2022 年 1 月 16 日，《求是》杂志发表 习近平总书记重要文章《不断做强做优做大 我国数字经济》，强调数字经济作为国家战 略，是把握新一轮科技革命和产业变革新机 遇的战略选择。党的十九届五中全会通过的 《中共中央关于制定国民经济和社会发展第 十四个五年规划和二○三五年远景目标的建 议》，明确提出要“加快数字化发展”，并 对此作出了系统部署。2020 年 4 月，国家 发改委、中央网信办印发《关于推进“上云 用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》 的通知，将数字孪生与大数据、人工智能、 5G 等并列，并专辟章节谈“开展数字孪生创 新计划”，要求“引导各方参与提出数字孪 生的解决方案”。2020 年 9 月，国资委下发 《关于加快推进国有企业数字化转型工作的 通知》， 要求国有企业在数字化转型工作中， 加快推进数字孪生等技术的应用。

　　事实上，关于数字孪生，力学无论在概 念的诞生还是其应用发展方面均引领了这一 数字潮流。20 世纪 90 年代初，新中国力学 事业的奠基人、“工程科学”思想提出者钱 学森先生在“Virtual Reality”(虚拟现实 技术) 的概念上，就体现了一位力学家“中 国式的浪漫”, 以及对这一技术将在世界变 革中引发一场技术革命的预判。

图 1 钱学森关于“灵境技术”的相关论述和手绘图

　　从钱老关于“灵境技术”内涵表现的手 绘图中(图 1) 可以看到左右两个路径，  “大 成智慧”分叉为“科学大发展”和“文艺大 发展”。在我看来可能就是体现了数字孪生 和元宇宙的概念，形成了两个有一定融合、交错和分歧的领域。与元宇宙注重对社会关 系的虚拟化，强调社会法则在虚拟世界的重 构不同，数字孪生注重严肃的物理规律在现 实与数字世界的统一性，由此实现现实与数 字世界连结。

　　力学是关于力、运动及其关系的科学， 研究介质运动、变形、流动的宏、微观行为， 揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等 过程的相互作用规律。力学起源于对自然现 象的观察和生产劳动中的经验，自阿基米德 奠定了静力学基础以来，在一千多年的发展 历程中，形成了以“牛顿力学”“连续介质 力学”为代表的严密、成熟的理论体系，及 “实验观测”“力学建模”“理论分析”“数 值计算”相结合的研究方法。在实验和假设 基础之上，通过精妙的力学建模和推理过程 建立理论，用严格而理性的数学思维描绘复 杂物质世界的现象，进而深化对实际问题中 基本规律的认识；应用理论和实验相结合的 方法，由表象到本质，由现象到机理，由定 性到定量，解决自然科学和工程技术中的关 键科学问题。20 世纪以来，力学进入了以应 用力学为重要标志的蓬勃发展新阶段，它不 仅遍及各个工程领域， 而且对科学技术进步、 社会经济发展起到了难以估量的促进作用。 在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快 速发展，不断提升模型的描述和预测能力， 积极谋求与其他学科进行交叉创新(国家自 然科学基金委员会，中国科学院，2012)。

　　从力学的定义可以看到，力学对现实世界的描绘、研究的对象、研究的体系、方法 和愿景无一不是数字孪生技术的核心或者意 图解决的问题。作为现代物理的发端，力学 研究领域率先拥抱了数字孪生这一重要的技 术变革。在对战斗机机身服役寿命预测上， 随着新材料使用和极端条件服役需求的发 展，传统的寿命预测方法已经不满足应用需 求，这一具有多尺度、非线性、复杂系统特 征的工程科学问题迫使力学工作者需要新的 研究范式来应对。通过结合飞行数据，采用 权衡“可接受不确定性”和“计算成本”后 的精细尺度和模型精度， 意图实现：① 结构 分析不再只是在某些工程经验判断的关键点 上开展，避免了误判导致的结构提前失效； ②通过应力和损伤预测的双向耦合，提高剩 余寿命的预测精度；③ 实时监测的数据用来 动态更新模型，进一步提高分析可靠性。这 就是 2009 年 3 月美国空军研究实验室首先提 出“数字孪生”概念的出发点，美空军希望 利用数字孪生技术来解决战斗机机体的维护 问题，并进而孵化出“视情维修”等项目， 实现战机维护的数字化，  “数字孪生”自此 成为专业名词。

　　数字孪生的源头实际上是物理孪生，美 国 NASA 阿波罗计划中建造了多艘相同的太 空飞行器，就像“孪生多胞胎”，在飞行准 备过程中，孪生体被大量用于训练；在飞行 任务期间，则被用来在地面模拟飞行操作的 备选方案，从而在危急情况下协助宇航员做 出正确判断。阿波罗 13 号太空营救行动充分体现了物理孪生的重大意义，这在《阿波罗 13 号》的电影中有生动的展示。随着信息和 数字化技术的发展，最初的物理孪生实体， 被越来越多的数字模型部件取代，并扩展至 产品的全生命周期，直至形成与物理实体完 全一致的数字孪生模型。2010 年，美国国家 航空航天局在《建模、仿真、信息技术和处 理》以及《材料、结构、机械系统和制造》 两份技术路线图中广泛使用了数字孪生这一 名称。数字孪生的概念在不断完善，包含不 同层次和不同粒度的应用，从装备孪生如卫 星孪生、飞行器孪生扩展到城市孪生、工厂 孪生、人体孪生等众多领域。2013 年，美国 空军发布《全球地平线》顶层科技规划，将 数字孪生称为“改变游戏规则”的颠覆性机 遇；  2017 年 11 月，美国武器生产商洛克希 德 · 马丁公司将数字孪生列为未来航空航天 与国防的 6 大顶尖技术之首。全球最具权威 的 IT 研究与顾问咨询公司 Gartner 在近年来 的重要战略科技趋势报告中，多年来多次关 注数字孪生技术及其应用场景。2021 年 10 月发布的重要战略技术趋势报告中提及的行 为互联网、组装式智能企业及超级自动化等 新科技趋势，也均需数字孪生技术体系的支 持。可见数字孪生已经渗透到未来技术应用 的方方面面。

　　数字孪生不是简单的仿真模拟，不是单 纯的数据存储平台，不是一成不变的系统， 而是面向包括设计、试验、加工制造、运行 维护的全生命周期，可以根据实体行为和变化而不断演化的数字映射系统。建模、仿真 和基于数据的融合是数字孪生的三项核心技 术。云计算、机器学习、大数据、区块链、 是数字孪生的外围使能技术。数字孪生可以 用来回答假设的问题，并且应该能够以直观 的方式呈现见解。其基本目的是对真实世界 系统的行为进行建模，以使人们(或是系统 自主)能够做出影响真实世界系统的更好的 决策。

　　数字孪生核心技术的发展也特别依赖于 力学研究领域的突破。就数字孪生建模技术 而言，目前面临的紧迫问题之一就是缺乏模 型。这包含两个层面的意思，一是缺乏产生 高保真预测所需的模型和仿真知识，二是缺 乏可适用于数字孪生实时性仿真要求的可应 用到运维阶段的轻量化模型。数字孪生并不 要求从“atom”到“bit”级的实体建模， 更 核心的是系统级的功能和实时特性的镜像。 数字孪生模型的创建不能仅仅依靠对输入数 据的统计处理以及对历史数据的查表来创 建，否则很难了解和理解设备或过程中的真 实情况，并且大量可靠数据的获得、特别是 异常工况数据的获得本身就意味着高代价。 系统组件的设计和建模需要发展高保真的 模型，通过力学模型、物质本构关系、高精 度 / 高效率先进算法的应用，实现对物理实 体行为本质和机理的认识。例如，力学所深 挖大规模并行计算和流动模型的潜力，突破 “实尺度”高雷诺数潜艇湍流大涡模拟的无 人区。但高保真仿真在目前的发展阶段通常意味着大规模计算资源和较长的运行时间， 不能满足系统仿真的实时要求，采用理论模 型驱动和数据驱动(可以是来源于高保真仿 真和现实数据)相结合，获得轻量化降阶模 型是数字孪生体从组件模型到构建系统仿真 的迫切需求。降阶模型的校验可以采用高保 真模型仿真数据和现实数据来检验，通过验 证后的模型即可用最少的数据在广泛的运行 范围内保持精确(燃烧机理简化在燃烧数值 模拟中的应用可以认为是一类典型的案例) ， 这有利于实现复杂系统的仿真，从而提高自 上而下的系统设计和优化效率，并最终实现 虚拟性能数据与运维数据结合形成闭环数字 孪生。模型降阶研究已经成为力学研究领域 的热门方向。

　　在数字孪生领域，  “数字原型”“数 字线程”“数据织锦”“数字底座”等概念 和项目不断涌现，  “数字孪生体”的类型、 映射和体系结构以及多源多学科异构模型集 成技术也在逐步发展。数字孪生平台不是独 立的应用程序，而是大量系统集成的结果。 力学所广天院组织开展了数字孪生技术的调 研，形成了数字孪生平台的可研论证，园区 建设布局规划考虑了数字孪生平台建设的相 关需求。数字孪生平台建设的意图是面向空 天飞行器等极端力学条件下服役装备的应用 场景， 集成不同维度、尺度的模型和数据集， 基于模型论证装备设计需求，促进发展高保 真建模、高精度快速计算的降阶方法、耦合 要素分析和综合性能设计优化等技术，提升仿真测试一体化水平，构建数字孪生系统架 构，强化总体设计能力，最终实现打通原始 创新到工程验证的敏捷开发和应用突破。在 这一过程中，需要避免数字孪生的概念化陷 阱，不能为了数字孪生而数字孪生，但结合 力学所“四个面向”发展的需求，发挥在力 学学科研究中已经取得的理论、计算和装备 平台的优势，逐步推进数字孪生平台的集成 发展，一定可以促进推动力学所在力学和实 践中的深度交叉，践行钱老的“工程科学” 思想。

　　(数字孪生的概念还在发展中，文中个 人观点及不严谨之处有待商榷，敬请批评指 正。)

　　李腾，高级工程师，高温气体动力学国家重点实验室， 目前任职力学所广天院副院长， 研究领域：等离子体与燃烧， 总体及载荷技术等。