数字孪生根技术：贯穿模型数据的全生命周期

数字孪生概念的实现基于众多根技术的融合与连结。数字孪生的核心与根基是数据，数字孪生各环节与流程反映了在不同阶段对数据进行的处理。因此，通过与数据流通的各环节进行对应有助于深入理解数字孪生技术。在此，我们按照数据流通的阶段讨论各根技术并将其进行分类。我们认为，数字孪生主要包括数据获取，基于模型数据的建模渲染仿真，数据整合与可视化，数据互动以及支撑功能五个方面。每个阶段包含不同技术实现具体支撑。

数字孪生各项根技术组成总体技术架构，技术架构主要包含基础支撑层、数据互动层、建模与仿真层、功能层以及应用层。技术架构各环节与数据流通各环节根技术均可一一对应。基础层主要负责获取物理过程及其环境的关键数据，包含基础设施与工业设备、流程，使用物联网与感知等技术；建模构建层采用建模与仿真技术，反应物理实体的机理模型、数据驱动模型、以及模型间操作，与仿真分析层共同发力构建物理世界的数字孪生体并进行分析优化；数据互动层借助5G、数字线程、AR/VR/XR等技术传输、处理数据，将各层次各部分进行连接；功能与应用层运用AI大数据、人工智能、云计算与边缘计算等相关数字孪生技术赋能不同场景，协助专家深度分析、进行高效决策。同时，通过AR/VR等技术实现人机交互功能，与用户端直接进行对接。

图表：数字孪生相关技术与流程示意图

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

► 模型数据获取：数据获取与感知是数据孪生的第一步与重要基础。所需搜集的数据主要包括静态物体运行各类参数与数据，动态物体的姿势状态等。相关重要技术包括IOT与感知技术、动态捕捉技术等。IOT与感知技术是指运用RFID、PLC、OID、传感器等软硬件获取物理实体运行态势并进行监测；动捕技术是指通过多传感器、信号传输等设备获取、跟踪、记录人或物体的运动状态，在数字世界中实时反应物体的动态状况。

► 模型数据搭建：建模、渲染、仿真技术是数字孪生的核心技术。建模是指通过相应软件将将物理世界模型化，主要包含线框、曲面、实体、参数化建模等方法；渲染是指基于建模生成的三维模型进一步完善，赋予孪生体相对应物理世界中的所有参数，使数字空间满足真实视觉效果，主要包含光栅化以及光线追踪等技术；仿真技术是确认构建成的模型的真实性和有效性，其主要包括有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）、多体系统（MBS）等技术。

► 模型数据整合与可视化：数据平台承担数据整合与可视化的职责。数据平台融合各种工具，起到对不同类型的数据进行整合与处理，保证各环节数据之间互通，并将数据与相关结果及结论以可视化的形式反馈给决策者等作用，在数字孪生环节中展现协助的功能。未来，随着各项支撑技术的发展，数字孪生数据平台可能进一步结合如机器学习、计算机视觉等技术，实现数据可视化、分析、决策等一体化平台。

► 模型数据互动：数据互动可以理解为可视化的进阶版本，该环节进一步提升人与孪生出的数字世界的交互。目前主要包括AR、VR等技术，期待未来有更多可能的新兴技术诞生。数据互动相关个技术在数字孪生中的作用主要体现在与其他技术相结合后提供诸如业界沉浸式培训、巡检等更好的服务。

► 支撑功能：支撑功能在数字孪生中的作用主要是为数据分析、预测与决策的强劲支撑。数字孪生以海量数据为基础，如何对这些数据进行快速计算及高效分析非常重要，支撑功能相关各技术在这方面提供帮助。相关技术主要包括人工智能、云计算、边缘计算、大数据技术等。

数字孪生各环节根技术互为耦合、协同发力。物联网与感知技术实时获取物理实体运行态势、进行监测并为在数字空间中建模提供数据支持；建模、渲染仿真技术作为数字孪生核心技术严格精确地提供对物理世界的数字重现、精确映射物理世界中的事件过程并进行分析优化、协助决策；平台与系统提供串联与整合功能；AR/VR/XR等技术赋予用户更具沉浸感的操作与使用体验；支撑技术为数字孪生各项功能提供支持。而对于数字孪生应用的赋能者而言，覆盖根技术环节越多，则越能覆盖更多数据流通环节，能够攫取到价值链上更多环境的商业价值。

物联网与感知技术对物理实体运行态势进行实时监测并获取数据。物联网主要包含四要素：终端、传感器、网络以及服务，用于获取物理世界的海量数据并进行处理、连结、分析、反馈，从而起到监控与优化的作用。感知技术是实现数字孪生生态全流程映射与交互的起始部分与重要环节。感知技术包含全域标识、多传感器融合等细分技术，提供精准可靠的测量与物理实体的各项参数。该技术目标在于获取物理实体数据、明确物理实体的状态、在空间中的具体唯一位置等信息。感知技术常用软硬件包括包含OID、传感器等。

物联网与感知技术为数字孪生应用提供底层模型数据来源的支撑。数字孪生的实现基于大量可用且有效的数据，物联网与感知技术通过传感器、监视器等相关设备直接实时得到产品全生命周期的相关数据并通过自动上云的方式为数字孪生提供足够的数字“养料”，从而为之后可以更好地将产品与服务数字化及可视化做足准备。IOT技术在各行业的数字孪生中都体现重要作用，诸如在智能制造中通过感知与监控实时维护机器使用能力、在供应链领域可视化传输地点、环境等重要信息。随着物联网技术的不断提升，获取实时数据的能力不断增强，为数字孪生打下坚实的基础、源源不断为后续步骤提供有效有价值的数据。

图表：物联网在数字孪生中的应用

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

Microsoft Azure IOT、PTC ThingWorx IOT等众多物联网平台基于IOT数据及与计算为数字孪生提供海量、有效的数据。Azure IOT作为物联网平台通过获取得到的物理世界数据，用于创建真实物品、地点、业务流程和人员的数字表示形式并在数十亿台 IoT设备建立双向通信。其通过利用跨边缘和云的托管和平台等服务构建智能环境，帮助企业对设备和应用程序进行连接、监视、自动化和建模，从而做出更好的产品、优化运营和成本，推动转型并实现预期的业务成果并打造突破性的客户体验的见解。同时，Azure IOT平台为每台设备提供安全性保护并能实现设备预配自动化从而加速IOT部署。

图表：Microsoft Azure IOT工业应用案例架构

资料来源：Microsoft官网，中金公司研究部

图表：PTC ThingWorx IOT 解决方案

资料来源：PTC Community，中金公司研究部

动作捕捉针对动态的实体，实时采集其数据并生成其姿势与状态的数字孪生体。动作捕捉是运用各类传感器对人或物体的动作进行追踪与记录，获取虚拟“骨架”并运用计算机程序在“骨架”上覆盖所需信息生成具有同样动作的“数字虚拟体”。动作捕捉技术的出现与成熟使得人们不需要绘制各帧图像就可得到连续场景与连续镜头。动作捕捉根据使用场景及特点主要分为机械式、电磁式、光学动捕、惯性动捕等不同类型，采集数据并提供交互能力，其中目前最主流的为光学动捕以及惯性动捕。随着动作捕捉技术的日益成熟，其逐渐广泛应用于影视、医疗、机器人等各项领域，为日后在数字孪生中的应用打下良好的基础。

图表：动作捕捉在数字孪生中的应用

资料来源：NOKOV官网，中金公司研究部

动作捕捉技术已有数十年发展历史，诸多海内外公司在此领域深度布局。海外方面，微软、英特尔、Leap Motion等公司均有较为领先且完善的解决方案；国内方面，我国大量动捕相关企业也在不断探索与研发。青瞳视觉在动捕领域自主研发红外光学动捕系列产品，在虚拟仿真、动画影视、生命科学等领域均取得了不错的突破。同时，借助于公司在计算机视觉、人机交互等领域的积累，较好实现虚实空间数据映射，打通物理与数字世界。诺亦腾在动作捕捉和3D运动测量方面全球领先，致力于通过对人、物的精确感知与智能分析，构建运动状态的数字孪生。

图表：英特尔3DAT系统捕捉速度滑冰动作

资料来源：英特尔官网，电子工程世界，中金公司研究部

图表：青瞳视觉动作捕捉部分案例

资料来源：青瞳视觉公司官网，中金公司研究部

建模、渲染与仿真技术在数字空间中构筑物理实物的数字孪生体。建模即是将物理世界数字化、为物理实体生成数字孪生的技术方法；渲染是指基于建模出的模型进一步完善纹理、视觉、几何等要求，使其满足真实3D场景效果；仿真技术用于确认数字孪生模型化反应物理实体的正确性及有效性。建模、渲染与仿真技术将获取到的物理实体的数据信息在数字世界中进行孪生模型搭建，赋予其与现实物理世界相对应的数学属性、物理属性，并呈现出尽可能真实的视觉效果。

建模引擎是提供建模、渲染与仿真的核心平台，支撑起数字孪生底层模型数据的搭建。广义的建模引擎泛指工业软件领域的几何建模内核以及娱乐领域的动画、游戏建模引擎内核等，在实际的应用中，建模引擎处于底层硬件算力资源以及上层应用之间的中间层，其负责通过3D图形API调用底层算力资源，实现对象的造型建模、图形建模、仿真计算，演化出在泛工业（制造、建筑、特种应用、智慧城市等）、泛娱乐（游戏、影视、动画等）场景的丰富应用，其是三维图形开发领域的“中间件”。在数字孪生应用中，具有建模引擎能力的工业软件厂商以及图形引擎厂商也主要在模型数据搭建环节扮演输出建模能力的角色。

图表：图形引擎支撑起工业与娱乐领域的诸多建模、渲染与仿真应用

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

达索、AVEVA等工业软件厂商在建模、渲染、仿真领域积淀深厚，持续推动数字孪生在各领域各行业应用。达索专业的3D Experience通过使用全生命周期中的所有数字资产，提供数据驱动和基于模型的解决方案，通过建模、仿真等技术连结虚拟与数字世界，在工业设备、航空航天、生命科学等众多领域得到广泛应用。近年来，AVEVA公司推出适用于各领域3D设计的新一代产品E3D Design，其具有强大的建模与可视化能力，能够快速生成准确的图纸和报告，以降低新建和新建项目的成本、时间进度和商业风险。在建模效率方面，AVEVA E3D比传统的PDMS快30-50%。同时，与公司其他产品诸如AVEVA Connect一起使用，可在云上创建数字孪生，大大提升设计与制造效率。

图表：AVEVA E3D Design示意图

资料来源：公司官网，中金公司研究部

图表：达索3D Experience示意图

资料来源：公司官网，中金公司研究部

Unity、Unreal等图形引擎为各领域的数字孪生模型开发提供标准的开发平台。Unity和Unreal是目前全球应用最为广泛的两块游戏引擎，而近年来其应用领域也从游戏进一步衍生至工业建模、建筑建模、城市建模等领域，并在数字孪生的实现中投入到底层的建模渲染与仿真应用。Unity其近年来推出了Unity Reflect、Interact等系列非游戏领域应用套件，并且Unity平台本身也在诸多的智慧城市、智慧工厂项目中得到应用，作为项目对象模型搭建和模型渲染的底层平台。Unreal则更侧重于大型3A游戏的开发，其采取源码开放的模式，使得开发者能够更好地进行修改调整以实现更灵活、高效、符合场景的需求。在最新的UE5版本中进一步强化了动态全局光照等技术，在游戏美术领域取得进一步突破。

图表：Unity引擎工业产线解决方案

资料来源：公司官网，中金公司研究部

图表：Unreal引擎实时建模解决方案

资料来源：公司官网，中金公司研究部