數(shù)字孿生好像已經(jīng)變得無所不在，成為了各行各業(yè)各個領域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化的神丹妙藥。2016-2018年，Gartner接連三年將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。2019年，Gartner認為數(shù)字孿生處在期望膨脹期頂峰，將在未來5年產(chǎn)生破壞性創(chuàng)新。那么，數(shù)字孿生到底是什么，是一種技術(shù)，還是一種思想、方法，或運用模式？
一、數(shù)字孿生概念的提出
2002年MichaelGrieves在密歇根大學的演講中初次提出了PLM（產(chǎn)品生命周期管理）概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實空間、虛擬空間、從現(xiàn)實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流、從虛擬空間到現(xiàn)實空間的信息流，以及虛擬子空間的表述。按MichaelGrieves后來的說法，該模型已經(jīng)具備數(shù)字孿生的所有要素，并在其2006年發(fā)布的著作《ProductLifecycleManagement：DrivingtheNextGenerationofLeanThinking》中，被稱為信息鏡像模型。
但在那時候，MichaelGrieves教授提出物理產(chǎn)品的虛擬數(shù)字化映射思想，也就是如今火熱的“數(shù)字孿生”概念的起源時，并沒有獲得行業(yè)領域內(nèi)的積極響應。十余載后，數(shù)字孿生獲得了各領域人士的熱情追捧，不僅在制造業(yè)，而且運用到了智慧城市、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智能家居等各個行業(yè)領域。
二、數(shù)字孿生技術(shù)的初次使用
2010年,NASA（美國國家航空航天局）在其太空技術(shù)路線圖（ModellingSimulationInformationTechnology&ProcessingRoadmap：TechnologyArea11）中初次引入了數(shù)字孿生的表述。
為了能夠更好地理解NASA的數(shù)字孿生，先來回顧一段Apollo13登月飛行中發(fā)生的故事。1970年4月14日，Apollo13號宇宙飛船已經(jīng)遠離地球21萬英里，生活艙中的一個氧氣罐發(fā)生了爆炸，嚴重地毀壞了主推進器，氧氣也被泄漏到太空。時間每過一分鐘，受損的飛船便會飛離地球400英里。怎樣才能讓三名宇航員安全回家，成為了數(shù)千名NASA地面支持人員在之后三天半時間里日以繼夜工作的唯一目標！最終，NASA成功將人類宇航史上有可能發(fā)生的最大災難，轉(zhuǎn)化為一個令人振奮的巨大成功。
實現(xiàn)這一切的一個關(guān)鍵所在，是在NASA背后有一套完善的、高水準的地面模擬仿真系統(tǒng)，用于培訓宇航員和任務控制人員所需要的全部任務操作，包含各種故障場景的處理。模擬器是整個太空計劃中技術(shù)最繁雜的部分內(nèi)容，在模擬培訓中，除了乘員、座艙和任務控制臺，其它所有的一切，全部都是由經(jīng)驗足夠豐富的技術(shù)人員運用一堆計算機和公式創(chuàng)造出來的。
任務控制人員和宇航員們，在綜合性考慮到飛船受損、可用電力、剩余氧氣、飲用水等因素后，制定了一個史無前例的大膽返還計劃，要點如下：重啟指令艙將其更改為手動操作模式（節(jié)約寶貴的動力）；運用登月艙作為救生艇（服務艙受損無動力）；途中進行三次發(fā)動機點火變軌（進入自由返還軌道）；手動導航操控飛船（導航計算機省電關(guān)閉，節(jié)約寶貴的動力）。但這樣的回家模式將遠遠地超出飛船設計的邊界，從來沒有人實踐過。一旦出現(xiàn)任何錯誤，宇航員們就再也沒有回家的機會了。
地面任務控制中心將模擬器進行調(diào)整，以適配Apollo13目前不同尋常的配置狀態(tài)，按質(zhì)量、重心、推力等參數(shù)為這艘新飛船的主機重新進行了編程；并與登月艙制造廠商分工協(xié)作，明確了一個新的著陸全過程；然后安排后備宇航員在模擬器上進行操作演練，證明計劃方案的可行性，極大地提升了任務控制人員與宇航員們的信心。剩下的工作便是宇航員們按照演練生成的操作指令清單，百分百地執(zhí)行就可以了。
大家都為Apollo13號宇航員與任務控制人員在事故出現(xiàn)后的從容淡定所欽佩，殊不知這個是在模擬器上數(shù)萬小時訓練的結(jié)果。
NASA的成功應當?shù)靡嬗谶@些模擬器，或叫仿真器，它們都可以說是數(shù)字孿生切切實實的案例，Apollo13可以看做第一個數(shù)字孿生體。實際上，仿真器在Apollo號發(fā)射之前就曾發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
三、數(shù)字孿生及其內(nèi)涵
數(shù)字孿生是充分運用物理模型、傳感器更新、運轉(zhuǎn)歷史等數(shù)據(jù)，集成化多學科、多物理量、多尺度、多概率的模擬仿真全過程，在虛擬（賽博）空間中完成映射，進而反映相應的實體裝備的生命周期全過程。數(shù)字孿生實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋，各種基于數(shù)字化模型進行的各類模擬仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、發(fā)掘，甚至于AI人工智能的應用，都能確保它與現(xiàn)實物理系統(tǒng)的適用性。在數(shù)字孿生中，數(shù)據(jù)是基礎、模型是核心、軟件是載體。
數(shù)字孿生的內(nèi)涵可以用“一項通用技術(shù)、兩大孿生空間、三大技術(shù)要素、四大功能等級和五大典型性特征”來表述。數(shù)字孿生是一項支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的使能技術(shù)，它綜合性運用感知、計算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進行表述、診斷、預測、決策，進而實現(xiàn)物理空間與賽博空間的交互映射。
級別一：表述，通過感知設備收集到的數(shù)據(jù)，對物理實體各要素進行檢驗和動態(tài)表述。
級別二：診斷，剖析歷史數(shù)據(jù)，查驗功能、性能變化的原因。
級別三：預測，表明各類模式的關(guān)系，預測未來。
級別四：決策，在剖析過去和預測未來的基礎上，對行為進行引導。
四、數(shù)字孿生典型性場景應用
數(shù)字孿生是一個普遍性適用的理論技術(shù)體系，可以用于產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造、工程建設、城市管理等領域。數(shù)字孿生是實際物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達，在設計與生產(chǎn)的過程中，仿真分析模型的參數(shù)，傳輸?shù)疆a(chǎn)品定義的全三維幾何模型，再傳輸?shù)綌?shù)字化生產(chǎn)線加工成真實的物理產(chǎn)品，再通過在線的數(shù)字化檢驗/測量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進而再反饋到仿真分析模型中。通過數(shù)字化紐帶集成生命周期全過程的模型，并與實際智能制造系統(tǒng)、數(shù)字化測量檢測系統(tǒng)、嵌入式信息物理融合系統(tǒng)（CPS）進行無縫集成和同步，使得我們可以在這個數(shù)字化產(chǎn)品上看到實際物理產(chǎn)品可能會發(fā)生的狀況。
依賴于數(shù)字化紐帶（DigitalThread），所有的數(shù)據(jù)模型都能雙向溝通，真實物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的CPS系統(tǒng)，向數(shù)字化模型反饋，使生命周期各個階段的數(shù)字化模型保持一致，從而實現(xiàn)動態(tài)、實時的評估系統(tǒng)當下及未來的功能和性能。數(shù)字化紐帶貫穿了整個產(chǎn)品生命周期，尤其是產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運維的無縫集成。
典型性的數(shù)字孿生場景應用：
數(shù)字化設計：數(shù)字孿生+產(chǎn)品創(chuàng)新。數(shù)字孿生技術(shù)打造產(chǎn)品設計數(shù)字孿生體，在賽博空間進行系統(tǒng)化仿真，實現(xiàn)反饋式設計、迭代式創(chuàng)新和持續(xù)性優(yōu)化。目前，在汽車、輪船、航空航天、精密裝備制造等領域，已普遍性展開原型設計、工藝設計、工程設計、數(shù)字化樣機等形式的數(shù)字化設計實踐。
虛擬工廠：數(shù)字孿生+生產(chǎn)制造全過程監(jiān)管。在賽博空間打造出映射物理空間的虛擬車間、數(shù)字工廠，促進物理實體與數(shù)字虛體之間的數(shù)據(jù)雙向動態(tài)交互，依據(jù)賽博空間的變化及時調(diào)整生產(chǎn)工藝、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提升 生產(chǎn)效率。
設備預測性維護：數(shù)字孿生+設備管理。開發(fā)設計設備數(shù)字孿生體并與物理實體同步交付，實現(xiàn)設備生命周期數(shù)字化管理，同時依托于現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集與數(shù)字孿生體分析，提供產(chǎn)品故障分析、壽命預測、遠程管理等增值服務，增強用戶體驗，減少運維成本，強化企業(yè)核心競爭力。
智慧城市：數(shù)字孿生+城市運作管理。建設城市數(shù)字孿生體，以定量與定性結(jié)合的形式，在數(shù)字世界預演天氣環(huán)境、基礎設施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運作，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實現(xiàn)城市規(guī)劃“一張圖”、城市難題“一眼明”、城市治理“一盤棋”的綜合性效益最優(yōu)化布局。
智慧醫(yī)療：數(shù)字孿生+醫(yī)療服務。將數(shù)字孿生與醫(yī)療服務相結(jié)合，實現(xiàn)人體運作機理和醫(yī)療設備的動態(tài)監(jiān)測、模擬和仿真，加快科研創(chuàng)新向臨床實踐的轉(zhuǎn)化速度，提升 醫(yī)療診斷效率，優(yōu)化醫(yī)療設備質(zhì)控監(jiān)管。