当前，数字孪生（Digital twin）是各界关注的热点，全球著名IT研究机构Gartner曾在2017至2019年连续三年将数字孪生列为十大新兴技术之一。随着时间的推移，我们这个世界的万事万物几乎都可以与其数字对象动态地相互连接，并能够基于AI实现高级仿真、运营和分析，Gartner公司副总裁David Cearley Cearley指出：从长远来看，从事城市规划、数字营销、医疗保健和工业规划的专业人士都将在向集成的数字孪生世界转型中获益。例如，未来的人类数字模型可以提供生物识别和医疗数据，而整个城市的数字孪生模型将能够实现高级模拟。
1、数字孪生的含义
很多业界主流公司都对数字孪生给出了自己的理解和定义，本文对Gartner在过去三年对数字孪生的论述进行解读。
2017年，Gartner在十大新兴技术专题中对数字孪生的解释是：数字孪生是实物或系统的动态软件模型，在三到五年内，数十亿计的实物将通过数字孪生来表达。通过应用实物的零部件运行和对环境做出反应的物理数据，以及来自传感器的数据，数字孪生可用于分析和模拟实际运行状况、应对变化、改善运营、实现增值。数字孪生所发挥的作用就像一个专业技师和传统的监控和控制器（例如压力表）的结合体。
△Gartner2017年发布的新兴技术成熟度曲线
（在Gartner2017年发布的新兴技术成熟度曲线中，数字孪生处于创新萌发期，距离成熟应用还有5-10年时间）
2018年，Gartner在十大新兴技术专题中对数字孪生的解释是：数字孪生是现实世界实物或系统的数字化表达。随着物联网的广泛应用，数字孪生可以连接现实世界的对象，提供其状态信息，响应变化，改善运营并增加价值。到2020年，估计将有210亿个传感器和末端接入点连接在一起，在不久的将来，数十亿计物体将拥有数字孪生模型。David Cearley指出，通过维修、维护与运营（MRO）以及通过物联网提升设备运营绩效，有望节省数十亿美元。
△Gartner2018年发布的新兴技术成熟度曲线
（从2018年Gartner发布的新兴技术成熟度曲线中可以看出，数字孪生已经进入了过热期，其建设和预期出现了高峰，超出其当前能力，会形成投资泡沫）
2019年，Gartner在十大新兴技术专题中对数字孪生的解释如下：数字孪生是现实生活中物体、流程或系统的数字镜像。当前的重点是基于物联网应用的数字孪生，可以通过提供维护和可靠性信息，洞察产品如何更有效地运行和有关新产品的数据，以改善企业决策。如今的数字孪生有以下四点不同：
▶模型的健壮性，聚焦于如何支持特定的业务成果
▶与现实世界的连接，具有实现实时监控和控制的潜力
▶应用高级大数据分析和人工智能技术来获取新的商机
▶数字孪生模型与实物模型的交互，并评估各种场景如何应对的能力
上从述分析中可以看出，Gartner对于数字孪生的理解是一个不断演进的过程，而数字孪生的应用主体也不局限于基于物联网来洞察和提升产品的运行绩效，而是延伸到更广阔的领域，例如工厂的数字孪生、城市的数字孪生，甚至组织的数字孪生。
2、数字孪生的基本特征
数字孪生的基本特征是虚实映射。通过对物理实体构建数字孪生模型，实现物理模型和数字孪生模型的双向映射。构建数字孪生模型不是目的，而是手段，需要通过对数字孪生模型的分析与优化，来改善其对应的物理实体的性能和运行绩效。
任何物理实体都可以创建其数字孪生模型，一个零件、一个部件、一个产品、一台设备、一把加工刀具、一条生产线、一个车间、一座工厂、一个建筑、一座城市，乃至一颗心脏、一个人体等。对于不同的物理实体，其数字孪生模型的用途和侧重点差异很大。
例如，达索系统帮助新加坡构建了数字城市，建立了一座城市的数字孪生模型，不仅包括了地理信息的三维模型，各种建筑的三维模型，还包括了各种地下管线的三维模型。该模型作为城市的数字化档案，可以用于优化城市交通，便于各种公共设施的维护。Biodigital公司创建了生物数字人体模拟演示的在线平台，可以帮助医生和科学家研究人体构造，进行模拟试验。在太空探索的过程中，科学家通过数字孪生模型对远在太空的航天器，例如登陆火星的“好奇号”火星车进行远程监控、仿真与操控。显然，物理实体的结构越复杂，其对应的数字孪生模型也会越复杂，实现数字孪生应用的难度也更大。
△图源：达索系统（新加坡数字城市）
3、数字孪生的关键使能技术
数字孪生迅速成为热潮，源于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网（工业物联网）等关键使能技术的蓬勃发展与交叉融合。
数字化设计技术从早期的二维设计发展到三维建模，从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型，产生了诸如直接建模、同步建模、混合建模等技术，以及面向建筑与施工行业的BIM技术（建筑信息模型）。产品的三维模型中不仅包括几何信息、装配关系，还包括PMI（产品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料规格等信息）等制造信息，已经可以实现MBD（基于模型的产品定义）。
为了支持产品三维模型的快速浏览，可以从三维特征模型中抽取出仅包括几何信息的轻量化三维模型。基于三维造型和三维显示技术，虚拟现实技术（VR）取得了蓬勃发展，广泛用于汽车、飞机、工厂等复杂对象的虚拟体验，包括沉浸式虚拟现实系统Cave，用于产品展示和市场推广的三维渲染技术，以及基于视景仿真的模拟驾驶技术等。近年来又发展起来增强现实技术(AR)，其特点是可以将实物模型和数字化模型融合在一个可视化环境之中，从而实现传感器数据的可视化，还可以进行产品操作、装拆及维修过程的三维可视化，实现产品操作培训、维修维护等应用。
随着传感器技术和无线通信技术的发展，二十一世纪以来，物联网应用越来越广。除在消费领域应用之外，为了支持高价值工业设备的运行监控和维修维护，工业物联网（IIOT）开始受到业界广泛关注。IIOT采集的数据类型和采集频率比普通的物联网应用高得多，而应用的数学模型和分析方法也比普通的物联网应用复杂得多。
4、数字孪生在制造业的典型应用场景
数字孪生技术在各个行业有广泛的应用场景。陶飞教授团队在《计算机集成制造系统》2018年第1期刊登的“数字孪生及其应用探索”一文中，归纳了14种应用场景，后来又在论文中介绍了数字孪生在航空航天、电力、汽车、石油天然气、健康医疗、船舶航运、城市管理、智慧农业、建筑建设、安全急救、环境保护等11个领域，45个细分类的应用。
△数字孪生的工业应用（来源：陶飞教授）
e-works认为，数字孪生在制造业的应用前景广阔。其中，产品的数字孪生应用覆盖产品的研发、工艺规划、制造、测试、运维等各个生命周期，可以帮助企业推进数字化营销和自助式服务，有助于企业提升维护服务收入，创新商业模式；工厂数字孪生在工厂设计、建造，生产线调试、安装，工厂运行监控、工业安全等方面都可以对企业带来价值；数字孪生在供应链管理领域也可以应用，例如车间物流调度、运输路径优化等。
5、数字孪生的推进策略
e-works认为，数字孪生是制造业推进数字化转型和智能制造的战略举措和现实途径之一。对于制造企业而言，推进数字孪生应用需要建立明确的目标，以价值为导向，建立跨部门的推进组织，结合IT、自动化、研发、仿真、工艺、测试、设备运维等部门的团队，并引入专业咨询机构，务实推进。
数字孪生应用是IT/OT融合的典型应用，要实现虚实映射，需要搭建工业互联网平台，明确应用对象的重点是企业生产的产品、工厂、供应链；面向产品的数字孪生应用重点是支持产品研发、市场推广还是运营维护；面向工厂的数字孪生应用重点是工厂或产线建设期间的虚拟调试，还是工厂运营阶段的可视化与优化。推进数字孪生需要制定整体规划，合理把控风险，结合具体目标，分步实施，不能搞“大而全”的应用。埃森哲《数字孪生：打造生力产品，重塑客户体验》白皮书提出了推进数字孪生应用的四个阶段：
△埃森哲：推进数字孪生应用的四个阶段
在数字孪生的实际应用当中，不可能，也没有必要盲目追求所有数字孪生模型的“高保真”。因为保真度的提升意味着构建数字孪生模型的难度和成本的大幅度提升，同时，对数字孪生模型进行分析的复杂性和耗时也会迅速攀升。数字孪生模型越复杂，也就越难以实现虚实映射的实时性。在实际应用当中，对所有零部件的多物理场都进行复杂的三维仿真耗时很长，往往会进行降阶处理，通过一维仿真对产品的整体性能进行分析。因此，企业需要根据实际应用需求和性能价格比来选择构建不同保真度的数字孪生模型。
