美国数字孪生技术的发展应用

20世纪60年代，当时美国国家航空航天局（NASA）为了解决太空探索中的通信和控制问题，开始使用模拟器来模拟太空飞行器的运行情况，并与实际飞行器进行数据交换。这种模拟器可以看作是数字孪生的雏形。“数字孪生”概念最早可以追溯至1991年，美国耶鲁大学计算机系教授David Gelernter在他的著述《Mirror World》中预测到了类似数字孪生的技术的出现。2003年，美国密歇根大学Michael Grieves教授提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念，并在授课时首次使用了“Digital Twin（数字孪生）”一词，标志着数字孪生时代的开启。2009年，美国空军实验室提出“Airframe Digital Twin（机身数字孪生）”概念，将数字孪生概念应用于航空航天制造领域。2010年，美国国家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生”这一名称。2011年，Grieves教授在其所著的《智能制造之虚拟完美模型：驱动创新与精益产品》中正式定义了数字孪生概念，并一直沿用至今。

2020年2月18日，美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）正式发布《工业应用中的数字孪生：定义，行业价值、设计、标准及应用案例)》白皮书（下文简称“白皮书”），从工业互联网的视角阐述了数字孪生的定义、商业价值、体系架构以及实现数字孪生的必要基础，通过不同行业实际应用案例描述了工业互联网与数字孪生的关系。经过多年的发展，美国在数字孪生技术的发展和应用方面处于全球领先地位，涵盖了从制造业、智慧城市到医疗保健等多个领域。

工业制造:

在工业生产中，通过创建设备的数字孪生体，通用电气（GE）能够远程监控设备状态，预测潜在故障，并实时进行数据分析。这减少了设备停机时间，提高了使用寿命和运行效率。在制造业领域，波音公司利用数字孪生技术优化飞机设计与制造过程。通过对不同环境下的性能模拟，可以更好地评估产品可靠性，并在实际生产前解决潜在问题。

军事国防:

在军事领域，美国利用数字孪生技术辅助装备测试和维护，降低了成本并提高了效率。例如，美军在2020年拆除了B-1轰炸机制造数字孪生机，并计划创建F-35战斗机数字孪生体以预测性能、寿命和故障情况。美国空军通过为其战机创建数字孪生体，在虚拟环境中模拟不同作战条件下的表现，实时调整维护和作战计划，提升整体作战能力。

城市管理：

芝加哥市正在开发基于数字孪生的智慧城市管理系统，通过传感器和物联网技术收集交通、气候、能源等数据，在虚拟平台上呈现，以实现实时监控和管理。纽约市则探索将数字孪生技术应用于基础设施管理，为道路、桥梁、地铁等设施创建数字模型，提前发现并预防潜在问题，减少突发事故的发生率。

医疗保健:

梅奥诊所（Mayo Clinic）开发了基于数字孪生的心脏模拟技术，医生可以在虚拟环境中模拟治疗方案的效果，帮助选择最佳治疗方法，并用于术后康复管理。西门子医疗（Siemens Healthineers）在其医疗设备上使用数字孪生技术，通过实时监控设备状态来优化维护流程，提高医院运营效率。

科研教育:

美国航天局NASA使用数字孪生技术进行飞行器维护和航天任务规划，通过飞行器上的传感器收集数据，用于后续研究。高等教育机构如麻省理工学院（MIT）和斯坦福大学等，正在研究如何利用数字孪生技术改进工程设计和教学方法。 

数字孪生技术在美国正加速融入社会各个领域，从制造到消费、从生产到服务、从生活到生态，构建了多个数字孪生应用场景。随着技术不断成熟和应用场景的持续拓宽，数字孪生正在将人们引入智能世界的新纪元。 

参考文献：

1、The United States Is Already Playing Catch Up With Digital Twins[N]，Information Technology and Innovation Foundation，2023-11-09，https://itif.org/publications/2023/11/09/united-states-is-already-playing-catch-up-with-digital-twins/

2、Digital twins beginning to deliver real-world benefits[]，US National Science Foundation，2024-10-01，https://new.nsf.gov/science-matters/digital-twins-beginning-deliver-real-world-benefits

3、数字孪生与镜像世界，开启智能新纪元大冒险[N]，钛媒体APP，2024-11-28，https://news.qq.com/rain/a/20241128A01Q0800

4、打造数字孪生，发挥数据价值——解读美国工业互联网联盟白皮书《工业应用中的数字孪生》[N]，中国信通院，2020-03-19，https://mp.weixin.qq.com/s/0D_OXI6hBMnQTBxyBWdnRw

5、数字孪生技术在美国的应用：从未来愿景到现实落地[N]，数字孪生流域治理论坛，2024-11-05，https://blog.water580.com/2024/11/%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%AD%AA%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%9C%A8%E7%BE%8E%E5%9B%BD%E7%9A%84%E5%BA%94%E7%94%A8%EF%BC%9A%E4%BB%8E%E6%9C%AA%E6%9D%A5%E6%84%BF%E6%99%AF%E5%88%B0%E7%8E%B0%E5%AE%9E%E8%90%BD/

6、数字孪生打开飞行的赛博世界[N]，中国民航报，2024-02-28，http://www.caacnews.com.cn/1/tbtj_/202402/t20240228_1375250.html