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随着先进的、创新的且复杂的工程系统的涌现，我们见证了在严苛环境中仍然表现出色的新技术的诞生。在工业4.0时代，这类技术的发展尤为迅猛，数字孪生技术便是其中的佼佼者。近年来，数字孪生以其独特的优势已经成为工业界和学术界关注的焦点。
数字孪生是用两个词命名的，是具有巨大能量的强大技术，足以精确复制现实世界的设备、产品和流程等。数字孪生是在虚拟环境中运行的，本质上是现实世界中实体的数字化映射。这是数字孪生的一个基本定义，本章还会进一步介绍数字孪生的其他基本定义和简明解释。
当前，虚拟环境在各行业中都发挥着重要的作用。例如，在医疗行业，远程诊断可以在虚拟环境中通过视频会议实现；在教育行业，也可以通过视频会议将传统线下课堂转移到虚拟平台上教学。同样，在其他众多行业中，虚拟环境也在发挥着重要作用，并且十分有效。数字孪生就是一项在虚拟环境中运行的技术，它能应用于众多全球化产业，如工业、医疗、建筑等，并能为这些产业带来诸多优势和价值。
当为现有的对象或系统创建数字孪生时，它在该特定对象或系统的整个生命周期中仍然与其原始的现实世界的物理对象相连接。这种连接性是数字孪生的一个重要特点。借助这种连接性，现实世界对象或系统的所有实时数据都可以传输到数字孪生模型，并实时更新。因此，数字孪生模型本质上并不是静态的，它会随着其复制的现实对象的变化而变化，即它会随着现实对象的实时数据的变化而自动更新。当现实对象发生任何变化时，数字孪生模型也会发生相应的变化，这是数字孪生的一个巨大优势。
数字孪生的这个优势决定了它强大的应用价值。在辅助产品设计，制造过程管理，以及产品、生产设备和系统的监控和优化方面，数字孪生能为各利益方带来显著的价值。
为了促进产品或设备创新，实验是不可或缺的一环。对于现有产品，同样可以通过实验来改进和完善，从而推出新版本。无论是针对新产品还是现有产品，即使在实验中采取了所有必要措施和预防措施进行谨慎的干预，实验结果仍充满变数。
实验一旦成功，就能给产品带来巨大价值；但产品也可能会在其生命周期中随时遭遇问题，从而产生不利影响。因此，人们希望有一项新技术，可以预测产品在其生命周期的任何阶段可能遇到的问题，并采取必要的预防措施，避免问题在现实中发生。数字孪生则是针对这类情形的最佳选择。
数字孪生可以预测出产品可能遇到的问题。这不仅仅局限于产品，也可以是任何系统或流程。因此，数字孪生有能力将问题扼杀在摇篮中。
尽管数字孪生概念的提出已有数十年的历史，但它只是在近几年才开始展现其影响力。在工业4.0的浪潮中，它预示着行业格局的重大变革，特别是在制造领域。
数字孪生是工业4.0蓝图的重要组成部分，数字孪生可模拟和优化生产系统，推动制造业的变革。众多要素共同驱动制造业的未来发展，数字孪生便是其中之一。日益盛行的信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）、物联网（IoT）、大数据分析和云计算等，为数字孪生在制造业的低成本和系统化实施铺平了道路。
当前，致力于构建复杂系统的全属性的先进产品制造商，对数字孪生技术表现出了极大兴趣。数字孪生的成功实施，关键在于其创造的价值，即对制造商和终端用户带来的价值总和。 The digital twin: Realizing the cyber-physical production system for industry 4.0 （Uhlemann，2017）（《数字孪生：实现工业4.0的信息物理生产系统》）提出了在中小企业实施数字孪生生产系统的建议，并且阐述了数字孪生对制造业产生的巨大影响。
数字孪生在制造业预算管理中扮演着节省成本的关键角色。无论是设备、产品还是系统预算，制造业预算往往为潜在问题预留空间。一旦企业完成预算编制，生产过程中的产品或对象可能因各种原因需要返工或遇到一些问题从而产生浪费；若能预防这些问题或浪费，便能降低成本，无论生产对象为何。数字孪生还能减少停机时间，实现预测性维护。这不仅能节省成本，还能确保产品按时交付，满足客户对交付期限的要求。
在任何情况下，因制造过程中的问题返工都会增加成本和工时。若数字孪生能预防问题、错误或停机，并进行预测性维护，生产任务便能按时完成，满足交付期限要求，无需额外工时。
数字孪生技术的另一个巨大优势是它能够以数字形式呈现原始产品或系统等，现实世界对象或系统中正在发生的变化也会在数字孪生模型中同步发生，这是数字孪生的核心功能。一旦数字孪生创建完成，无论它是产品孪生还是系统孪生，由于它们是在虚拟环境中运行的，人们不需要亲临现场即可远程监控，提升了观察和监控的效率。
与推动数字孪生技术发展和应用的其他关键因素一样，数字化的广泛应用及其可访问性对数字孪生技术也具有直接或间接的重要作用。若数字化发展不足、传播不广或难以访问，那么数字孪生技术在各行业的快速渗透将会受阻。因此，数字化的广泛应用和可访问性对数字孪生技术的发展产生了非常重要的积极影响。
如今众多行业应用数字孪生技术已经是一个显著和新兴的趋势，其中包括建筑业、服务业、工业等。建筑业已经为数字孪生提供了众多应用场景，例如，数字孪生城市的设计就是通过数字孪生对真实城市进行建模，生成数字化映射。 Exploring technology-driven service innovation in manufacturing firms through the lens of service dominant logic （West，2018）（《从服务视角探讨制造企业技术驱动的服务创新思维方式》）提出为了在产品服务系统中提供数字化服务，有必要了解一些如服务生态系统、服务平台和价值共创的相关内容。 On the requirements of digital twin-driven autonomous maintenance （Khan，2020）（《数字孪生驱动的自主性维护需求》）指出人们越来越倾向于通过数字孪生进行自主性维护。 Exploring the role of digital twin for asset lifecycle management （Macchi，2018）（《探索数字孪生在资产生命周期管理中的作用》）指出数字孪生有望丰富现有的资产信息管理系统。将数字孪生与可信的数据共享技术（如区块链）相结合，可以为研究供应链开辟新赛道，集成的数字孪生和区块链构架使所有数据交易都可追踪。
在各行业应用数字孪生都能产生很多效益，例如，数字孪生可用于制造业环境分析。制造业的传统定义是将原材料转化成物理产品的过程，在这个过程中，数字孪生能够通过对制造环境进行优化、维护和运营监控，从而产生价值。在其他重要行业，如医疗行业，数字孪生也非常有价值，后续章节还会对数字孪生在不同行业的应用价值进行详细讨论和说明。
2017年，数字孪生被Gartner（高德纳）评为十大战略技术趋势之一，数字孪生的技术优势将有助于数字孪生获得更高的知名度。
在对数字孪生进行了简要介绍后，接下来将介绍数字孪生的基本定义及相关说明。