深度解读：《数字孪生世界白皮书（2023）》全方位剖析！
微微菌
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2023-05-05 15:20
2023年初，中国信息通信研究院发布了《数字孪生城市产业图谱研究报告（2022）》，报告中提出我国数字孪生产业四阶段体系，2020年到2030年是我国数字孪生产业增长期，当前数字孪生市场需求和技术均处于高速发展阶段。 在大背景下，数字孪生产业发展还没有进入到理想化的元宇宙阶段，数字孪生技术已经不再是单一的技术体系，而是以积木式组装结合了物联网、大数据、人工智能、BIM、GIS等多项前沿技术的聚合技术。《“十四五”国家信息化规划》《“十四五”数字经济规划》等文件也提出要强化数字孪生技术战略研究布局和技术融通创新。 结合当前产业发展进程，易知微联合数字孪生世界企业联盟与众多行业专家共同编写《数字孪生世界白皮书（2023）》（以下简称《白皮书》） ，通过对于数字孪生技术和行业解决方案的深度剖析与成果分享，为数字孪生应用在千行百业中落地生根提供借鉴，以助力更多单位与企业建设数字孪生应用。杭州玳数科技有限公司、浙江宇视科技有限公司、北京中创碳投科技有限公司、安世亚太科技股份有限公司、浙江卓见云科技有限公司、数峦云（杭州）科技有限公司、深圳市瑞云科技有限公司、杭州微盟时空科技有限公司 编写指导（排名按姓名拼音首字母）： 杨秦敏 浙江大学控制科学与工程学院教授编写小组（排名不分先后）： 宁海元、赵倩、李强、陈昭龙、沈鲁栋、陈威辰、张宏韬、韩帅、谢传金、黄佳河、高艺、孟详钧、万里翔、周雁、马雨洁、刘永贵、李耀辉、朱佳灵、相里佳豪、王小飞、王永威、黄志新、牟叶勇、屈秀鹏、刘博宇、沈志平、阙祖栋、张厚田、杜佳丽、包兴涵、薛佳昱等。 感谢以上专家和行业伙伴们的协作，一起丰富了数字孪生白皮书，使其更具实践内容和丰富多彩。
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数字孪生：数智视融合，构建数字孪生产业生态链 数字孪生具有多学科交叉会聚、多技术跨界融合的典型特征，在当前数字孪生技术高速发展阶段该特征尤为突出。 而高速发展也逐步的暴露出数字孪生“流于形式”，数字孪生城市建设探索“有表无里”等问题。从当前数字孪生应用的建设实践来看，数字孪生需要在数字化和孪生可视化层面两手抓。l 数字孪生高速发展，成为数字经济热点 《白皮书》中指出我国数字孪生城市初创企业多处在快速成长期，随着应用场景的持续探索，数字孪生城市将实现多轮爆发并维持较高增长。 数字孪生技术是符合当前数字产业化趋势的前沿和关键数字技术，也是新型智慧城市和数字乡村建设、产业园区数字化建设、工业数字化转型、新型智慧水利建设、能源数字化升级等各个重点产业数字化领域应用融合创新的基础设施之一。l 打造“数智视融合、虚实人联动”的数字孪生世界 随着物联网、5G、云计算、大数据和AGI等基础技术的不断发展，数字孪生世界也将进入到“数智视融合，虚实人联动”的新阶段，为不同行业带来更有价值的应用，让每一个组织和个体从看见到受益于数字化。 数字化是数字孪生的基础前提，智能化是数字孪生的关键变量，可视化是数字孪生的交互界面。 将数字化、智能化和可视化等技术相结合，可以进一步打造“数智视融合”的新型数字孪生应用。每个人可以通过数字孪生应用实现对虚拟世界的参与和互动，也可以通过虚拟世界对物理世界进行协同感知和控制，实现“虚实人联动”。l 持续推进数字孪生世界“多跨”数智场景建设 数字孪生相较于数据可视化有着更为繁杂的架构。在传统数据可视化的展示价值基础上，数字孪生增加了业务运营价值，尤其在可视管理、模拟演练等场景里价值明显 。 比如面向复杂体、隐蔽体、综合体的业务运营层面效果突出，所以在数字政府、数字城市等领域应用广泛。中国信通院《数字孪生城市白皮书（2022年）》也指出，未来数字孪生城市“多跨”应用场景将加速推进，有力支撑中国式现代化发展模式。数字孪生世界企业联盟基于此提出4P应用场景和数字孪生五层工程技术体系，4P应用场景分别是科学规划（Plan）、可视管理（Present）、辅助决策（Predict）、干预演练（Preact），五层工程技术体系主要包含地理信息要素层、实时感知控制层、数据智能层、全真模型层、可视化交互层。 数字孪生应用架构 B/S与C/S的探索 B/S架构的数字孪生场景渲染，常见有以下三种技术路线： 基于WebGL封装的渲染库直接进行开发；基于支持H5的3D游戏引擎进行开发，开发完成后打包成WebGL；基于WebGL封装的渲染库开发适用于数字孪生项目的融合渲染引擎，再基于自研的引擎的进行开发，例如EasyTwin数字孪生融合渲染引擎。C/S架构的数字孪生场景渲染，常见的有以下两种技术路线： 基于游戏引擎直接进行开发，例如Unity3D、Unreal Engine；基于游戏引擎封装的适用于数字孪生项目的融合渲染引擎，再基于自研的渲染引擎的进行开发。数字孪生核心技术 加速发展和融合应用 数字孪生技术的向前发展和融合应用，使得数字孪生在城市、流域、工厂等数字化场景的建设中得到了广泛的应用，为现实世界的数字化和虚拟化提供了坚实的技术支持。 《白皮书》中主要围绕数字孪生世界建设7大核心能力，物理世界感知能力、数据治理能力、地理信息数据应用能力、数字孪生高效建模能力、数字孪生场景渲染能力、数字仿真能力、虚实交互能力进行展开描述。 l 物理世界感知 能力 物理世界感知能力是数字孪生应用建设架构中的底层基础，是物理世界信息输入的基础，是实现物理对象与其数字孪生应用间全要素、全业务、全流程精准映射与实时交互的重要一环。 随着计算机算力的大规模发展及算法的不断突破，AI得到了快速发展，为物理世界全域感知和管理监测等技术的研发和创新提供了强大的工具。构建一体化感知网能够实现感知范围全域覆盖，在扩大物理世界实时在线监测范围的同时，提升监测能力，帮助使用人员以科技之眼实时掌握现场情况，实现全面感知、科学决策与智慧管理。 l 数据治理能力 数据从业务中产生，在数据应用中承载。以数据应用核心，数据治理平台工具为支撑，在数据治理组织/制度保障下，不断通过数据治理手段，推动实现数据标准化及业务标准化，实现业务、技术、管理、平台的有效联动。只有构筑一套数据治理综合体系，明确关键数据资产的业务管理责任，依赖规范的制度流程机制，构建有效的管理平台及工具，数据的价值才能真正发挥出来。 l 地理信息数据应用能力 在数字孪生应用的建设阶段，地理信息数据是数字孪生应用的输入，能够通过各种传感器和设备进行收集和传送，并通过云计算和大数据技术处理和存储，为数字孪生应用提供多方面、多层次、多来源的数据，并通过机器学习和算法进行智能分析。在数字孪生应用的展示阶段，地理信息数据是数字孪生的输出，它能够有效展示数字孪生的结果和效果，为用户进行决策、控制、反馈提供途径。 《白皮书》中主要介绍了矢量数据、栅格数据以及常见地图坐标系的应用。 矢量数据用于表示地图上的点、线、面等几何要素和属性信息，例如道路、建筑物、地名等；栅格数据用于表示地图上的图像信息，例如卫星影像、地形图、天气图等。l 数字孪生高效建模能力 创建高保真的数字孪生体虚拟模型是构建数字孪生应用的重要步骤之一，需要真实的再现物理实体的几何图形、属性、行为和规则等。数字孪生体模型不仅要在几何结构上与物理实体保持一致，更重要的是要能模拟物理实体的时空状态、行为、功能等。针对高效建模流程，《白皮书》中主要介绍手工建模与程序化建模。 数字孪生领域中，手工建模是较常采用的建模方式，可以灵活适应不同数字孪生场景需求，根据项目需求进行灵活修改和迭代，且更容易进行数字孪生可视化展示和交互操作，性能上也更具有优势。基于手工模型制作的数字孪生建模方法主要介绍了利用倾斜摄影等方式进行数据采集和处理、BIM模型轻量化的处理流程、PBR建模流程。 程序化建模是指根据计算机图形学原理设定模型生成的规则，利用程序实现模型或贴图的创建，建模人员可以通过调节参数快速生成具有多样性和灵活性的模型，帮助建模人员大幅提高建模效率。与传统建模方式相比，程序化建模的优点不仅是快速生成各种模型结果，还可以与游戏引擎对接形成高效的生产管线。 《白皮书》中主要介绍了Houdini和CityEngine两种程序化建模方式。 l 数字孪生场景渲染能力 目前大多数数字孪生城市项目在三维渲染引擎的技术选型上通常是2种方案，一种是基于C/S架构的主流游戏引擎技术路线（Unreal Engine、Unity3D等），另外一种是基于B/S架构的WebGL技术路线。 《白皮书》中核心剖析了基于WebGL纯代码开发、支持H5的游戏引擎打包WebGL、自研B/S低代码融合渲染引擎三大WebGL数字孪生开发技术路线，以及基于游戏引擎的数字孪生场景渲染效果，和云渲染的实现方式。 l 数字仿真能力 数字化模型的仿真技术是创建和运行数字孪生体、保证数字孪生体与对应物理实体实现有效闭环的核心技术。 仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。仿真技术不仅建立物理对象的数字化模型，还要根据当前状态，通过物理学规律和机理来计算、分析和预测物理对象的未来状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿真，应是全周期和全领域的动态仿真。《白皮书》中针对于设备实时的数字孪生模型构建通用技术方法与实现案例进行了详细介绍。 l 虚实交互能力 随着数字孪生可视化的市场需求迸发及行业的日益成熟，数字孪生驾驶舱的发展从“看得到”到“用起来”。 数字孪生系统的虚实交互操作性，意味着在虚拟世界中的操作能够在真实物理世界得到反馈，这样的虚实交互、虚实联动，是从看见数字化转变到受益于数字化的关键，是构建数字孪生多跨协同、预案指挥的核心之一。新型技术成果： 降低数字孪生应用建设门槛 数字孪生技术发展至今已经逐步成为物联网、大数据、人工智能、BIM、GIS等多项前沿技术的聚合技术体，新型技术与数字孪生技术的融合赋能已经成为产业发展的重要路径。 易知微数字孪生产品矩阵中的EasyTwin数字孪生融合渲染引擎、EasyV for Unreal数字孪生双向通信插件、EasyMan数字孪生数字人分别在全方位融合渲染、游戏引擎以及AIGC技术领域进行实践创新，助力数字孪生技术全方位多领域发展。
目前我国已经进入"技术+应用”的数字孪生双驱动时代，在市场需求和国家政策的推动下，各地因地制宜发展数字孪生技术，深入开展数字孪生应用建设。 白皮书总结了数字孪生技术应用的“园区、港口、工厂、水利、双碳”五大行业场景，通过对于方案深度剖析和成果分享，希望能为数字孪生技术应用在千行百业中落地生根提供参考与借鉴。
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