什么是孪生，在你我眼中，那是清楚不过的一个词：两胞胎。
我国二孩政策放开，对普通百姓来说，既是一种鼓励，也是一种压力。单就生育而言，最好的办法，也许就是孪生——十月怀胎、一胎两个或者以上。
人类的想像力，总是脑洞大开，极其丰富。孪生一词，居然被妥妥地运用到了日益红火的数字世界。这个世界，按目前发展来看，几乎已经成为我们生活、工作、学习的另一个虚拟世界。这个世界，蕴藏着无限的、有待挖掘探索的、可改变物理世界运行方式的未知工具、手段和应用模式。
数字孪生，因运而生。
什么是数字孪生？
2002年底，美国密歇根大学格里夫斯（Grieves）教授，在一次产品全生命周期管理课程上首次提出数字孪生（Digital Twin）的设想。这个设想，非常大胆，很有独创性，可以说是许多技术的综合体，是一种技术体系。数字孪生最鲜明的特点概括起来就是四个关键词：镜像投射，双向，动态，全生命周期。
镜像投射：数字孪生体会依据本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据，复现本体的实时状态。
实时：本体和孪生体之间的映射关系是实时或准实时的，两者不是相互独立的。
双向：本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的，并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息，对本体的行为进行干预。
全生命周期：是指数字孪生可以贯穿对象包括从设计、产生到消亡的整个周期。
2010年，数字孪生（Digital Twin）一词在美国国家航空航天局（NASA）的技术报告中首次被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。数字孪生，第一次被运用于飞行器的健康管理。后来，数字孪生还应用于机身设计与维修、飞行器能力评估和故障预测等。
在其他非航空航天领域，数字孪生几乎找不到场景应用的切入口，关注度逐渐趋“冷”。
近年来，随着互联网、大数据、大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术的迅猛发展，数字孪生引起行业人士的广泛关注，数字孪生应用实施推广成为可能。目前，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业，潜力很大。
2020年，中国电子技术标准化研究院发布《数字孪生白皮书》报告，专门对数字孪生作了定义，统一了认识：数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。
与上述官方定义相比，学术界定义更偏重于技术。
数字孪生：是指充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，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对象的全生命周期过程。通过物理空间与虚拟空间的虚实交融、智能操控，记录仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹，实现系统内信息资源、物质资源配置最优化。
从实体对象来看，数字孪生（Digital Twin）有三层含义。
第一层：基于文字上的理解，Twin则是指双胞胎中的一个，是指对象的数字副本模型。对象可以是有生命的人或者无生命的物、地、事、组织等任何指代。模型是和对象实时同步，可反映真相的数据，可以是结构化的数据，也可以是可视化的图形，这是第一层含义。例如：电子地图，就是采用可视化的图形模型对城市交通、城市建筑位置的数字孪生，真实反映道路交通变化情况。
第二层：虽然模型非常重要，但模型之上还有仿真。仿真就是基于这个模型的各种回溯、推演过程，经过动态仿真后可以将模型进行修正同，打磨得更完善。因此，模型+仿真+修正，就是数字孪生第二层含义。例如：在修建高速公路、桥梁、机场等基础设施前，完成对工程的数字化建模，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，优化设计。在工程交付之后，在维护阶段评估工程是否可承担特殊压力，以及预测可能出现的事故隐患。
第三层：对象与模型、仿真和修正等数字孪生的手段、工具叠加融合在一起，形成一个整体、一套体系，这是数字孪生的第三层含义，也是目前数字孪生的最高等级。例如：基于城市模型（CIM），通过传感器、摄像头等数字化系统采集交通的实时运行状态，经过数据仿真、模拟计算，直接调整控制对象，实现对红绿灯实时控制，高效、智能地进行指挥调度。
数字孪生，最主要的是因需而变、因地制宜，不求大而全，孪“生”得好，更要“长”得好。
为什么要推进数字孪生？
新技术总是伴随着新机遇、新挑战。数字孪生，对推进城市治理体系和治理能力现代化，促进经济社会发展，具有巨大的推动作用。
习近平总书记在十九大报告中指出：以信息化推进国家治理体系和治理能力现代化，分级分类推进新型智慧城市建设，打通信息壁垒，构建全国信息资源共享体系，更好地用信息化手段感知社会态势、畅通沟通渠道、辅助科学决策。
2020年3月，习近平总书记在杭州城市大脑运营指挥中心调研时强调：让城市更聪明一些、更智慧一些，是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路，前景广阔。
2020年4月，国家发展改革委、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》，其中“数字孪生”在《方案》中被提及多次，和云计算、人工智能、5G、物联网等技术一样，被行内专业人士摆在了应用研究的首要位置。
2020年10月，十九届五中全会提出，加快数字化发展，推动数字经济和实体经济深度融合，提升公共服务、社会治理等数字化智能化水平。
《关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议》提出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。探索建设数字孪生城市”。
就数字孪生对象的“体积”而言，已经从BIM拓展到了CIM，从一栋建筑物扩大到了一座城市。科技进步，激发了人类新的创造力和想象力。
什么数字孪生城市？按学术界定义，数字孪生城市是指通过构建城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成实体世界和虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局。
数字孪生城市，是新一代信息技术在城市的综合集成应用，也是一个城市级的创新平台，具有打破领域壁垒，打通层级边界、融合多源数据、创新场景应用等特性，对夯实城市治理的数字底座，赋能城市治理体系和治理能力现代化，提升城市治理水平，意义深远。
当前，在推进城市治理过程中，存在很多难点、痛点和堵点——
比如，城市中存在着大量隐蔽的、错综复杂的交通隧道、供排水管道、供电线路、燃气管道等地下管廊，“看不见”的城市地下空间治理问题很多；对易燃易爆物品、危化品等生产、运输、存储、使用等全过程，进行全方位、系统性的实时感知、预判分析、动态预警和提前处置；一个城市有数万个路口、上百万车辆，再加上天气变化、突发事件等动态因素，以及车流、人流、信息流的复杂性给城市交通治理带来的巨大挑战。
还有，当前城市建设缺乏系统规划和超前意识，对城市的人、地、物等要素缺乏整体性考虑，导致建设成效达不到预期，甚至“建了拆、拆了建”。
传统技术、单项技术已很难有效解决困扰城市管理者的问题，唯有数字孪生。
怎么样推进数字孪生建设？
当前，把构建数字孪生体系作为城市建设的重要抓手，让城市数字“孪生体”真正发挥支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的核心作用，是推进数字孪生建设的主要方向。
从国际上来看，英国、美国、德国等国对数字孪生城市非常重视，将推进数字孪生建设上升为国家战略。2020年4月，英国出台《国家数字孪生体原则》，明确构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则、时间表和路线图。2020年5月，美国组织成立跨多个行业的数字孪生成员联盟，通过联盟加强交流合作、协同开发场景应用。同时，将数字孪生作为建设实施工业互联网的关键，并发布《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》报告。德国“工业4.0”将数字孪生作为其重要内容。
法国、新加坡大力开展数字孪生建设，法国大规模推进数字孪生建设，积极打造数字孪生城市样板，通过数字孪生模型仿真“重生”巴黎圣母院。新加坡全面构建数字孪生城市，建设的“虚拟新加坡”是一个动态的三维（3D）城市模型和协作数据平台，包括新加坡的3D地图，成为供政府/企业/私人/研究部门使用的权威3D数字平台。“虚拟新加坡”覆盖范围718平方公里、500-660万人口、16万幢建筑物、5500公里街道。它将使来自不同领域的用户能够开发复杂的工具和应用程序，用于概念测试与服务，规划和决策以及技术研究，解决新加坡未来面临城市治理的复杂挑战。
从国内来看，《国务院关于河北雄安新区总体规划（2018—2035年）的批复》对雄安城市建设提出了新要求：“创建数字智能之城。要坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”。目前，作为全球首个数字孪生城市，雄安数字孪生城市建设引人瞩目，雄安新区统筹建设城市数据底座——块数据平台，让数据“从一出生就长在一起”，实现“数字城市”与“物理城市”同频共振，一座虚实互动、孪生共长的雄安数字孪生城市已初见成效。
上海提出“一屏观天下、一网管全城”目标，启动城市运行“一网统管”建设，建强三级平台、五级应用，提升超大城市治理现代化水平。不久前，上海城市运行数字体征系统上线，依托遍布全城的泛感知设备和千万级的城市治理“神经元”，初步形成“物联成网”、“数联共享”、“智联融通”的城市神经元感知体系，打造深基坑安全监管、玻璃幕墙安全监管、违法建筑治理等多个城市治理场景，全面赋能城市治理现代化。
《浙江省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》强调：实施“城市大脑”建设提升工程，完善城市数字管理平台和感知系统，加快推动公共服务、智慧城管等平台与“城市大脑”对接，打造全国城市数字治理试验区。
2021年6月24日，浙江省数字化改革工作推进会提出：探索数字孪生机制，推进城市大脑建设。以数字孪生的理念和方法，夯实城市大脑的数据底座，提升城市治理水平，推动实现城市治理体系和治理能力现代化。基于一体化智能化公共数据平台，将城市大脑里的应用、组件、数据进行优化整合和质量提升，通过数字孪生，赋能城市整体智治、高效协同。
南京市江北新区以数字孪生模型为底座，构建城市“孪生体”，建立规划、建设和管理全过程可视化、可模拟、可分析能力，为土地规划、工程建设、城市管理等应用场景提供数字化、智能化支撑，实现城市规则自修正、建设全可控、治理精准化。
另外，还有北京朝阳区消防救援支队基于数字孪生，围绕管理辖区内建筑场景，对各类消防预案进行应急演练，通过仿真推演，做到防患于未燃。云南抚仙湖构建数字孪生湖，利用接入的水务感知数据，精准预测污水泄漏点、地下暗河流入等状态，实现管理可视、监测可控、目标可达。
数字孪生，大家各有各的脑洞，各有各的手段，各有各谋划设计的应用场景。但是，推进数字孪生和城市建设，必须坚持整体观、系统观和问题导向，而一个统一的城市治理数据底座是不可或缺的前提和基础，没有坚实的数据底座，任何的数字孪生，都可能是个虚无漂渺的幻想而已。
在物理城市和数字城市建设中，只有不断迸发出新的万千生机和活力，才能建立起一个超越时空、螺旋式向上的数字中国。
数字孪生，前世不长，今生灿烂，未来可能更辉煌。相信，数字孪生，一定可以让我们生活的城市更聪明、更智慧、也更安全，这才是数字孪生的初衷。（参考2020《数字孪生应用白皮书》和2020年《数字孪生城市白皮书》等相关资料）
