左图为天问一号探测火星示意图。
图片来源：国家航天局
右图为海尔集团利用数字孪生技术实现工厂的三维可视化。
年5月15日，历经9个多月的长途跋涉，中国火星探测器天问一号成功着陆火星表面，迈出了我国星际探测征程的重要一步。这背后离不开中国航天人的攻坚克难、卓越创新，也离不开数字孪生等一系列先进技术的支撑。
随着三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等技术的广泛应用，人类社会进入三维体验时代。对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁，乃至整个城市，都可以建立三维数字化模型。数字模型不仅可以与物理对象形态高度相似，还可以实现性能仿真，几乎做到全要素映射。在物理对象从研发设计、制造建造、服役到报废回收再利用的全生命周期中，可以通过虚实映射来优化设计方案，提升运行效率，监测运行情况，预测潜在故障和事故风险。这种打通物理世界和数字世界，实现虚实融合的复合技术，被称为数字孪生（DigitalTwin）。
从天问一号的星际之旅谈起
我国自主研制的天问一号火星探测器于年7月23日发射升空；经过1次深空机动和4次中途修正，于年2月10日成功进入火星轨道；5月15日，天问一号成功穿越火星大气层，着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区；5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，到达火星表面，开始了对火星的探测之旅。
实现这个极其复杂的科学任务，就应用到数字孪生技术。我们知道，开发普通产品时，工程师可以通过实物试验来测试产品性能，修改设计方案，不断迭代优化。而天问一号无法在真实应用场景进行实物试验，因此科学家除了在地面对实物样机进行性能测试之外，还需要对天问一号的各个子系统、从地球飞向火星的轨迹以及火星大气和着陆区环境等建立数字孪生模型。在产品研发过程中进行全数字化仿真，在原型样机制造出来之后进行半实物仿真。所谓半实物仿真，指的是仿真对象是物理实体，而运行环境用软件来模拟。在天问一号飞向太空和着陆火星的过程中，则通过卫星通信传回的实时数据，对其数字孪生模型进行仿真分析，从而判断飞行轨迹和运行状态是否正常，以便及时调控。为了帮助观众更好地理解，电视直播往往也会使用对航天器数字化模型进行运动仿真的视频动画。
“数字孪生”这一术语最初就应用于航空航天领域，为的是解决航空航天飞行器的健康维护与保障问题。从诞生之初就可以看到，数字孪生是融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能和虚拟现实等多种新兴技术在内的复合技术。数字孪生技术能迅速成为热潮，也源于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网等关键技术的蓬勃发展与交叉融合。
以智能为目标的广泛应用场景
近年来，数字孪生技术的应用日渐广泛，在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域都有广阔的应用场景。
数字孪生技术应用中