1.1 物理孿生和數字孿生

北京時間2021年4月29日11時23分，長征五號B遙二運載火箭搭載著空間站天和核心艙從海南文昌航天發射場一飛沖天，正式拉開我國空間站在軌建造序幕。北京時間2021年6月17日15時54分，神舟十二號載人飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙前向端口，與此前已對接的天舟二號貨運飛船一起構成三艙（船）組合體，整個交會對接過程歷時約6.5小時。這是天和核心艙發射入軌后，首次與載人飛船進行的交會對接。按任務實施計劃，3名航天員隨后從神舟十二號載人飛船進入天和核心艙，中國人第一次進入了自己的空間站！

在中國航天科技集團空間技術研究院的實驗室，一臺與太空中運行的天和核心艙一模一樣的裝備也正在運行中，它被形象地稱作“地面空間站”。這是地面的1∶1的物理在軌運營支持系統，主要作用是它可以接收在軌的遙測數據，可以設置成跟天上一樣的飛行狀態，來驗證整個飛行程序。同時，如果需要對空間站進行維護調整，可以在地面空間站上進行模擬操作，各類操作步驟優化和確定后再指導太空中的航天員進行操作，以保證太空中各類動作一次成功完成。

這個地面空間站和太空中的空間站是一起設計和制造的，通過太空空間站的數據導入，讓地面空間站的運行和太空空間站一致，這個地面空間站可以看作是太空空間站的“物理孿生體”。圖1-1所示的在中國科學技術館展出的1∶1實物驗證件，是天和核心艙眾多實物孿生體中的一個。

《辭海》中對“孿生”的釋義是：“雙生。一胎生兩個嬰兒?！斗窖浴返谌骸躁P而東趙、魏之間，凡人獸乳而雙產謂之孿生。’”兩個孿生體往往是十分相似的，也稱為“雙胞胎”。這個概念引用到產品和系統，就是指一模一樣的兩個或多個產品或系統。和人的“雙胞胎”不同，雙胞胎一出生，就是孿生無疑，而同一個時間下線的兩件一樣的工業產品，還不能稱為“孿生體”。因為當代的工業體系，能保證同時生產出來的產品是“一模一樣”的，其性能也是基本一致的。但是如果兩件產品運行環境不同、運行參數不同，其行為和壽命是不同的。只有不同的兩件產品在后期運行過程中，通過數據同步，實現兩件產品運行過程狀態一致，才能稱之為“孿生體”。物理孿生的概念在20世紀60年代就由美國國家航空航天局（NASA）提出，當時的概念就是在太空中的飛行器，地面需要構建一個物理孿生，模擬各類指令的操作，保障太空飛行器各類動作的正確性和安全性。

如果物理對象在數字空間有一個與其一致的孿生體，那就是“數字孿生”。2003年，美國密歇根大學Michael Grieves教授提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”概念，這可以看作是產品數字孿生的一個啟蒙。2010年，NASA描述了航天器數字孿生的概念和功能。2011年3月，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）結構力學部門的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel做了一次演講，題目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity（CBM+SI）&the Airframe Digital Twin（基于狀態的維護+結構完整性&戰斗機機體數字孿生）”，首次明確提到了數字孿生（Digital Twin）這個詞匯。2012年，NASA和AFRL合作共同提出了未來飛行器的數字孿生體范例，以應對未來飛行器高負載、輕質量以及極端環境下服役更長時間的需求[1，2]。

航天器的信息鏡像模型（Information Mirroring Model），主要利用數字孿生技術對航空航天飛行器進行健康維護與保障。具體實現流程是，需要在虛擬空間中建立真實飛行器各零部件的模型，然后在物理實體飛行器上裝置各類傳感器，用于對飛行器各類數據的收集，通過此種方式來達到模型狀態和真實狀態的完全同步，如此一來，飛行器每次使用完后可以根據飛行器的實際情況和過往載荷，及時分析與評估飛行器的健康情況，是否需要保養維修，能否承受下次任務等。信息鏡像模型如圖1-2所示，它是數字孿生模型的概念模型，主要包括三個部分：現實世界的物理產品、虛擬世界的虛擬產品、連接虛擬和現實空間的數據和信息。

由于當時的信息技術、硬件計算能力、智能化算法方面的局限，數字孿生概念提出初期并未引起國內外學者的廣泛重視。近年來，數字孿生無論在理論還是應用層面都得到較為全面快速的發展，覆蓋范圍也從原先較為單一的產品設計階段擴展到生產制造、工藝優化、使用運維、故障預測、產品健康管理等方面。其之所以能迅速發展主要得益于：

1）基于模型的定義（MBD）、基于模型的系統工程（MBSE）、基于數據驅動的全要素、精準細致的建模方式等技術使得產品全生命周期的準確表達成為可能。

2）計算機硬件平臺性能的大幅提升，云計算、邊緣計算、霧計算等大規模、高性能計算方式的普及，4G/5G等新一代移動通信技術快速發展，強化學習、深度學習等智能算法的廣泛應用，增強現實等新型人機交互方式的出現，為海量動態數據實時采集、存儲與處理，虛擬與現實世界的交互聯動融合，實體對象行為的推演和決策提供了重要的技術支撐。

3）各研究機構、企業以及政府等開始意識到數字孿生技術巨大的潛在價值，參與到數字孿生技術的理論研究與工程實踐中，形成了良性的研究氛圍。

數字孿生以物理模型、信息世界中建立的與物理實體相對應的多維度、多尺度、多物理量、多方位、高保真度/高擬實性的數字化模型和多源異構、多維、多模態的孿生數據為基礎，通過虛實兩側的雙向全要素、全過程的細致、精準、忠實的映射，交互聯動，協同發展，完成實體對象、系統狀態的實時模擬、預測以及其決策行為的優化和管理調控。數字孿生為實現CPS深度融合提供了合理、有效的途徑和方法，是觀察、認知、理解、引導、控制、改造物理世界的可行手段，是數字化、智能化、服務化等先進理念的重要使能技術，因而得到了國內外學術界、工業界、金融界、政府部門的廣泛關注[4-6]。