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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。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。其实简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”（见图1）

          图1 数字孪生发动机

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。目前在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

一、数字孪生的起源和现状

2002年密歇根大学教授Dr. Michael Grieves在发表的一篇文章中第一次提出了数字孪生概念，他认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。显然，这个概念不仅仅指的是产品的设计阶段，而延展至生产制造和服务阶段，但是由于当时的数字化手段有限，因此数字孪生的概念也只是停留在产品的设计阶段，通过数字模型来表征物理设备的原型。在那之后，数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印这些领域，而到了2014年以后，随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品、工业设备具备了智能的特征，而数字孪生也逐步扩展到了包括制造和服务在内的完整的产品周期阶段，并不断丰富着数字孪生的形态和概念。

2017年数字孪生出现在Garner新兴技术成熟度曲线的上升段，2018年到达曲线定点，2019 年进入主流技术行列。在2019年2月的Gartner发布调查，实施物联网的组织中，13%已经在使用数字孪生，62%的组织正在建立数字孪生或正在计划这样做。Gartner公司认为数字孪生技术目前正在进入主流应用。

二、数字孪生的模型

1. 系统参考架构模型

典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次（见图2）。

                        图2 数字孪生通用系统架构

测量与控制实体、数字孪生体以及用户域之间的数据流和信息流动传递，需要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。信息交换通过适当的协议实现数字孪生体之间交换信息。安全保障负责数字孪生系统安保相关的认证、授权、保密和完整性。数据保证与安全保障一起负责数字孪生系统数据的准确性和完整性。

2. 成熟度模型

数字孪生不仅是物理世界的镜像，也同时接收物理世界的实时信息，进而反过来实时驱动物理世界，进而进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。这个演变过程称为成熟度进化，即一个数字孪生的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智几个过程（见图3）。

                     图3 数字孪生成熟度模型

三、数字孪生关键技术    

数字孪生的三项核心技术是建模、仿真和基于数据融合的数字线程，能够做到统领建模、仿真和数字线程的系统工程和基于模型的系统工程（MBSE），则成为数字孪生的顶层架构技术；物联网是数字孪生的底层伴生技术；而云计算、机器学习、大数据、区块链则是数字孪生的外围使能技术。

1. 建模

建模的目的是将我们对物理世界或问题的理解进行简化和模型化；而数字孪生的目的或本质是通过数字化和模型化，用信息换能量，以更少的能力消除各种物理实体、特别是复杂系统的不确定性。所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪生体、实现数字孪生的源头和核心技术，也是“数化”阶段的核心。

在工业化、城市化和全球化所指向的人类文明可持续发展的目标下，数字孪生所需的建模技术也需要放在数字孪生应用场景的参考框架下。在这一框架下不同的应用场景进行实例化，得到具体场景侧数字孪生建模技术体系，下图是在工业视角下，在系统生存期和系统层次俩个维度展开得到的PLM建模技术体系（见图4）。

                             图4 工业视角下PML建模

在某个应用场景下的某种建模技术，只能提供某类物理实体某个视角的模型视图，这时数字孪生和对应物理实体间的互动（状态感知和对象控制的数据流和信息流传递），一般只能满足单个低层次具体需求直播的要求。对于复合的、高层次需求指标，通常需要有反映若干建模视角的多视图模型所对应的多个数字孪生体与同一个物理实体对象实现互动。这时的多视图或多视角一般来自物理实体对象的不同生存期阶段或多个系统层次/物质尺度，多视图模型间的协同就需要数字线程技术的支持。

2. 仿真

从技术角度看，建模和仿真是一对伴生体，如果说建模是模型化我们对物理世界或问题的理解，那么仿真就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以，数字化模型的仿真技术是创建和运行数字孪生、保障数字孪生与对应物体实现有效闭环的核心技术。

仿真兴起于工业领域，作为必不可少的重要技术，已经被世界上众多企业广泛应用到工业各个领域中，是推动工业技术快速发展的核心技术。近年来，智能制造等新一轮工业革命兴起，新技术与传统制造的结合催生了大量新型应用，工程仿真软件也开始与这些先进技术结合，在研发设计、生产制造、试验运维等各环节发挥更重要的作用。根据场景的不同，所涉及的仿真有不同的分类，比如制造场景可能涉及的包括产品仿真、制造仿真、生产仿真（见图5）。

                     图5 生产仿真

数字孪生是仿真的应用颠峰。在数字孪生的成熟度的每个阶段，仿真都是扮演着不可或缺的角色，“数化”的核心技术——建模总是和仿真联系在一起，或是仿真的一部分；“互动”是半实物仿真中司空见惯的场景；“先知”的核心技术本身就是仿真；很多学者将“先觉”中的核心技术——工业大数据视为一种新的仿真范式；“共智”需要通过不同孪生之间的多种学科耦合仿真才能让思想碰撞，才能产生智慧的火花。

3. VR、AR和MR

虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）等技术在近几年发展迅速，并在在各个场景中的都有重要的应用价值。

虚拟现实技术(英文名称：Virtual Reality，缩写为VR)，又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。虚拟现实技术受到了越来越多人的认可，用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉；同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统；最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。 

增强现实（Augmented Reality，简称AR），增强现实技术也被称为扩增现实，AR增强现实技术是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容，其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理，叠加将虚拟信息内容在真实世界中加以有效应用，并且在这一过程中能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。

混合现实（MR），它制造的虚拟景象可以进入现实的生活同时能够认识你，比如通过我们的设备，你在眼睛当中看到一个景象可以测量出现实生活中物体的尺度和方位，其最大的特点在于虚拟世界和现实世界可以互动。

无论是虚拟现实、增强现实还是混合现实，在数字孪生的各个场景中都有巨大的潜力。人类通过屏幕与数字世界交互不仅不直观、不真实，而且交互深度受到巨大的限制。这三种技术提供的深度沉浸的交互方式让人类与数字世界的交互方式与物理世界交互方式类似，使数字化的世界在感官和操作体验上更加接近物理世界，让“孪生”一词变得更加精妙。但在数字世界中，人类又具有超人般的特异功能，可以无限驾驭数字世界，例如穿墙而过、隔空取物、时空穿越、变化大小等，将数字孪生的应用推向极致。

4. 数字线程

数字线程是指可扩展、可配置和组件化的企业级分析通信框架。基于该框架可以构建覆盖系统生命周期与价值链全部环节的跨层次、跨尺度、多视图模型的集成视图，进而以统一模型驱动系统生存期活动，为决策者提供支持。

数字线程是与某个或某类物理实体对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁, 这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面的模型视图。数字线程和数字孪生之间的关系见图6。

                    图6 数字线程与数字孪生关系图

从上图可以看出，能够实现多视图模型数据融合的机制或引擎是数字线程 技术的核心。因此，将数字线程表示为模型 数据融合引擎和一系列数字孪生体的集合。数字孪生环境下实现数字线程有如下需求：能区分类型和实例；支持需求及其分配、追踪、验证和确认；支持系统跨时间尺度各模型视图间的实际状态记实、关联和追踪；支持系统跨空间尺度各模型视图间的关联和及其与时间尺度模型视图 的关联；记录各种属性及其值随时间和不同的视图的变化；记录作用于系统以及由系统完成的过程或动作；记录使能系统的用途和属性；记录与系统及其使能系统相关的文档和信息。

空客、波音等航空航天企业在各自的验证项目中验证了 PLCS标准满足上述 需求，在PLM领域内对实现数字线程的支持。瑞典皇家理工学院验证 了 PLCS标准满足上述需求，在建筑模型、城市模型、地理信息模型间的协同和互操作场景下对实现数字线程的支持。

四、数字孪生应用（包括未来）

1. 数字孪生制造

数字孪生早期主要运用于工业制造领域，通过数字孪生技术的使用，将大幅推动产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革。

在工业制造的研发设计领域，数字化已经取得了长足的进展，近年来CAD、CAE、CAM、MBSE等数字化技术的普遍应用表明，研发设计过程在很多方面已经离不开数字化。从产生的价值看，在研发设计领域使用数字孪生技术，能够提高产品性能，缩短研发周期，为企业带来丰厚的回报。可以预见，随着数字孪生体技术的进化，如大数据、人工智能、机器学习、增强现实等新技术进入研发设计阶段后，研发设计将真正实现“所想即所得”（如图7）。

                      图7 数字孪生-汽车产品设计

在制造业的生产领域，数字孪生驱动生产制造，将会实现无人车间和智能工厂的愿景（见图8）。在研发设计形成虚拟产品模型，进入到生产制造端，控制机床等生产设备的自动运行，实现高精度的数控加工和精准装配；生产加工过程的工艺仿真会实时预测加工后产品的形态和性能评估，并根据加工结果和装配效果，提前给出修改建议，实现自适应、自组织的动态响应；对于流程制造业，数字孪生直接驱动生产线的全过程，实现智能控制，提前预估出故障发生的位置和世界，进行预维护，减少实际故障发生概率，提高流程制造的安全性和可靠性。生产制造阶段的数字孪生和物理制造设备及生产线随时随地动态交互，共享数据，在模型的驱动下自我优化并不断进化。

                     图8  智能工厂

在制造业的维修保养领域，数字孪生技术在产品使用和维保方面的应用主要集中在高价值、高风险的复杂装备，这也是数字孪生应用的起源。美国国防部最早提出将数字孪生技术用于航空航天飞机的健康维护和保障。首先在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步。这样每次飞行后，根据结构现实情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修以及能否承受下次任务的载荷等。美国空军从2014年起组织洛马、波音、诺格、通用、惠普等公司开展了一系列应用研究项目，并陆续取得成果，美国《航空周刊》预测，“到2035年，当航空公司接收一架飞机的时候，将同时验收另外一套数字模型，他就像飞机的一个忠实影子，伴随一生，从不消失”。以航空发动机为例，它的高复杂性、高风险、高价值促进了数字孪生的应用。以装备数字孪生模型为核心，一方面，基于环境数据、任务数据、维修保障，对装备进行故障预测，支持装备的任务规划；另一方面，通过装备与其数字孪生之间的数据及信息交互，使装备数字孪生得到不断修正，逐步提升模型的精确性，实现定制化的维修和保障（见图9）。结合VR等智能技术，数字孪生还将进一步提升现场实时维护能力，促使装备维护从“事后评价”向“事前预测”的转变。

                   图9 数字孪生-发动机设备维护保障

通过数字孪生技术，不仅能够对工厂设备进行监测，实现故障预判和及时维修，还可以实现远程操控，远程维修，极大降低运营成本，提高安全性。

2. 数字孪生医疗健康

                     图10 数字孪生-医疗

3．数字孪生城市

城市作为国计民生的重要载体，必将是数字孪生技术最重要的服务领域之一，目前，数字孪生已经从制造业逐步延伸拓展到城市空间，深刻影响着城市规划、建设与发展。数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，是基于数据驱动、虚实交互、先知先觉和共生共智的城市信息模型，是数字城市与现实城市同步规划、同步建设、实现全过程、全要素数字化，做到城市全状态实时化、可视化，以及城市管理决策与服务的协同化和智能化。

典型应用——虚拟新加坡（见图11）。它是按照1:1比例建立的全新加坡3D模型，包含了岛上每座建筑物的准确3D数据。此外，它还能呈现植被绿化、管道网络、电缆、风道和垃圾槽管等诸多信息。“虚拟新加坡”是一个实境整合的3D虚拟空间，通过先进的信息建模技术为该模型注入静态和动态的城市数据和信息。“虚拟新加坡”绝不只是观赏性地图，而是一款配备丰富环境数据和可视化技术的协作平台，可帮助公民、企业、政府和研究机构开发工具和服务，以应对新加坡所面临的新型复杂挑战。该模型将利用数据分析和仿真建模功能来测试城市管理概念和服务、制定规划和决策、研究技术，并促成社区协作。

               图11 数字孪生-虚拟新加坡

中国开展数字孪生城市建设也有一定的基础，目前已有600多个城市开展了智慧城市建设，拥有空、天、地一体化的基础网络部署，在政务资源管理、“互联网+政务”服务等方面也有很多应用。目前中国的雄安新区定位于绿色、智能的数字孪生城市，其市民服务中心以实践“数字孪生”理念为指引，深度融合应用互联网、云计算、大数据技术，从基础设施智能化、物联网平台、块数据平台、多场景智能应用等各领域，实现物理空间与虚拟数字空间交互映射、融合共生，正在建立起国际领先、中国特色的智慧生态示范园区（见图12）。

                   图12 雄安新区街道及地下管廊

五、数字孪生展望     

未来人机交互技术发展成熟后，在文学与娱乐界，人们用软件来模仿和增强人的体验方式，如用电子音乐来模仿现场音乐；用卡通软件来模仿漫画；用动漫软件来模仿动画影片；用游戏软件来模仿各种真实游戏等。特别是当这种模仿与VR/AR技术结合在一起的时候，所有的场景都栩栩如生，直入心境。于是，在由数字虚体构成的虚拟世界中，所有的不可能都变成有可能，所有的在物理世界无法体验和重复的奇妙、惊险和刺激场景，都可以在数字空间得以实现，最大限度地满足了人的感官体验和精神需求。数字孪生具有将虚拟空间和物理实体紧密融合的特点，在5G技术下，数字孪生将更容易落地。

数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术，会给企业带来丰厚的价值回报。也正因为如此，很多投资机构趁机热炒数字孪生的概念，也有很多企业迫不及待想要拥抱数字孪生。但是，我们还是应该理性看待数字孪生。拥抱数字孪生，既需要深厚的技术沉淀，也需要巨大的资金投入，还需要管理水平和员工技能达到相应的层次。