1992年，著名的計算機和人工智能思想家，耶魯大學David Gelernter教授出版Mirror Worlds一書，雖然沒有明確提出數(shù)字孿生這一名詞，但他描述了一個軟件定義的虛擬現(xiàn)實世界，和數(shù)字孿生概念的內(nèi)涵基本一致。David Gelernter教授在書中寫道：
什么是鏡像世界（mirror worlds）?它們是從計算機屏幕中看到的代表真實世界的軟件模型，海量的信息通過巨大的軟件通道源源不斷地涌入模型，如此多的信息使得模型可以模擬現(xiàn)實世界每時每刻的運動。
2002年12月3日，密歇根大學Michael Grieves教授在PLM中心啟動會上，首次明確提出數(shù)字孿生這一概念，他稱之為“PLM的一個理想化概念”（圖1-17）。
▲圖1-17 PLM的一個理想化概念
他認為通過物理設備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構建一個表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。Michael Grieves博士論述數(shù)字孿生的書名為《Virtually Perfect》，已有中文版《智能制造之虛擬完美模型》。
2012年，在夏威夷舉辦的第53屆美洲航空航天協(xié)會（AIAA）學術會議上，NASA的Glaessgen和美國空軍的Stargel發(fā)表了一篇文章“The Digital Twin Paradigm for future NASA and U.S.Air Force Vehicles”，完整深入地論述了未來航空航天器數(shù)字孿生的理想模型。該文章對數(shù)字孿生進行了嚴格的學術定義：
數(shù)字孿生是飛行器或系統(tǒng)集成的多物理、多尺度的概率性仿真，它使用最好的可用物理模型、更新的傳感器數(shù)據(jù)和歷史飛行數(shù)據(jù)等來反映與該模型對應的飛行實體全生命周期的真實特性。
數(shù)字孿生這一理念創(chuàng)新雖然算不上什么革命性突破，但應該承認，其對制造業(yè)數(shù)字化的應用深化，凝聚方向性的共識，起到了重要的推動作用。
回到本文開篇的問題，誰堪稱“數(shù)字孿生之父”？過去30年間，隨著摩爾定律導致計算成本指數(shù)下降，數(shù)值計算方法不斷發(fā)展，產(chǎn)品創(chuàng)新競爭加劇，建模和仿真越來越可靠，使用范圍越來越廣，工程師開始暢想一個數(shù)字全面替代物理的場景，催生了數(shù)字孿生概念的演進?？偨Y起來，我們心目中的功勞簿如下：
David Gelernter（1992）：第一個數(shù)字孿生想法的提出者（雖然1992年還顯得有些科幻）。
Michael Greives（2002）：第一個數(shù)字孿生的命名者。
Glaessgen和Stargel（2012）：第一個數(shù)字孿生的嚴格學術定義者。
西門子工業(yè)軟件：第一個數(shù)字孿生的倡導者和實踐者。
美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）的Helen Gill在2006年創(chuàng)造了信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）的概念，德國于2011年利用該概念提出了工業(yè)4.0（Industrie 4.0）。
西門子工業(yè)軟件在2016年開始嘗試利用數(shù)字孿生體來完善工業(yè)4.0應用，到2017年底，西門子工業(yè)軟件正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應用模型，成為第一個數(shù)字孿生倡導者和實踐者（圖1-18）。
▲圖1-18西門子工業(yè)軟件——數(shù)字孿生的倡導者和實踐者
數(shù)字孿生技術是將帶有三維數(shù)字模型的信息拓展到整個生命周期中的數(shù)字鏡像技術，最終實現(xiàn)虛擬與物理世界同步和一致。它不是讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進步—這才是數(shù)字孿生的目標所在。
數(shù)字孿生技術幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個企業(yè)流程，最終實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)，快速創(chuàng)新及上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。
數(shù)字孿生技術是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標的關鍵技術，通過掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段（產(chǎn)品創(chuàng)意、設計、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用）銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應的生產(chǎn)智能設備。
數(shù)字孿生將各專業(yè)技術集成為一個數(shù)據(jù)模型，并將PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MOM（生產(chǎn)運營系統(tǒng)）和TIA（全集成自動化）集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺下，也可以根據(jù)需要將供應商納入平臺，實現(xiàn)價值鏈數(shù)據(jù)的整合，業(yè)務領域包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“運營數(shù)字孿生”。
在產(chǎn)品的設計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數(shù)字孿生的關鍵能力包含：
數(shù)字模型設計。使用CAD工具開發(fā)出滿足技術規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來，并通過一系列驗證手段來檢驗設計的精準程度。
模擬和仿真。通過一系列可重復、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來驗證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設計階段就可驗證產(chǎn)品的適應性。
產(chǎn)品數(shù)字孿生。在需求驅動下，建立基于模型的系統(tǒng)工程產(chǎn)品研發(fā)模式，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程閉環(huán)管理，從細化領域將包含如下幾個方面，如圖1-19所示。
▲圖1-19產(chǎn)品數(shù)字孿生
產(chǎn)品系統(tǒng)定義。包括產(chǎn)品需求定義、系統(tǒng)級架構建模與驗證、功能設計、邏輯定義、可靠性、設計五性（包含可靠性、維修性、安全性、測試性及保障性）分析、失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）等。
結構設計仿真。包括機械系統(tǒng)的設計和驗證。具體包含機械結構模型建立、多專業(yè)學科仿真分析（涵蓋機械系統(tǒng)的強度、應力、疲勞、振動、噪聲、散熱、運動、灰塵、濕度等方面的分析）、多學科聯(lián)合仿真（包括流固耦合、熱電耦合、磁熱耦合以及磁熱結構耦合等）以及半實物仿真等。
3D創(chuàng)成式設計。創(chuàng)成式設計（generative design）是一種參數(shù)化建模方式，在設計的過程中，當設計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動進行調(diào)整和判斷，直到獲得最優(yōu)化的設計。創(chuàng)成式設計可以幫助設計師優(yōu)化零件強度重量比，以模仿自然結構發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強大的結構，同時最大限度地減少材料的使用。
電子電氣設計與仿真。包括電子電氣系統(tǒng)的架構設計和驗證、電氣連接設計和驗證、電纜和線束設計和驗證等。相關仿真包括電子電氣系統(tǒng)的信號完整性、傳輸損耗、電磁干擾、耐久性、PCB散熱等方面的分析。
軟件設計、調(diào)試與管理。包括軟件系統(tǒng)的設計、編碼、管理、測試等，同時支撐軟件系統(tǒng)全過程的管理與bug閉環(huán)管理。
設計全過程管理。系統(tǒng)設計全過程的管理和協(xié)同，包括設計數(shù)據(jù)和流程、設計仿真和過程、各種MCAD/ECAD/軟件設計工具和仿真工具的整合應用與管理。
