1.2.1　数字孪生的早期应用

虽然数字孪生是近20年提出的概念，但是实际应用得很早。

1．数字孪生在古代战场上的应用

宽泛地讲，可能早在数千年前就出现了数字孪生的雏形，比如很多历史影视剧中会出现的军事战斗工具——沙盘（见图1-5）。

图1-5　立体沙盘

孙子兵法有言：“夫地形者，兵之助也。”自古以来，每一个军事战斗指挥家都希望自己能克敌制胜，掌握战场上的主动权，以最小的代价获取战事的胜利，因此他们通常需要纵览整个战区和战场的形势，在关键时刻给出最优的攻守方案，这也是最早的孪生体“沙盘”诞生的主要原因。早在东汉时期就有了沙盘的相关记载：公元32年，汉光武帝刘秀亲自西征隗嚣，当地地势险峻，且汉军不熟悉当地地形，各将领都觉得不宜深入险阻、犹豫不决，就在这时名将马援拿出一堆米，创造出了世界上第一个立体沙盘（当时称为“米盘”更为贴切），聚米为山，以代地形，为刘秀清晰、直观地展示当前军事形势以及险要的地形，让犹豫不决的刘秀顿感胜利在望，坚定了必胜的决心，也进一步帮助汉军明确了最佳的进军计划，轻松地穿过了数处关隘，在地势险峻的陇山之中如履平地，打得隗军节节败退、苦不堪言。

由此可见，在古代人们已经知道可以构建实体事物的孪生体来促进和帮助实体事物更好地达到预期效果。当时人们受技术的限制，对孪生的认识还仅仅局限于模型层次，无法做到现实实体与虚拟孪生体间的数据互通。

2．数字孪生在航天领域的应用

随着科技的发展，数字孪生体又被应用在航天计划中，如图1-6所示。据相关文献资料记载，虽然NASA（美国国家航空航天局）于2010年才首次在太空技术线路图中加入了数字孪生的相关内容，但是实际上在20世纪60年代NASA就有了“孪生”的概念，只不过当时的两个物体都是真实的物理实体飞行器。Apollo program（阿波罗计划）是美国在20世纪六七十年代组织实施的系列载人登月飞行计划，主要是想实现人类载人登月飞行的伟大愿望，实现对月球的实地勘测与考察，为载人航天飞行和行星探测进行充分的技术储备。阿波罗计划是人类航天史上一个新的里程碑，是人类文明高度发展的重要标志。在这项工程中，NASA建设了一套完整的、高水准的地面半物理仿真系统，即构建了两个一模一样的航天飞行器：一个被用于执行太空任务；另一个则留在地球，用于实时反馈太空中飞行器的工作状态。这个留在地球上的飞行器被NASA称为被发射到太空执行任务飞行器的twin（孪生体）。在阿波罗工程前期任务准备期间，NASA利用孪生体飞行器进行了多项训练，为后面太空飞行器的飞行提供了诸多数据与经验支撑；在阿波罗任务执行期间，NASA利用孪生体飞行器实时且精确地反映正在外太空执行任务飞行器的状态，并通过孪生体飞行器进行一些外太空飞行器状况与数据的预测，进而辅助工程师分析处理各种紧急事件，让远在太空的宇航员可以在紧急情况发生时做出正确的决策。

图1-6　数字孪生在航天中的应用

Apollo 13（阿波罗13号）是美国阿波罗计划发起的第三次载人登月任务，在其发射运行两天后，地面指挥中心接到告警，Apollo 13服务舱的二号氧气罐发生了爆炸，这对Apollo 13简直是致命的打击，因为在太空飞船上，氧气除了用于供宇航员们的日常呼吸，还主要用于与氢气相结合，经过一些列的反应，生成电和水，所以Apollo 13的氧气罐爆炸后，让飞船失去了供电的主要物质来源，也缺少了维系生命的重要物质——水。更可怕的是，Apollo 13的两台液氧罐都被放在了同一模块，虽然没有收到一号氧气罐爆炸的通知，从外观上看一号罐也并未发现严重破损，但是两个氧气罐之间位置较近，且有很多细小的用于运输氧气的管路相连接，而这些管路有的已经发生了破损，这就加速了Apollo 13氧气的泄露。图1-7所示为Apollo 13号登月舱飞行员小弗雷德参加模拟训练。

图1-7　Apollo 13号登月舱飞行员小弗雷德参加模拟训练（图片来源于NASA）

爆炸发生后，地面指挥中心所做的一切工作都是为了能让三位宇航员顺利地返回地球，保证他们的生命安全，因为大家心里都明白任何盲目的错误决定都可能是对航天器的进一步破坏。那么，地面指挥中心该如何判断一个远在30万千米外的飞行器的状况呢？又该如何解决这个故障呢？这时应用到了NASA的训练模拟器。

在Apollo 13发射前，NASA已经陆续发射了一些太空飞船，就在之前发射的Apollo 10号的准备过程中工作人员进行了一系列的故障模拟测试，其中就包括了飞船在接近月球轨道时出现燃料电池故障的模拟，而这种模拟情况与Apollo 13目前的状态十分相似。在模拟环境中，指挥中心的工作人员想让宇航员利用登月舱（见图1-8）作为救生舱返回地球，但是很遗憾，在Apollo 10的模拟过程中，他们没能及时独立地启用登月舱系统，导致模拟环境中的宇航员没能得救。这次模拟的失败让地面控制人员开发了新的控制程序，以备登月舱在指令舱系统故障时能够作为备用救生舱使用。在Apollo 13爆炸发生后，各方研究决定启用备用救生舱，三名宇航员最终顺利地返回地球。

图1-8　前部登月舱模拟器，后部指令舱模拟器（图片来源于NASA）

从阿波罗计划可以看出，当时的数字孪生其实就是通过孪生体反映真实物理实体的情况，进而帮助真实物理实体的使用者或控制者产生更精准的处理行为。它具有两个显著的特点：

（1）孪生体与物理实体在外表（产品的几何形状和外观尺寸）、内部构造（产品的实际组成结构）和性质（产品的功能和性能）上完全一致。

（2）通过对孪生体的三维仿真来模拟和反映真实物理实体的运行情况和状态。

在特定的工程实践中，人类逐渐意识到孪生体建设的重要性。随着各种科技的高速发展，特别是软件技术与仿真技术的发展，孪生体在功能、行为等方面可以用计算机系统替代物理实体，这时再提出数字孪生的概念就成为水到渠成的事情了。