“數字孿生”概念的萌芽最早可以追溯到二十世紀六七十年代的美國航天“阿波羅”項目[1]，NASA制造完全相同的兩個空間飛行器，一個用于執行飛行任務，另一個留在地球上，被稱為“孿生體”，用于反映另一個飛行器的狀態。此時的孿生體還停留在仿真階段。“孿生體”具備兩個顯著特征：孿生體與其所反映的實體在外表、內容、性質、性能等各方面完全相同；孿生體能夠真實完全地反映另一實體的運行狀況。此時的孿生體側重“仿真”性能，其表現形式仍為物理實體。
美國密歇根大學Grieves[2]教授在產品全生命周期管理課程上提出“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，當時被定義為：一個或一組特定裝置的數字復制品，能夠抽象表達真實裝置，并能以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。這一概念明晰地顯示出當時對于進行高層次數據集成分析的期望，是數字孿生概念的雛形，但在當時并沒有被稱為“數字孿生”。2003—2005年期間被稱為“鏡像的空間模型”[3]，2006—2010年逐漸演變為“信息鏡像模型”[4]。直到2011年，Grieves教授引用了其合作者Vickers用于描述此概念的新名詞“數字孿生體”[5]，此后一直沿用至今。
盡管后來的這些描述概念不斷變化，但其包含的組成要素與概念模型卻基本保持一致，都突破了原來孿生體的物理空間限制，組成要素有物理空間、數字虛擬空間與兩者之間的聯接三部分，概念模型即實體產品、虛擬產品以及兩個空間之間的數據信息交互接口。其基本邏輯關系如圖1所示：
而由于技術局限性，這一概念提出后，并未有實質影響。數字孿生最早被應用在航天及軍工領域。2011年，出于對戰斗機進行仿真的需求，美國空軍實驗室與NASA合作，首次提出飛行器的數字孿生體概念，“利用當前可用物理模型、更新的傳感器數據和歷史數據等來反映與該模型對應的飛行實體的狀態”[6]。此后，數字孿生在
航空領域逐漸得到了更多應用場景。
隨著工業 4.0、智能制造等技術和發展戰略的不斷出臺，數字孿生已成為一個重要的基本科技要素，其概念也逐漸完善。工業界及學術界對數字孿生的概括定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[2]。
在數字孿生概念提出后，不同學者分別提出了對于數字孿生解決問題的多種結構方式。Boschert和Rosen[7]認為，不同于以往仿真或建模的方法，數字孿生是一種仿真決策支持工具，通過獨特的集成化架構，對實體對象的工程、業務和行為描述等各個層面的數據進行仿真運行，并能夠針對問題類型，選擇最適當的仿真模型。Schluse和Rossmann[8]對數字孿生技術進行實驗模擬，引入一個模擬數據庫，可以集成各類數據源、模擬系統以及可視化模塊，進行任何類型的數字模擬實驗。而Schroeder等[9]則認為，數字孿生是一種模型，用于研究在不同程序間進行物理對象描述和數字對象的數據交換問題。 Negri等[10]認為，數字孿生是物理對象的數字表示，是一種數據模型，能夠模擬物理對象，并對其未來行為進行預測。
在數字孿生及應用領域，國內學者也在不斷進行深入研究。Zhang等[11]提出基于數字孿生的個性化產品快速定制設計方法，提出生產過程中耦合優化問題的解耦算法，作為引擎驅動數字孿生。陶飛等[12]基于數字孿生五維結構模型，提出數字孿生驅動的應用準則，探索數字孿生在產品全生命周期中的應用前景和有待突破的關鍵問題或技術。
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