随着3D建模、虚拟仿真交互、AI、IoT、大数据、云计算等技术的广泛应用，人类社会进入了多维数字化时代。而“数字孪生”正在成为多维数字化时代最具潜力和最受关注的前沿科技，并已经存在于我们的身边，在方方方面影响着我们的生活和工作。

本文是根据在各种媒体上谈论的数字孪生内容，结合个人理解，总结了一些关于数字孪生的相关知识内容，以供读者快速浏览和学习。

数字孪生英文名为Digital Twin，因此数字孪生也叫数字双胞胎，其发展到今天并没有一个明确的定义，不同行业不同领域对“数字孪生”的理解和解读都是不同的。其中相对比较通用的说法是：数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟镜像，借助仿真模型、传感设备、历史数据、实时数据及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体的全生命周期过程的技术手段。简单来说，数字孪生要做的事就是通过技术手段，实现对真实世界的二次构建，以达到对真实世界物体的最优化管理的目的。

数字孪生起源于最早的“孪生”概念，早在20世纪60年代NASA（美国国家航空航天局）在执行阿波罗计划时，就制造两个相同的航天飞行器，一个发射到太空中执行任务，一个留在地球中用来反映其工作状态，辅助工程师分析和处理太空中飞行器出现的紧急事件。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体，还没出现数字孪生中的“数字虚拟”部分。

耶鲁大学计算机科学教授David Gelernter在1991年出版了《镜像世界》（Mirror Worlds），其在书中就提及与孪生相似的“镜像”概念：“...当你看计算的屏幕，通过计算机跟图像交互，从而跟真实现实世界交互。事实上，镜像世界将彻底改变计算机的使用，将它们从方便的工具转变为魔法师的水晶球，这将使我们能够更生动和更深入地看到和观察世界。现实将逐渐被软件仿真所取代，这将是一个伟大的人类进步，我们将以一种新的洞察力和视角获得对世界的控制...”。

当然，目前业界普遍认为“数字孪生”的概念是由美国密歇根大学的Michael Grieves教授于2002年在产品全生命周期管理（PLM）课上提出，他将该设想称为Conceptual Ideal for PLM。其主要核心思想就是通过在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，描述和管理物理实体的产品全生命周期。

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2010年，NASA在技术报告中首次给出了“Digital Twin”的名称，即“数字孪生”。随后，美国国家航空航天局与美国空军在2012年联合发表了关于数字孪生的论文，将其列为驱动未来发展的关键术之一。

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2015年以来，西门子、美国GE等公司将数字孪生应用到工业界，开发了工业系统和医疗系统的数字孪生。

2017-2019年全球著名的IT研究与咨询顾问公司高德纳（Gartner）连续三年将数字孪生列入十大战略性技术，数字孪生引起广泛关注和重视，开始在众多行业得以应用。

起源于航空航天工业领域的数字孪生也在其他很多领域和行业发展迅猛，包括健康医疗、制造业、电力和城市管理方面。

在航空航天领域，通过模拟运行状态，观测运行数据，可以预测未来的产品性能和潜在故障；而在工业制造领域，可以将实体工厂的车间、流水线、设备等内容映射在虚拟工厂上，同虚拟的数字孪生实时监控生产状态，就可以及时发现问题，提高生产效率和管控水平，这也是我们常说的“智慧工厂、智慧车间、智能制造”；

在城市管理中，基于数字孪生的模拟分析，实时交互等特性，数字孪生城市应运而生。通过数字孪生技术构建一个数字城市，可以对城市建设、规划、管理运营进行更加科学和精准的治理，这也是我们常说的“智慧城市”。

目前谈论比较多的数字孪生主要有以下三大方向：

主要关注的是物体在设计到制造过程中的相关内容，比如基于数字孪生的产品设计，就会向较以往的产品设计模式有很多改变：

除了上面提及的基于数字孪生的产品设计外，比如通过数字孪生可以实时监控工厂里的机器运行健康程度，同时产生数据帮助管理者发现问题和解决问题，形成基于数字孪生的车间装备智能控制。

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当然还有例如基于数字孪生的车间快速设计、基于数字孪生的车间生产调度优化、基于数字孪生的生产物流精准配送、基于数字孪生的制造能耗管理、基于数字孪生的车间人机交互...等等非常多的应用场景。

这是大家谈论最多、最容易理解的和落地的应用方向，通过构建真实场景的数据模型，然后将实时数据通过引擎和其联动，然后有效的进行虚实同步，帮助相关人员监测数据和改进。

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例如我们经常用到的行车导航。导航应用其实就是将现实世界的道路及交通设施和相关道路行驶要求等内容在手机或电脑上进行虚拟构建，并经过计算得出用户到目的地的推荐路线，然后在行驶过程中给予相关辅助提示（如前方限速、下个路口转弯等），最后会根据交通管理系统收集反馈的信息，标识路线的畅通和堵塞并通过导航系统反馈用户，驾驶者就可以根据信息优化自己的路线和进行相关判断。

行车导航如今结合了AR等技术后出现了如AR-HUD增强现实抬头显示系统；在车辆的前挡、后挡或侧挡风玻璃上显示多种信息中实现CV2X（Cellular Vehicle to everything）交互，并配合传感器感知周边环境，当出现风险情况时自动进行紧急制动，使行车安全更有保障，这也是自动驾驶技术的组成部分。这些场景都与数字孪生有着紧密的关联。

这个方向主要是通过计算机多次的模拟计算得到真实有效的数据，从而通过分析数据得到最优化的结果，帮助我们更好的进行管理对象的生产和应用。

虚拟城市、智慧园区、智慧楼宇等应用方向就是通过运用“数字孪生”技术来帮助我们更好的管理和优化。

我国政府针对数字孪生在城市治理方面的应用也指明了场景和方向：在《中华人民共和国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》中指出“...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、推荐城市数据大脑建设、探索建设数字孪生城市...”，在《“十四五”数字经济发展规划》中提及“...深化新型智慧城市建设、推动城市数据整合共享和业务协同、提升城市综合管理服务能力、完善城市信息模型平台和运行管理服务平台、因地制宜构建数字孪生城市...”。

我们拿智慧楼宇的数字孪生可视化系统举例子：

第一步就是先建立、还原出整栋楼的3D数字模型，包括每层的空间结构、管路、照明、消防、电梯楼道等，之后就是链接各类物联设备，如烟雾探测器、区域监控、门禁等进行数据同步，这样，整个楼宇的真实客观样貌就已经还原，让管理者可以在一个大屏前就可以看到整个楼宇的实时状况；

第二步就是要在第一步的可视化基础上将楼宇管理变得“智慧”起来，如通过各类设备反馈收集数据，得出楼宇内人员流动的高峰期、电梯使用频率、照明使用情况，将这些数据统计收集后，再通过大数据和AI分析，实现智慧化二次应用，比如非高峰期的电梯运行策略，检测到无人时进行照明设备的自动关闭等等，这样就可以减少不必要的浪费和降低运维成本。

在传统信息化管理软件行业从业者来看，可能接触到最多的关于数字孪生概念的就是仿真，在研发设计领域有三维建模和CAE仿真，在生产制造领域有CAM仿真。所以，最后再谈谈关于仿真和数字孪生的关系。

从上面数字孪生的发展历程我们知道，真正让数字孪生发展起来的并不是美国空军，而是像西门子、通用电器、ANSYS、达索等这些老牌仿真公司，因为数字孪生这个概念和他们公司的核心技术非常接近，仿真一直就是他们的强项。如果我们翻阅这些公司的数字孪生方案，通常的做法就是通过仿真模型构建虚拟物体或者工厂，同时通过把实时数据打通，利用真实数据驱动虚拟仿真技术为真实物体和场景提供最优的工艺流程和运营策略。所以简单地概括他们的数字孪生方案，就是主要由“仿真+物联网”组成。

通过学习了解上述公司的数字孪生方案，我们就可以比较容易的理解仿真和数字孪生的关系了，主要有以下几点：

数字孪生技术不仅可利用人类已有理论和知识建立虚拟模型，而且可利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界，来发现和寻找更好的方法和途径、不断激发人类的创新思维、不断追求优化进步。大到智慧城市、智慧楼宇、智慧园区、智慧校园、智慧工厂，小到一辆汽车，一只手表，都可以是以数字孪生技术为基础的数字化展示。数字孪生，一种超乎想象的应用未来，相信在不久的将来以数字孪生技术为核心的数字化应用会越来越多，越来越广泛，更加舒适便捷的生活、更加高精的产品会离我们越来越近。

参考资料：

作者：兰光创新

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