数字孪生引领信息革命新浪潮
当今世界处于以信息化全面引领创新、以信息化为基础重构国家核心竞争力的新阶段，正迎来数字孪生新一轮信息革命浪潮，带来多领域技术革命性变化和商业模式突破性创新，使社会生产呈现出生产方式智能化、产业形态数字化、产业组织平台化的新特征，深刻影响着经济社会运行方式、国际竞争科技范示和世界科技格局发展走势。习近平总书记指出：“信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇。”“我们必须敏锐抓住信息化发展的历史机遇。”[5]
2020年4月7日，国家发改委和中央网信办发布的《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》首次指出数字孪生是七大新一代数字技术之一，并启动“数字孪生创新计划”。之后，工信部、住建部等多个国家部委出台数字孪生相关政策文件，推进数字孪生技术、应用和产业的发展。近年来，物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，使数字孪生得到更加广泛的传播和应用。数字孪生可以有效发挥其在模型设计、数据采集、分析预测、模拟仿真等方面的作用，助力推进数字产业化、产业数字化，促进数字经济与实体经济融合发展。
数字孪生的内涵及特征
数字孪生（Digital Twin），是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图。物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、相互作用。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得感知有序，数字孪生技术应运而生。
2002年，密歇根大学的Michael Grieves博士发表了白皮书《数字孪生：通过虚拟工厂复制实现卓越制造》，第一次书面提出了现在通行的“数字孪生”术语。2016年至2019年，Gartner连续四年将“数字孪生”列为“十大战略科技发展趋势”之一。美国密西根大学Michael Grieves教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。
数字孪生是以数据和模型为驱动，数字孪生体和数字线程为支撑的新型制造模式，能够通过实时连接、映射、分析、反馈物理世界的资产与行为，使工业全要素、全产业链、全价值链达到最大限度闭环优化。一方面，数字孪生体是在虚拟空间构建的表征物理实体实时运行状态的虚拟实体，具备融合几何建模、仿真模拟、数据分析的全方位功能，扮演着综合分析决策的角色。另一方面，数字孪生在集成融合工业数据的过程中依赖于数字线程。数字线程是连接物理世界和数字孪生体的通道，也是多类数字孪生体间连接的通道，具备“在正确的时间，将正确的信息，以正确的方式，推送到正确的地方”的功能，数据集成和业务集成是其两大核心功能。总之，数字孪生能够基于“单个数字孪生体”或基于“数字线程串联的多个孪生体集”，实现对“简单组件”到“复杂物理系统”的连接、映射、分析、反馈。
数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，用于模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术方法。数字孪生技术打通了物理世界与虚拟空间的通道，联结现实世界与数字世界，在虚拟空间打造“全真世界”。从根本上讲，数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨一系列维度的大规模、累积、实时、真实世界的数据测量。
数字孪生的特点
双向
数字孪生是对真实物理产品、设备或过程的动态和持续更新的表示。数字孪生能够理解、预测产品、设备或过程，甚至能对物理产品实施控制、改变产品的状态，让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作变得触手可及，从而实现对产品、设备或过程的相关要素资源的优化，并进一步激发数字化创新。
持续
数字孪生和物理产品之间的互动是不间断的，贯穿产品的全生命周期。在一定程度上可以用来直接描述它对应的实体对象的状态，确保我们对实体对象状态的可见。更重要的是帮助我们更深入地辨认发生的事件（如质量、故障），了解其原因，并能对未来可能发生的事件提供预测，从而降低企业进行产品创新、模式创新中的成本、时间及风险，并且持续地推动产品优化，改善客户体验，极大地驱动了企业创新行为。
开放
通过数字孪生收集到的海量数据，单靠企业自身的力量来分析和挖掘其中的价值是不够的，企业需要将数据对第三方开放，借助外部合作伙伴的力量充分挖掘数字孪生的价值。
互联
数字孪生的意义不仅如此，还包括价值链上下游企业间的数据集成以及价值链端到端集成，本质是全价值链的协同。产品数字孪生作为全价值链的数据中心，其目标是实现全价值链的协同，因此不仅要实现上下游企业间的数据集成和数据共享，也要实现上下游企业间的产品协同开发、协同制造和协同运维等。
保真
数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是，在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。
数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，也要接收物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。这个演变过程称为成熟度进化，即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程。
“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。“互动”主要是指数字对象间及其与物理对象间的实时动态互动。物联网是实现虚实之间互动的核心技术。“先知”是指利用仿真技术对物理世界的动态预测。这不仅需要数字对象表达物理世界的几何形状，更需要在数字模型中融入物理规律和机理。“先知”是依据物理对象的确定规律和完整机理来预测数字孪生体的未来，那么“先觉”就是依据不完整的信息和不明确的机理通过工业大数据和机器学习技术来预感未来。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。“共智”是通过云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧首先是共享的。
数字孪生生态系统及全生命周期
数字孪生生态系统由基础支撑层、数据互动层、模型构建与仿真分析层、共性应用层和行业应用层组成。其中基础支撑层由具体的设备组成，包括工业设备、城市建筑设备、交通工具、医疗设备组成。数据互动层包括数据采集、数据传输和数据处理等内容。模型构建与仿真分析层包括数据建模、数据仿真和控制。共性应用层包括描述、诊断、预测、决策四个方面。行业应用层则包括智能制造、智慧城市在内的多方面应用。
数字孪生中虚拟实体的生命周期包括起始、设计和开发、验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和退役，物理实体的生命周期包括验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和回收利用。值得指出的是，一是虚拟实体在全生命周期过程中与物理实体的相互作用是持续的，在虚拟实体与物理实体共存的阶段，两者应保持关联并相互作用。二是虚拟实体区别于物理实体的生命周期过程中，存在迭代的过程。虚拟实体在验证与确认、部署、操作与监控、重新评估等环节发生的变化，可以迭代反馈至设计和开发环节。监测设备的运行数据，且在此基础上可对设备的全生命周期进行管理，分析挖掘数据价值，辅助运营决策。
数字孪生技术架构及能力模型
数字孪生以数字化方式复制一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，目的是了解资产的状态，响应变化，改善业务运营和增加价值。在万物互联时代此种软件设计模式的重要性尤为突出，为了达到物理实体与数字实体之间的互动，需要经历诸多的过程，也需要很多基础的支撑技术作为依托，更需要经历很多阶段的演进才能很好地实现物理实体在数字世界中的塑造。
我们要构建物理实体在数字世界中对应的实体模型，就需要利用知识机理、数字化等技术构建一个数字模型，而且我们对构建的数字模型需要结合行业特性做出评分，是否可以在商业中投入使用；有了模型还需要利用物联网技术将真实世界中的物理实体元信息采集、传输、同步、增强之后得到我们业务中可以使用的通用数据；通过这些数据可以仿真分析得到数字世界中的虚拟模型。
当把数字孪生视为现实世界实体或系统的数字化表现时，更注重架构引领、模型驱动、数据驱动、虚实融合要求。为此，从过程演化角度建立数字孪生的“定义、展现、交互、服务、进化”五维度能力模型。其中，数据是整个能力模型的基础，五大能力围绕数据来发挥作用和效能。
数字孪生作为现实世界实体或系统的数字化表现，因人类社会尚有未发现的真理、未发明的技术、未掌握的知识技能，故对物理客体的认识本身始终是逐渐逼近真相的过程，因而数字孪生的构建能力是模型驱动的基础，是推动对客体认识不断深入、不断定义的过程。
数字孪生的展现能力要求对数字空间中定义的客体的动态和静态内容进行展示。静态内容包括客体属性、方法、行为相关数据及其关联，动态内容是根据客体可视化需要动态、快速、准确展示实时或准实时的可变信息，最终实现高逼真、高精度、高动态的信息展现，为更科学认知物理客体提供手段。
交互能力是数字孪生有别于传统信息化系统和数字应用的关键特性。数字孪生通过多种传感设备或终端实现与物理世界的动态交互，因为具有了动态交互能力才将物理世界与数字世界连接为整体，从而导致数字孪生可以实时、准确获取物理客体的信息，数字孪生依据定义模型和客体信息进行实时计算与分析，并将分析结果反馈给物理客体，为物理客体的执行提供信息参考，或为相应人员提供决策支持，从而可以更准确、及时、客观地把握客体状态并进一步增强与物理客体的耦合时效。
服务能力是数字孪生对物理客体赋能的体现，在传统物理客体基础上，因为具有了数字孪生的支持，可以具备传统客体不具备的新的特性和能力，导致物理客体自身伴随数字孪生发生实质性变化。数字孪生利用先进的大数据分析和人工智能等技术，获得超出现有认知的新的信息，为人类认知客体提供更直观翔实的佐证和依据，为人类再设计再优化客体提供支持，推动物理实体的改进和提升。同时，物理客体通过配备内置传感、物联及控制器件，实现对数字孪生中计算、分析的结果传递和信息的接收，使客体在数字感知、反馈、分析、自主决策水平方面得以提升。
进化能力指可以随着客体的发展存亡，在广度和深度维度实现对物理客体详尽描述和记录，广度上的进化指可全面记录客体全生命周期内的状态、行为、过程等静态或动态信息，具备无限量信息接纳能力；深度上的进化指可随时复现客体任一时刻的状态，并可根据认知机理和规则推演或仿真未来时刻的“假设”场景，预判其状态。另外，数字孪生具备自学习、自适应能力，可以对自身的各种能力实现迭代和优化。
数字孪生构建虚实交互的闭环
数字孪生技术体系涵盖感知控制、数据集成、模型构建、模型互操作、业务集成、人机交互六大核心技术。一是感知控制技术具备数据采集和反馈控制两大功能，是连接物理世界的入口和反馈物理世界的出口。二是数据集成实现异构设备和系统的互联互通，让物理世界和承载数字孪生的虚拟空间无缝衔接。三是模型构建实现对物理实体形状和规律的映射。几何模型、机理模型、数据模型的构建分别实现对物理实体形状、已知（或经验）的物理规律以及未知的物理规律的模拟。四是模型互操作承担着将几何、机理、数据三大模型融合的任务，实现从构建“静态映射的物理实体”到构建“动态协同的物理实体”的转变。五是业务集成即数字孪生价值创新的纽带，能够打通产品全生命周期、生产全过程、商业全流程的价值链条。六是人机交互将人的因素融入数字孪生系统，工作者可以通过友好的人机操作方式将控制指令反馈给物理世界，实现数字孪生全闭环优化。
“数字孪生城市”写入“十四五”规划纲要
2021年3月11日第十三届全国人民代表大会第四次会议表决通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。纲要单列出第五篇“加快数字化发展建设数字中国”，并提到推进城市数据大脑建设，探索建设数字孪生城市，由此可见对数字化发展和建设数字中国的重视程度。第五篇指出：以数字化助推城乡发展和治理模式创新，全面提高运行效率和宜居度，分级分类推进新型智慧城市建设。将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设，推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设，探索建设数字孪生城市。
数字孪生城市是数字城市的最高阶段
在IBM的构想中，城市由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境等核心系统组成，这些系统不是零散的，而是以一种协作的方式相互衔接。而城市本身，则是由这些系统组成的宏观系统。如果将城市看作一个庞大的生命体，那么，越来越多的“神经元”正在触达末梢角落，保障城市安全运行。
此外，“数字孪生城市”还全面支持移动端操作，方便社工在走访时即时修改数据，与此同时，将根据用户不同的岗位、级别严格划分权限，呈现个性化的界面和内容，最大限度保护居民的数据安全。下一步，还将同步拓展公共服务、商业办公等系统，打造智慧服务、智慧营商、智慧交通等平台和对应的应用场景。因此，智慧城市是数字城市发展的高级阶段，而数字孪生城市作为数字城市的目标，是智慧城市的新起点，能够赋予城市智慧化重要设施和基础能力。
在信息空间上构建的城市虚拟映象叠加在城市物理空间上，将极大地改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。在智慧城市中，数字孪生城市通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局，这突出了数字孪生的实时性以及保真性，将物理世界的动态，通过传感器精准、实时地反馈到数字世界。数字化、网络化实现由实入虚，网络化、智能化实现由虚入实，通过虚实互动、持续迭代实现物理世界的最佳有序运行，这突出了数字孪生的互操作性、可拓展性以及闭环性。
数字孪生城市规划建设管理
物理城市与数字城市孪生并存，精准映射，实现虚拟服务现实，数据驱动决策，智能定义一切，促进管理一盘棋，服务一站式，以高度智能化替代以往智慧城市的网格化管理，虚实融合，蕴含无限应用创新空间，将引发城市智能化管理和服务模式的重大颠覆性创新。
城市空间的物理性将被无限延伸，城市成为现实空间和虚拟空间逐渐交融的混合空间。将会出现一种新的基础设施、一种新的空间形态、一种新的共享平台，由此引发的变革也许天翻地覆。当技术奇点来临之时，数字孪生城市将有可能进化成全球化的超级智能系统。人们将开展一场重塑人类感知能力的实验，勾勒出城市中无数隐匿的维度和隐藏的场景，发展出人类超越人体本身感知维度的超感知能力，催化出市民共创未来城市的无限创意，最终加速建构新时代城市化的新模型。
数字孪生城市最核心的要素
首先，就是将物理世界映射到数字世界，因此在建设初期便要将物理世界包括地面的基础设施、房屋建筑等物理实体进行智能化升级，并将物联网传感设施提前进行布局以及预留。其次，在城市总体规划（以下简称总规）阶段，把总规用到的地上地下所有图纸全部进行数字化处理，通过三维的方式在统一的数字平台上展示；在控制性详细规划（以下简称控规）阶段，将不同片区的控规都以三维的方式在数字化平台上展示，并且用于后续的规划审批，控规本身还采用了控规和子控规的方式，也就是说控规本身也要在三维的层面和二维以及总规进行比对，层层递进，分级分类推进；在控规的下面便是设计，建筑物的设计、市政设计等，将每一个设计作为一个项目，并将项目本身与控规进行比对，精细化管理设计的过程。再次，是施工阶段，确切地说，施工阶段的核心便是BIM（建筑信息模型），在数字化平台上，把BIM与之前的设计的模型进行对比，提升精细化管理水平。最后，便是竣工检查，在传统的竣工检查之外，还要考虑到物联网的存在，以及今后城市运营的方式，将BIM拆解，形成物理城市的真实映射，作为今后城市运营底层。这便是将城市进行数字孪生建设的全周期平台化、数字化，将城市作为一个“有机生命体”进行拆分组合，提高全流程的精细化管理与现代化治理水平。
全要素数字孪生城市
数字孪生城市是信息化发展到一定程度以及智慧城市建设到现阶段的必然性结果，数字孪生不仅是解构、描述、认识物理世界的新型工具，更是支撑数字化转型的综合技术体系。在物联网、人工智能等新一代技术不断深化、发展、应用的过程中推动城市的全场景、全要素的数字孪生进程。
从宏观看，数字孪生不仅仅是集成创新的技术体系，更是数字社会人类认识和改造世界的方法论，指导提高城市建设的体系化程度，建设统筹城市规划、建设、管理三大环节以及资源共享与业务协同的机制体制，以高度的整体性、系统性、包容性、前瞻性思维统筹规划，加强顶层设计。
从中观看，数字孪生城市将成为支撑社会治理和产业数字化转型的重要抓手，数字孪生城市统筹城市规划、建设、管理的系统性思维及理念，对社会的发展乃至各个领域、各个行业的产业发展都有借鉴意义。
从微观看，数字孪生的关键便是“数据+模型”，在此模式下，各领域、各行业都需编制各自的数字孪生模型图谱，小到每个家庭，大到整个城市的模型建设，都可以通过空间编码的方式将数据标签化、单元化，每栋建筑、每个城市都可以是一个空间单元，分级分类推进，从而推动整个城市的每个要素都实现数字孪生。
数字孪生应用在智慧城市领域
数字孪生城市则是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态，也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行。数字孪生城市主要有新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系三大横向的分层。
城市新型基础设施包括全域感知设施（包括泛智能化的市政设施和城市部件）、网络连接设施和智能计算设施。与传统智慧城市不同的是，数字孪生城市的基础设施还包括激光扫描、航空摄影、移动测绘等新型测绘设施，旨在采集和更新城市地理信息和实景三维数据，确保两个世界的实时镜像和同步运行。
智能运行中枢是数字孪生城市的能力平台，由五个核心平台承载：一是泛在感知与智能设施管理平台，对城市感知体系和智能化设施进行统一接入、设备管理和反向操控。二是城市大数据平台，汇聚全域全量政务和社会数据，与城市信息模型平台整合，展现城市全貌和运行状态，成为数据驱动治理模式的强大基础。三是城市信息模型平台，与城市大数据平台融合，成为城市的数字底座，是数字孪生城市精准映射虚实互动的核心。四是共性技术赋能与应用支撑平台，汇聚人工智能、大数据、区块链、AR/VR等新技术基础服务能力，以及数字孪生城市特有的场景服务、数据服务、仿真服务等能力，为上层应用提供技术赋能与统一开发服务支撑。五是泛在网络与计算资源调度平台，主要是基于未来软件定义网络（SDN）、云边协同计算等技术，满足数字孪生城市高效调度使用云网资源。
应用服务层是面向政府、行业的业务支撑和智慧应用，基于数字孪生城市的应用服务包含城市大数据画像、人口大数据画像、城市规划仿真模拟、城市综合治理模拟仿真等智能应用，社区网格化治理、道路交通治理、生态环境治理、产业优化治理等行业专题应用。
数字孪生应用在智慧医疗领域
通过移动监测、移动诊室、无线远程会诊、智慧处方、医疗信息云存储等智能技术手段，可提升城市诊疗覆盖面与效率，促进城市医疗资源的合理化分配。进一步利用物联网技术构建“电子医疗”服务体系，实现医疗监护设备的小型化、无线化以及发展智慧家庭健康保健、智能健康监护，可大幅降低城市公众医疗负担，缓解城市医疗资源紧缺的压力。
具体应用需求层面：基于患者的健康档案、就医史、用药史、智能可穿戴设备监测数据等信息可在云端为患者建立“医疗数字孪生”，并在生物芯片、增强分析、边缘计算、人工智能等技术的支撑下模拟人体运作，实现对医疗个体健康状况预测分析和精准医疗诊断。如基于医疗数字孪生应用，可远程和实时地监测心血管病人的健康状态；当智能穿戴设备传感器节点测量到任何异常信息时，救援机构可立即开展急救。同样地，医疗数字孪生还可通过在患者体内植入生物医学传感器来全天监控其血糖水平，以提供有关食物和运动的建议等。
精准医疗是未来的诊疗模式。基于医疗数字孪生，医生可通过对患者健康大数据（基因、生活习惯、家族病史和病例）的收集和分析，提出个性化、针对性的治疗方式和药物，实现精准诊断与治疗。这种模式不仅用于患者的疾病治疗，更侧重于对人们疾病的预防。最大的可能是医生根据患者的基因、生活习惯等因素制定独特的药物和方案。个性化药物使医疗效率得到优化，药物副作用降低，住院率下降，最终会体现在患者整体医疗成本的下降，也缓解了医疗资源不足的压力。
在个人的健康监测与管理方面，通过数字孪生可以更清楚地了解我们身体的变化，对疾病做出及时预警。未来通过各种新型医疗检测和扫描仪器以及可穿戴设备，我们可以完美地复制出一个数字化身体，并可以追踪这个数字化身体每一部分的运动与变化，从而更好地进行健康监测和管理。但同时，时刻监测反馈所带来的心理暗示是否会影响人类健康又会成为课题。通过5G等传输技术，远程医疗也将更为普及。
数字孪生应用在智慧健康领域
数字孪生应用在智慧健康领域是通过利用移动监测、移动诊室、无线远程会诊和医疗信息云存储等智能技术手段，提高诊疗效率，提升城市诊疗覆盖面与效率，促进城市医疗资源的合理化分配。将数字孪生应用在智慧健康系统中，可以基于患者的健康档案、就医史、用药史、智能可穿戴设备检测数据等信息在云端为患者建立“医疗数字孪生体”，并在生物芯片、增强分析、边缘计算、人工智能等技术的支撑下模拟人体运作，实现对医疗个体健康状况的实时监控、预测分析和精准医疗诊断。如基于医疗数字孪生体应用，可远程和实时地监测心血管病人的健康状态；当智能穿戴设备传感器节点测量到任何异常信息时，救援机构可立即开展急救。同样地，医疗数字孪生体还可通过在患者体内植入生物医学传感器来全天监控其血糖水平，以提供有关食物和运动的建议等。
基础支撑层：基础支撑层主要是与患者相关的软硬件资源和医院信息系统。如医疗设备包括CT机、磁共振成像和理疗设备等，以及与硬件配套的专业软件（如健康信息系统）。医疗信息包括一些可穿戴设备（血压计、心率监测仪）以及一些其他智能系统采集到的信息。可穿戴设备在医学领域的相关产品包括血糖监测仪、心电监测仪、胎心监护仪、心电仪、血压计等。一些电子科技巨头生产用于健康监测的智能可穿戴设备，如谷歌、三星、华为、小米等都已推出消费级可穿戴医疗设备，华为、索尼、LG、Garmin、Razer等厂商也推出智能手环、智能眼镜等可穿戴设备。
数据互动层：数据将医疗资源的数据进行采集、分类、整合为平台提供支持。在数据采集方面，通过RFID标签、二维码、传感器等技术识别物体及其位置。医疗资源、信息等数据通过4G/5G网络上传到云平台。采集的数据主要包括诊断数据、监测数据和历史病例数据等。对进入数据池的多源异构数据进行整合后，再将数据进行虚拟化、服务化处理，从而实现数据的输入输出。
模型构建层：基于数据互动层处理的数据，建立物理对象的虚拟模型，比如患者和医疗资源的医疗资源模型，医疗能力模型和人体健康模型。这些孪生模型和物理实体进行实时数据交互，从而实现物理设备、虚拟模型、云健康系统的全要素、全服务、全流程的数据集成和聚合。同时模型构建层的基础功能包括服务管理、数据管理、知识管理和用户管理。其中，服务管理主要负责医疗资源配置、医护人员配置和在线挂号等服务。数据管理主要负责数据存储、分析和传输。知识管理平台主要负责隐性知识的存储、表示、挖掘、搜索和分析等工作。用户管理平台提供了用户基本信息管理、用户信息管理和用户遗传信息管理功能管理等。
功能层：数字孪生智慧健康可通过手机、PC终端、医疗系统和专用设备进行应用。如微信推出“服务号”功能，患者可以通过医院的微信服务号进行诊疗卡办理、预约挂号、全流程缴费等，大大减轻了医院的接诊压力，提高了管理效率。基于微信平台，提供在线问诊功能，方便患者开药检查。医疗机构通过获取患者信息，向患者发送健康建议，并进行资源分配模拟。为患者提供实时监控、危机预警、医疗指导等服务。第三方软件使第三方医疗服务机构、政府获取计费信息，保证医疗服务费用支付安全、快速支付等相关功能。
安全系统与信息共享标准：安全系统负责确保医疗数字孪生系统中所有层的安全。包括系统和平台安全、网络安全、医疗数据安全、用户个人隐私和信息安全、应用安全和安全管理。防止来自第三方的恶意攻击、信息和数据的盗窃和篡改至关重要。安全系统确保整个智能医疗系统具备灾备、应急响应、监控和管理等安全功能。