數字孿生（Digital Twin）是物理實體的數字化映像。它是從設計/仿真，延伸到產品全生命周期。CPS內涵中的虛實雙向動態(tài)連接，有兩個步驟，一是虛擬的實體化，如設計一件東西，先進行模擬、仿真，仿真再制作出來；二是實體的虛擬化，實體在使用、運行的過程中，把狀態(tài)反映到虛擬端去，通過虛擬方式進行判斷、分析、預測和優(yōu)化。
在可靠性理論中，認為產品失效（即喪失規(guī)定功能的現象）是由外部環(huán)境、工作條件以及產品內部的失效機理共同作用的結果。換言之，要實現對產品可靠性的精確預測，需要同時考慮產品本體和環(huán)境因素的影響。因此模型中的可靠性數字孿生對象包含實體和環(huán)境兩部分。
在將虛實映射模型應用到產品全生命周期可靠性領域時，考慮到設計階段一般沒有產品實體和實際運行環(huán)境存在，因此將物理—虛擬之間映射關系的建立分為設計階段和制造/試驗階段，且兩個階段的虛實映射機制都包含4個環(huán)節(jié)——建模、描述、診斷和預測。其中，由實向虛的映射是建模，包括通過從物理空間提取數據用于虛擬空間的建模，以及持續(xù)的模型完善；而由虛向實的映射是通過模型仿真，是先實現對物理空間的精準描述，在此基礎上診斷可能出現的狀況，進而預測未來發(fā)展趨勢。
數字孿生特點：
數字孿生的生命周期分為兩個階段，一個是型號（TYPE）階段，一個是實例（Instance）階段，每個階段有研發(fā)、使用和維護等環(huán)節(jié)。產品的生命周期是從使用開始，要研究客戶使用產品，與此同時進行型號的設計，工程、工藝的設計，然后進行產品的工藝仿真，到使用維護的仿真，等有了訂單后，再進行定制化，改變TYPE，然后再進行制造、檢測、培訓、使用，這樣構成完整的產品的全生命周期。它有如下主要特點：
一是機器可讀。制造領域技術數據繁多而雜亂，有圖紙、BOM、工序、數控程序、設備配合參數，而數字孿生首要解決的是單一數據源，做到數控機床、機器人能否從它那里直接讀到有用信息。
二是數字孿生可以直接對設計的“理論值”和加工的“實測值”進行直接比較和分析。
三是數字孿生可用于生產模擬，可以對自動或手工作業(yè)進行模擬，包括裝配、機器人焊、鍛鑄和車銑刨磨等。
四是數字孿生是價值網絡協作的基礎，包括廠際、供應鏈上下游之間、乃至全球范圍的協作企業(yè)。
數字孿生的實現
第一步是3D設計+PMI（Product Manufacturing Information），PMI包括了物理產品的幾何尺寸、公差，以及3D注釋、完工要求、工藝注釋、材料指定和焊接符號等；
第二步，在3D設計+PMI的基礎上，實現MBOM（Manufacture BOM，即制造BOM）+BOP（BOM-Bill of Process，即工藝設計）；
第三步，使用部分則實現 Product Memory，即產品檔案，包含技術追溯、物料追溯、測量結果等；
第四步實現 O&S（即Operations and Sustainment，即使用和維護），Operations這里主要是指操作，Sustainment既包括維修、保養(yǎng)，也包括升級和改造。
數字孿生的實現方法有這樣幾個特點：
首先，它主張單一數據源（Unified Repository，UR）；
其次，三維設計時標注PMI，由MES建立BOP，寫入產品檔案；
最后，Product Memory要能夠實現除標準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。
數字孿生應用
1，預見設計質量和制造過程；
2，推進設計和制造高效協同；
3， 確保設計和制造準確執(zhí)行。
隨著工業(yè)傳感器及物聯網技術的快速發(fā)展，未來數字世界和現實世界會是一體兩面。一些嗅覺敏銳的工廠及生產線引入數字孿生，在沒有建造之前，對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數傳給實際的工廠建設，有效減少誤差和風險。待廠房和生產線建成之后，日常的運行和維護通過數字孿生進行交互，能夠迅速找出問題所在，提高工作效率。數字孿生不僅指產品的數字化，更包含工廠本身和工藝流程及設備的數字化。
