数字孪生算是一个全新概念，新到大多数非专业人士都没听说过，什么是数字孪生呢？数字孪生（Digital Twin）以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。

数字孪生的概念最初于2003年由Grieves教授在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上提出，早期主要被应用在军工及航空航天领域。如美国空军研究实验室、美国国家航空航天局（NASA）基于数字孪生开展了飞行器健康管控应用，美国洛克希德·马丁公司将数字孪生引入到F-35战斗机生产过程中，用于改进工艺流程，提高生产效率与质量。

由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全要素/全流程/全业务数据驱动等特点，目前已被应用到产品生命周期各个阶段，包括产品设计，制造，服务与运维。

数字孪生不是凭空来的！

数字孪生的概念很热，但数字孪生并不是凭空来的天赐之物。就如同工业界的很多好的理念，是根据实际总结出来的一样。关于数字孪生乃至CPS，其实在概念没出来之前已经有很多实践了。

人类有三种实践，物理实验只是其中一种，另外两个的理论推导和计算机模拟，其实都是现实实物的抽象，从这个角度而言，其实都算孪生，只是不是数字而已。但一般而言，计算机模拟在内涵上很大程度上也是由理论支持才能实现的。

digital twin是从digital thread发展起来的。仿真是一个大概念，而且是基础概念，所有针对物理世界的数字化模拟都可以是仿真，当然仿真也带有时空特性，可以对历史和未来乃至异构空间进行仿真，即使是不存在的世界也可以做仿真。

仿真也是有仿真度评估指标的，拥有95%以上的仿真度视为较好的仿真。数字孪生也算一种仿真，准确的说是针对能控能观系统的仿真，更多的应用于既有物理系统的数字化虚拟，当然内涵还有一套属于它自己的定义范畴。

目前数字孪生系统的评估指标还没有严格定义，数字孪生系统规模也有大有小，GE一个发动机数字孪生项目从规划到工程应用要持续建设20年。

数字孪生具有以下特点：

①它对物理对象各类数据进行集成，是物理对象的忠实映射；

②它存在于物理对象的全生命周期，与其共同进化，并不断积累相关知识；

③它不仅对物理对象进行描述，而且能够基于模型优化物理对象。

当前数字孪生的理念已在部分领域得到了应用和验证。

Grieves等将物理系统与其等效的虚拟系统相结合，研究了基于数字孪生的复杂系统故障预测与消除方法，并在NASA相关系统中开展应用验证。

此外，PTC公司致力于在虚拟世界与现实世界间建立一个实时的连接，基于数字孪生为客户提供高效的产品售后服务与支持。

西门子公司提出了“数字化双胞胎”的概念，致力于帮助制造企业在信息空间构建整合制造流程的生产系统模型，实现物理空间从产品设计到制造执行的全过程数字化。

针对复杂产品用户交互需求，达索公司建立了基于数字孪生的3D体验平台，利用用户反馈不断改进信息世界的产品设计模型，从而优化物理世界的产品实体，并以飞机雷达为例进行了验证。

从以上应用分析可知，数字孪生是实现物理与信息融合的一种有效手段。而物理世界与信息世界的交互与融合是实现工业4.0、中国制造2025、工业互联网、基于CPS的制造等的瓶颈之一。

数字孪生是用软件系统实现的，实施本身即是一个CPS系统。目前的CPS研究聚焦已有的CPS系统建模，而数字孪生实施聚焦则是建立一个新CPS系统。

对于一个复杂物理系统，人们总是从某一侧面、粒度（limited context）研究和解决问题。

现实世界的数字孪生实施也总是解决复杂物理系统某一方面问题，不可能包罗万象。

数字孪生最重要部分是一个从某一侧面镜像物理系统的动态模型，这个模型通过通信网络采集物理系统信息，跟随物理系统更新变化。

随着新一代信息技术(如云计算、物联网、大数据、移动互联、人工智能等)与制造的融合和落地应用,世界各国相继提出了各自国家层面的制造发展战略。如工业4.0、工业互联网、基于CPS的制造、面向服务的制造或服务型制造等。

这些战略虽提出的背景不同,但其共同目标之一是实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作,其共同瓶颈之一是如何实现制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融。

孪生数据是未来解决物理世界和信息世界的交互与共融理论和实现的有效方法，正在逐步深入到实践中！未来将是物联世界，让我们相约2019年11月19-21日，相约2019（第三届）全球物联网大会—寻找思考者！

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声明：本文系《洞悉——物联网发展1000问》系列文章第四十五篇，旨在希望通过系统性与行业专业视角就物联网产业当前发展现状与经济潜力予以分析和分享。IOT物联网，万物互联，互联万物。

作者：王正伟 中关村物联网产业联盟秘书长