数字孪生，英文名叫Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。
1、概念
数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
2、起源与发展
2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，首次明确提到了数字孪生。
同年，Michael Grieves 教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。
2012年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA） 给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。
2012年，美国国家标准与技术研究院提出了 MBD（基于模型的定义）和 MBE（基于模型的企业）的概念，其核心思想是要创建企业和产品的数字模型，数字模型的仿真分析要贯穿产品设计、产品设计仿真、加工工艺仿真、生产过程仿真、产品的维修维护等整个产品的寿命周期。MBE 和 MBD 的概念将数字孪生的内涵扩展到了整个产品的制造过程。
2015年之后，世界各国分别提出国家层面的制造业转型战略。这些战略核心目标之一就是构建物理信息系统（Cyber-Physical System，CPS），实现物理工厂与信息化的虚拟工厂的交互和融合，从而实现智能制造，数字孪生作为实现物理工厂与虚拟工厂的交互融合的最佳途径，被国内外相关学术界和企业高度关注。
2015年左右，中国也开始跟进。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。
3、数字孪生的意义
Digital Twin最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈。
注：赛博空间（Cyberspace）是哲学和计算机领域中的一个抽象概念，指在计算机以及计算机网络里的虚拟现实。赛博空间一词是控制论（cybernetics）和空间（space）两个词的组合。
数字孪生主要是要创建和物理实体等价的虚拟体或数字模型，虚拟体能够对物理实体进行仿真分析，能够根据物理实体运行的实时反馈信息对物理实体的运行状态进行监控，能够依据采集的物理实体的运行数据完善虚拟体的仿真分析算法，从而对物理实体的后续运行和改进提供更加精确的决策。
智能系统的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果没有Digital Twin对现实生产体系的准确模型化描述，所谓的智能制造系统就是无源之水，无法落实。
Digital Twin是一个物理产品的数字化表达，以便于我们能够在这个数字化产品上看到实际物理产品可能发生的情况，与此相关的技术包括增强现实和虚拟现实。
4、数字孪生的价值
在工业制造领域，数字孪生的价值在于：
（1）在产品研发的过程中，数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，对其进行仿真测试和验证。
（2）在生产制造的过程中，可以模拟设备的运转和参数调整带来的变化。数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性，同时降低产品研发和制造风险。
（3）在产品维护的过程中，采用数字孪生技术，通过对运行数据进行连续采集和智能分析，可以预测维护工作的最佳时间点，也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。
（4）数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降，使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。通过拟真的数字化模型，工程师们可以在虚拟空间调试、实验，能够让机器的运行效果达到最佳。
在智慧城市领域，数字孪生的价值在于：
在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。城市的管理者，基于这些数据，以及城市模型，构建数字孪生体，从而更高效地管理城市。
相比于工业制造的“产品生命周期”，城市的“生命周期”更长，数字孪生带来的回报更大。当然，城市数字孪生的部署难度也更大。
在基建工程领域，数字孪生的价值在于：
我们在修建高速公路、桥梁等基础设施前，完成对工程的数字化建模，然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程的结构和承受能力，还可以导入流量数据，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。
在工程交付之后，还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事故隐患。
5、数字孪生的特点
（1）互操作性：数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性 。
（2）可扩展性：数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。
（3）实时性：数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。
（4）保真性：数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节 。
（5）闭环性：数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性 。
参考资料：
