什么是數(shù)字孿生？深圳建設(shè)數(shù)字孿生先鋒城市

• 楊興杰 2023年6月27日 來源：中研網(wǎng) 666 39
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數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字

一、什么是數(shù)字孿生？

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

數(shù)字孿生是個普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在國內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

二、數(shù)字孿生的原理

最早，數(shù)字孿生思想由密歇根大學(xué)的 Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵?shù)字孿生”的術(shù)語。數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射。數(shù)字孿生是在 MBD 基礎(chǔ)上深入發(fā)展起來的，企業(yè)在實施基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的過程中產(chǎn)生了大量的物理的、數(shù)學(xué)的模型，這些模型為數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2012 年 NASA 給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。為了便于數(shù)字孿生的理解，莊存波等提出了數(shù)字孿生體的概念，認為數(shù)字孿生是采用信息技術(shù)對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數(shù)字化定義和建模的過程。數(shù)字孿生體是指在計算機虛擬空間存在的與物理實體完全等價的信息模型，可以基于數(shù)字孿生體對物理實體進行仿真分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生是技術(shù)、過程、方法，數(shù)字孿體是對象、模型和數(shù)據(jù)。

進入21世紀，美國和德國均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系統(tǒng)”，作為先進制造業(yè)的核心支撐技術(shù)。CPS 的目標就是實現(xiàn)物理世界和信息世界的交互融合。通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代信息技術(shù)在虛擬世界的仿真分析和預(yù)測，以最優(yōu)的結(jié)果驅(qū)動物理世界的運行。數(shù)字孿生的本質(zhì)就是在信息世界對物理世界的等價映射，因此數(shù)字孿生更好的詮釋了 CPS,成為實現(xiàn) CPS 的最佳技術(shù)。

三、中國數(shù)字孿生城市市場規(guī)模

近年來，我國數(shù)字孿生城市主要建設(shè)內(nèi)容包括城市信息模型（CIM）平臺的基礎(chǔ)建設(shè)和交通、地下空間、安防應(yīng)急、環(huán)保水務(wù)等領(lǐng)域的G端（政府和事業(yè)單位）市場應(yīng)用，以及園區(qū)、住宅小區(qū)等B端市場應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，2021年我國數(shù)字孿生城市市場規(guī)模達27億元，隨著應(yīng)用場景的持續(xù)探索，數(shù)字孿生城市將實現(xiàn)多輪爆發(fā)并維持較高增長。預(yù)計2023年我國數(shù)字孿生城市市場規(guī)模將達87億元，2025年將增至172億元。

圖表：我國數(shù)字孿生市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

數(shù)字孿生相關(guān)專利數(shù)量保持高速增長，我國專利總量位居全球第一位。從2016到2020年，我國數(shù)字孿生相關(guān)的專利數(shù)量呈現(xiàn)明顯增長趨勢，數(shù)字孿生技術(shù)與創(chuàng)新已經(jīng)進入快速發(fā)展階段，截至2021年，我國新增數(shù)字孿生相關(guān)申請專利1771件,同比增長91%，成為數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新的核心力量。

根據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年數(shù)字孿生市場融資事件達27起，融資金額達27.75億元，行業(yè)融資情況呈向好態(tài)勢并升至高點。資本市場上，多家專注于數(shù)字孿生技術(shù)城市空間應(yīng)用的初創(chuàng)企業(yè)獲得了大額融資，明星機構(gòu)、政府引導(dǎo)基金和產(chǎn)業(yè)資本均有布局。

從申報案例來看，全球數(shù)字孿生城市當(dāng)前建設(shè)案例中涉及公共服務(wù)或管理、社區(qū)發(fā)展、智能建筑的應(yīng)用占比位列前三，分別達到55.6%、44.4%和40.7%。在所有中國數(shù)字孿生實踐中，54%案例與智慧交通有關(guān)，31%案例涉及智慧社區(qū)。

四、深圳建設(shè)數(shù)字孿生先鋒城市

深圳將建設(shè)“數(shù)實融合、同生共長、實時交互、秒級響應(yīng)”的數(shù)字孿生先鋒城市，建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的智慧城市和數(shù)字政府，推動城市高質(zhì)量發(fā)展。2023年6月，《深圳市數(shù)字孿生先鋒城市建設(shè)行動計劃（2023）》已經(jīng)深圳市政府同意并正式印發(fā)實施。

建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先世界一流的智慧城市和數(shù)字政府

數(shù)字孿生先鋒城市建設(shè)是今年深圳市智慧城市和數(shù)字政府建設(shè)重點工作。以數(shù)字孿生為特點的智慧城市建設(shè)，是新的時代背景下智慧城市建設(shè)發(fā)展的必然方向，是智慧城市建設(shè)發(fā)展的新階段。

《行動計劃》提出了建設(shè)“數(shù)實融合、同生共長、實時交互、秒級響應(yīng)”的數(shù)字孿生先鋒城市。建設(shè)一個一體協(xié)同的數(shù)字孿生底座，構(gòu)建不少于十類數(shù)據(jù)相融合的孿生數(shù)據(jù)底板，上線承載超百個場景、超千項指標的數(shù)字孿生應(yīng)用，打造萬億級核心產(chǎn)業(yè)增加值數(shù)字經(jīng)濟高地，建設(shè)國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的智慧城市和數(shù)字政府，推動城市高質(zhì)量發(fā)展”的總體目標。

《行動方案》明確了打造“四個先鋒”的重點任務(wù)，分別是先鋒底座：建設(shè)一個一體協(xié)同的城市級數(shù)字孿生底座；先鋒數(shù)據(jù)：構(gòu)建不少于十類數(shù)據(jù)相融合的孿生數(shù)據(jù)底板；先鋒應(yīng)用：上線承載超百個場景、超千項指標的多跨協(xié)同數(shù)字孿生應(yīng)用；先鋒科技：打造信創(chuàng)驅(qū)動、數(shù)字賦能的萬億級核心產(chǎn)業(yè)增加值數(shù)字經(jīng)濟高地。

編制《行動計劃》，將加強深圳智慧城市和數(shù)字政府建設(shè)頂層規(guī)劃，進一步提升我市智慧城市和數(shù)字政府建設(shè)運營管理工作的整體性、協(xié)調(diào)性和可持續(xù)性，助力推動城市高質(zhì)量發(fā)展，為“數(shù)字中國”建設(shè)貢獻深圳智慧，創(chuàng)建城市范例。

多項建設(shè)內(nèi)容均屬于國內(nèi)外首創(chuàng)或首次提出

《行動方案》編制思路和特點具體包括：

一是立足先行示范，突出先進性?！缎袆佑媱潯返木幹平Y(jié)合深圳實際明確了數(shù)字孿生城市建設(shè)的技術(shù)路線，即“基于BIM精細化建模的CIM平臺建設(shè)路線”。提出了“以精細化BIM模型為‘細胞單元’”“云網(wǎng)一體、同城雙活的算力基礎(chǔ)設(shè)施”“數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和應(yīng)用超市”“數(shù)字孿生數(shù)據(jù)體系”等建設(shè)內(nèi)容，均屬于國內(nèi)外首創(chuàng)或首次提出。

二是體現(xiàn)內(nèi)在邏輯，突出科學(xué)性。數(shù)字孿生城市建設(shè)，底座是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)是核心，應(yīng)用是目標，科技是支撐。圍繞這一邏輯體系，《行動計劃》謀劃了先鋒底座、先鋒數(shù)據(jù)、先鋒應(yīng)用、先鋒科技四個板塊，構(gòu)成整個文件的框架。在此框架下，結(jié)合具體工作任務(wù)，突出重點，形成了20條具體工作任務(wù)，并建立了相應(yīng)工作保障機制。

三是堅持目標導(dǎo)向，突出合理性。聚焦打造國際新型智慧城市標桿和“數(shù)字中國”城市典范，對標全球最好最優(yōu)，科學(xué)謀劃集先進性與可行性于一體的建設(shè)目標和指標體系?！缎袆佑媱潯访鞔_了“數(shù)實融合、同生共長、實時交互、秒級響應(yīng)”的第一階段數(shù)字孿生城市基本特點，圍繞四個板塊主要工作，確定了“一十百千萬”的任務(wù)體系和建設(shè)目標。

四是強化應(yīng)用導(dǎo)向，突出實效性?！缎袆佑媱潯穱@經(jīng)濟運行、城市建設(shè)、民生服務(wù)、城市治理、應(yīng)急安全、生態(tài)文明等方面，梳理出6大領(lǐng)域100+個業(yè)務(wù)場景，涵蓋1000+項城市運行指標的數(shù)字孿生應(yīng)用，為經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。?

想了解更多數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的相關(guān)內(nèi)容，請關(guān)注中研網(wǎng)《2022-2027年中國數(shù)字孿生技術(shù)行業(yè)市場全景調(diào)研與發(fā)展前景預(yù)測報告》。

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