科幻电影《黑客帝国》展现了虚拟和现实相映照的世界。两个世界中有一个相同的自己，仿佛是一对虚实世界的“双胞胎”。如今，这个概念已经从技术和应用层面走入现实世界——数字孪生。
在数字孪生技术中，“双胞胎”中的一方是存在于现实世界的实体，另一方则存在于虚拟世界、数字世界之中，是利用数字技术营造的与现实世界对称的镜像。随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品、设备具备了智能的特征。在这样的背景下，数字孪生技术正直接影响着智慧城市、人工智能、安防、物联网等未来发展。
数字孪生概念的起源及演变
数字孪生是通过数字化的手段，在虚拟世界中构建一个和物理世界中的对象一模一样的主体，以此来实现对物理实体的了解、分析和优化。从概念到应用，数字孪生已经走过了十几年的发展历程。
数字孪生这一概念最早出现于2002年，由Grieves教授在美国密歇根大学发表的一次关于产品生命周期管理的演讲中首次提出。他认为，通过利用物理设备的数据，人们可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟主体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。后来，美国国防部将数字孪生技术引入航天飞行器的健康维护中，并在美国国家航空航天局（NASA）的阿波罗计划中应用。
实际上，自从有了计算机辅助设计等数字化的“创作”手段，就已经有了数字孪生的源头。工程设计中计算机仿真手段的出现就让数字虚体和物理实体走得更近，让数字虚体更像物理实体。
随着数字技术的不断发展，以及人们多年来在数字世界里做设计和仿真，虚拟和现实越来越对应、融合，数字虚体越来越赋能物理实体系统。而数字孪生技术就是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟物理实体在现实环境中的行为。
数字孪生从概念成为技术，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，也是在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
工业互联网赋予数字孪生新生命力
当前，物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的迅速发展对推动制造业数字化、网络化、智能化进程起到关键作用。随着工业互联网不断向应用层面推进，数字孪生被赋予了新的生命力。
工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期，凸显出数字孪生在模型、数据、服务方面的优势和能力，打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径，正成为数字孪生的孵化床。充分运用物联网、人工智能和区块链等先进技术，打造数字孪生模型，可以为智慧城市、智慧制造、智能变电站等提供新的建设思路和方法。
在国际上，美国通用电气公司借助数字孪生这一概念，提出物理机械和分析技术融合的实现途径，目前已将成果应用于机器人制造。德国西门子公司将数字孪生技术用于机械设备设计和工厂规划排产。法国达索公司利用数字孪生技术帮助包括宝马、特斯拉在内的汽车公司进行产品外形仿真，利用仿真数据设计产品，使产品减少空气阻力。
在国内，数字孪生技术的应用正处于起步阶段，但已在能源基础设施建设中得到应用。我国一些能源企业在基础设施建设中设计了完全沉浸式的数字孪生模型，从而实现工程设计可视化，并可以确定潜在的障碍和问题，提升工作效率。
在电力行业中，数字孪生技术也在变电、配电领域实现了应用。在第六届世界互联网大会上，新投运的乌镇“互联网之光”博览会新展馆10千伏配电房运用数字孪生技术，构建了与真实场景无缝匹配的虚拟场景。坐落于中新天津生态城旅游区的110千伏游乐港智能变电站全息模型于今年6月建设完成，为数字孪生变电站建设打下基础。数字孪生变电站建设完成后，运维人员将通过“孪生”变电站轻松获取并分析处理各类运行数据，实现对变电站的全域和全生命周期管理。
将对电力系统运行管理带来重要影响
泛在电力物联网是电力系统各个环节万物互联、人机交互，实现人与人、人与物、物与物之间的实时交互及高效协同。而数字孪生在数字空间构建了一套表征对象在设计、研发、运行、迭代过程中的虚拟体，犹如物联网中各种实体对象的“基因”，是实现人机协同的重要桥梁与技术，可以说是泛在电力物联网的底层逻辑。同时，数字孪生技术也将对电力系统结构、运行逻辑、交易方式、商业模式、技术体系与管理机制带来重要影响。
在泛在电力物联网建设的具体场景中，数字孪生技术可应用于支撑虚拟现实下电网的智能规划及优化设计、精准电网故障模拟云测仿真、虚拟电厂、智能设备监控、电力机房调控、变电站设备监控等业务。
以数字孪生电力机房应用为例，当前，巡检以人工巡检为主，实时性差，效率较低。在数字孪生技术的支撑下，把人工智能、物联网和三维可视化等技术应用到机房的环境监测和调控中，构建起机房生产运行虚拟环境，可以实时监控机房温度等环境因素。一旦发生预警，系统将及时自动调节，当故障恢复后，机房服务器设备及环境控制设备自动启动，并将环境因素调节至理想状态，保障电力机房安全稳定运行。
目前，国网信息通信产业集团有限公司正依托人工智能、物联网、云计算等方面的技术优势，形成多个数字孪生科研项目储备。其中，“基于数字孪生模型的机房运行环境监测及一站式调控的关键技术研究与应用”项目即将实现试点应用。未来，国家电网有限公司经营区域内分布广泛、数量众多的电力机房和变电站都将成为数字孪生节点部署的最佳选择。（作者单位：国网信通产业集团）
