“数字孪生”（Digital Twin）是数字化转型工作中非常重要的技术概念，直观上看，数字孪生做的事情是针对物理世界中的实体对象构建一个等价的、虚拟的数字实体对象。最开始接触“数字孪生”，很容易和仿真的概念相混淆，似乎数字孪生只是“新瓶装旧酒”，是仿真技术的概念性包装。实际上，数字孪生依赖于仿真技术，但不仅仅只是仿真，数字孪生是建立在仿真技术之上的更高级数字化应用。下面，针对数字化领域的数字孪生和仿真，二者的主要概念、关联，和区别进行介绍：

1. 数字孪生

数字孪生的早期思想由密歇根大学的 Michael Grieves 命名为“信息镜像模型”，之后，其演变为数字孪生的专业术语。从定义上看，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，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。

借助于数字孪生，可以在信息化平台上了解物理实体的状态，甚至可以对物理实体里面预定义的接口元件进行控制。基于数字孪生技术可以构建现实物体的克隆体——数字孪生体，现实世界中的物体通过数字建模和信息映射进入到数字世界后，会产生新的特性。数字孪生体具有“动态”、“全生命周期”、“实时”、“双向”等基本特征。

动态：数字孪生体作为现实物理世界实体的映射，不仅能够描述实体的静态属性特征，还能够描述动态属性特征。数字孪生体的状态和现实中的物体一样，会随着时间的变化随之改变。此外，数字孪生体可以产生特定的行为，与其他实体以及外部环境进行交互，作为一个运动中的客体被观察和分析。通过对数字孪生体的实验分析，业务专家可以准确地了解目标实体在外部环境变化下的真实反应，从而对目标实体对象开展有效的设计和优化。数字孪生体属性特征的动态变化，背后的依据是对现实物体的准确建模，这种建模不光是对实体外观的模拟，更多是对实体行为机理的模拟。

全生命周期：数字孪生是来自于工业领域的概念。在工业领域中，数字孪生技术贯穿了产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期，即产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）。数字孪生技术不仅支持对产品的设计和制造，同时支持对产品的管理和运营，从关注产品怎么“造”，逐渐覆盖到关注产品怎么“用”。

实时：数字孪生体可以反映现实中实体的实时状态信息，帮助用户对实体进行实时感知与状态监控。数字孪生体的实时信息呈现依赖于物联网技术，需要通过传感器高效地采集和处理环境信息，与实体对象进行关联匹配，并动态更新数字孪生体的状态参数。

双向：物理实体和数字孪生体之间的数据信息传递是双向的。物理实体的信息可以随时同步给数字孪生体，数字孪生体也可以将信息反馈到物理实体，对物理实体进行控制决策，指导物理实体的操作和行为。

2. 数字孪生与仿真的关系

仿真技术本质上是数字孪生技术的一部分，更加强调满足设计和决策方面的需求。仿真本质上是模拟物理世界的技术，是包含了确定性规则和完整机制的数据模型。如果模型正确、能够准确反映客观世界，那么就可以精准地对业务实体进行描述，验证相关的关键业务假设，辅助面向实体系统的科学决策。

和数字孪生相比，仿真并不强调实体信息的同步性和实时性。从产品全生命周期的管理看，产品生产过程中的数字孪生可能会用到仿真模拟，而产品使用过程中的数字孪生则一般并不包含仿真模拟。

数字孪生除了关注如何实现产品的功能设计和优化，同时还关注产品的运营和监控。除了传统的仿真技术以外，数字孪生还涉及传感器、物联网、3D可视化、深度学习等前沿的大数据与AI技术。从对数据的应用方式上看，仿真聚焦于对“实体”机理的研究，是一种解释性的数据科学技术；数字孪生更关注实际生产运营方面，聚焦问题发现和风险控制，是一种预测性的数据科学技术。

3. 数字孪生主要应用场景

（1）智能制造

在产品的设计环节，通过基于数字孪生技术的工业互联网平台，可以将设计所需的数据与相关模型算法进行精准匹配，反馈给设计人员，帮助设计人员科学、更精准地开展产品设计，持续优化产品性能；

在生产制造环节，数字孪生技术可以通过建立虚拟工厂、仿真生产过程等方式，为制造企业提供重要的决策支持：结合收集到的海量生产数据，分析生产活动过程中的瓶颈和问题，定向改进工艺流程，为生产过程的优化提供有效的解决方案；

数字孪生技术对生产设备维护同样提供重要应用价值，例如，可通过对运行数据的持续收集和智能分析，监控和预测设备工作状态，智能判断维护工作的最佳时间和周期。

（2）建筑设计

通过数字孪生技术，可以模拟建筑物的结构和能源消耗，优化建筑设计，提高能源效率，降低建筑设施的管理运营成本。在修建楼宇、房屋、高速公路、桥梁等建筑之前，可先使用数字孪生技术对建筑进行数字化建模，之后，通过输入建筑体不同部位的基本物理参数，对建筑的使用特性和安全特性进行综合评价，判断建筑是否满足质量要求，是否存在事故隐患。

图24. 数字孪生原理及应用

（3）园区管理

以数字孪生的三维呈现技术为基础，将人工智能、物联网、大数据分析等新一代信息技术进行整合，对园区内的建筑和设备从宏观到微观进行多方位呈现，对园区内的能源消耗水平、人员流动情况、楼宇基础设施（照明、空调、冷热水系统）运行情况、门禁系统闭合状态，以及特殊异常事件进行监控、预警和可视化综合展示。数字孪生技术让园区管理的精益化水平、智能化水平得到显著提升，优化园区资源的有效利用率，降低园区风险事件的发生概率。

（4）智慧交通

智慧交通是智慧城市的典型应用场景。随着城市人口的不断增加以及城市交通网络的日益复杂，以人工为主导的交通管理方式效率十分低下。基于数字孪生技术，使用传感器和网络通信设施对城市道路情况进行动态监控，精准定位和跟踪道路上的行人和车辆等参与者的日常活动轨迹，并使用大数据模型自动地挖掘出行人的活动规律。在可视化平台的辅助下，对城市中各交通片区进行实时监控和指挥调度，帮助交管部门提前制定科学的应急疏预案，有效缓解交通拥堵问题。

（5）医疗保健

数字孪生除了可以对产品、建筑、设备、园区等物进行建模和分析，同样可以对人体进行模拟刻画。在医疗领域，数字孪生可以通过建立虚拟人体模型，模拟人体的各种生理和病理情况，帮助医生和研究人员建立一个可用于疾病研究的虚拟平台，更加精准地对疾病进行诊断、预测，并研究制定相应的个性化诊疗方案。另外，数字孪生还可以用于医学教育和培训工作，让医学生们在仿真人体上通过虚拟实验和模拟操作来快速提高临床实践操作技能。