数字孪生是跨越其生命周期的对象或系统的虚拟表示，从实时数据更新，到使用仿真、机器学习和推理来帮助决策。

一、数字孪生技术的历史

1991年，耶鲁大学计算机科学教授DavidGelernter首次提出了数字孪生的概念。然而，密歇根大学MichaelGrieves博士被认为是2002年首次将数字孪生概念应用于制造业，并正式宣布了数字孪生的软件概念。最终，美国国家航空航天局的技术专家JohnVickers在2010年引入了数字孪生这个术语。

二、数字孪生技术的工作原理

数字孪生是一种虚拟模型，旨在准确反映物理对象。研究对象（例如风力涡轮机）配备了与重要功能领域相关的各种传感器。这些传感器产生有关物理对象性能不同方面的数据（例如能量输出、温度、天气条件等），然后将该数据转发到处理系统并应用于数字副本。

一旦获得此类数据，虚拟模型可用于运行模拟、研究性能问题并带来可能的改进，所有这些都是为了产生有价值的见解，然后可以将其应用回原始物理对象。

三、数字孪生技术的类型

根据产品放大倍数的不同，有多种类型的数字孪生。这对数字孪生最大的区别在于应用领域。不同类型的数字孪生在系统或流程中共存是很常见的。以下通过数字孪生的类型来了解差异以及它们的应用方式。

1、组件孪生/零件孪生

组件孪生是数字孪生的基本单元，是功能组件的最小示例。零件孪生也大致相同，但属于不太重要的组件。

2、资产孪生

当两个或多个组件一起工作时，它们就形成了所谓的资产。资产孪生让企业可以研究这些组件的交互，创建大量可以处理的性能数据，然后转化为可操作的步骤。

3、系统孪生或单元孪生

下一级别的放大将涉及系统孪生或单元孪生，这使人们能够看到不同的资产如何组合在一起形成一个完整的功能系统。系统孪生提供有关资产交互的可见性，并可能建议性能增强。

4、过程孪生

过程孪生（放大的宏观层面）揭示了系统如何协同工作以创建整个生产设施。这些系统是否都同步以最高效率运行，或者一个系统的延迟会影响其他系统？流程孪生可以帮助确定最终影响整体效率的精确时序方案。

四、数字孪生技术的优点

1、更好地研发

使用数字孪生可以更有效地研究和设计产品，并创建大量关于性能结果的数据。这些信息可以帮助企业在开始生产前对产品进行必要的改进。

2、更高的效率

即使在新产品投入生产之后，数字孪生也可以帮助镜像和监控生产系统，着眼于在整个制造过程中实现和保持最高效率。

3、处理工作寿命结束的产品

数字孪生甚至可以帮助制造商决定如何处理工作寿命结束的产品，并需要通过回收或其他措施进行最终处理。通过使用数字孪生，他们可以确定能够回收哪些材料。

五、数字孪生技术的应用

数字孪生技术已广泛用在以下应用场合中：

1、智慧实验室

数字孪生技术的迅猛发展，为当代智能化实验室建设提供了坚实的技术支撑。通过数字孪生结合物联网及大数据技术，建设智慧实验室环境设施管理平台，集成实验室子系统通过可视化技术呈现各专业状态及数据，其对建筑的节能降耗、安全性能和系统运行有效性的提高以及可视化展示等方面具有积极的意义。

2、发电设备

大型发动机（包括喷气发动机、机车发动机和发电涡轮机）从数字孪生的使用中受益匪浅，特别是在帮助建立定期维护的时间表方面。

3、物理结构及其系统

大型建筑物或海上钻井平台等大型物理结构可以通过数字孪生进行改进，尤其是在设计过程中。也可用于设计在这些结构内运行的系统，例如HVAC系统。

4、制造业务

由于数字孪生旨在反映产品的整个生命周期，因此数字孪生在制造的各个阶段无处不在，指导产品从设计到成品以及其间的所有步骤也就不足为奇了。

5、医疗保健服务

正如可以通过使用数字孪生对产品进行分析一样，接受医疗保健服务的患者也可以采用数字孪生。相同类型的传感器生成数据系统可用于跟踪各种健康指标并生成关键见解。

6、汽车行业

汽车是许多类型的复杂、协同工作的系统，数字孪生广泛应用于汽车设计中，既可以提高汽车性能，也可以提高生产效率。

7、城市规划

土木工程师和其他参与城市规划活动的人员可以通过使用数字孪生得到了极大的帮助，数字孪生可以实时显示3D和4D空间数据，还可以将增强现实系统纳入建筑环境。