数字孪生（Digital Twin）是物理实体的数字化映像。它是从设计/仿真，延伸到产品全生命周期。CPS内涵中的虚实双向动态连接，有两个步骤，一是虚拟的实体化，如设计一件东西，先进行模拟、仿真，仿真再制作出来；二是实体的虚拟化，实体在使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端去，通过虚拟方式进行判断、分析、预测和优化。
在可靠性理论中，认为产品失效（即丧失规定功能的现象）是由外部环境、工作条件以及产品内部的失效机理共同作用的结果。换言之，要实现对产品可靠性的精确预测，需要同时考虑产品本体和环境因素的影响。因此模型中的可靠性数字孪生对象包含实体和环境两部分。
在将虚实映射模型应用到产品全生命周期可靠性领域时，考虑到设计阶段一般没有产品实体和实际运行环境存在，因此将物理—虚拟之间映射关系的建立分为设计阶段和制造/试验阶段，且两个阶段的虚实映射机制都包含4个环节——建模、描述、诊断和预测。其中，由实向虚的映射是建模，包括通过从物理空间提取数据用于虚拟空间的建模，以及持续的模型完善；而由虚向实的映射是通过模型仿真，是先实现对物理空间的精准描述，在此基础上诊断可能出现的状况，进而预测未来发展趋势。
数字孪生特点：
数字孪生的生命周期分为两个阶段，一个是型号（TYPE）阶段，一个是实例（Instance）阶段，每个阶段有研发、使用和维护等环节。产品的生命周期是从使用开始，要研究客户使用产品，与此同时进行型号的设计，工程、工艺的设计，然后进行产品的工艺仿真，到使用维护的仿真，等有了订单后，再进行定制化，改变TYPE，然后再进行制造、检测、培训、使用，这样构成完整的产品的全生命周期。它有如下主要特点：
一是机器可读。制造领域技术数据繁多而杂乱，有图纸、BOM、工序、数控程序、设备配合参数，而数字孪生首要解决的是单一数据源，做到数控机床、机器人能否从它那里直接读到有用信息。
二是数字孪生可以直接对设计的“理论值”和加工的“实测值”进行直接比较和分析。
三是数字孪生可用于生产模拟，可以对自动或手工作业进行模拟，包括装配、机器人焊、锻铸和车铣刨磨等。
四是数字孪生是价值网络协作的基础，包括厂际、供应链上下游之间、乃至全球范围的协作企业。
数字孪生的实现
第一步是3D设计+PMI（Product Manufacturing Information），PMI包括了物理产品的几何尺寸、公差，以及3D注释、完工要求、工艺注释、材料指定和焊接符号等；
第二步，在3D设计+PMI的基础上，实现MBOM（Manufacture BOM，即制造BOM）+BOP（BOM-Bill of Process，即工艺设计）；
第三步，使用部分则实现 Product Memory，即产品档案，包含技术追溯、物料追溯、测量结果等；
第四步实现 O&S（即Operations and Sustainment，即使用和维护），Operations这里主要是指操作，Sustainment既包括维修、保养，也包括升级和改造。
数字孪生的实现方法有这样几个特点：
首先，它主张单一数据源（Unified Repository，UR）；
其次，三维设计时标注PMI，由MES建立BOP，写入产品档案；
最后，Product Memory要能够实现除标准件之外的所有件都可以追溯。这要依靠物流体系的追溯方法。
数字孪生应用
1，预见设计质量和制造过程；
2，推进设计和制造高效协同；
3， 确保设计和制造准确执行。
随着工业传感器及物联网技术的快速发展，未来数字世界和现实世界会是一体两面。一些嗅觉敏锐的工厂及生产线引入数字孪生，在没有建造之前，对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设，有效减少误差和风险。待厂房和生产线建成之后，日常的运行和维护通过数字孪生进行交互，能够迅速找出问题所在，提高工作效率。数字孪生不仅指产品的数字化，更包含工厂本身和工艺流程及设备的数字化。
