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早在1970年，在阿波罗太空计划的第七次载人任务(第三次登月任务)中，阿波罗13号上的三名宇航员正平静地执行他们的任务，突然一个氧气罐爆炸震动了飞船，珍贵的空气泄漏到太空中，损坏了主引擎。任务控制中心的人员突然必须设计一个计划，让船员们回家，为了做到这一点，他们必须了解受损的飞船的状况，以及可用的修复材料，然后测试宇航员可能完成的任务。
为了弄清楚，他们求助于用于计划和演练任务的飞行模拟器。他们用阿波罗13号的物理状态的最新信息更新了模拟器，并尝试了各种方案，最终想出了让宇航员安全返回地球的计划。一些人认为，这是数字双胞胎的首次使用，这种模型用实时数据模拟物理系统的状态，并对其在不同条件下的性能进行预测。
数字双胞胎越来越受欢迎，特别是物联网提供了来自各种地方传感器的数据。这一概念被应用于许多领域，从建筑到桥梁，从风力涡轮机到飞机，从天气系统到人类心脏。
数字双胞胎不仅仅是对某些任意对象或系统的模拟。“这不是一个普通的飞机、汽车、风力涡轮机或普通的人的模型，”德克萨斯大学奥斯汀分校(UT Austin)计算工程与科学奥登研究所主任凯伦·威尔考克斯(Karen Willcox)说。“这是一架特定的飞机或一个特定的人的个性化模型。”
威尔考克斯说，要成为数字双胞胎，该模型需要考虑有关系统状态的当前信息，并随着时间的推移而发展，因为它更新了有关系统的新数据。另一个显著的特征是，模型和数据帮助人们对系统做出决策，这反过来又可以更改数据并要求再次更新模型。
也许数字双胞胎最明显的用途是监控昂贵或复杂设备的长期健康状况，如发动机、制造设备或工业加热、通风和空调(HVAC)系统。这种使用越来越被吹捧为工业4.0的一部分，它结合了数字技术、机器学习和大数据来改进工业流程。
例如，IBM正在将传感器与人工智能技术沃森(Watson)结合起来，帮助大公司决定进行何种维护以及何时进行维护，以延长设备的使用寿命并降低成本。例如，该公司为一架777飞机的发动机叶片创建了一个数字孪生体，以监测该叶片何时开始退化，需要升级或更换。类似地，通用电气为其风力涡轮机创建了数字双胞胎，以预测设备何时需要维护，并将其纳入计划，因此风力发电场运营商可以在涡轮机故障前解决问题，避免昂贵的停机时间。西门子(Siemens)的研究人员正在将类似的方法应用于人体，他们开发了单个人类心脏的数字双胞胎，希望能够预测针对特定患者的特定疗法的有效性，而不仅仅是依赖于心脏的一般统计数据。
系统的数字双胞胎也正在被创造出来。荷兰鹿特丹港(Port of Rotterdam)为其航运系统创建了一个数字孪生系统，该系统监测港口的活动，并可咨询船舶的最佳泊离时间，减少等待时间，帮助港口提高效率。
威尔考克斯说，数字双胞胎的一个问题是，到目前为止，它们基本上都是手工产品，是专门为某一特定应用而制作的，而不是一般用途。“我们看到了一些非常令人兴奋的例子、成功和高价值，”她说，“但大多数部署都是定制的。”
Willcox和德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后Michael Kapteyn开发了一个概率图形模型，利用贝叶斯统计、动力系统和控制理论创建了一个基本系统，可用于创建多个数字双胞胎。他说，实现这一目标的一个关键部分是能够量化一个模型所包含的不确定性，这样它的预测就不会偏离太远。
卡普廷说，数字双胞胎的一个潜在缺陷是，他们可能会被容易获得的大量数据冲昏了头。“你很快就会遇到效率瓶颈，很难恰当地吸收这些数据，并从这些数据中获取有用的信息，并将其放入你的模型中。”
威尔考克斯说，另一个问题是，“很多计算机科学家不明白，工程领域的数据不是免费的。”虽然可以通过增加更多的传感器来改善对飞机的模拟，但这些传感器会增加重量和热量，并消耗电力，从而限制了可安装的数量。
孪生塔
美国能源部(DoE)橡树岭国家实验室(ORNL)为美国1.229亿座建筑创建了数字双胞胎。研究人员收集了有关这些建筑的公开数据，并使用卫星图像来验证它们的脚印，使用激光雷达来测量它们的高度，使用街道照片来计算窗户的数量。研究人员将这些测量结果外推到每座建筑的三维表示中，创建了他们所谓的自动建筑能源建模(Automated building Energy Modeling，简称AutoBEM)。根据窗户数量、楼层数、建筑材料和屋顶类型的信息，他们能够预测每栋建筑的能源使用特征。
领导AutoBEM项目的ORNL计算机科学家约书亚·纽(Joshua New)说，建筑物消耗了美国约73%的电力。新报告指出，美国能源部的目标是到2030年将商业建筑的能源使用量在2010年的基础上减少30%，以应对气候变化。纽说:“通过创建美国所有建筑的数字双胞胎，我们可以找到降低能源需求、排放和成本的最经济的方法。”
所有1.229亿座美国建筑的初始建模是计算密集型的，需要在阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的Theta超级计算机上运行4500万核小时。
有了建筑物如何使用能源的信息，研究人员可以模拟不同的干预措施，如增加绝缘，减少冷却空气的泄漏量，安装节能LED照明，或添加智能恒温器，然后观察这些数字双胞胎的变化如何影响能源消耗。ORNL的研究人员为查塔努加(Chattanooga)的电力委员会开展了一个项目，对该市178,377座建筑进行建模，并创建了一个交互式地图，让用户看到每座建筑的8个不同改进所节省的能源和成本。
然而，对美国的每一栋建筑进行这样的模拟将是昂贵的。“我们并不想模拟每一栋建筑。这只是模拟过度。”New说道。相反，该团队依赖于所谓的“动态原型”。他们选取一个感兴趣的区域，如电力公用事业的服务区，并选择一个具有代表性的建筑，显示该类型结构的中值能源消耗。然后，他们将这个数字乘以该地区所有此类建筑的总建筑面积，并在原型上运行他们的模拟。“所以，如果你有1000家超市，每家超市面积1000平方英尺，我们可以挑出其中一家，然后乘以它所代表的1000家超市。现在你只需要运行一个模拟而不是1000个。”
所有1.229亿座美国建筑的初始建模都需要大量的计算。在阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的Theta超级计算机上，它花费了4500万核心小时，需要特别许可才能超过正常项目分配的3000万核心小时。该团队提议每年更新一次公开使用的模型，以纳入所做的任何修改，但尚未获得这样做的许可。另一方面，使用能源部免费提供的EnergyPlus软件模拟一座普通建筑一年内的能源使用情况，用户大约需要一分钟，因此测试10种不同的干预措施，每座建筑用户大约需要10分钟。
由于ORNL只依赖于公开的数据，它对每幢建筑的模型都相当有限。如果业主将收集到的关于能源使用量、地点和时间的数据添加到模型中，模型就可以得到反馈，从而满足数字双胞胎的定义。这使得它能够估算出潜在的能源节约量，符合银行向能源服务公司发放贷款以支付提高能效费用的标准。该实验室还与多家公用事业公司签署了保密协议，允许它将这些公司的能源使用专有数据作为反馈来源，以运行特定公用事业公司版本的模拟。
要大
比模拟美国所有建筑更雄心勃勃的是欧盟的一个名为“目的地地球”(Destination Earth)的项目，该项目计划创建数字双胞胎来模拟各种地球系统;不仅仅是天气和气候模型，还有海洋的生物化学和地球化学，海洋环流模式，食物和水的可用性，以及其他因素。该项目预计需要7到10年的时间来完成，将利用欧盟在高性能计算方面的80亿欧元(94.5亿美元)投资，并将从物联网传感器、地震监测仪和卫星等各种来源收集数据。
欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的研究副主任彼得·鲍尔(Peter Bauer)说，这个想法是利用现有的气候和天气模型，这些模型正在演变，以包括更多的因素。该中心是该项目的一部分。例如，更多具有更高空间分辨率的数据不仅可以预测加州的干旱期，还可以实际预测给定地区发生野火的风险。他说:“因此，这不仅是一个降雨和温度变化的地球系统，也是一个告诉我们火灾、干旱和高温以及这些影响的潜在政治影响的地球系统。”
“如果我们有了模拟地球，我们就可以在现实世界中模拟、测试和验证很多事情，看看如何让地球对每个人都更好。”
到底什么是可以孪生的，什么对这类模拟来说太复杂了，这仍然是一个悬而未决的问题。威尔考克斯认为，数字双胞胎将在人们有一个很好理解的、专注的模型和明确需要更好决策的领域发挥最大作用。她说:“这与人们认为数字双胞胎将是一种神奇的模拟，可以回答任何问题的情况形成了对比。”
纽看到了利用数字双胞胎来解决人类面临的重大问题的价值，比如气候变化，在未来的某个系统中，类似于建造世界的电子游戏《模拟城市》。他说:“如果我们有了模拟地球，我们就可以在现实世界中模拟、测试和验证很多事情，看看如何让地球对每个人都更好。”“我们需要从这些数字双胞胎身上学习很多东西。”
进一步的阅读
m.g. Kapteyn, j.k.v. Pretorius和K. wilcox。
一个概率图形模型基础，实现大规模预测数字双胞胎，自然与科学, 2021年。https://www.nature.com/articles/s43588-021-00069-0
Bass, B. New, J.和Copeland, W.。
公用事业服务区建筑的潜在能量、需求、排放和成本节约分布，能量, 2021年。https://www.mdpi.com/1996-1073/14/1/132
鲍尔(P.)、史蒂文斯(B.)和海泽勒格(W.)
它是地球绿色转型的数字孪生兄弟，自然气候变化, 2021年。https://www.nature.com/articles/s41558-021-00986-y
拉希德，阿斯兰，圣，奥斯兰，科万斯达尔，T。
数字双胞胎:价值、挑战和推动因素，arXiv, 2019年。https://arxiv.org/abs/1910.01719
介绍数字双胞胎，简单但详细https://www.youtube.com/watch?v=RaOejcczPas
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