信息技术智能化高速发展，海洋信息体系建设经历以数字化为目标的初期发展阶段后，其智慧化发展，形成从数据，到知识，到预测，再到最优决策的海洋发展模式，即“智慧海洋”，成为了海洋信息化发展的必然趋势。智慧海洋将新一代信息技术与海洋环境、海洋装备、人类活动和管理主体4大板块信息深度融合，实现互联互通、智能化挖掘与服务，是认识和经略海洋的整体解决方案，也是海洋强国建设的基础性、战略性工程。智慧海洋的发展定位是引导海洋智能化技术革命4.0的信息基础能力建设。围绕海洋综合感知网、海洋信息通信网、海洋大数据处理分析、海洋信息智慧应用服务，中国开展了一系列智慧海洋建设与应用实践，取得了明显成效，但与世界海洋强国相比，海洋信息化基础薄弱、核心技术与装备自主研发能力弱、智慧海洋应用手段单一等问题仍较突出，特别是在海洋信息处理分析与应用方面，对新技术、新理念的引进、消化和吸收不够，在未来发展态势预测及海洋环境对目标影响分析等方面存在不足，进而导致信息对海洋活动的支撑能力有限。

数字孪生不再仅仅是一种技术，而是一种发展模式、一种转型路径、一股推动行业变革的动力。结合数字孪生技术特点及智慧海洋发展需求，海洋数字孪生是以海洋学科为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、海洋知识为驱动，对海洋环境全要素、海洋开发利用与治理管理全过程进行数字化映射、智能化模拟，实现与自然海洋及人类活动同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，达到以多维度、全视角、协同交互、沉浸式的信息表达方法认知海洋、经略海洋的目的。其内涵是基于高度集成的数据闭环赋能新体系，生成以海洋环境、海上目标、人类活动、海洋管理等为主要内容的全息数字虚拟镜像空间；通过“由实入虚”，利用多维多时空尺度高保真模型的数字化仿真、虚拟化交互，形成数据驱动决策、虚实充分融合交织的智能系统，实现在虚拟空间重现现实海洋，从粗到细、从宏观到微观、从海面到海底，复制、仿真及预测海洋环境、装备、人类活动及管理的状态和过程；通过“以虚映实”，使现实海洋可以在数字海洋空间进行协同建模、仿真预测、自主演化、干预操控，并将运行机理复杂、结构复杂，且内部状态和过程不可见的海洋变得透明，为各类海洋活动提供量化直观的分析评估结论；通过“由虚控实”“,以虚预实”“以虚优实”，以实时数据流方式按需供给几何模型、机理模型、数据模型、知识模型、业务模型等多维多尺度模型，支撑实现动态监测、态势诊断、趋势预判、虚实互动，以最优化方案在现实海洋中的实施来最大程度地规避风险、减少损失、提高效益，

海洋科学认知的数字孪生是海洋数字孪生应用的第1层级，包括海洋自然环境的数化仿真和预测预报2个方面，前者以海洋大气环境、水体环境、海底环境、海岛海岸带环境、经济社会信息等数据底板为支撑，通过构建海洋可视化物理模型、可验证的仿真模型、可表示的逻辑模型、可计算的数据模型，结合VR/MR技术，对海洋环境全要素和海洋现象全过程在虚拟空间进行数字化映射，实现“三维空间＋时间维＋多维海洋环境要素与现象”的动态呈现、集成表达与实时交互；后者在充分研究海洋动态时空过程变化机理的基础上，基于海洋环境数字化映射成果，利用模式识别、关联挖掘、线性预测、机器学习、深度学习等海洋时空预测方法，挖掘分析与预报相关的多要素之间的关联关系，构建预测预报数据模型，实现对海洋要素和海洋现象的深度认知与预测预报。

海洋开发利用的数字孪生是在第1层级应用的基础上，针对海洋开发利用活动与海洋环境相互作用的时空特性和重构复杂性，基于装备流、物理流、信息流和人员流等动态要素，通过构建海洋开发利用活动中使用的各类设施设备，如海洋观监测设备、港口泊位、舰艇、船舶、海上风电场、海上构筑物等物理实体的数字孪生模型，形成感知分析、交互反馈、智能控制、智能决策的智能系统，精确表征数字孪生模型的时空演化特性与映射重构性能，实现海上目标物理实体与数字孪生体之间在海洋环境中的虚实映射、实时交互，以及目标活动的全息感知、全过程智能化运行、拟人化作业与虚拟海洋场景展现，进而达到海洋开发利用过程远程智能监测、设施设备实时监控和生产场景三维可视化目标，提升海洋开发利用的安全、绿色、高效和智能化水平。具体包括数字孪生船舶、数字孪生海洋牧场、数字孪生海上港口、数字孪生海上风电、数字孪生海上油气开采等海洋产业活动场景。