如何认识NASA数字孪生体2027计划？

2010年11月，美国NASA发布了《建模、仿真、信息技术和处理路线图》（Modeling, Simulation, Information Technology & Processing Roadmap）的报告，其中，指出了大概在2027年实现数字孪生体（Digital Twin），工业4.0研究院称之为“数字孪生体2027计划”。

值得数字孪生体联盟（DTC，Digital Twin Consortium）成员关注的是，NASA为什么2010年提出“数字孪生体”，并且确定到2027年来实现呢？

一、又是NSF，它提出了“基于仿真的工程科学”

必须承认，美国国家科学基金会（NSF，National Science Foundation）在引领全球科学研究方面，具有绝对的优势，它提出了信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）等概念。在数字孪生体的基础研究方面，NSF也扮演了启蒙和奠基作用，它提出了“基于仿真的工程科学”（SBES，Simulation-Based Engineering Science）。

2003年1月，NSF组织了来自密歇根大学、加州理工学院、伯克利、斯坦福大学、IBM等机构，撰写了题为《通过信息基础设施变革科学和工程》（Revolutionizing Science and Engineering Through Cyberinfrastructure）的报告，阐释了加强设信息基础设施建设的想法，以期引领全球科学和工程发展。

NSF的《基于仿真的工程科学》演讲稿封面

NSF随后在2003年、2004年组织了进一步的探讨，最终在2006年5月，发布了《基于仿真的工程科学：通过仿真变革工程科学》（Simulation-Based Engineering Science- Revolutionizing Engineering Science through Simulation）。

2012年NASA的E.H. Glaessgen和USAF的D.S. Stargel在参加“第53届结构、结构动力学和材料大会”（53rd Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference），做了“数字孪生体范式”的发言，并指出数字孪生体深受NSF提出SBES的影响。

佛罗里达理工大学的仿真案例（来自NSF）

围绕SBES学科建设，NSF组织了美国顶级大学和科技企业专家参与，对已有的仿真技术进行了梳理，特别是一些航空航天及军工企业（特别是空军）的实际应用，为SBES提供了研发的动力，直接促成了前面提及的报告发布。

可以认为，正是因为NSF在SBES方面的基础工作，给数字孪生体的产生提供了内容。

二、2010年NASA提出主攻数字孪生体的计划

2006年12月20日，美国总统布什发布了Executive Order 13419，要求建立国家级的先进技术路线图。2007年12月，《航空技术研发和基础设施国家计划》（National Plan for Aeronautics Research and Development and Related Infrastructure）获批，2008年12月与之相关的技术附录也编制完成。

在这样的背景下，2010年，已经进入奥巴马时代的NASA和国家研究委员会（NRC，National Research Council）开始筹备为航空领域设计一个技术路线图。

NASA组织了相关专家撰写了《NASA空间技术路线图》（NASA Space Technology Roadmaps），共涉及14个主题。据统计，该报告包含140个挑战、320种技术，时间跨度为20年，该技术路线图一直延续到2030年。

除了NASA潜心编写技术路线图，NRC还组织了一个18人的工作委员会，按照6个研究小组的方式来对NASA工作成果进行评估，以保证满足美国未来的竞争优势需要。据相关备忘显示，除了工作委员会的成员，NRC还邀请了56位不同领域专家参加技术路线图工作。

NASA空间技术路线图（红色为数字孪生体）

正是在这次报告14个技术主题（Technology Area）中，TA 11（即Modeling，Simulation，Information Technology & Processing Roadmap）提出了大致在2027年实现NASA数字孪生体（NASA Digital Twin）的规划目标。

这是目前可以查询到明确提出数字孪生体的最早文档之一。

虽然行业人士较为熟悉的Michael Grieves称自己最早提出数字孪生体的概念（Concept），但一直没有看到书面证据，工业4.0研究院认为，真正完整的数字孪生体概念提出，应该归于美国NASA和国防部（前述NASA的Glaessgen和USAF的Stargel认为DARPA的国防科学办公室提出了该概念）。

NASA在报告中，多处对数字孪生体进行了解释。在TA11-1，报告指出，“简单的讲，一个模型代表物体的特征，然而仿真代表了其行为。”在TA11-5，报告进一步指出，基于仿真的系统工程（Simulation-Based Systems Engineering）就是“NASA Digital Twin”。

三、NASA指出了数字孪生体的四大应用场景

对于数字孪生体，NASA显然寄予厚望，它指出，“基于模型的系统工程将构成NASA数字孪生体的基础。”（They will form the foundation of a NASA digital twin.）

NASA对数字孪生体的应用进行了展望，一共提出了四大应用场景：

（1）在飞行器发射前试飞，通过数字孪生体来实现。

即便没有持续的传感器更新，数字孪生体也能提供大量的参数供研究。例如，对一些缺陷进行确定，一些异常现象的处理办法可以事先拟定。简单的讲，数字孪生体的应用，可以成为飞行器孪生体的验证基础。

佛罗里达理工大学的NASA实验室

（2）对飞行器孪生体的镜像应用。

一旦飞行器开始飞行，负载、温度及其他环境指标将不断更新。除此之外，设备的损坏和健康状况的实时更新，将进入飞行器的全生命周期管理中去。

（3）提供诊断潜在灾难和损坏的平台服务。

因为数字孪生体很好的反映了飞行器健康状态，这在灾难和损坏的情况下可以深入分析。

（4）数字孪生体可以作为修订参数的应用平台。

通过数字孪生体平台，关键任务管理者可以模拟某些失效部件后的运行情况，从而决定是否要做设计上的改动，这将大大避免不必要的修改和调整，从而降低设计和制造成本。

按照计划，NASA在2012年固化了《NASA空间技术路线图》之后，2015年做了一次修订，其名称改为《NASA技术路线图》（NASA Technology Roadmaps），补充了不少数字孪生体的内容。

在2017年NASA按照新的方法撰写了《2020年NASA技术体系》（2020 NASA Technology Taxonomy），其中多处涉及数字孪生体：

• TX06.5.1 辐射运输和风险建模（Radiation Transport and Risk Modeling）

• TX11.2.3 人类系统绩效模型（Human-System Performance Modeling），专门提到“人类数字孪生体”（Human Digital Twin）

• TX11.3.3 基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering）

• TX12.2.3 可靠性和保障（Reliability and Sustainment），专门提到“虚拟数字车队领导/数字孪生体保障”（Virtual Digital fleet leader/Digital Twin sustainment）

总结

在NASA首次提出数字孪生体概念的报告前言中，它指出了“推动”（Push）和“拉动”（Pull）两个技术策略，毫无疑问，两个技术策略需要在实际应用中平衡。从技术规划引导创新发展过程中，NASA持续在远期规划（Far Term）中完善数字孪生体的应用，值得数字孪生体联盟的成员注意。

事实上，NASA还在报告中指出，降级（degraded）使用数字孪生体，将给技术回报带来新的视角。