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數字孿生技術是對真實世界的資產系統和流程的持續性學習型數字模擬，具備復合性和動態性的特點，是項目全周期管理的重要技術手段。在技術不斷發展和成熟的過程中，數字孿生技術在亞洲國家逐步延伸至多場景混合的城市政策制定領域，并發展至智能制造等相關制造業領域。從數字孿生技術的研究方向入手，分析數字孿生技術在實踐領域進展，對數字孿生技術進行未來展望，對我國的城市和產業高質量發展具有重要的作用。

與傳統電子建模技術主要應用于產品的研發或設計階段不同，數字孿生技術通過制造虛擬現實的電子化映像，并對映像的持續動態更新維護，達到三維空間尺度和持續時間序列上的高效仿真效果，以此作為基礎開展具體目標的仿真模擬和分析決策。數字孿生技術的應用范圍廣闊，具有廣闊的經濟發展前景[1],可應用于城市管理、智能制造等領域，具有較高的應用價值。數字孿生技術包括靜態和動態兩個層次，對應差異化的應用場景和資源需求[2]。在國家提出重視數字孿生技術的戰略方向后，各地方政府陸續出臺相應規劃，對新技術應用前景進行探索。

但在實踐操作過程中，靜態數字孿生技術仍未得到充分的應用，主要原因包括：

1)數宇孿生技術需要大量數據作為基礎支撐，數據獲取涉及多政府部門和多相關企業單位。實踐操作過程中，技術實踐往往難以獲取足夠和準確的數據，易出現部分數據缺失或數據獲取時間過長等影響應用的情況；2)數字孿生技術需要高質量算力作為基礎，以支撐后期分析決策，高質量算力意味著設備成本和數據傳輸可達性的大幅度提高；3)數字孿生技術需要明確的盈利前景(在無盈利前景的前提下，則需大量公共資源投入)，因需大規模使用才可攤低系統的構筑和維護成本。

因靜態數字孿生技術仍難以實踐使用，動態數字孿生技術在靜態技術的基礎上，新增動態數據的持續更新和分析決策等需求，投入實施難度更高。目前數字孿生技術的主要研究方向包括提升基礎算力效率、降低數據使用門檻和開放合作共贏機會三個方面。通過對數字孿生技術的研究方向、實踐進展和未來發展進行探索，有助于厘清數字孿生技術的發展前景。

1.數字孿生技術的研究方向

1.1提升基礎算力效率

算力是當前信息通信行業的研究熱點。單純提高算力無法保障數字孿生技術有效落地實施。數字孿生技術中更重要的是提升算力效率，即對現有資源的高效利用[3]。數字孿生技術需首先確定研究目標，在對研究目標進行分析基礎上，確定基礎數據的類型和內容(基礎數據不可單純追求數量，而需追求研究目標的實際需求）,在基礎層減少算力需求量；其次需確定不同屬性數據間的相互映射關系，即通過公式等方式錨定數據間關系，增加數據間關聯度，在實施過程中不需反復對基礎數據進行大面積校核，而是通過單個數據修改帶動所有數據的自動更新。通過確定研究目標以明確基礎數據屬性和確定不同屬性數據間的映射關系，有助于在基礎層面大幅度降低算力需求，實現提升基礎算力效率的目標。

1.2降低數據使用門檻

數據要素已成為新的生產資源要素，其重要性在生產生活中逐步提升[4]。數字孿生技術包含大量數據基礎，在對數據進行脫敏處理的同時，將數據分解為可公開使用、可有條件使用和保密三大等級，對各等級進行細分等級處理。對可公開使用的數據，將其作為公共資源向大眾開放；對保密數據則需保證其數據的用途安全；對可有條件使用的數據，則可探索數據交易方法，即通過數據交易為數字孿生技術的運營使用積累資源和創造現金流入，逐步降低數據使用門檻，以促使數據分層分級及有償向社會公開。

1.3開放合作共贏機會

因數字孿生技術在實際應用過程中，需同類型、大規模應用才可實現降低開發和應用成本[5]。在實踐操作中，系統需對同類型需求進行整合，并幵放合作以獲得共贏機會，大幅度降低技術開發和應用成本。但在開放合作過程中，可能會導致部分數據私密性受到影響，因此在合作與安全中取得平衡成為數字孿生技術進一步廣泛發展的重要前提。

2.數字孿生技術的實踐進展

2.1城市規劃設計

數字孿生技術在城市規劃設計領域的應用起源于歐洲國家，其將城市規劃劃分為政策制定者、城市管理者、城市工作者和城市居民四種人群，探索四種人群在城市運營過程中的關注點和實現目標。因為歐洲總體人口密度不大，人口呈現低增長趨勢(部分區域負增長)，新增經濟增長極發展帶動能力有限，除倫敦、法蘭克福等主要城市外，歐洲城市總體人口規模、產業類型和就業情況呈現穩定狀態，城市規劃設計在歐洲城市中的主要作用是優化城市環境、交通等作用。數字孿生技術在城市規劃設計領域的應用主要面向交通、環境等特定專題，通過相應專題信息收集、錄入和集成解決具體問題。

歐洲實踐案例可劃分為大型城市區域、城市和區域三個維度。希臘雅典作為大型城市區域，重視理解城市關系和共同創造創新性數字服務和提升新經濟商業價值，將城市交通通勤、健康環境、污染減少作為城市規劃的主旨。捷克皮爾森作為城市，重視交通和噪聲污染間關聯，將減少交通對城市環境影響作為主要研究對象。

以交通專題規劃設計為例，首先在城市范圍內劃定交通的來源和目標，采用OD模型(Origin-Destination) 建立矩陣，形成矩陣網絡和網絡模型。比利時法蘭德勝地區作為區域，在規劃中重視居民健康領域，以高環境友好型和高交通可達性為規劃目標。歐洲在城市規劃設計領域的實踐是基于總體城市發展狀態穩定基礎下的優化型設計，其僅需特定專題的信息導入和分析使得數字孿生技術在城市規劃設計領域實踐成本低且效果顯著。

2.2城市管控平臺

城市管控平臺是以大數據技術為源頭，主要起源和應用于我國[6]。城市管控平臺的基礎是城市信息模 型(City Information Model),模型以三維城市數字空間為建構對象，根據研究目標集成多尺度和多維度的城市信息數據，主要技術載體為建筑信息模型(Building Information Model),物聯網(Internet of Things)和地理信息系統(Geography Information System)。城市信息模型的發展經過了三個主要發展階段：

第一階段是建筑的模型化，即將建筑各類屬性信息集成為模型；第二階段是建筑模型場景尺度的擴展化，即將建筑物、基礎設施等屬性信息集成為模型；第三階段是城市信息模型的建模化，即將城市各類屬性信息集成。

但城市管控 平臺應用還面臨以下四個難題：

首先，因城市信息涉及類型極其豐富，對各類城市信息進行集成需耗費大量人力、成本和時間，其次，城市信息的存儲和處理需使用大量算力資源，在城市管控平臺以非盈利為目標時，需投入大量公共資源用于提升城市管控平臺的作用；再次，城市信息是動態發展和演變的過程，城市管控平臺需定期更新相應數據，將持續性地耗費大量人力、成本和時間；最后，部分城市信息屬于政府和企業的保密信息，雖然通過脫敏處理，但其收集和運營會面對顯著的阻力。

北美加拿大多倫多、法國雷恩、亞洲新加坡等城市均已開展數字孿生城市的規劃設計探索，如“虛擬新加坡”項目構建城市數字模型。在住房和城鄉建設部發布 《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則》后，雄安新區、深圳、杭州、廈門，重慶等城市陸續探索“數字孿生”技術在城市管理領域的應用[7]。因城市管控平臺面對的難題難以通過人工智能等新技術迅速解決，其前期投資和后期維護費用難以通過自運營的模式處理[8]。在信息要素成為新的生產要素類型后，信息要素交易平臺的探索在部分領域開始展開，交易平臺盈利可在一定程度上補充城市管控平臺所需的維護費用。但若城市管控平臺未形成持續的、穩定的經濟運營體系，其投資和維護則需政府持續投入大量公共資源[9]。

2.3智能制造領域

數宇孿生技術在城市規劃設計和管控領域逐步發揮作用，部分研發單位也開始意識到其重要意義。在傳統研發過程中，設計環節后普遍需打樣建設具體的模型用于系統測試和后續研發。這種模式對航空等大型器件而言，頻繁制造實體小樣將產生大量的成本。部分研發單位將數字孿生技術引入設計環節，在設計建模后直接使用其數字映射，進行系統仿真環境模擬和實體測試，對不適合使用需求的器件進行初步篩除，對適合使用需求的器件才進行實體打樣，有效地降低智能制造領域的使用成本。

與傳統“作坊”和強調手工的個性化和精細化制造模式不同，現代制造業強調標準化和高效率的制造模式，即設計和開發一個成熟產品，通過大規模制造以降低開發、設計、制造、營銷等環節的全流程成本[10]。對于高精度和先進性的產品而言，開發階段占據大量產品成本，通過數字孿生技術的引入則可有效降低開發階段成本，實現全過程成本下降。

美國將現實空間的實體產品、虛擬空間的模擬產品和兩者間連接建立模型，在美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室對未來航天器的設計研發過程中，充分運用數字孿生概念，減少實體產品直接模擬產生的大量成本。在此基礎上，美國通用、德國西門子等國際領先的制造業公司均將自身生產業務與數字孿生技術相結合。我國于近年也開展相應工業互聯網，智慧工廠研究，為數字孿生技術切入智能制造領域提供支撐。

2.4專業軟件開發

各行業在發展過程中逐步形成適于自身發展的軟件載體，但這些軟件載體具有以下特性：

1)同專業的不同軟件具有差異化的特點，用戶在使用部分軟件獲得優勢的同時也需要承擔其劣勢。且同專業下轄的各企業由于企業間競爭等原因，難以共同合理形成專業內部具備顯著競爭優勢的軟件；

2)不同專業的軟件間技術平臺差異使得當不同專業需要數據交互時需重新建模，導致成本大幅度提升。數字孿生技術可通過基礎平臺構筑，即打造數字孿生技術的統一特征點識別、數據錄入、立體建模、高效渲染等基礎層技術工具，打造統一的數字孿生基礎層技術。同時，同專業的不同軟件可在統一的數字孿生基礎層技術基礎上，形成自身具備個性化的操作方法和軟件目標。同時通過逐步打破專業間的軟件差異和同專業軟件間的差異關系，使得專業開放性軟件開發模式成為可能，逐步實現不同軟件廠商間的基礎層和接口的統一化，各軟件廠商可以在統一的數宇孿生基礎層技術和平臺基礎上，逐步嵌入和豐富數字孿生技術和軟件內容。

專業軟件開發面臨數據高效采集、多屬性多專業建模、高性能算力提升、復雜場景應用等多方面的挑戰， 但數宇孿生技術為專業軟件開發提供工作基礎，為專業軟件融合共通提供支撐條件。目前專業軟件開發已在電力、燃氣等公共基礎設施層面開展應用，形成智慧電力、智慧燃氣等模式，即通過建構數字孿生平臺，構筑各基礎應用間的相互關系，并以數字孿生模型作為基礎優化現實應用和模擬現實情況，減少人力和時間等層面成本需求。目前可預見的是下一步專業軟件開發將逐步拓展至其他公共基礎設施領域，從公共基礎設施領域再轉化為其他應用領域。因同類型軟件在地域上具有可復制性、在業務上具有可拓展性，專業軟件開發具有廣闊的應用和發展前景。

3.數字孿生技術的未來展望

3.1引入人工智能技術以降低信息動態更新成本

海量信息數據的獲取和錄入是制約數字孿生技術應用的難題。通過引入人工智能技術，以終端傳感器的信息采集為基礎，可有效降低信息獲取成本。對于部分時效性要求較高的數據，通過人工智能技術，實現數據需求的動態更新，將大幅度降低信息動態獲取和更新成本，為技術的積累和應用提供空間。通過系統學習事物運行規律，研判未來發展方向，構建集中管理平臺、促進資源有效配置等思路，重塑數據結構，構筑數據內部關聯，降低信息動態更新成本，通過算法提高處理效率。

3.2引入虛擬現實技術以提升可視交互操作效率

數字孿生技術的主要作用在于提供決策參考，即通過集中分析等模式以降低應用成本。通過引入沉浸式虛擬現實技術，有助于提升人機交互操作效率，即通過數字孿生技術實時反饋數據進行個人回應，提高應用層面的可操作性。虛擬現實技術的核心在于對現實場景的虛擬模型建構和虛擬效應反饋，也是數字孿生技術的核心。在引入現有虛擬現實技術的基礎上，拓展現有虛擬現實技術主要應用于游戲，旅游等娛樂領域，將有助于大幅度拓寬虛擬現實技術的邊界，催發數宇孿生技術與虛擬現實技術的局部結合，達到總體使用成本的降低，提升實時交互能力。

3.3引入數據映射關系以拓展實際應用需求場景

數字孿生技術多針對單一研究目標，單一研究目標的場景建構和分析決策的經濟性較低。在構筑數字孿生技術平臺的基礎上，在單個研究目標需求的驅動下，對平臺進行局部模型和數據的截取，將有助于大幅度降低數宇孿生技術的成本。在基礎平臺構筑的基礎下，通過建立個體屬性間的數據映射關系，則有助于拓展實際應用需求場景，通過前期大規模投入和后期逐步盈利，以實現數字孿生技術的發展和迭代。

3.4引入虛擬場景模式以降低現實需求實現難度

建模、仿真和集成是數字孿生技術的重要核心。通過引入虛擬場景模式，在虛擬空間構筑基礎設施、交流場所和空間，以規避現實場景建設相應場所產生的大量成本。通過虛擬場景構筑，以較低的成本滿足市民各類生產生活或娛樂消費需求，降低現實需求實現難度，具備顯著的商業價值和社會價值。在物聯網構筑逐步成熟的背景下，萬物互聯的發展愿景使得虛擬場景模式將獲得更大的發展空間和更便捷的接入模式。通過在虛擬世界構筑場所和空間，將有效提高個人娛樂休憩的可達性。

3.5引入新型應用場景以拓展數字孿生影響范圍

目前，國際層面數宇孿生技術的發展和實踐主要是以政府作為主導。目前各國都在致力于提升數字經濟和實現傳統產業的數字化，數宇孿生技術可充分運用于傳統產業的數字化領域。與數字經濟需要不斷技術迭代升級不同，傳統產業具備成熟的產業模式、產業規模和產業流程，是數字孿生技術發展的潛在方向和新型應用場景。通過引入傳統產業作為新型應用場景，有助于拓展數字孿生技術的實際影響范圍，形成技術層面的規模效應，提高使用范圍的同時降低研發成本。

4.總結與啟示

數字孿生技術是對原有建模設計技術的優化和提升，通過建立虛擬環境與現實環境間的映射關系，對虛擬環境進行模擬分析，大幅度降低現實環境操作的難度和制約。數字孿生技術包括靜態和動態兩種模式。靜態模式主要應用于記錄還原等場景，動態模式主要應用于輔助決策等場景，差異化的模式對基礎數據和資源投入有較大的需求差異。目前各地方政府和相關企業對數字孿生技術進行探索，但因成本原因，仍未得到大規模采用。在提升基礎算力效率、降低數據使用門檻和開放合作共贏機會后，有助于為數字孿生技術的應用提供盈利來源并降低成本，有助于擴大數字孿生技術的應用場景。

數字孿生技術的發展瓶頸主要包括資源和技術兩個層面，其中，資源層面指數字孿牛技術需大量前期投資。資源等投入以研發技術模型和算力標準，需大量后續維護資源等投入以維持模型的動態數據更新和動態結果輸出；技術層面指數宇孿生技術需面向實際應用，即數字孿生技術的算法和標準對實際模型效果具有顯著的影響作用，且輔助決策等場景需根據實際情況調整重點，因難以形成統一的輔助決策模式，易形成多樣化和開放性的輔助決策模式，與數宇孿生的人工智能優化目標具有一定的沖突。

當前數字孿生技術主要應用于城市規劃設計和城市管控平臺領域，并逐步進入智能制造等新領域。在未來潛在重點應用領域中，城市規劃設計和城市管控平臺仍將是主要研究內容，即通過建構一種統一的、可地域拓展的平臺模式，廣泛應用于國內智慧城市建設，以數字孿生技術作為平臺承載現有重大項目立項、城市規劃設計、城市專項管理等城市規劃、建設、運行全過程。通過統一的平臺模式有助于降低單個城市的實際應用成本。另一個潛在重點應用領域則是工業互聯網，因工業的門類和特點差異較大，前期數字孿生技術更適合應用在市場規模大的行業，在汽車等制造業具備成熟的部署條件。對于市場規模較小的行業，數字孿生技術模型成本過高，難以應用。

未來數字孿生技術的主要研究方向包括通過引入人工智能技術以降低信息動態更新成本，引入虛擬現實技術以提升可視交互操作效率和引入數據映射關系以拓展實際應用需求場景。通過以上方向的研究，將有助于大幅度擴展數字孿生技術的應用邊界和提高數字孿生技術的處理效率。未來數字孿生技術將不僅在傳統城市規劃設計和城市管控平臺領域有效提升城市管理效率，為城市決策提供分析基礎，也將在智能制造和專業軟件開發等領域中發揮重大作用，為我國城市和產業的高質量發展提供技術支撐。

來源：中國聯通研究院