元宇宙系列之数字孪生——概念与技术篇：模型驱动，耦合虚实（一）

摘要

数字孪生的核心是要建立虚拟数字孪生体，进而反哺优化物理实体。数字孪生是要建立能够实时表征物理实体全生命周期的数字模型，实现物理与数字世界的闭环交互，高效协同产品生命周期中的各环节，通过对孪生体的仿真、控制、预测来对物体实体和生产过程实现改进优化。数字孪生的三大核心特征为实时闭环、数据支撑以及高保真与交互性，其实现有助于提升物理世界的生产运营效率，应用场景涵盖制造、建筑、特种、工厂运营、城市管理等多个领域。

数字孪生以模型数据为核心，根技术支撑数据全生命周期的各个环节。数字孪生以模型数据为根基，各环节根技术贯穿了模型数据的全生命周期。模型数据获取阶段主要包括IOT与动作捕捉相关设备技术，实时获取高保真数据；模型数据搭建阶段主要包括建模、渲染、仿真，构建物理实体对应数字模型；模型数据整合与可视化阶段主要包括数字孪生平台与系统，整合不同类型数据，协助数字孪生实现；模型数据互动阶段主要包括VR等技术，进一步提升了人与孪生出的数字世界的交互；支撑功能包括云计算、AI以及通信技术，为模型数据的传输、分析、计算提供基础设施的支持。

数字孪生应用仍处于技术完善与行业渗透期，海内外厂商在各大根技术环节积极前瞻布局抢占先机。数字孪生经过数十年的探索实践，目前已经进入了技术完善与行业渗透的关键阶段，包括物联网、工业软件、图形引擎、云计算等多个领域的厂商均在各自涉及的根技术环节积极推进数字孪生方向的应用探索。展望未来，我们相信数字孪生将会持续技术演进、应用拓展、标准完善的进程，加速进入各大行业商业化落地的成熟阶段。

风险

各环节技术迭代升级速度不及预期；各领域应用适配程度不及预期。

正文

数字孪生是要建立能够实时表征物理实体全生命周期的数字模型。数字孪生（Digital Twin）是是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程，即在“虚拟世界”中建立与“物理实体”的几何拓扑属性、物理属性所相对应的“数字孪生体”。数字孪生充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程，借助物理实体的数据进行实时演化，并在过程中进行仿真、控制、预测等操作并将结果反馈给物理实体，从而起到优化并协助物理实体的作用。

图表：实现数字孪生的整体流程

资料来源：西门子官网，中金公司研究部

数字孪生的实现有助于提升物理世界的生产运营效率，在制造、建筑、城市管理等多个场景投入应用。通过应用建模、仿真以及数据分析等技术，能够在计算机虚拟空间建立与物理实体完全等价的信息模型——“数字孪生体”，并可基于“数字孪生体”对物理实体进行仿真分析和优化，进而反哺在物理世界中的生产与运营管理流程，实现降低产品故障率、链接各开发流程、缩短开发周期，提高生产效率等功效。数字孪生理论及技术应用具有普适性，在多领域渗透，形成“数字孪生+”应用场景。目前主要的应用场景已涵盖智能制造、工程建设、城市管理、医学分析等领域。

► 智能制造：智能制造是当下发展的重点产业之一，强调智能技术与制造技术的融合，服务于制造业转型升级，主要包括设计、加工、装备、服务四大环节。数字孪生充分集成整合多学科多领域技术，通过感知、建模、仿真、分析、优化等步骤面向产品制造全生命周期，通过数字孪生体进行合理可靠高效分析并反馈给物理实体，协助提升产品质量、产能于效率。目前，智能制造是数字孪生落地最多的领域，数字孪生在智能制造中应用于产品设计、工艺规划、仿真验证、质量管理追溯、预测性检测与维护、反馈优化等多个环节。

► 工程建设：数字孪生为工程建设全流程提供支持与帮助，整合处理工程中产生与所需的海量数据，通过数字孪生平台对数据进行统一整合与数字化呈现。在工程设计阶段，数字孪生采集并整合的实景数据形成数字模型，供设计师参考并了解现场具体条件与情况；在落地与施工阶段，数字孪生模型实时反应建设进展与变化，对各参数进行实时监控并展示，保障工程高效安全进行；在交付验收阶段，数字孪生使精细化验收成为可能，通过数字模型与平台有利于检查与模拟各设计部件及对应参数。

► 城市管理：数字孪生通过将物理世界中的场景、人、物等要素数字化，协助城市管理有序运行。其在动态交通规划、安全综合治理、设计施工、城市公共服务等细分领域持续发力，为更高效的城市管理打下了坚实的基础。通过1：1复原真实城市空间，以最为直观和精确的方式呈现给城市管理者与居民，同时提供对于城市的动态推演等分析，服务于城市规划与管理。数字孪生技术赋予城市更有效的统筹规划与治理能力，为城市进一步发展提供强劲动力。

► 智慧医疗：数字孪生有助于协助医疗研发、实时监测健康状况、预测策略变更结果、验证医疗方案等。在医疗研发方面，数字孪生技术有助于收集与研发相关的大量数据、对医疗方案及其副作用进行模拟验证，高效提高研发成功率；在健康监测方面，数字孪生技术有潜力通过扫描仪器和可穿戴设备将现实身体及各参数进行数字化复制，并对其进行实时监控与指数追踪，在现有健康检测基础上进一步提供更全面、更及时、更精确的监测与提示。

► 能源开采：能源开采复杂的开采环境对于设备、人员及操作有十分严苛的要求。目前，开采过程信息互通能力不足，开采数据实时反馈与监控难以实现。针对种种相关问题，数字孪生技术及平台有能力逼真模拟能源开采情况并实时动态反馈开采过程中各种参数，有助于可视化、透明化能源开采全流程，从而达到信息互通、装备协同、高效安全开采。

图表：数字孪生行业应用

资料来源：工信部、中金公司研究部

数字孪生的五大要素：物理实体、虚拟孪生体、数据、关联、服务。物理实体包含物理世界中的各个物件、系统以及传感设备。其中，传感设备由于实时收集物件和系统的状态与相应数据。虚拟空间等价孪生体可以理解为数字孪生体，用于在数字空间中表征对应的物理实体，包括实体的属性、特征等各维度参数。数据既包括直接获取得到的物理实体的数据也包含数字空间中生成的数据。关联代表各部分之间的实时联系，物理数据被传输到数字模型中，数字孪生生成的数据反馈给物理实体便于调整与优化。服务则代表数字孪生整个系统产出的结果与对现实的意义。

数字孪生的三大核心特征：实时闭环、数据支撑、高保真与交互性。数字孪生基于计算机软件对随时间变化的物理实体进行实时状态表征、同时通过仿真、模拟等操作进行反馈、优化物理实体，具备实时性与闭环性。数据驱动反应了数字孪生的特征与本质，以数据流通与高效利用实现协助优化物理世界。此外，高保真与交互性也是数字孪生重要特征。数字孪生要求与物理实体高度仿真，追求真实与接近性。Gartner亦提出数字孪生主具备高交互性特征，具有评估可能发生状况的能力。

图表：数字孪生生态五要素

资料来源：《Digital Twin Driven Smart   Manufacturing》（Fei Tao等，2019）、中金公司研究部

图表：数字孪生生态五要素相互关联

资料来源：《Digital Twin   Driven Smart Manufacturing》（Fei Tao等，2019）、中金公司研究部

本文转载自【中金点睛】，版权归原作者所有，如若侵权请联系我们进行删除！

易知微以自主研发的EasyV数字孪生可视化搭建平台为核心，结合WebGL、3D游戏引擎、GIS、BIM、CIM等技术，协同各个行业的生态伙伴，围绕着数字孪生技术、数字驾驶舱和行业应用，共同建设数字增强世界，帮助客户实现数字化管理，加速数字化转型。

易知微已经为3000+ 客户提供数字孪生可视化平台和应用，覆盖智慧楼宇、智慧园区、智慧城市、数字政府、数字乡村、智慧文旅、工业互联网等众多行业领域，包括国家电网、移动云、中交建、中铁建、融创、云上贵州、厦门象屿、天津火箭、上海电视台、金华防汛大脑、良渚古城遗址公园、李宁、浙江大学等典型案例！