导读：按照工业4.0研究院数字孪生体系列文章编写要求，本文作为第一篇文章，从科学、技术和工程的角度谈一谈数字孪生体，并作为撰写的《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》（第二版）一书的引子。

      作为物理世界和数字空间的交互体系，数字孪生体（Digital Twin）已经成为科学研究、技术创新和工程应用的新领域，中美两国的专家对此开展了较多的研究。

      从其本质来看，数字孪生体是一种计算机应用，代表了人类社会发展的新方向。

      商务印书馆出版的《现代汉语词典》给出了科学的定义：反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系。

      借助计算机技术，现代科学研究已经呈现“计算化”（Computational）特征，例如，人们熟悉的物理学有理论物理、实验物理，现在还有“计算物理”（Computational Physics），如果引入交互技术，那么就是典型的数字孪生体科学。

      英伟达利用自身芯片上的优势，正在开展地球科学的研究，它把这个项目称为“数字孪生地球”（Digital Twin Earth），根本原因就是采用了数字孪生体科学的方法，为地球科学的发展创造了一条新的道路。

      针对数字孪生体科学，美国国家科学基金会（NSF）资助了不少研究课题，特别是在探索数字孪生体本质科学意义上的项目，成为美国继续保持科学引领的重点领域，力求支撑国防、工业和经济的持续发展。

      工业4.0研究院在2023年，正式设立“数字孪生体科学委员会”（DTSB，Digital Twin Science Board），邀请计算机科学、数学、工程和生命科学等领域的科学家参与。

      《现代汉语词典》对技术的定义为：人类在认识自然和利用自然的过程中积累起来，并在生产劳动中体现出来的经验和知识。

      数字孪生体作为人类经验和知识的载体，可以用来改造世界。由于它为物理世界建立了一个数字空间的对应物，更便于人们去跟物理世界交互，这是数字孪生体技术的价值。

      传统的建模仿真能够对简单的系统进行描述，但对于复杂系统来讲，已有的各种技术遇到了瓶颈，为此，DARPA在2009年提出数字孪生体概念，其基本意图是为了创造一套“体系”（SoS）的技术工具，更好的描述、分析和改造复杂系统或体系。

      经过十多年的探索，数字孪生体已经成为一种较为完善的技术体系，在解决体系问题上逐步显露出不可思议的价值。

      对于工程概念，《现代汉语词典》给出了如下定义：土木建筑或其他生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程、水利工程等，也指具体的建设工程项目。

      数字孪生体是第四次工业革命的通用目的技术，这意味着它在大量的工程领域能发挥作用。

      从数字孪生体在各个行业或领域的工程应用来看，《现代汉语词典》列出的领域都已经包含，土木工程使用建筑信息模型（BIM）实现可视化，机械工程的应用已经形成工业数字孪生体子领域，化学工程利用数字孪生体实现人工智能应用，采矿工程引入数字孪生地球技术提升采矿的效率和安全，我国水利工程已经全面推进数字孪生水利计划。

      由于数字孪生体工程范围非常广泛，同时还融入AI/ML和数据科学等先进技术，形成了一个较为独立的工程方法和应用，美国国防部对此给出了一个新概念：数字工程（Digital Engineering）。

      从以上分析可以看出，经过十多年的发展，数字孪生体已经从概念转变为完善的技术工程体系，并逐步形成一门专门的科学。

      正如本人在《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书中所写，数字孪生体、人工智能和数据科学等新型技术，将驱动人类社会工业革命进入新阶段。

 

作者：胡权，工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长