元宇宙的本质就是数字化的延伸，或者说是下一代的互联网形态。
如果说元宇宙终极形态是100分，现在科技水平能做到1分。
所以目前元宇宙有两部分组成——傻子和骗子。
最接近元宇宙并已经落地的技术我能想到的只有数字孪生。
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数字孪生（Digital Twin）是基于历史数据、实时数据以数字化的形式创建物理实体的虚拟实体。随着3D可视化、大数据、传感器、人工智能等技术的更新迭代，数字孪生在数据中心、智慧制造、智慧城市、医疗健康和国防工业等领域不断深化发展。
说到数字孪生的创始人，可能大家会不约而同的想到一个人——密西根大学Michael Grieves教授。
2002年Michael Grieves在为PLM（产品生命周期管理）中心成立而向工业界发表演讲而制作的幻灯片中，首次提出了PLM概念模型，模型中出现了现实空间、虚拟空间，从现实空间到虚拟空间的数据流，从虚拟空间到现实空间的信息流，以及虚拟子空间的表述，按后来Michael Grieves自己的说法，这已经具备了数字孪生所有的要素，如下图所示。
2003年Michael Grieves在讲授PLM课程时初次使用了“Digital Twin（数字孪生）”； 这个概念也被称为“与物理产品等价的虚拟数字化表达”，但是在当时并没有得到行业内的积极响应。或许Michael Grieves教授也没想到，十多年后，数字孪生会受到各界人士的广泛追捧。
2012年NASA给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程
2014年Michael Grieves撰写了Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication（数字孪生：通过虚拟工厂复制实现卓越制造）,至此，数字孪生概念被正式提出。
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数字孪生是指在信息空间构建一个可以映射表征物理设备的虚拟系统，它们之间的联系并不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。
数字孪生概念提出以后，很快被应用于美国国防部的航空航天飞行器维护与保障工作中。随着科技的快速发展以及各种人工智能需求的提升，数字孪生技术也逐渐被原来越多的人所研究和使用，德国的西门子、法国的达索、美国的PTC等知名工业软件公司都在其对外宣传中引用了“Digital Twin”的话术，而且也在概念、内涵、构建、技术等方面做了很多深入的研究和扩展。到目前为止，数字孪生尚无业界公认的标准定义，其概念以及相关技术也还在发展和演变中，以下罗列了当前从不同角度、不同方向对数字孪生概念的定义：
（1）官方定义
数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
（2）标准化组织中的定义
数字孪生，是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。
（3）学术界的定义
数字孪生，是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。
（4）企业的定义
数字孪生，是资产和流程的软件标识，用于理解、预测和优化绩效以实现企业业务成果的改善。
通过对数字孪生的多角度定义可以发现，数字孪生的几个关键词“数据”、“实时”、“传输”、“模拟”、“生命周期”、“双向”。通俗来讲，数字孪生就是创建一个空间实体的数字版“克隆体”，也可以称为“数字孪生体”，它最大的特点就是能接收实体对象的历史和实时数据，也可以通过一定得计算、模拟、分析反向控制实体对象的动作。也就是说，这个“数字孪生体”是“聪明的”并且会“动”的。
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物理实体与数字孪生体的关系主要有以下几点：
（1）映射关系
物理实体与数字孪生体从映射关系上看，一实一虚，二者相互对应。
（2）诞生顺序
物理实体与数字孪生体从诞生顺序上看，先有物理实体，再有数字孪生体。物理实体是数字孪生的基础，是其基础数据的来源，而数字孪生体又是对物理实体的进一步展现、放大、与控制。二者的融合正在促进现代新工业的发展。
（3）重要性
物理实体与数字孪生体从重要性上来看，没有物理实体就无法完成实体工业的必须过程，无法生产出国计民生所需要的物质基础；没有数字孪生体，就无法实现对实体工业的智能推演、控制，阻碍了新工业的转型升级。所以，要想更好的推进社会的发展，必须坚持虚实结合的方针，二者缺一不可。
（4）创新性
物理实体与数字孪生体从创新性上来看，二者的结合让在产品研发、调试、生产等环节有了更多的选择性，节约了更多的成本投入，也为更多新技术、新模式、新工业的产生提供了可能性。
从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性、闭环性几个特点。
（1）互操作性
物理实体与数字孪生体之间可以双向映射、动态交互并且实时连接，数字孪生可以将处理后的多类型数字模型映射、反馈给物理实体，具有数字模型转换、控制的能力。
（2）可扩展性
数字孪生可集成、添加或替换数字模型，能随时添加若干拓展结构，包括且不限于多尺度、多物理、多层级的模型内容。
（3）实时性
数字孪生离不开数据，并且必须要以数字化的方式来对数据进行管理，以便计算机可识别、处理。
我们知道物理实体不管是否可见都是客观存在的，而数字孪生体最基本的就是要对物理实体进行表征，要表征什么东西呢？一个就是外观，一个是状态，一个是内在机理，这些表征数据必须是实时的才能保证二者的虚实映射关系。
（4）保真性
数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如某些场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。
（5）闭环性
当数字孪生体拥有了物理实体的实时状态，我们就可以描述和分析物理实体的内在机理，否则，我们只是建立了物理实体的可视化模型，虽然也是实时的、变化的，但是它只是展现了物理实体的外部表征，对于其内部机理并无实质性研究，我们不能讲数字孪生得虚实映射仅停留在表层映射层次，更要研究其内部机理的映射。
这种内部机理的映射，其实就是赋予数字孪生体一个强大的“大脑”，由大脑通过对物理实体数据的监视、分析、推理、优化、运行实现决策，进而控制物理实体。因此数字孪生具有闭环性。
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随时技术的进步，数字孪生不断的深化发展，已经演化为一个新的产业。
虽然数字孪生是近20年提出的概念，但是实际应用的很早。
泛的讲，数字孪生早在几千年前就已经出现并且被人类运用到了军事战斗中，例如古代行军打仗必备的指挥作战工具——沙盘。
兵圣孙子曰：“夫地形者，兵之助也。”
自古以来，军事家总是希望能居高临下，纵览整个战区或战场的地形特征及变化态势，赢得战争的胜利，这也是最早的孪生体“沙盘”诞生的主要原因。
沙盘在我国的历史可以追溯到东汉时期，公元32年，汉光武帝征讨陇西的隗嚣时名将马援利用米首次创造出了立体沙盘（在当时也许称之为 “米盘”更为贴切），聚米为山谷，指画形势，以直观展示陇地道径、险要，从而明确汉军的最佳进军路线，这也让汉军轻松穿越数处关隘，在巍巍陇山之中如履平地，仿佛就在自己家门口作战一般。打得隗军优势尽丧，苦不堪言。
由此可见，在古代人们已经知道可以构建实体事物的孪生体来促进和帮助实体事物更好的达到预期效果。但是当时，受认知以及技术的所迫，人们对于孪生的认识还仅仅局限于模型层次，无法做到现实实体与虚拟孪生体间的数据互通。
随着科技的发展，数字孪生体又被应用在航天计划中，
虽然从文献资料上看，直到2010年NASA（美国国家航空航天局）才首次在其太空技术路线图中引入了数字孪生的相关表述，但事实上早在上世界60年代NASA就有了“孪生”的概念，只不过当时的两个物体都是真实的物理实体飞行器。
1961年到1972期间美国组织实施了一系列载人登月飞行任务，命名为Apollo program （阿波罗计划），目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备，它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。
在阿波罗工程中，NASA建设了一套完整的、高水准的地面半物理仿真系统，即构建了两个相同的航天飞行器，一个发射到太空执行任务，另一个留在地球实时实时反馈太空中飞行器的工作状态，被留在地球上的飞行器被称为孪生体（twin），被用来实时反馈正在太空执行任务的飞行器的状态和状况。在阿波罗工程的飞行准备期间，被称为孪生体的空间飞行器被广泛应用于训练；在任务执行期间，被称为孪生体的空间飞行器在地面精确的反馈和预测正在执行任务的太空飞行器的状态，进而辅助工程师分析处理各种紧急事件，让航天员在紧急情况下做出最正确的决策。
1970年4月，在阿波罗13号（Apollo 13）发射运行两天后，其服务舱的氧气罐发生爆炸，要知道飞船上的央企供应并非仅仅是供应呼吸，还用于与氢气混合以产生电力与水，这次爆炸，让Apollo 13突然之间失去了供电和维系生命的主要物质来源。而且Apollo 13的两台液氧罐都是被放在一同一个模块内的，包括向两个罐输送氧气的细小管路，因此，尽管从外部看一号罐并未遭受严重破坏，但其与二号罐之间的连接管路发生了破损，这就加速了Apollo 13氧气的泄露。
爆炸发生后，地面指挥中心所做的一切工作都是为了能让三位宇航员顺利的返回地球，保证他们的生命安全，因为大家心里都明白任何盲目的错误决定都可能实惠航天器的进一步破坏。那么，地面指挥中心该如何判断一个远在30万公里外的飞行器的状况呢？又该如何解决这个故障呢？这时就应用到了NASA的训练模拟器了。
在Apollo 13发射前，NASA已经陆续的发射了一些太空飞船，就在之前发射的Apollo 10号的准备过程中，工作人员进行了一系列的故障模拟测试，其中就包括了飞船在接近月球轨道时出现燃料电池故障的模拟，而这种模拟情况与Apollo 13目前的状态十分相似。在模拟环境中，指挥中心的工作人员想让宇航员利用登月舱作为救生舱，返回地球，但是很遗憾，在Apollo 10的模拟过程中，他们没能及时独立的启用登月舱系统，导致了模拟环境中的宇航员还是没能得救。这次模拟的失败让地面控制人员开发了新的控制程序，以备登月舱在指令舱系统故障时能够作为备用救生舱使用，而这也成为了Apollo 13的宇航员能顺利返航的关键因素，在Apollo 13爆炸发生后，经各方研究决定启用了这一救援方式，三名宇航员最终顺利的返回地球。
阿波罗13号登月舱飞行员小弗雷德参加模拟训练，他身处于肯尼迪航天中心宇航员训练大楼的阿波罗登月舱任务模拟器中。
从阿波罗计划我们可以看出，当时的数字孪生，其实就是通过孪生体反映真实物理实体的情况，进而帮助真实物理实体的使用者或控制者产生更精准的处理行为。
它具有两个显著的特点：
（1）孪生体与物理实体在外表（指产品的几何形状和尺寸）、内部构造（指产品的组成）和性质（指产品的功能和性能）上完全一致；
（2）通过仿真等方式来镜像/反映真实物理实体的运行情况/状态。
在特定的工程实践中，人类已经逐渐意识到了孪生体建设的重要性，又随着各种科技的高速发展，特别是软件技术与仿真技术的发展，使其构建的孪生体在功能、行为等方面可以用计算机系统替代物理实体的孪生体。
这时候，再提出数字孪生的概念，就成为水到渠成的事情了。
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美国国航局与Michael教授有长期的合作关系，而数字孪生技术在航天器的研发和运营中可降低物理样机的成本，也可在运营阶段实现对航天器的远程监控和故障检测，这就促使了数字孪生被美国国航局作为了关键技术，NASA还在2010年的技术目标中明确了“数字孪生体2027计划”，希望通过近20年的研发，建立数字孪生体工程体系。
美国空军也发现了数字孪生的重要意义，在2013年《全休地平线》顶层科技规划文件汇总，将数字线索和数字孪生并列视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。美空军与波音合作构建了F-15C机体数字孪生模型，开发了分析框架：综合利用集成计算材料工程等先进手段，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；配合先进建模仿真工具，实现了残余应力、结构几何、载荷与边界条件、有限元分析网络尺寸以及材料微结构不确定性的管理与预测。综上，即可预测结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。（源自刘亚威先生于2017年9月在中国航空科技大会会议发表的稿件）
2013年的汉诺威工业博览会上德国政府正式提出“工业4.0”战略，其目的就是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。该战略得到了德国科研机构和产业界的广泛认同，西门子公司率先将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统，并于2016年就开始尝试利用数字孪生体来完善工业4.0应用。从产品设计到生产线设计，到设备制造方的机械设计和工厂的规划排产，到最后制造执行和产品大数据，德国西门子公司就是用仿真模拟了一些工厂的实际操作，贯穿了产品生命周期各个环节。
美国通用电气管理层也对“数字”概念产生了浓厚的兴趣，经过管理层的慎重思考，提出了近年来通用电气最广为人知的解决方案————数字孪生项目，即数字和实体产品的结合体。通用电气的领导层带领其团队打造了Predix云平台，并在该平台上构建了一套可以代表机器和流程的数字孪生，将工业资产和设备进行建模、控制、分析，以实现工业互联网。
以数字孪生在机器上的应用情景为例，发电厂的管理者接到一通电话，告知他安装在客户发电厂的一个发电涡轮机正出现一些状况，这个改变可能导致一个关键部件比平常更快损坏，不一定会立刻引起问题，但在未来几个月，可能会导致发电厂的整体性能下降。但打电话给他并不是人类操作员，而是涡轮机的数字孪生。“它是利用人工智能算法为机器所构建的数字复制品，并允许它像人类一样观察和行动，”Colin Parris（通用电气全球副总裁：柯林·帕里斯）如此形容数字孪生。他进一步表示，机器的数字孪生就是一个使用 AI 以及人类思维所构建的复制品，可以在很大程度上改善机器维修等令人头痛问题，改变未来行业的运作方式，对于通用电气和其他工业世界来说，这代表着数万亿美元的新增长机会。数字孪生将成为工业数据经济的主要支柱。
与美国、德国等工业大国相比，数字孪生在中国的关注与研究起步相对较晚。从2016年才开始有学术界、企业界、政府机构的相关专家、学者发表数字孪生相关的文献，到2018年达到一定规模。其中高校及科研院所是数字孪生理论研究的主力机构，企业是将数字孪生技术付诸实现的研发方，政府机构在数字孪生的概念、技术、标准、应用实践等方面开展了大量工作，为数字孪生在中国的发展起到了重要作用。天津卓朗科技也开展了数字孪生的计划，希望使用人工智能、3D可视化、大数据等技术，打通数据中心的规划、建设、运行的数据闭环。
到目前，数字孪生不仅仅局限于工业或制造业，更多的开始在智慧数据中心、智慧城市、智慧交通领域进行应用，并且在不断地完善着其形态和观念。
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为何数字孪生能受到众多国家、企业、科研人员的追捧？它到底能为我们的世界带来什么样的意义呢？接下来笔者将从各个行业的角度来分析数字孪生的实际意义。
通过对物理世界的多维度、多领域、多视图的数字仿真模拟，如下图所示，把物理世界的信息综合到数字世界中，对制造业的产线升级、效率提高有着至关重要的作用。
1）数字孪生可提高产品项目周期管理能力，有助于产品标准化生产。
在产品研发、制造、采销等环节建立数字孪生体，多层次的模拟产品在物理空间的情况转变，可根据数字孪生体的变化结果对产品外形、构造、销售方式进行新的设计，减少产品发售时间。同时可以构建产品生产车间的数字孪生体，对原材料输入、设备生产状况、车间生产能力、生产产品质检等进行模拟仿真测试，有效提高产品品质管理能力，清查生产阶段漏洞，降低质检部门工作难度，加强产品品质保障机制。
构建顾客、需求、市场、生产线、供应链、物流、售后维护等全产业链的数字孪生体，基于各产品模型系统进行工程整合，有助于传统工业制造业实现更为敏捷的商业模式。
2）数字孪生对于基建工程的意义也重大
以数据中心举例，因为数据中心对电、水、环境温度要求比较高，首先在前期选址规划时，规划人员可以通过虚拟孪生体的场景进行调整和模拟布局，对不同的规划进行预测分析从而获得最佳建设位置；
其次在施工建设阶段，数字孪生可对工程建设的流程进行动态模拟，在虚拟场景中对原料比例、建筑结构进行模拟调整，反馈到现实建设中促使资源最优化利用，实现效益最大化。
最后在运营管理阶段，运维人员可基于虚拟数字孪生体的数据、进行实体建筑问题的预测、诊断、决策，更快、更好、更精准的处理各类故障。
3）数字孪生对于智慧城市的意义
目前有些城市采用了智能路灯和井盖，可是实时收集数据信息，虚拟数字孪生城市是实体现实城市的虚拟映射对象和智能操控体，二者虚实对应、相互映射、相互影响、协同交互，数字孪生城市可全状态实时化、可视化的展示当前现实城市社会状况，并可根据历史数据，自动化、智能化的对城市进行管理，节省财力、人力成本。
4）数字孪生对于智慧医疗的意义
目前几乎所有医院总是人满为患，好的科室更是要提前几天甚至几个月来预约；终于到了预约的日子，又要在医院停车场一圈一圈的找车位；终于找好车位了，又要排队取号、排队看医生；看到医生没说几句，就开了一堆检查单，然后又开始排队预约检查、到日子来医院检查、等检查结果、取检查结果、再预约挂号看检查结果...如此下来，患者被折腾的筋疲力尽，医闹事件频发。 大家可以畅想下未来的应用场景。当有了医疗数字孪生体，首先我们可以通过智能穿戴设备打造一个患者人身数字孪生体，通过这个孪生体结合大量医学数据，可以自动判别患者的疾病并给出对应治疗，无需往返医院；其次如果真的需要实际前往医院治疗，医疗数字孪生体可根据当前院内车流数据、排队病患数据给出最佳的前往时间，极大的减少患者就医等待时间，医生看诊时也可直接参考智能穿戴设备提供的数据，减少了患者检查时间，增加了临床诊断的准确性，如图1-12所示，这是OnSacle研发的“数字双肺”模型，可预测新冠肺炎患者的通气需求.
4）数字孪生的通用意义
从通用角度上来说数字孪生通过虚实空间的映射，生成可拆解、可复制、可修改、可删除、可重复操作的数字孪生体，这极大的方便了人们对物理实体的掌控，降低了对物理实体的操作代价；同时数字孪生体可以结合物联网的数据收集、大数据处理和人工智能的分析，对当前实体设备的状态进行评估，对问题进行诊断，对未来发展进行预测，为最后的决策提供全方面的支持；最终方便了人们对物理实体的设计、制造和服务。
过去，产业数字化作为一种趋势，可以让数据、信息、场景都变得可视化、流程化和个性化；现在，有了数字孪生技术的加入，数字就多了一种更立体、更直观的展示形式。总得来说数字孪生通过数据的积累保存了经验的数字化，为未来的状况提供了更加自动化、智能化的诊断和处理，拥有更全面的分析和预测能力，让我们的生活更便捷。
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一点积累分享给大家，如果大家有数字孪生相关的需求，欢迎联系我。
