数字孪生技术是将带有三维数字模型的信息拓展到整个生命周期的数字镜像技术，最终实现虚拟与物理世界同步和一致。数字孪生的理念最早源于1969年美国国家航空航天局(NASA)阿波罗计划提到的空间飞行器孪生体。2003年，密歇根大学的Grieves教授提出了“信息镜像模型”，并指出物理产品的数字表达应能够抽象表达物理产品，能够基于数字表达对物理产品进行真实或模拟条件下的测试。2010年，NASA在太空技术路线图中采用基于数字孪生概念的飞行系统仿真分析模型，用于实现对飞行系统诊断的全面性和飞行状态的预测可知性，以此来保障在系统可靠时限内执行整个飞行任务的安全性。
图1 数字孪生发展路线图
2011年，Grieves与NASA的Vickers明确将该概念命名为“数字孪生(DigitalTwin)”，从此这一术语正式确立。在我国，数字孪生也被译为数字镜像、数字化映射或数字双胞胎。图1为数字孪生发展路线图。
一、国外数字孪生技术发展现状
数字孪生潜在的巨大经济效益得到了当前学术界和工业界的高度关注。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续4年(2016～2019年)将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。
Schleich等把生产过程管理中数字孪生的参考模型方法进行归纳整理，认为其具有4种特性：可伸缩性、互操作性、可扩展性和保真度；Aheleroff等提出了一个新的数字孪生双参考架构，确定了合适的Industry4.0技术和整体参考架构模型，以完成最具挑战性的数字孪生启用应用程序；Farsi等提出一种新的数字孪生架构，该架构使用自适应的数据结构和本体，从产品生命周期中挖掘的数据信息中自动生成成本模型，在早期阶段估算生命周期成本降低全生命周期成本，提高产品开发效率；Novikov等提出了基于数字孪生创建产品的参数和结构的初步估计方法，指出过程中的关键挑战是联合优化所有模块的特性和对象的整体配置；Gutierrez等提出基于外部服务的数字孪生设计理念，并将其应用于工厂自动协同导引车物料运输过程中。
在工业领域，2017年11月，洛马公司在其未来国防和航天工业6大顶尖技术名录中，将数字孪生技术列在首位；
德国西门子公司利用数字孪生体助力工业4.0，发布了完整的数字孪生体应用模型，实现了数字孪生的实际落地；
达索公司已经利用数字孪生技术建立了三维实验平台，将用户反馈信息知识库与孪生模型进行交互融合，对物理产品进行持续的创新迭代；
ANSYS公司提出通过利用ANSYSYTwin Builder创建数字孪生并可快速连接至工业物联网平台，帮助用户进行故障诊断，确定理想的维护计划，降低由于非计划停机带来的成本，优化每项资产的性能，并生成有效数据以改进其下一代产品；
美国参数技术公司将数字孪生作为智能互联产品的关键性环节，致力于在虚拟世界与现实世界建立一个实时连接，对智能产品的每一个动作和行为进行记录和跟踪，并延伸到下一代产品的创新设计中，实现智能产品的预测性检修，这些服务为客户提供了高效的产品售后服务；
2017年，Altair公司相继收购多家软件供应商和技术企业，并与物联网技术公司Carriots平台相结合，致力于成为物联网领域的领导者，支持数字孪生战略及其应用，其借助领先的虚拟仿真技术，创建叠加多种物理属性的虚拟模型，使产品具有更好的特性；通用电气基于Predix平台构建资产、系统和集群级的数字孪生，利用数字孪生来表征资产的全寿命周期，以便更好地了解、预测和优化每个资产的性能。
二、国内数字孪生技术发展现状
在数字孪生模型建立及标准确立方面，以北航陶飞为代表的数字孪生研究团队提出了数字孪生五维模型，从物理实体、虚拟实体、表示服务、表示孪生数据和各组成部分间的连接等5个维度对数字孪生进行建模，并且对五维模型的组织架构和应用准则进行了研究，提出数字孪生驱动的6条应用准则。
2019年，陶飞联合国内数字孪生领域相关标准技术委员会及应用企业(包括机床、卫星、发动机和工程机械装备等行业)共同建立了一套数字孪生标准体系架构，并从数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具/平台标准、测评标准和行业应用标准6个层面进行了具体阐述。
在复杂产品制造方面，程颖等建立了数据驱动的智能服务基本框架。胡秀琨等研究了数字孪生装配车间的运行机制。李浩等探索了基于数字孪生的复杂产品设计制造一体化开发关键技术。向峰等提出一种产品生命周期绿色制造新模式，旨在在产品生命周期制造过程中实现环境影响小、资源利用率高、综合效益最大等目标。
在设备故障诊断和状态评估方面，杨俊峰等通过Unity3D物理实体与虚拟模型的双向实时交互，搭建数字孪生模型，利用OPCUA协议实现了物理实体、虚拟仿真和服务模块之间的数据集成与融合，完成了对设备状态的可视化监测与故障诊断。张蕾提出了在数字孪生系统中进行预测性维护的一般模式，增强了设备故障的可追溯性。樊孟杰等从虚实映射的角度，通过模型映射、行为映射和状态映射3个递进层次构建性能评估系统，全面表达列车性能，解决了传统性能评估缺乏时效性和准确性的问题。
在具体的工业场景方面，飞机制造行业的郑守国等从“人、机、料、法、环、测”六维视角出发，阐述生产线关键要素数字孪生建模与实现，验证了数字孪生能够有效提高作业效率并为工作人员决策提供科学参考。
在火箭测试与发射过程健康管理方面，张素明等提出一种基于数字孪生技术的火箭测试与发射过程健康管理系统设计方案，实现了对火箭测试和发射过程的天地镜像仿真，为火箭可靠飞行提供了技术保障。在舰船总体设计方面，李凯等基于数字孪生提出了数字化舰船的总体框架，为未来进一步开展型号研制提供理论和方法参考。
目前中船705研究所已经率先开展了关于水下无人系统(UUS)数字孪生技术的研究工作，搭建了基于知识工程的UUS协同设计平台，突破了UUS协同设计流程、多学科领域协同设计建模以及协同设计系统集成等方面的关键技术；建立了模型库、程序库、参数资源池及材料库等，构建了涉及流体、结构、噪声、电气、弹道、六性及软件测试等多学科多物理场的体系化、协同化、智能化、知识化的协同设计技术体系。在此基础上，搭建论证协同、设计协同、数据协同、管理协同于一体的UUS协同设计系统，实现了“缩短设计周期、提高设计质量，降低设计成本的目标”。
三、国内外研究现状分析
从国内外的研究现状分析可以看出数字孪生发展的一些规律：
①国外关于数字孪生的理论技术体系研究时间较长，已经较为成熟，目前发展的重点在于结合工业软件实现数字孪生技术的落地，当前已在相当多的工业领域实际运用。
②国内数字孪生技术处于起步阶段，目前的研究重点还停留在理论层面，少有针对实际工程的典型应用研究。
③无论国内还是国外，数字孪生仍然处于技术的成熟上升期，由于技术水平的限制，对于实际对象的模拟比较片面，不能做到全维度、全领域的完整模拟，各物理域之间的耦合研究也发展较慢。
④数字孪生技术目前呈现出与物联网、3R(增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR))、边缘计算、云计算、5G、大数据、区块链及人工智能等新技术深度融合、共同发展的趋势。
⑤数字孪生概念的外延正在不断扩大，从传统的机械制造领域向军工、医疗、建筑、核电、城市规划等各领域扩展，各领域结合自身发展特点，对数字孪生的概念和内涵进行了不同的解读。
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