最早，數(shù)字孿生思想由密歇根大學(xué)Michael Grieves命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)?ldquo;數(shù)字孿生”的術(shù)語。2012年美國(guó)航空航天局（NASA）給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。

　　NASA也是在智能制造領(lǐng)域最先使用數(shù)字孿生概念的團(tuán)體，在其阿波羅項(xiàng)目中，NASA使用空間飛行器的數(shù)字孿生對(duì)飛行中的空間飛行器進(jìn)行仿真分析，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。2015年之后，世界各國(guó)分別提出國(guó)家層面的制造業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。這些戰(zhàn)略的核心目標(biāo)之一就是構(gòu)建賽博物理信息系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS），實(shí)現(xiàn)物理工廠與信息化的虛擬工廠的交互和融合，從而實(shí)現(xiàn)智能制造。數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠交互融合的最佳途徑，被國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)界和企業(yè)高度關(guān)注。

　　數(shù)字孿生是在MBD基礎(chǔ)上深入發(fā)展起來的，企業(yè)在實(shí)施基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的過程中產(chǎn)生了大量物理的、數(shù)學(xué)的模型，這些模型為數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　數(shù)字孿生在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

　　作為一個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，數(shù)字孿生可以應(yīng)用于眾多場(chǎng)景，全球目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等，其中，在中國(guó)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。數(shù)字孿生在制造業(yè)的一些典型應(yīng)用：

　　•產(chǎn)品研發(fā)

　　在制造過程中，產(chǎn)品研發(fā)不僅需要同時(shí)滿足多方需求，而且在設(shè)計(jì)中可能還會(huì)涉及到形態(tài)、溫濕度等多個(gè)方面的考量，尤其是對(duì)于高度復(fù)雜的產(chǎn)品而言，要完成產(chǎn)品部件的設(shè)計(jì)修改，尺寸裝配，通常需要反復(fù)嘗試，耗費(fèi)大量人力和物力。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以在研發(fā)階段構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，并綜合利用流體、電磁、熱學(xué)等仿真軟件。工程設(shè)計(jì)師不僅能看到產(chǎn)品外部變化，更能洞察內(nèi)部零件動(dòng)態(tài)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、確認(rèn)和驗(yàn)證，降低設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品上市周期。

　　•運(yùn)行監(jiān)控和智能運(yùn)維

　　當(dāng)設(shè)備生產(chǎn)流水線的仿真模型搭建完成后，將實(shí)時(shí)采集的裝備運(yùn)行過程中的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真分析，可以對(duì)裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進(jìn)行診斷，預(yù)測(cè)維護(hù)工作的最佳時(shí)間點(diǎn)，提供維護(hù)周期的參考依據(jù)。不僅能夠及時(shí)預(yù)測(cè)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，還能做出高效迅速的反應(yīng)，有效提升產(chǎn)品的可靠性和可用性，降低產(chǎn)線運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)。

　　•產(chǎn)線調(diào)試和工廠運(yùn)行狀態(tài)模擬

　　當(dāng)制造企業(yè)在新建或改造產(chǎn)線以及工廠之前，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)建立一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的虛擬樣本，用數(shù)字化的方式將工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、傳感器，以及工作人員等模擬進(jìn)整個(gè)制造環(huán)境中，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備診斷、過程模擬等仿真預(yù)測(cè)，在產(chǎn)線或工廠實(shí)際運(yùn)行之前盡可能避免有可能出現(xiàn)的生產(chǎn)異常和現(xiàn)場(chǎng)故障等問題。

　　對(duì)于正在運(yùn)行的工廠，可以通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠日常運(yùn)轉(zhuǎn)的可視化，對(duì)產(chǎn)線運(yùn)行現(xiàn)狀、設(shè)備工作狀態(tài)、訂單完成情況、成品質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)能耗等有一個(gè)直觀的了解，從而對(duì)實(shí)際生產(chǎn)情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)配和管理，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

　　2020年11月11日，在由工信部牽頭發(fā)布的《數(shù)字孿生白皮書》中，將數(shù)字孿生劃分為“基礎(chǔ)支撐”、“數(shù)據(jù)互動(dòng)”、“模型構(gòu)建”、“仿真分析”、“共性應(yīng)用”、“行業(yè)應(yīng)用”六大核心模塊，對(duì)應(yīng)從設(shè)備、數(shù)據(jù)到行業(yè)應(yīng)用的全生命周期。

　　由此可見，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展成熟，可以真正在全生命周期范圍內(nèi)，保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致。各種基于數(shù)字化模型進(jìn)行的仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，都能確保它與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性，而這也是數(shù)字孿生對(duì)智能制造的意義所在。智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒有數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)體系的準(zhǔn)確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法落實(shí)。對(duì)于我國(guó)推行智能制造戰(zhàn)略而言，數(shù)字孿生的應(yīng)用無疑是其中的重中之重。應(yīng)用數(shù)字孿生面臨的實(shí)際問題

　　對(duì)于制造企業(yè)而言，建立數(shù)字孿生模型體系的優(yōu)點(diǎn)顯而

　　易見，但是作為一個(gè)被提出不到二十年，被廣泛熟知不到十年的新興領(lǐng)域，數(shù)字孿生真正被應(yīng)用實(shí)施到企業(yè)還存在較大的困難。

　　首先，數(shù)字孿生是一項(xiàng)應(yīng)用門檻相對(duì)較高的技術(shù)。在技術(shù)層面：數(shù)字孿生囊括了仿真、MBSE、人工智能等多項(xiàng)技術(shù)，企業(yè)需要達(dá)到一定的數(shù)字化水平才能建立數(shù)字孿生體系并讓其真正發(fā)揮作用。在運(yùn)維層面：一是數(shù)字孿生對(duì)使用者素質(zhì)要求很高，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能培養(yǎng)和建立一個(gè)熟練運(yùn)用的團(tuán)隊(duì)；二是項(xiàng)目執(zhí)行需要現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和管理部門提供合作，且一般情況下現(xiàn)場(chǎng)研究和仿真建模的工作周期很長(zhǎng)；三是很多仿真變量數(shù)據(jù)不能被有效收集；四是一個(gè)仿真場(chǎng)景只能用于特定情況，而在業(yè)務(wù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)需要重新構(gòu)建模型。這些問題導(dǎo)致在很多情境下，仿真所需要的成本大于其收益，制約了數(shù)字孿生體系在企業(yè)的構(gòu)建。

　　其次，數(shù)據(jù)過量，難以構(gòu)建生產(chǎn)控制的數(shù)字孿生方法。由于工業(yè)大數(shù)據(jù)維度過大和數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度過快，目前仍然鮮見基于機(jī)器學(xué)習(xí)的生產(chǎn)控制數(shù)字孿生框架模型的研究。傳統(tǒng)生產(chǎn)控制優(yōu)化方法的建模通常是單一過程，是一次性的知識(shí)輸出，而數(shù)字孿生方法是物理制造工廠和虛擬數(shù)字工廠之間的連續(xù)交互過程。

　　在數(shù)字孿生框架中，虛擬數(shù)字工廠模型將不斷地從物理生產(chǎn)線收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型培訓(xùn)、模型驗(yàn)證、模型更新，并最終反饋給真實(shí)工廠，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制目的。在現(xiàn)實(shí)世界中，物理工廠將根據(jù)虛擬工廠模型的仿真和優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)。隨著大量工業(yè)數(shù)據(jù)被采集，考慮實(shí)體工廠已經(jīng)存在的大量原始數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)目前仍不能很好地處理大數(shù)據(jù)用于智能生產(chǎn)控制，當(dāng)前的數(shù)字孿生應(yīng)用很可能出現(xiàn)嚴(yán)重信息過載問題。

　　最后，數(shù)字孿生對(duì)提升傳統(tǒng)流程精益效果存疑。無論是重建工廠還是工廠改造，規(guī)劃、生產(chǎn)控制和流程再造始終是制造企業(yè)全生命周期中最核心的、關(guān)聯(lián)知識(shí)密度最大的三個(gè)階段。流程再造階段精益方法的精確度和可行性問題是工廠改造的關(guān)鍵，但是目前市面上現(xiàn)存的數(shù)字孿生模型并不能比較清楚地得出改善的結(jié)果，數(shù)字孿生亟需更大的技術(shù)發(fā)展。

　　對(duì)于制造業(yè)而言，數(shù)字孿生的發(fā)展是一次逆向思維的壯舉，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理世界向數(shù)字化虛擬世界的反饋。企業(yè)建立數(shù)字孿生體系是為了通過虛擬世界的映射更好地為物理世界服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化、智能化未來。

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