美国空军科学研究办公室等多个机构的科学家参与了此次讨论。NASA兰利研究中心科学家爱德华·格莱斯根（Edward Glaessgen）分享了原子孪生（Atomic Twin）的概念，虽然这是一种材料微结构研究方法，但它启发大家提出了“数字孪生体”（Digital Twin）的概念。数字孪生体可以用来描述工业数字化的应用，DARPA提议大家围绕数字孪生体进行相关理论和应用方面的研究。

在2012年举办的“第53届结构、结构动力学和材料大会”（53rd Structures，Structural Dynamics, and Materials Conference）上，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（David Stargel）联合发布了《未来NASA和美国空军车辆数字孪生体范式》（The Digital Twin Paradigm forFuture NASA and U.S. Air Force Vehicles），全面系统阐释了数字孪生体提出的需求背景，并与传统仿真做了对比。他们指出，数字孪生体是一种新技术、新方法和新应用，因此应为一种新范式。