1.2 數字孿生的概念

數字孿生，也有很多學者和機構稱之為數字鏡像、數字映射、數字雙胞胎、數字雙生、數字孿生體等。數字孿生不局限于構建的數字化模型，不是物理實體的靜態、單向映射，也不應該過度強調物理實體的完全復制、鏡像，虛實兩者也不是完全相等；數字孿生不能割離實體，也并非物理實體與虛擬模型的簡單加和，兩者也不一定是簡單的一一對應關系，可能出現一對多、多對一、多對多等情況；數字孿生不等同于傳統意義上的仿真/虛擬驗證、全生命周期管理，也并非只是系統大數據的集合。2017～2019年，Gartner公司在連續三年將數字孿生列為十大新型技術的時候，對數字孿生的定義分別為：數字孿生是實物或系統的動態軟件模型（2017），數字孿生是現實世界實物或系統的數字化表達（2018），數字孿生是現實生活中物體、流程或系統的數字鏡像（2019）。但就目前而言，對于數字孿生沒有統一共識的定義，不同的學者、企業、研究機構等對數字孿生的理解也存在著不同的認識。

Michael Grieves教授認為，數字孿生是一組虛擬信息結構，可以從微觀原子級別到宏觀幾何級別全面描述潛在的物理制成品。在最佳狀態下，可以通過數字孿生獲得任何物理制成品的信息。數字孿生有兩種類型：數字孿生原型（Prototype）和數字孿生實例（Instance）。數字孿生包括三個主要部分：①實體空間中的物理產品；②虛擬空間中的虛擬產品；③將虛擬產品和物理產品聯系在一起的數據和信息的連接[7]。

李培根院士認為，數字孿生是“物理生命體”的數字化描述。“物理生命體”是指“孕、育”過程（即實體的設計開發過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產品或裝備），數字孿生體是“物理生命體”在其孕育和服役過程中的數字化模型。數字孿生不能只說物理實體的鏡像，而是與物理實體共生。數字孿生支撐從（產品）創新概念開始到得到真正產品的整個過程。

北京航空航天大學陶飛教授認為，數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。作為一種充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術，數字孿生面向產品全生命周期過程，發揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務。

NASA認為，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度、多物理量、多概率的仿真過程，從而在虛擬空間反映相對應的飛行實體的全生命周期過程。GE Digital公司認為，數字孿生是資產和流程的軟件表示，用于理解、預測和優化績效以改善業務成果。數字孿生由三部分組成：數據模型、一組分析工具或算法，以及知識。西門子公司認為，數字孿生是物理產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測物理對象或產品的性能特征。數字孿生用于在產品的整個生命周期，在物理原型和資產投資之前模擬、預測和優化產品和生產系統。SAP公司認為，數字孿生是物理對象或系統的虛擬表示，但其遠遠不僅是一個高科技的外觀。數字孿生使用數據、機器學習和物聯網來幫助企業優化、創新和提供新服務。PTC公司認為，數字孿生（PTC公司翻譯為數字映射）正在成為企業從數字化轉型舉措中獲益的最佳途徑。對于工業企業，數字孿生主要應用于產品的工程設計、運營和服務，帶來重要的商業價值，并為整個企業的數字化轉型奠定基礎。

總的來說，數字孿生可以概括為：以模型和數據為基礎，通過多學科耦合仿真等方法，完成現實世界中的物理實體到虛擬世界中的鏡像數字化模型的精準映射，并充分利用兩者的雙向交互反饋、迭代運行，以達到物理實體狀態在數字空間的同步呈現，通過鏡像化數字化模型的診斷、分析和預測，進而優化實體對象在其全生命周期中的決策、控制行為，最終實現實體與數字模型的共享智慧與協同發展。

本書后面表述中，“數字孿生”這個詞是整個技術的統稱，數字孿生這個詞出現在某個名詞前，有時候也會指代“數字孿生系統”。例如“數字孿生車間”就是“車間數字孿生系統”；“數字孿生體”指物理實體在虛擬空間的數字化鏡像，是物理實體在數字空間的映射，是和物理實體對應的一個概念；“數字孿生系統”是指構成數字孿生應用的包括物理實體、數字孿生體以及必要的互聯模型的整個系統。

數字孿生強調的是虛實兩側的實時互聯互通與反饋、雙向映射、雙向驅動的迭代優化過程，強調的是虛實兩側的動態關聯以及通過建立高保真度虛擬模型來完成以虛控實的思想，還有其適用于不同的領域、應用場景、需求/服務的通用實踐框架[4]。

數字孿生為實現信息物理系統（CPS）的融合提供了有效途徑和方法，實現CPS的融合是數字孿生的目標與核心挑戰之一。數字孿生的核心理念在于構建與物理實體等價的數字化虛擬模型，在虛擬側完成實體對象的仿真、分析、預測、優化，并通過虛實兩側實時的雙向映射、雙向互聯互通與反饋、雙向驅動、迭代運行來實現以虛擬世界的優化結果引導、管理物理世界，控制物理實體的精準執行，即以虛映實、虛實互驅、以虛控實。數字孿生的核心價值在于預測，通過高保真度的虛擬模型預測物理實體的演化過程，在此基礎上完成不同場景、目標、約束條件下的決策與管控優化。而構建虛擬模型和實現預測價值的核心要素均在于系統的運行數據，即數字孿生采用了有別于傳統單一依靠機理模型的建模方式，結合實際數據完成復雜系統模型的建立并以數據驅動模型的更新；預測的基礎在于數據挖掘后形成系統信息與知識。總之，基于數字孿生構建的系統實現CPS融合的過程是數據和模型雙驅動的迭代運行與優化的過程。此外，構建于數字孿生之上的系統契合了如今智能化的先進理念——能夠根據當前狀態預測實體對象的發展變化并優化該對象的決策控制行為，以最優結果驅動物理世界的運行，即智能化能依靠未來的預測數據和當前的控制策略來主動地引導被控對象的變化過程，數字孿生實現CPS融合的過程也是實現系統智能化的過程。

近幾年，數字孿生正從概念階段走向實際應用階段，驅動制造業、建造業等實體產業進入數字化和智能化時代。隨著企業數字化轉型需求的提升以及政策的持續支持，數字孿生將會出現更深入的應用場景，為實體經濟發展帶來新的動力。