数字孪生：如何撑起一个万亿市场的产业变革？

很多人在工作或生活中中都或多或少说过数字孪生。在过去几年，这个词的热度不断攀升，频繁出现在各大峰会论坛、甚至在北京冬奥会的远程协作中，可谓是备受行业内外人员的关注。

那么究竟什么是数字孪生？核心技术有哪些？未来的市场前景如何？存在哪些问题？将会以什么趋势发展？

带着这些问题，看一下这篇文章。

一、概念讲解

数字孪生，英文名叫 Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。

定义：数字孪生是利用现实物理模型、传感器、运行历史等数据，集成全面的的 仿真 过程，在虚拟空间中完成仿真映射，从而预测相对应的现实实体装备的 生命周期 过程。

最早由美国国防部最早提出利用数字孪生这项技术，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。

二、热点资讯

新春过后，位于上海徐汇区华泾镇的北杨人工智能小镇开发的数块展板展示了北杨人工智能小镇建设雏形。该项目致力于打造人工智能全域应用的示范地，以大数据为核心，实现在城市信息基础设施、公共基础设施、公共服务设施等多方面的全域应用。

最近进行火热的北京冬奥会，针对转播远程实时协作问题，英特尔及其合作伙伴一起，制作了 VSS（Venue Simulation Services 场馆模拟服务）数字孪生场馆模拟仿真系统，通过打造虚拟场馆的真实运营，辅助北京冬奥会赛事运行和国外转播团队的远程工作。

迅维是一家城市数字孪生领域建模工具与数字孪生引擎提供商，成立于 2016 年，专注国产自主可控的面向运维阶段底层建模工具及数字孪生引擎技术的研发，目前凭借这项技术获数千万元天使轮融资。

三、市场分析

1.宏观环境分析

2020 年 4 月，国家发改委和中央网信办联合发布《关于推进“上云用数赋智” 行动培育新经济发展实施方案》，将数字孪生技术提到了与大数据、人工智能、5G 等新技术并列高度，并启动“开展数字孪生创新计划”， 要求“引导各方参与提出数字孪生的解决方案”。

十九届五中全会发布的《国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出，坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国，必须加快数字化发展。

中共中央、国务院在对《河北雄安新区规划纲要》的文件中要求坚持“数字城市与现实城市同步规划、，打造出展现多维城市空间的数字平台，数字孪生平台逐步变成创新型智慧城市建设的核心创新性要素之一。

2.海外市场

2011 年，美国空军研究实验室和 NASA 合作提出构建未来飞行器数字孪生体，此后数字孪生得到了广泛关注。此后国外学者、美国军方、NASA、洛马、波音、诺格、空客在内的国际着名机构和企业均将数字孪生列为未来顶尖技术和战略发展方向，积极推进数字孪生技术的实际应用。

3.国内市场

国内数字孪生概念上市公司主要有德邦股份、华力创通、江苏数控、华中数控等，从近五年扣非净利润复合增长来看，近五年扣非净利润复合增长为 23.76%，过去五年成交额最低为 2019 年 8 月份的 773 万元，最高为 2022 年 1 月的 9056 万元元。截止到 2022 年 2 月 23 日，数字孪生成交额已突破 159.16 亿，市场呈缓步增长趋势。

4.新生市场

2021 年 3 月，十四五规划纲要确指出，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，进城市数据大脑建设，探索建设数字孪生城市。

当前，城市数字孪生已经发展成为支撑我国智慧城市的重要技术手段。根据数据统计，2021 年城市数字孪生相关公开招投标数量已达 200 多个，金额近百亿，较上年有了大幅增长。

四、核心技术

1.硬件设施

• 硬件设备主要指构建数字孪生应用基础的物联终端、通信设备、计算设施、存储设施及测绘装备等，主要用于支撑城市数据的感知、采集、传输、计算及存储。

• FPGA（可编程逻辑门阵列）是在 PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件基础上进一步发展的产物，提供了大量的可配置的基本逻辑单元、RAM 块、基础 DSP 块，满足了数字孪生对于多通道、大运算量的实时性需求。

2.实体映射

• 实体映射是建立物理实体与虚拟实体之间的多层次、多维度的映射关系。

• 通过物联感知、数字化标识等技术，将物理实体与虚拟映射的模型形成一种一一对应、紧密融合、双向互动的关系。

3.数据分析

• 建立在实体时空数据与时空模型之上的计算服务能力，包括时空查询、分析、解析、索引等多重计算服务。

• 运用大数据与智能分析技术，对时空对象的运行规律和固有特征变化进行动态解译，从而正向反馈虚拟对象。

4.多重建模

• 数字孪生的实现需要以数据为驱动，以模型为支撑。数据需要硬件计算与数据分析，而模型需要多维建模。

• 多维模型是物理对象数字化的载体，基于不同层面的数据，综合计算机图形学、人工智能、系统动力学等学科技术，将杂乱无章的海量数据进行空间对应，释放数据资源价值，实现数字孪生对物理实体的精准还原。

5.可视化

• 可视化是数字孪生一系列建设成果的直观展示窗口，也是用户实现物理空间和虚拟空间关联的重要技术手段。

• 游戏引擎、三维 GIS 技术、VR/AR/MR 等技术的广泛应用，为数字孪生可视化带来了多样性的发展，使得可视化从传统的二维、三维静态可视化发展到如今的多技术融合的实时动态全时空可视化。

6.虚拟交互

• 虚实交互技术通过融合数字图像处理、计算机图形学、多媒体、AR、VR、MR 等多种技术，以沉浸式、交互式的方式，实现人与数字孪生中的双向互动。

• 基于 AR、VR、MR 技术，通过数字沙盘、大屏、环幕、CAVE、DMS 多点触摸、VR 体验等集成展示等多种方式，实现跨终端、多模态的交互。

7.辅助科技

• 数字孪生的实现也离不开基础网络、5G、大数据、人工智能、云计算、云原生、区块链、物联网等重要的共性支撑技术。

• 尤其是 5G 通信技术的高速率、大带宽、低时延优势，促进了数字孪生的实现，使得面向未来的传感连接和数据传输走入实际应用。

五、问题与挑战

1.供应链

目前，大多数国内软件技术公司不同程度地使用开源软件，通过修改或使用部分开源组件进行软件开发。而这些都存在已知中高危开源软件漏洞，软件供应链信息安全风险严重。

2.数据支撑

数字孪生离不开数据资源的支撑，但目前数据管理、数据共享与交换、基础设施数字化、动态数据应用、数据安全使用等方面都存在一定程度的困难，这些都对数字孪生的发展带来一定的挑战。

3.产业联动

数字孪生的各行业领域依然处在“政府主导，企业各自为战”的阶段，产业联动不足。

六、未来趋势

1.城市管理

数字孪生城市典型应用场景主要包括城市规划、城市建设、城市治理、智慧园区、智慧交通、智慧能源等。

数字孪生城市是智慧城市建设新的创新源和发力点，将成为智慧城市发展新阶段的核心底座。

2.健康医疗

通过硬件设施收集的越来越大的患者数据集，完善以病人为中心的多维模型，最后数字孪生利用这些数据集为病人来模拟不同疗法、个性化或有针对性的方法。

3.航空航天

数字孪生这项技术最早就是美国用来在航天飞行器仿真实验和数据分析，如今随着中国飞船、火箭、卫星、空间站的发展。

数字孪生通过建立飞行器的数字孪生体，可以在各部件被实际加工出来之前，对其进行虚拟数字测试与验证，及时发现设计缺陷并加以修改，避免反复迭代设计所带来的高昂成本和漫长周期。

4.环境保护

通过数字孪生技术可以快速、有效的实现对物理世界的模拟、分析和预测，准确进行空气动力学、流体力学、景观生态学、环境生态科学、生命科学、地球地理学等方面的分析和仿真。

5.制造业

数字孪生系统能有效整合、集成异构工业大数据，形成数据中台，并支持对这些实时数据、历史数据进行汇聚、分析，实现生产全流程的精准追踪、态势感知和智能预测，有效赋能智能制造资源配置、生产等业务体系。