生產制造階段是數字孿生技術的一個關鍵應用環境。現階段個性化、多元化的市場消費觀念成為了主流，制造行業正面對日趨猛烈的市場競爭，面對著不可估量的時間、成本、質量、產品差異化等多方面的壓力。企業很難適應市場環境的突然變化，例如受此次受疫情的影響，如何運用技術手段迅速實現復工復產，是每一個制造企業都要面對的問題。
除此之外，企業還面對著許多 棘手的問題需要徹底解決，例如新產品研發和生產周期太長，難以實現從“以產定銷”到“按需生產”模式的轉變；企業投進大量的人力物力財力進行產品創新，卻難以精確評估新的產品能否可以在現有的制造條件下進行生產，因為新設計的產品必定需要新的工藝、新的工裝甚至于新的設備、新的生產線，如果在產品創新設計之初不認真評估新的產品的可制造性，則必定帶來不可估量的隱患。
而構建基于數字孿生技術的數字化工廠是徹底解決這些問題的最好途徑，通過依托于產品整個周期的真實有關數據，在虛擬環境中對生產全流程進行仿真、優化及重新構建。通過構建虛擬模型來模擬生產流程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設備進行數字操作。這就可以使企業能夠迅速配置生產系統，以最大限度地提高效率，提升資產利用率，避免停機，具有一定的靈活性。
一、數字孿生觀念的發展歷史
密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產品的數字表達”的觀念，并強調物理產品的數字表達應能夠抽象的表現物理產品，能夠基于數字表達對物理產品進行真實條件或模擬條件下的測試。這個觀念盡管沒有被稱作數字孿生，但是它具有數字孿生所具有的組成和功能，即構建物理實體的等價虛擬體，虛擬體能夠對物理實體進行仿真分析和測試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看成是數字孿生在產品設計環節中的運用。
在那之后，數字孿生的觀念逐漸拓展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印這些領域，而到了2014年之后，伴隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術的持續發展，更多的工業產品、工業設備具有了智能化的特征，而數字孿生也逐漸拓展到了包含制造和服務在內的完整的產品周期階段，并不斷完善著數字孿生的形態和觀念。
二、數字孿生觀念的不同形態
數字孿生技術貫穿了產品全生命周期中的不同環節，它同PLM的理念是不謀而合的。可以說，數字孿生技術的發展將PLM的能力和理念從設計階段拓展到了全生命周期。數字孿生以產品為主線，并在全生命周期的不同環節引進不同的要素，形成了不同環節的表現形態。
1、設計階段的數字孿生
在產品的設計階段，運用數字孿生可以提升 設計的準確性，并檢驗產品在真實環境中的性能。這個環節的數字孿生，主要涉及到以下功能：
1）數字模型設計：運用CAD工具開發出符合技術規格的產品虛擬原型，精確的記錄產品的各類物理參數，以可視化的形式呈現出來，并通過一系列的檢驗方式來檢驗設計的精確程度；
2）仿真模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數、可加快的仿真實驗，來檢驗產品在不同外部環境因素下的性能和表現，在設計階段就檢驗產品的適應能力。
2、制造環節的數字孿生
在產品的制造環節，運用數字孿生可以加快產品導入的時間，提升 產品設計的品質、降低產品的生產成本和提升 產品的交付速度。產品環節的數字孿生是一個高度協同的過程，通過數字化方式搭建起來的虛擬生產線，將產品自身的數字孿生同生產設備、生產流程等其它形態的數字孿生高度集成起來，實現以下的功能：
1）生產流程仿真：在產品生產之前，就可以通過虛擬生產的形式來仿真模擬在不同產品、不同參數、不同外部條件下的生產流程，實現對產能、效率及其可能出現的生產瓶頸等問題的提前預測，加快新產品導入的過程；
2）數字化產線：將生產環節的各類要素，如原材料、設備、工藝配方和工序要求，通過數字化的方式集成在一個緊密協作的生產流程中，并根據既定的規則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現自動化的生產流程；同時記錄生產流程中的各類數據，為之后的分析和優化提供重要依據。
3、服務環節的數字孿生
伴隨著物聯網技術的完善和傳感器成本的下降，許多工業產品，從大型裝備到消費級產品，都運用了大量的傳感器來收集產品運行環節的環境和工作狀態，并通過數據分析和優化來規避產品的故障，改善用戶對產品的運用體驗。這個環節的數字孿生，可以實現以下的功能：
1）優化客戶的生產指標：對于許多需要依賴于工業裝備來實現生產的工業客戶，工業裝備參數設置的合理性及其在不同生產條件下的適應能力，通常決定了客戶產品的品質和交付周期。而工業裝備廠商可以通過大量收集的數據，搭建起針對不同應用場景、不同生產流程的經驗模型，協助其客戶優化參數配置，以改善客戶的產品質量和生產效率。
2）產品使用反饋：通過收集智能化工業產品的實時運作數據，工業產品制造商可以洞察用戶對產品的真實需求，不僅可以協助用戶加快對新產品的導入周期、協助產品錯誤使用造成 的故障、提升產品參數配置的精確性，更可以精確的把握用戶的需求，協助研發決策失誤。
三、數字孿生的意義
1、更便捷，更適合創新
數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的技術手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，生成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像，這極大地加快了操作人員對物理實體的掌握，可以讓許多原先基于物理條件限制、必須依賴真實的物理實體而難以完成的操作，如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發人們去探尋新的途徑來優化設計、制造和服務。
2、更全面的分析和預測能力
目前的產品生命周期管理，極少可以實現精確的預測，因此通常難以對隱藏在表象下的問題提前進行預判。而數字孿生可以結合物聯網的數據收集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當下狀態的評估、對以往發生問題的診斷，及其對未來發展趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
3、經驗的數字化
在傳統的工業設計、制造和服務領域，經驗通常是一種模糊而難以把握的狀態，難以將其作為精確判決的依據。而數字孿生的一大關鍵性進步，是可以通過數字化的技術手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。比如說，針對大型設備運作過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其生成未來對設備故障狀態進行精確判決的依據，并可針對不同的形態的故障進行特征庫的豐富和更新，最終生成自治化的智能化診斷和判決。