本书基于工业4.0背景，阐述了数字孪生作为一种科学范式，为物理对象/系统及其数字对应体提供了非凡的优势和灵活性。本书结合数字孪生在各行业的应用来阐述其基本知识和运行方式。本书首先介绍了数字孪生的基本定义、相关概念、发展历程、构成要素、工作原理、类型、特性、解决方案架构等内容；其次介绍了数字孪生的优势、挑战、研究与应用；然后介绍了数字孪生在医疗、建筑、石油和天然气、制药等行业以及智慧城市、结构健康检测、组织产品开发和制造等方面的应用；最后对数字孪生的未来进行了展望。

前言
本书贡献者
第1章　数字孪生概述　1
1.1　数字孪生简介　1
1.2　数字孪生的基本定义　4
1.3　数字孪生的相关术语　5
1.4　数字孪生的发展历程　5
1.5　数字孪生的三个应用案例　7
1.5.1　特斯拉汽车的数字孪生应用　7
1.5.2　通用电气可再生能源的数字孪生应用　7
1.5.3　迪士尼乐园的数字孪生应用　7
1.6　本章小结　8
第2章　数字孪生详解　9
2.1　数字孪生的构成要素　9
2.1.1　从空间角度看数字孪生的构成要素　9
2.1.2　从对象角度看数字孪生的构成要素　10
2.1.3　从运行角度看数字孪生的构成要素　11
2.2　数字孪生的工作原理　11
2.3　数字孪生的类型　12
2.3.1　零部件孪生　12
2.3.2　产品孪生　12
2.3.3　系统孪生　12
2.3.4　过程孪生　13
2.4　数字孪生的特征　13
2.5　数字孪生的特性　14
2.5.1　与原型对象的外观保持一致　15
2.5.2　包含原型对象的各种细节　15
2.5.3　与原型对象的行为保持一致　15
2.5.4　链接　15
2.5.5　实时性　15
2.5.6　多技术融合　16
2.5.7　同质化　16
2.5.8　预测将要发生的问题　16
2.5.9　有助于产品的生命周期管理　16
2.5.10　生成数字轨迹　16
2.6　数字孪生的价值　17
2.7　本章小结　17
第3章　数字孪生解决方案架构　19
3.1　引言　19
3.2　前人的研究工作　20
3.3　需求分析　22
3.4　解决方案架构需要考虑的因素　23
3.5　理解实体物理对象　23
3.6　数字孪生视图建模需要考虑的因素　26
3.7　数字孪生与物联网　26
3.8　数字孪生解决方案架构分层视图　28
3.8.1　数字孪生解决方案架构构想　28
3.8.2　信息基础设施平台和物联网服务　28
3.8.3　数字孪生数据和过程模型　29
3.8.4　数字孪生服务　30
3.8.5　数字孪生应用程序　31
3.8.6　贯穿数字孪生的数据流示例　32
3.8.7　异常情况下的数据流示例　33
3.8.8　贯穿整个数字孪生应用的数据流示例　34
3.8.9　数字孪生架构的开发选择　35
3.9　数据存储的内容、示例与类型　35
3.10　信息传递　36
3.11　应用程序接口　37
3.12　用户体验　38
3.13　网络安全　38
3.14　数字孪生服务及其应用场景示例　39
3.15　本章小结　39
第4章　数字孪生的优势、挑战、研究与应用概述　41
4.1　数字孪生的优势　41
4.1.1　监控现实物体、产品或过程　42
4.1.2　预防现实物体、产品或过程中的问题　42
4.1.3　主动进行预测性维护　43
4.1.4　快速制作物理原型　43
4.1.5　有效管理设备和设施等目标物体　43
4.1.6　减少浪费　43
4.1.7　减少制造对象的总成本　44
4.1.8　提升安全生产水平　44
4.1.9　跟踪与绩效相关的数据　45
4.1.10　缩短产品的上市时间　45
4.1.11　加速行业发展　45
4.1.12　应用于产品的全生命周期管理　45
4.1.13　决定未来的工作方向　46
4.2　数字孪生面临的挑战　46
4.2.1　谨慎处理数字孪生中包含的不同要素　46
4.2.2　数据采集和传输可能失真和延时　46
4.2.3　创建和使用数字孪生需要足够的专业知识　47
4.2.4　数据安全与隐私　47
4.3　关于数字孪生应用的研究　47
4.4　数字孪生应用概述　51
4.4.1　航空航天　53
4.4.2　机械行业　53
4.4.3　建筑物及其配套系统　53
4.4.4　制造业　53
4.4.5　医疗行业　53
4.4.6　汽车行业　53
4.4.7　城市规划和建设　53
4.4.8　智慧城市　54
4.4.9　工业应用　54
4.5　本章小结　54
第5章　数字孪生在医疗行业中的应用　55
5.1　医疗行业概述　55
5.2　数字孪生在医疗行业中的应用场景　56
5.2.1　数字孪生在医院工作流程管理方面的应用　57
5.2.2　数字孪生在医疗设施方面的应用　58
5.2.3　数字孪生在医疗产品制造方面的应用　58
5.2.4　数字孪生在个性化治疗方面的应用　59
5.2.5　数字孪生在药物输送方面的应用　59
5.2.6　用数字孪生应对心血管疾病　59
5.2.7　用数字孪生应对多发性硬化症　60
5.2.8　用数字孪生进行手术预先规划　60
5.2.9　用数字孪生进行新型冠状病毒的筛查与诊断　61
5.2.10　基于体域网的生物信号和生理参数的分析　63
5.3　数字孪生在医疗行业面临的挑战　65
5.3.1　对知识培训的需求　65
5.3.2　成本因素　65
5.3.3　信任因素　65
5.4　数字孪生在医疗行业的未来展望　66
5.5　本章小结　67
第6章　数字孪生在建筑行业中的应用　69
6.1　建筑行业概述　69
6.2　数字孪生在建筑行业中的应用场景　70
6.3　数字孪生在建筑行业全生命周期管理中的应用　71
6.4　数字孪生在建筑

数字孪生以其强大的技术优势有效地推动着医疗、汽车、建筑等行业的发展。尽管数字孪生已经在众多行业中得到了应用，但它对各行业的潜在价值尚未得到充分挖掘。因此，深入理解数字孪生技术，有助于推动它在不同行业的应用，进而促进行业发展。当数字孪生技术被恰当地运用于制药、汽车等关键行业时，它不仅能带来显著的经济效益，还能引发行业变革。因此，本书旨在成为人们深入学习数字孪生技术的有用资源。简而言之，本书通过探讨数字孪生在各行业的应用来阐释其核心内容和运行机制。以下是每章内容的简要描述。
第1章：近年来，数字孪生逐渐成为公众关注的热点。尽管这项强大的技术近几年才开始引起广泛关注，但其起源可追溯至20世纪60年代。数字孪生为各行业创造了新的可能性，其成效已在多个行业得到了验证。本章介绍了数字孪生的基本知识，包括数字孪生的基本定义、相关术语，并回顾了数字孪生的发展历程，最后介绍了三个应用案例。
第2章：目前，计算机技术的应用已渗透到社会的方方面面。在众多现有计算机技术以及将要诞生的新技术中，数字孪生正在迅速崛起，备受瞩目。本章深入探讨了数字孪生的构成要素、工作原理、类型、特征、特性，以及价值等。
第3章：数字孪生能够实时模拟物理对象的状态和行为。本章聚焦数字孪生的解决方案架构，以及如何设计数字孪生来实现常规应用。本章首先从物理对象如何通过物联网（Internet of Things，IoT）与数字孪生连接开始，展示了数字孪生解决方案架构的分层视图，接着从数据存储、信息传递、应用程序接口（Application Programming Interface，API）、用户体验和网络安全等多个视角进行阐述。对于数字孪生解决方案架构中的一些关键概念，则通过离散制造领域的示例加以说明。
第4章：当下，数字技术的作用在商业、医疗、教育、航空航天、建筑、汽车等多个领域日益突出。本章首先讨论了数字孪生的技术优势与挑战，然后介绍了各行业关于数字孪生的一些研究成果，并概述了数字孪生在各行业的应用。
第5章：医疗行业是关系国计民生的重要领域，数字孪生技术已在该行业展现出广泛的应用潜力。本章对医疗行业进行了概述，结合文献调查法说明了数字孪生在医疗行业中的各种应用场景，探讨了数字孪生在医疗行业中的作用、挑战，并对数字孪生在医疗行业的未来发展进行了展望，同时简要讨论和介绍了现实生活中数字孪生在医疗行业中的应用实例。
第6章：建筑行业是一个广义的领域，涵盖了建筑物的建造、维护、翻新以及基础设施建设等。本章讨论了数字孪生技术在建筑行业中的应用场景，并从多个视角阐述了数字孪生技术是如何作为一项颠覆性技术来改变建筑行业的。
第7章：数字孪生正在迅速地融入众多应用场景之中，并快速发展。它的基本目标是简化流程，提升效率，并带来尽可能多的优势等。本章讨论了数字孪生在智慧城市中的应用，展示了数字孪生如何以多种方式助力智慧城市的发展，并讨论了这些方式的优势。
第8章：在工业4.0背景下，数字孪生作为一种科学方法，为物理对象、系统及其数字化映射提供了较大的优越性和灵活性。本章尝试解释了数字孪生在结构健康监测系统（Structural Health Monitoring System，SHMS）中的适用性，讨论了数字孪生方法在结构健康监测系统中的相关应用，为基础设施（如大坝、桥梁等）的损伤识别及其健康监测提供了有用的预测方法。
第9章：数字孪生为运营决策提供了高水平的仿真技术，这得到了仿真和自动化专家的青睐。然而，要发挥数字孪生的全部潜力，那么就应关注与评估诸如其可用性、可维护性、可持续性、有效性等关键问题。本章通过文献调查法讨论了数字孪生技术在石油和天然气行业中的作用、应用场景与优势。
第10章：制药行业是与医疗行业最紧密相关的行业之一，数字孪生技术在制药行业也得到了广泛应用。本章以实例阐述了数字孪生在制药行业中的作用与应用场景，还讨论了数字孪生在制药行业中的应用优势。
第11章：数字孪生广泛用于组织产品开发和制造过程中。本章讨论并分析了数字孪生在产品开发和制造过程中的应用及其意义。由于数字孪生技术是物理产品或过程的数字化呈现，它简化了产品开发和制造的决策流程，使其能够在充满竞争的组织环境中降低成本和实现产品效益最大化。作为一种数字化呈现，数字孪生能够提供关于产品生产过程中的全面信息，从而使企业获得重要的洞见，做出最佳决策。
第12章：在这个快速变化的世界中，技术的创新和应用对各行业的发展至关重要。数字孪生作为一种能够满足不同行业要求的先进技术，正在为各行业带来变革。本章阐述了数字孪生在其他众多行业（除第5～11章介绍的几个重点行业之外）中的应用潜力。
第13章：本章阐述了数字孪生作为一项战略性技术及其重要意义，另外还探讨了数字孪生与智能制造、元宇宙和数字线程的关系，最后讨论了数字孪生的未来挑战。