一、數字孿生發展背景
“孿生”的概念起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”，即搭建兩個相同的航天飛行器，其中一個發射到太空執行任務，另一個留在地球上用作反映太空中航天器在任務期內的運行狀態，進而輔助工程師深入分析處理太空中發生的突發事件。當然了，這里的兩個航天器全部都是真實存在的物理實體。
2003年前后，關于數字孿生（DigitalTwin）的構想首次發生于Grieves教授在美國密歇根大學的產品生命周期管理課程上。但是，當時“DigitalTwin”一詞還沒被正式提出，Grieves將這個構想稱為“ConceptualIdealforPLM（ProductLifecycleManagement）”，如下圖所示。即便如此，在該構想中數字孿生的基本思想已經有所體現，即在虛擬空間搭建的數字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體生命周期的運作軌跡。
直至2010年，“DigitalTwin”一詞在NASA的技術報告中被正式提出，并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”。2011年，美國空軍探究了數字孿生在飛行器健康管理中的應用，并詳盡探討了實施數字孿生的技術挑戰。2012年，美國國家航空航天局與美國空軍聯合發布了關于數字孿生的論文，指出數字孿生是驅動未來飛行器發展的核心技術之一。在接下來的幾年中，愈來愈多的研究將數字孿生應用于航空航天領域，包括機身設計與維修，飛行器能力評估，飛行器故障預測等。
近些年來，數字孿生得到愈來愈廣泛的傳播。與此同時，有賴于物聯網、大數據、云計算、人工智能等全新一代信息技術的發展，數字孿生的實施已逐步成為可能。現如今，除了航空航天領域，數字孿生還被應用于電力、船舶、城市管理、農業、建筑、制造、石油天然氣、健康醫療、環境保護等行業領域。尤其是在智能制造領域，數字孿生被認為是一種實現制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如Gartner、德勤、中國科協智能制造協會）對數字孿生給與了高度重視，并且開始探究基于數字孿生的智能生產新模式。
二、數字孿生的概念及典型性特征
標準化組織中的概念：數字孿生是具備數據連接的特定物理實體或流程的數字化表達，該數據連接可以確保物理狀態和虛擬狀態之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程流程的整個生命周期的集成視圖，有利于優化整體的性能。
學術界的概念：數字孿生是以數字化方式構建物理實體的虛擬實體，利用歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體生命周期流程的技術手段。
從本質上講，數字孿生可以定義為有利于優化業務績效的物理對象或流程的歷史和當前行為的不斷發展的數字資料。數字孿生模型基于跨一系列維度的大規模，累積，實時，真實世界的數據測量。
企業的定義：數字孿生是資產和流程的軟件表示，用于理解、預測和優化績效以完成改進的業務成果。數字孿生由三個部分組成：數據模型，一組分析或算法，以及知識。
數字孿生公司早就在行業中立足，它在整個價值鏈中改革創新了流程。作為產品，生產過程或性能的虛擬表示，它使各個流程階段得以無縫鏈接。這可以不斷提高效率，最大程度地降低故障率，縮減開發周期，并開辟新的商業機會：換言之，它可以造就持久的競爭優勢。
從數字孿生的概念可以看出，數字孿生具備以下幾個典型性特點：
1、互操作性：數字孿生中的物理對象和數字空間可以雙向映射、動態交互和實時連接，因此數字孿生具備以多樣的數字模型映射物理實體的能力，具備可以在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性。
2、可擴展性：數字孿生技術具備集成、添加和替換數字模型的能力，可以針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行拓展。
3、實時性：數字孿生技術要求數字化，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數據以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包含外觀、狀態、屬性、內在機理，形成物理實體實時狀態的數字虛體映射。
4、保真性”：數字孿生的保真性指描述數字虛體模型和物理實體的接近性。要求虛體和實體不僅要保持幾何結構的高度仿真，在狀態、相態和時態上也要仿真。值得一提的是在不同的數字孿生場景下，同一數字虛體的仿真程度可能不同。比如說工況場景中可能只要求描述虛體的物理性質，并不需要關注化學結構細節。
5、閉環性：數字孿生中的數字虛體，用以描述物理實體的可視化模型和內在機理，以便于對物理實體的狀態數據進行監視、分析推理、優化工藝參數和運行參數，實現決策功能，即賦予數字虛體和物理實體一個大腦。因此數字孿生具有閉環性。
三、數字孿生與其它技術的區別
數字孿生與仿真（Simulation）的區別：仿真技術是運用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數值計算和問題求解，反映系統行為或過程的模型技術，是將包含了確定性規律和完整機理的模型轉換成軟件的方式來模擬物理世界的方法，目的是依賴正確的模型和完整的信息、環境數據，反映物理世界的特性和參數。仿真技術僅僅能以離線的方式模擬物理世界，不具備分析優化功能，因此不具備數字孿生的實時性、閉環性等特性。
數字孿生需要依賴包含仿真、實測、數據分析在內的手段對物理實體狀態進行感知、診斷和預測，從而優化物理實體，同時進化自身的數字模型。仿真技術做為搭建和運行數字孿生的核心技術，是數字孿生實現數據交互與融合的基礎。在這個基礎之上，數字孿生必需依托并集成其它新技術，與傳感器共同在線以保障其保真性、實時性與閉環性。
數字孿生與信息物理系統（CPS）的區別：數字孿生與CPS都是運用數字化手段搭建系統為現實服務。在其中，CPS屬于系統實現，而數字孿生著重于模型的搭建等技術實現。CPS是通過集成先進的感知、計算、通信和控制等信息技術和自動控制技術，搭建了物理空間與虛擬空間中人、機、物、環境和信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代和動態優化。
相比較于綜合了計算、網絡、物理環境的多維復雜系統CPS，數字孿生的搭建做為建設CPS系統的使能技術基礎，是CPS具體的物化體現。數字孿生的運用既有產品、也有產線、工廠和車間，直接對應CPS所面對的產品、裝備和系統等對象。數字孿生在創立之初就確立了以數據、模型為主要元素搭建的基于模型的系統工程，更適宜采用人工智能或大數據等新的計算能力進行數據處理任務。
數字孿生與數字主線（DigitalThread）的區別：數字主線被認為是產品模型在各環節演變運用的溝通渠道，是依托于產品生命周期的業務系統，包含產品構思、設計、供應鏈、制造、售后服務等各個環節。在整個產品的生命周期中，通過提供訪問、整合以及將不同/分散數據轉換為可操作性信息的能力來通知決策制定者。
數字主線也是一個允許可連接數據流的通信框架，并提供一個包含生命周期各環節功能的集成視圖。數字主線有能力為產品數字孿生提供訪問、整合和轉換能力，其目標是貫通產品生命周期和價值鏈，實現全面追溯、信息交互和價值鏈協同。因此可見，產品的數字孿生是對象、模型和數據，而數字主線是方法、通道、鏈接和接口。
簡單地說，在數字孿生的廣義模型之中，存在著彼此具有關聯的小模型。數字主線可以確定這些小模型之間的關聯關系并提供支持。因此，從生命周期這個廣義的角度來說，數字主線是屬于面向生命周期的數字孿生的。
數字孿生和資產管理殼（AssetadministrationShell）的區別：源于工業4.0的資產管理殼，是德國自工業4.0組件開始，發展起來的一套描述語言和建模工具，從而使得設備、部件等企業的每一項資產之間可以完成互聯互通與互操作。借助其建模語言、工具和通訊協議，企業在構成生產線的時候，可具備通用的接口，即實現“即插即用”性，大幅度減少工程組態的時間，更好的實現系統之間的互操作性。
自數字孿生和資產管理殼的問世以來，更多的觀點是視二者為美國和德國的工業文化不同的體現。事實上，相較于資產管理殼這樣一個起到管控和支撐作用的“管家”，數字孿生就如同一個“執行者”，從設計、模型和數據入手，感知并優化物理實體，同時推動傳感器、設計軟件、物聯網、新技術的更新迭代。但是，基于這兩者在技術實現層次上較為相近，德國目前也正努力在把資產管理殼轉變為支撐數字孿生的基礎技術。