随着信息通信技术的发展与成熟，物联网、智联网等高新技术的迅猛发展，掀起了以信息革命为核心的新技术革命浪潮。例如美国的“工业互联网”、德国的“工业4.0”、“中国制造2050”等，数字智能化的兴起让数字孪生作为一种前沿技术，引起了工业界和学术界的广泛关注。
一、数字孪生的内涵
数字孪生(Digital twin，DT)是一种实现物理系统向信息空间数字化模型映射的关键技术，它通过充分利用布置在系统各部分的传感器，对物理实体进行数据分析与建模，形成多学科、多物理量、多时间尺度、多概率的仿真过程，将物理系统在不同真实场景中的全生命周期过程反映出来。借助于各种高性能传感器和高速通信，数字孪生可以通过集成多维物理实体的数据，辅以数据分析和仿真模拟，近乎实时地呈现物理实体的实际情况，并通过虚实交互接口对物理实体进行控制。
数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。在“数字孪生”中，双胞胎中的一个是存在于现实世界的实体，小到零件，大到工厂，简单如螺丝，复杂如人体的结构。数字孪生的基本概念模型如图所示，它主要由三部分组成：1)物理空间的物理实体；2)虚拟空间的虚拟实体；3)虚实之间的连接数据和信息。就数字孪生的概念而言，目前仍没有被普遍接受的统一定义。
数字孪生概念模型
数字孪生技术是从仿真技术发展而来的。仿真技术在上个世纪就已经大规模使用，而数字孪生技术的概念直到2002年才由美国Grieves教授提出。在Gartner每年公布的十大战略科技发展趋势中，数字孪生技术作为智能制造的关键技术之一连续多年名列榜单。
数字孪生发展历程
二、数字孪生如何数字化真实场景
若是以工业互联网为例，要检修一台大型设备，现实世界需要考虑停工的损益、设备的复杂构造等等问题，再安排人员进行实地的排查检测。毋容置疑，这是一个“重工程”。如果，我们可以实现数字孪生，检测人员即可通过对“数字孪生体”的数据反馈，即可判断现实实体设备的情况，完成排查检修的目的。甚至在这个过程，都不需要停工，轻松完成。
从数字角度看，数字孪生或者数字孪生体，是制造业信息化长期发展形成的事物，如果从内涵来看，它是赛博世界联接物理世界的一个桥梁，它是数字形态的这样一种传承；从实质上来看，就是前面讲的“数据+模型+软件”，最后形成了基于数字体验而去优化物理产品这样一种通用技术。
许多数字孪生模型始于实景建模和无人机勘测。对施工现场进行数字化表示有助于实现可视化，同时又可与沉浸式用户体验相结合，更直观地了解环境。在规划阶段，数字孪生模型可用于论证可施工性和对施工工序及物流建模。这是一种非常受欢迎的数字孪生技术应用，通常涵盖了真实的现场条件和不断变化的设备和材料的位置。还可以从中清晰地看到数字化工作交接所创造的价值，因为工程顾问在物理资产之外还交付了数字资产。通常，无纸化工作交接要高效得多，从而使运营就绪程度创出新高，提高了投资回报率。
举例来说，2019年4月15日，巴黎圣母院发生大火，塔楼倒塌、建筑受损。人们都关心巴黎圣母院能完好修复吗？巴黎圣母院发生大火是不幸的，但幸运的是，数字的世界里，人们依然完整地保留了它的壮丽！2015年达索系统公司与巴黎市政府合作“数字巴黎”项目，通过数字化建模、仿真，完整地还原了巴黎古城的建造过程，真实还原了巴黎圣母院的原貌和几百年的建造过程，在数字世界中再现了一块砖、一扇门、一扇窗的安装过程，数字孪生将会让巴黎圣母院获得重生。
巴黎建造过程复原
三维数字技术替代了铅垂、纸笔的测量勾描，激光扫描捕获相同三维空间的相同位置，拍摄球形全景照片，再将照片映射到激光产生的扫描点上，每个点成为照片中该位置的像素的颜色，累计创建大教堂三维图像，可精确到5毫米！超过10亿个点的“point cloud（点云）”数据，再加上光影效果，变成了逼真的建筑模型。让人们可以清楚看到大教堂的全貌，也能够帮助人们对大教堂进行内部结构进行研究。
“数字巴黎”项目把这座城市从零开始的历史时空连续地在数字世界呈现出来，重现了巴黎城市和文明的历史，人们就可以在数字世界中实现时空穿越和体验，通过沉浸式的体验来学习和传承人类的历史与文明。
从孪生角度看，从“生物场景/物理场景”的“Twin”，引申到“数字化场景”的“Digital Twin”，其本意是强调在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体非常相像。但是，相像归相像，无论彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的关系，因为本非同源或同生，一个数字虚体无论多么像一个物理实体，它也不是物理实体，这个客观事实必须界定清楚。“Digital Twin”描述的“相像”，通常都仅仅是指数字虚体和物理实体在外观和宏观结构上的“相像”，而从形、态、质地、行为和发展规律等多方面的评价指标来看，其实差异极大，本质本源不同。
举一个很直观的例子，未来的每一辆汽车都会在数字世界拥有一个和其相对应的“双胞胎”，基于高实时性的物理数据采集，这个“数字化双胞胎”可以准确地模拟并呈现出这辆真实汽车的各方面状态，比如速度、位置、载重量以及各主要部件的工作状态和维护程度等。
当用户及其使用的各种APP、车企服务部门乃至交通管理部门出于各自的需求，需要调取这辆汽车的相关数据时，不难想象，他们不必每次都直接从车辆上的终端传感器去调用数据，而只需从“数字化双胞胎”上去读取指定的数据即可，因为此时的“数字化双胞胎”就代表了真实汽车的唯一准确状态，这将大大减少对数据的重复采集和传输，从而减轻由此带来的额外系统负担、协议和成本。如果将这一场景扩展到数据量更加庞大的工业场合，实现的改善将更为可观。此外，以“数字化双胞胎”作为真实商品、设备、产线与外界交换数据的唯一界面，也有利于对数据读取和应用的权限进行有效的设置和管理。
三、数字孪生的支撑技术和应用领域
“Digital Twin”一词在翻译和理解时，既不应限定在“双”，也不宜理解为“胎”。该词借用“Twin”之意，所表达的是一种数字虚体与物理实体非常相像的多元化虚实映射关系。
1、技术层面
数字孪生迅速成为热潮，源于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网（工业物联网）等关键使能技术的蓬勃发展与交叉融合。
数字化设计技术从早期的二维设计发展到三维建模，从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型，产生了诸如直接建模、同步建模、混合建模等技术，以及面向建筑与施工行业的BIM技术（建筑信息模型）。三维建模技术不光用于产品设计阶段，并且可以实现三维工艺设计。产品的三维模型中不仅包括几何信息、装配关系，还包括PMI（产品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料规格等信息）等制造信息，已经可以实现MBD（基于模型的产品定义）。
为了支持产品三维模型的快速浏览，可以从包含三维工艺特征的完整三维特征模型中，抽取出仅包括几何信息的轻量化三维模型。基于三维造型和三维显示技术，虚拟现实技术（VR）取得了蓬勃发展，广泛用于汽车、飞机、工厂等复杂对象的虚拟体验，包括沉浸式虚拟现实系统Cave，用于产品展示和市场推广的三维渲染技术，以及基于视景仿真的模拟驾驶技术等。近年来又发展起来增强现实技术(AR)，其特点是可以将实物模型和数字化模型融合在一个可视化环境之中，从而实现传感器数据的可视化，还可以进行产品操作、装拆及维修过程的三维可视化，实现产品操作培训、维修维护等应用。
虚拟仿真技术从早期的有限元分析发展到对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真，多领域物理建模，对振动、碰撞、噪声、爆炸等各种物理现象的仿真，对产品的运动仿真，及材料力学、弹性力学和动力学仿真，对产品长期使用的疲劳仿真，对整个产品的系统仿真，以及针对注塑、铸造、焊接、折弯和冲压等各种加工工艺的仿真，以及装配仿真，帮助产品实现整体性能最优的多学科仿真与优化，针对数控加工和工业机器人的运动仿真（其中数控仿真又可以分为仅仿真刀具轨迹，以及仿真整个工件、刀具和数控装备的运动），还有面向工厂的设备布局、产线、物流和人因工程仿真。如果从仿真的对象来区分，虚拟仿真技术可以分为产品性能仿真、制造工艺仿真和数字化工厂仿真。
在数字化设计技术和虚拟仿真技术发展和集成应用的过程中，产生了Digital Mockup（DMU，数字原型）、Digital Prototyping（数字样机）、Virtual Prototype（虚拟样机）、Functional Virtual Prototype（全功能虚拟样机）等技术，主要是用于实现复杂产品的运动仿真、装配仿真和性能仿真。通过对数字样机进行虚拟试验，可以减少物理样机和物理试验的数量，从而降低产品研发和试制成本，提高研发效率。
另一方面，随着传感器技术和无线通信技术的发展，二十一世纪以来，物联网应用越来越广。除在消费领域应用之外，为了支持高价值工业设备的运行监控和维修维护，工业物联网（IIOT）开始受到业界广泛关注。IIOT采集的数据类型和采集频率比普通的物联网应用高得多，而应用的数学模型和分析方法也比普通的物联网应用复杂得多。
从数字孪生技术的发展背景可以看出，数字孪生模型是相对于其物理模型而言的。可以先建立数字孪生模型，应用数字孪生模型来进行虚拟试验，但最终还是要建立物理模型，通过对数字孪生的分析，来优化物理模型的运行。
除了上述技术，工业大数据、人工智能等技术也是数字孪生的关键使能技术。需要强调的是，数字孪生的关键使能技术在数字孪生诞生之前就已经存在。而数字孪生的应用，又促进了这些关键使能技术的进一步发展。
2、应用领域
数字孪生提出初期主要面向军工及航空航天领域需求，近年逐步向民用领域拓展。数字孪生在电力、汽车、医疗、船舶等11个领域均有报道与应用需求，且市场前景广阔。
以数字孪生城市为例，城市是一个开放庞大的复杂系统，具有人口密度大，基础设施密集，子系统耦合等特点。如何实现对城市各类数据信息的实时监控，围绕城市的顶层设计、规划、建设、运营、安全、民生等多方面对城市进行高效管理，是现代城市建设的核心。如图所示，借助数字孪生技术，参照数字孪生五维模型，构建数字孪生城市，将极大改变城市面貌，重塑城市基础设施，实现城市管理决策协同化和智能化，确保城市安全、有序运行。
（1）物理城市。通过在城市天空、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，可对城市运行状态的充分感知、动态监测。
（2）虚拟城市。通过数字化建模建立物理城市相对应的虚拟模型，虚拟城市可模拟城市中的人、事、物、交通、环境等全方位事物在真实环境下的行为。
（3）城市大数据。城市基础设施、交通、环境活动的各类痕迹、虚拟城市的模拟仿真以及各类智能城市服务记录等汇聚成城市大数据，驱动数字孪生城市发展和优化。
（4）虚实交互。城市规划、建设以及民众的各类活动，不但存在于物理空间，而且在虚拟空间得到极大扩充。虚实交互、协同与融合将定义城市未来发展新模式。
（5）智能服务。通过数字孪生，对城市进行规划设计，指引和优化物理城市的市政规划、生态环境治理、交通管控，改善市民服务，赋予城市生活“智慧”。
此外，从国外比较具有代表性的探索来看，新加坡政府已经与达索合作，致力于建立一个数字孪生城市，用来监控城市中从公交车站到建筑物的一切，从而借助数字孪生城市实现对城市的图形化监控、仿真优化、规划决策等功能。数字孪生技术是实现智慧城市的有效技术手段，借助数字孪生城市，可以提升城市规划质量和水平，推动城市设计和建设，辅助城市管理和运行，让城市生活与环境变得更好。
随着传统的建模仿真技术与物联网、大数据、人工智能技术的进一步融合，数字孪生的价值和作用将会得到更大的体现，数字孪生将会在更多领域发挥更为重要的作用。未来，无论在制造、医疗、建筑等领域都将探索建立起一套与物理空间实时联动的运行体系，实现对制造流程、建筑结构、医学实验、城市管理等方面资源优化配置。基于“物理实体+数字孪生”的资源优化配置体系将成为数字化发展的终极模式。
四、总结
新一代信息技术的广泛应用，引发传统制造、生产模式的变革。数字孪生作为新的前沿技术，以仿真技术为基础，在智能制造、智慧城市建设等方面都将发挥较大的推动作用。过去几十年数据量的爆炸式增长，意味着物理世界的数字孪生不断完善。未来，物理世界的数字镜像将从分时到实时、从宏观到微观不断完善，形成一个完整的数字孪生。其作用从辅助人类进行物理世界的改造，进化到决定物理世界改造，甚至创造超越人类想象的新世界。
