开车的人都怕遇到这种情况：车辆在野外突然抛锚，自己不会修，附近也没维修店。如果这辆车配有一个数字孪生系统，与它一同运转，实时显示车辆各部分运行状况，提前告知可能会出现的故障以进行维护，那么就能减少车辆意外抛锚情况的发生。

这项功能被称为“预测性维护”，是数字孪生技术的重要优势。数字孪生是指物理空间中的对象在虚拟空间中的数字模型，该模型通过传感器随时获取真实物体的数据，并随之一起演变、成熟甚至衰老。利用该模型，人们可以对物理对象进行分析、预测、诊断或者训练，从而优化和决策。这个数字模型就像是真实物体的孪生兄弟，因而得名。小到一颗螺丝钉，大到一座城市，物理世界中的各种事物均可拥有数字孪生模型。

数字孪生并不是全新技术，而是建模仿真技术在制造领域的新发展之一。与一般的建模仿真相比，数字孪生的模型是数字化、动态的，数字模型与其物理对象始终保持一致。数字孪生这一术语最早应用于航空航天领域，即用数字孪生模拟飞行器执行任务前的虚拟飞行，从而对各项参数进行分析和优化。此后，数字孪生越来越受到工业界和学术界的关注。

目前，数字孪生技术主要应用于工业领域。在虚拟空间构建产品的数字孪生模型，完成产品设计、工艺优化，甚至模拟工厂布局，实现资源调配、智能化生产，显著提高生产效率。德国西门子公司推出了较为完整的企业数字孪生体系，用数字孪生技术打造虚拟车间、数字工厂。美国通用公司在其工业互联网平台Predix上利用数字孪生技术，对飞机发动机进行实时监控、故障检测和预测性维护。美国特斯拉公司为其生产的车辆配备了数字孪生模型，通过传感器接收数据、实时更新程序。据估计，到2021年，全球50%的大型工业企业将使用数字孪生技术，效率将提高10%。

数字孪生将是数字化转型的重要内容。结合物联网、5G、大数据、云计算、虚拟现实等技术，数字孪生的应用空间正不断扩展。数字孪生技术可以给医疗保健和病人护理带来革命性变化。患者穿戴上传感器，由人工智能进行实时监测的数字孪生模型就随之生成，其体征变化会如实反映在模型上。医生可时刻监测病情进展，第一时间发现问题，并在数字孪生模型上进行试验，以获得最佳治疗方案。数字孪生技术还可以大大缩短新药从开发到上市的时间。此外，城市管理、智慧农业、教育培训等都将是数字孪生技术的重要应用领域。

不过，数字孪生技术的发展也面临许多挑战。其中最主要的是保证所建立数字模型的可信性。建立一个高质量的数字模型，并使其能够最大程度反映物理对象的特性，这一工作仍任重道远。目前，数字孪生在很多场景还只能作为决策辅助或参考。

(作者为北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授、国际建模仿真学会前主席 张霖)