數(shù)字孿生（Digital Twin）是物理實(shí)體的數(shù)字化映像。它是從設(shè)計(jì)/仿真，延伸到產(chǎn)品全生命周期。CPS內(nèi)涵中的虛實(shí)雙向動(dòng)態(tài)連接，有兩個(gè)步驟，一是虛擬的實(shí)體化，如設(shè)計(jì)一件東西，先進(jìn)行模擬、仿真，仿真再制作出來；二是實(shí)體的虛擬化，實(shí)體在使用、運(yùn)行的過程中，把狀態(tài)反映到虛擬端去，通過虛擬方式進(jìn)行判斷、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。
在可靠性理論中，認(rèn)為產(chǎn)品失效（即喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象）是由外部環(huán)境、工作條件以及產(chǎn)品內(nèi)部的失效機(jī)理共同作用的結(jié)果。換言之，要實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品可靠性的精確預(yù)測(cè)，需要同時(shí)考慮產(chǎn)品本體和環(huán)境因素的影響。因此模型中的可靠性數(shù)字孿生對(duì)象包含實(shí)體和環(huán)境兩部分。
在將虛實(shí)映射模型應(yīng)用到產(chǎn)品全生命周期可靠性領(lǐng)域時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)階段一般沒有產(chǎn)品實(shí)體和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境存在，因此將物理—虛擬之間映射關(guān)系的建立分為設(shè)計(jì)階段和制造/試驗(yàn)階段，且兩個(gè)階段的虛實(shí)映射機(jī)制都包含4個(gè)環(huán)節(jié)——建模、描述、診斷和預(yù)測(cè)。其中，由實(shí)向虛的映射是建模，包括通過從物理空間提取數(shù)據(jù)用于虛擬空間的建模，以及持續(xù)的模型完善；而由虛向?qū)嵉挠成涫峭ㄟ^模型仿真，是先實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間的精準(zhǔn)描述，在此基礎(chǔ)上診斷可能出現(xiàn)的狀況，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)。
數(shù)字孿生特點(diǎn)：
數(shù)字孿生的生命周期分為兩個(gè)階段，一個(gè)是型號(hào)（TYPE）階段，一個(gè)是實(shí)例（Instance）階段，每個(gè)階段有研發(fā)、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)。產(chǎn)品的生命周期是從使用開始，要研究客戶使用產(chǎn)品，與此同時(shí)進(jìn)行型號(hào)的設(shè)計(jì)，工程、工藝的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行產(chǎn)品的工藝仿真，到使用維護(hù)的仿真，等有了訂單后，再進(jìn)行定制化，改變TYPE，然后再進(jìn)行制造、檢測(cè)、培訓(xùn)、使用，這樣構(gòu)成完整的產(chǎn)品的全生命周期。它有如下主要特點(diǎn)：
一是機(jī)器可讀。制造領(lǐng)域技術(shù)數(shù)據(jù)繁多而雜亂，有圖紙、BOM、工序、數(shù)控程序、設(shè)備配合參數(shù)，而數(shù)字孿生首要解決的是單一數(shù)據(jù)源，做到數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人能否從它那里直接讀到有用信息。
二是數(shù)字孿生可以直接對(duì)設(shè)計(jì)的“理論值”和加工的“實(shí)測(cè)值”進(jìn)行直接比較和分析。
三是數(shù)字孿生可用于生產(chǎn)模擬，可以對(duì)自動(dòng)或手工作業(yè)進(jìn)行模擬，包括裝配、機(jī)器人焊、鍛鑄和車銑刨磨等。
四是數(shù)字孿生是價(jià)值網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的基礎(chǔ)，包括廠際、供應(yīng)鏈上下游之間、乃至全球范圍的協(xié)作企業(yè)。
數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)
第一步是3D設(shè)計(jì)+PMI（Product Manufacturing Information），PMI包括了物理產(chǎn)品的幾何尺寸、公差，以及3D注釋、完工要求、工藝注釋、材料指定和焊接符號(hào)等；
第二步，在3D設(shè)計(jì)+PMI的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)MBOM（Manufacture BOM，即制造BOM）+BOP（BOM-Bill of Process，即工藝設(shè)計(jì)）；
第三步，使用部分則實(shí)現(xiàn) Product Memory，即產(chǎn)品檔案，包含技術(shù)追溯、物料追溯、測(cè)量結(jié)果等；
第四步實(shí)現(xiàn) O&S（即Operations and Sustainment，即使用和維護(hù)），Operations這里主要是指操作，Sustainment既包括維修、保養(yǎng)，也包括升級(jí)和改造。
數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)方法有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：
首先，它主張單一數(shù)據(jù)源（Unified Repository，UR）；
其次，三維設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)注PMI，由MES建立BOP，寫入產(chǎn)品檔案；
最后，Product Memory要能夠?qū)崿F(xiàn)除標(biāo)準(zhǔn)件之外的所有件都可以追溯。這要依靠物流體系的追溯方法。
數(shù)字孿生應(yīng)用
1，預(yù)見設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過程；
2，推進(jìn)設(shè)計(jì)和制造高效協(xié)同；
3， 確保設(shè)計(jì)和制造準(zhǔn)確執(zhí)行。
隨著工業(yè)傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，未來數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界會(huì)是一體兩面。一些嗅覺敏銳的工廠及生產(chǎn)線引入數(shù)字孿生，在沒有建造之前，對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)，有效減少誤差和風(fēng)險(xiǎn)。待廠房和生產(chǎn)線建成之后，日常的運(yùn)行和維護(hù)通過數(shù)字孿生進(jìn)行交互，能夠迅速找出問題所在，提高工作效率。數(shù)字孿生不僅指產(chǎn)品的數(shù)字化，更包含工廠本身和工藝流程及設(shè)備的數(shù)字化。
