导语 

        数字孪生是物理系统向信息空间映射的关键技术，通过传感器和数据分析实现实时模拟和控制。与元宇宙不同，数字孪生强调物理对象的复现，是元宇宙的技术基础。New IT技术支撑数字孪生的广泛应用，助力工业、城市等多领域实现虚拟与现实融合，促进经济社会创新发展。

01 什么是数字孪生？

        数字孪生，英文名为Didital Twin(数字双胞胎)，也成为数字映射、数字镜像。它的官方定义非常复杂，是这么说的：是充分利用物理模型、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。

        数字孪生是对物理实体的数字化表达。利用物联网、人工智能、大数据分析等先进技术，将物理实体镜像映射到虚拟空间，实现对现实世界的全面感知、镜像再现，在数字孪生世界里构建数字化应用。同时，通过数字孪生世界也可以实现对现实世界的全面感知、监测、智能操控等；

       基于物联网技术吗，数字孪生通过传感器技术获取物理实体的数据，并将其整合到模型当中形成一个虚拟的环境，帮助掌握物理系统的状态和运行情况，从而对其优化和改进。

       利用大数据技术，数字孪生可深度学习训练框架，对海量数据进行处理和分析，发现潜在的问题提高模型精度。利用人工智能，数字孪生可对物理实物进行分析和优化，为用户提供实时监测、智慧管控，从而提升数字化系统的性能和效率。

02 数字孪生技术篇

1、数字孪生关键特征

• 互操作性

       数字孪生中的物理实体和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接。因此，数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在2D、3D之间转换、合并和建立表达的等同性。

• 可扩展性

       数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展；

• 实时性

       数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。

• 保真性

       数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性，要求模型和物理实体不仅要保持集合几何结构的高度仿真，在状态、时态上也要仿真。

• 多源异构数据融合

       数据是数字孪生最核心的要素，它源于物理实体、运行系统、传感器等，涵盖仿真模型、环境数据、物理对象设计数据、维护数据、运行数据等，贯穿物理对象运转过程的始终。数字孪生体作为数据存储平台，采集各类原始数据后将数据进行融合处理，驱动仿真模型各部分的动态运转，有效反映各业务流程。所以，数据是数字孪生应用的血液，没有多元融合数据，数字孪生应用就失去了动力源。

• 数据驱动精准映射

       数字孪生的主体是面向物理实体与行为逻辑建立的数据驱动模型，孪生数据是数据驱动的基础，可以实现物理实体对象和数字世界模型对象之前的映射，包括模型、行为逻辑、业务流程以及参数调整所致的状态变化等，实现在数字世界对物理世界实体的状态和行为进行全面呈现、精准表达和动态监测。

• 智能分析辅助决策

数字孪生的实际应用价值，是赋能业务高校科学决策。数字孪生的映射关系是双向的，一方面，基于丰富的历史和实时数据和先进的算法模型，可以高效的在数字世界对物理对象的状态和行为进行反映；另一方面，通过在数字世界中的模拟试验和分析预测，可以对未来发展趋势进行科学预测、对历史态势进行溯源，实现反馈控制和实时决策能力，从而驱动现实世界的改进和优化。

2、数字孪生重要构成

       说到数字孪生的重要构成，不得不提到NewIt。NewIt是指新一代信息技术，即人工智能（AI）、云计算、大数据、物联网（IoT）、区块链技术、3R(AR、VR、MR)。数字孪生与它们完美链接才造就了现目前的广泛应用和产业赋能效应。

• 数字孪生与物联网

      对物理世界的全面感知是实现数字孪生的重要基础和前提，物联网通过射频识别、二维码、传感器等数据采集方式为物理世界的整体感知提供了技术支持。此外，物联网通过有线或无线网络为孪生数据的实时、可靠、高效传输提供了帮助。

• 数字孪生与3R(AR、VR、MR)

      虚拟模型是数字孪生的核心部分，为物理实体提供多维度、多尺度的高保真数字化映射。实现可视化与虚实融合是虚拟模型真实呈现物理实体以及增强物理实体功能的关键。VR/AR/MR技术为此提供支持；VR技术利用计算机图像学、细节渲染、动态环境建模等实现虚拟模型对物理实体属性、行为、规则等方面层次细节的可视化动态逼真显示；AR与MR技术利用实时数据采集，场景捕捉，实时跟踪及注册等实现虚拟模拟与物理实体在时空上的同步与融合，通过虚拟模拟补充增强物理实体在检测、验证以及引导等方面的功能。

• 数字孪生与云计算

      数字孪生的规模弹性很大吗，系统级和复杂系统级数字孪生则需要更大的计算与存储能力。云计算按需使用与分布式共享的模式可使数字孪生使用庞大的云计算资源与数据中心，从而动态满足数字孪生的不同计算、存储与运行需求。

• 数字孪生与5G

      虚拟模拟的精准映射与物理实体的快速反映反馈控制是实现数字孪生的关键。5G通信技术具有高速率、大容量、低时延、高可靠的特点，能够契合数字孪生的数据传输要求，满足虚拟模型与物理实体的海量数据低延时传输、大量设备的互通互联。从而更好的推进数字孪生的应用落地。

• 数字孪生与大数据

    数字孪生中的孪生数据继承了物理感知数据、模型生成数据、虚实融合数据等高速产生的多来源、多种类、多结构的全要素/全业务/全流程的海量数据。大数据能够从数字孪生高速产生的海量数据中提取更多有价值的信息，以解释和预测现实事件的结构和过程。

• 数字孪生与区块链

      独立性、不可变和安全性的区块链技术，可防止数字孪生被篡改而出现错误和偏差，以保持数字孪生的安全，从而鼓励更好的创新。此外，通过区块链建立起的信任机制可以确保服务交易的安全，从而让用户安心使用数字孪生提供的各种服务。

• 数字孪生与人工智能（AI）

      AI通过只能匹配最佳算法，可在无需数据专家的参与下，自动执行数据准备、分析、融合对孪生数据进行深度知识挖掘，从而生成各类型服务。数字孪生有了AI的加持，可大幅提升数据的价值以及各项服务的响应能力和服务准确性。

03 数据孪生赋能哪些行业应用场景？

    任何技术的最终落地，都需要从理论转向实际应用，数字孪生也是如此。数字孪生可以为实际业务决策提供依据。通过对物理世界全要素对象精准复现，基于海量数据信息，建立一系列业务决策模型，能够实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，为业务决策提供全面、科学的依据。

      在数字经济时代大背景下，数实融合发展不断深入，随着IOT、5G、云计算、大数据、AI等基础技术成熟，数字孪生作为数字技术发展的高级阶段，目前已经成为各行业数字化变革的主流模式选择，广泛应用于智慧城市、智慧园区、公共安全、智能制造、智慧水利、智慧交通等领域。

1、数字孪生城市

      通过数字孪生技术，可将城市街区的物理环境与数字模型进行实时同步，以实现对城市管理的精确监测和合理决策。通过传感器设备获取街区各个角落的数据，将这些数据传输到数字模型中，再通过算法进行分析和预测，帮助城市管理者更好地了解和把控城市的运行状态。

      数字孪生城市，能够在充分整合城市各领域信息资源的基础上，将大规模城市各领域管理要素进行精准复现，并对细分业务领域数据指标进行多维度可视分析，实现从全域视角到微观领域，对城市运行态势进行全息动态感知。比如，城市管理者可以更加高效便捷地了解到城市各区经济发展情况、交通早晚流量差异、城市区域人口热力对比等情况。

      在城市规划中，数字孪生可用于建立虚拟城市模型，模拟城市的交通流、能源使用、环境影响等。这有助于城市规划者优化城市设计、改善交通流动性，并提升城市的可持续性，可以用来模拟城市规划和建筑设计，包括建筑外观、结构和功能。在城市规划方面，数字孪生可以用来模拟城市交通和人口流动，以便城市规划师了解城市未来的需求和挑战。在建筑设计方面，数字孪生可以用来评估建筑的能耗和环保指标，帮助建筑师设计更加环保和节能的建筑物。

      在智慧城市规划方面，借助数字孪生技术，城市规划者可以在虚拟环境中建立城市的数字孪生，优化城市布局，提高城市的可持续性。

2、数字孪生园区

       数字孪生园区，能够在有效整合园区运营各类信息资源的基础上，基于数字孪生场景，对园区外部环境、建筑、产业分布、楼宇内部结构以及具体设备运行情况进行精准复现。对园区综合运营、安防、交通、设施、能效、环境空间等管理业务的关键指标进行综合监测分析，对园区人、事、物进行统一管理，可以辅助管理者对园区运行态势进行全面感知、综合研判，实现管理精细化、决策科学化和服务高效化。

     数字孪生技术可以更有效的实现对城市、园区的精细化管理；将数据集成到数字孪生可视化集中管控平台，实现园区内3接入各类智能设备，与平台深度互动，赋能园区智能治理。

3、数字孪生警务

       综合运用5G、大数据、云计算、AI、物联网、数字孪生等技术，基于数字孪生底座，贯通各警种业务系统，实现多维度数据互融互通、警务全要素对象智能管理，聚焦实战应用需求构建多业务专题，为公安指挥中心进行情报监测预警、警情行动处置、警力指挥调度、情报分析研判等实战业务，提供智能高效的“最强大脑”。

4、数字孪生水利流域

    构建实景三维流域，对流域全景、全要素态势进行精细化复现；整合水利各部门现有信息系统的数据资源，结合 CIM 底座与动态仿真推演能力，将信息、技术、设备与水利管理需求有机结合，覆盖流域总览、流域防洪监测、水库监测、水利调度等多个业务领域，全面赋能用户业务应用，有效提升水利跨部门决策和资源协调效率。

    在数字孪生流域方面，加快构建水利部和长江、黄河、淮河等七大江河数字孪生平台，支撑流域防洪调度管理。比如，去年海河“23·7”流域性特大洪水期间，综合利用气象、水文、水动力等模型，对流域产汇流、洪水演进过程进行超前推演，精准预报永定河等洪水过程，提前3天做好东淀等蓄滞洪区启用准备。

    构建实景三维流域，对流域全景、全要素态势进行精细化复现；整合水利各部门现有信息系统的数据资源，结合 CIM 底座与动态仿真推演能力，将信息、技术、设备与水利管理需求有机结合，覆盖流域总览、流域防洪监测、水库监测、水利调度等多个业务领域，全面赋能用户业务应用，有效提升水利跨部门决策和资源协调效率。

    在数字孪生流域方面，加快构建水利部和长江、黄河、淮河等七大江河数字孪生平台，支撑流域防洪调度管理。比如，去年海河“23·7”流域性特大洪水期间，综合利用气象、水文、水动力等模型，对流域产汇流、洪水演进过程进行超前推演，精准预报永定河等洪水过程，提前3天做好东淀等蓄滞洪区启用准备。

     在数字孪生工程方面，建成了一批重点水利工程的数字孪生系统，提升工程运行管理水平。比如，数字孪生三峡工程，推进实体工程与数字孪生工程同步交互映像，有效提升三峡工程综合管理能力，更好发挥综合效益。明忠司长讲到数字孪生灌区，这也是数字孪生工程领域应用的一个实际成效。

5、数字孪生能源电力

       基于数字孪生，支持汇集基建、运检、调度、生产、营销、安监等各系统数据，覆盖电网常态运维、重点用电保障、应急指挥调度、电力数据分析等各业务领域，宏观可对大规模配电线网运行态势进行综合掌握，微观可对各电力设备实时运维状态进行精确监测，为电网生产方式变革和管理模式创新提供信息化支撑。

       数字孪生可用于建模能源生产、传输和消费系统。通过实时监测和模拟，能够优化电网运行、提高能源利用效率，并支持可再生能源的集成。数字孪生可以用来模拟电网和输电线路，以帮助能源公司更好地预测和管理电力供应。还可以用来优化风力和太阳能发电厂的运营，以提高电力生成效率。甚至可以用来模拟整个城市的能源消耗情况，以帮助城市规划师了解城市的能源需求和挑战。

      在电网管理方面，电力公司通过数字孪生技术对电网进行建模，实现对电力分布、供应和需求的实时监控，提高电网的稳定性。

      在可再生能源优化方面，利用数字孪生技术，能源公司可以模拟可再生能源的供应情况，优化能源的利用，降低能源浪费。

6、数字孪生工业制造

      以制造业为例，数字孪生技术可以通过建立虚拟工厂、仿真生产过程等方式，支持设备级数字孪生，能够高度还原设备的外观、材质、纹理等精密显示细节以及复杂内部结构，实现高精度、超精细的可视化渲染；并可对设备组态结构、复杂动作进行全数据驱动显示，不仅可以看到产品外部的变化，更重要的是可以看到产品内部的每一个零部件的工作状态，对预测问题并进行维护，提高生产效率和质量。

    在制造业中，数字孪生为制造商提供了一种新的方法来设计、测试和生产产品，可以帮助优化零部件设计、改进性能，以及提前发现潜在问题。通过将实际的工厂和设备建模为数字孪生，制造商可以在模拟环境中进行各种测试，如产品验证、生产流程优化等。数字孪生还可以用来监测和分析设备的状态和性能，以实现更好的预测性维护和更高的生产效率。

     在研发新产品时，可以借助产品数字孪生模型来优化产品设计；在工艺规划阶段，可以通过对数字孪生模型的检查来确保每个零件的成功制造以及零件的相互协调。在具体制造过程中，还可以搭建从设备到产线、车间、整个工厂的数字孪生模型，通过不断采集数据、分析数据，实现高效排产，及时发现生产问题。数字孪生可用于建模和仿真制造设备、生产线和整个工厂。通过模拟生产流程，优化工艺、改进设备布局，提高生产效率和降低成本。

7、数字孪生医疗

       从造物角度来讲，人体比机械要复杂太多。人体有37万亿个细胞，每一个细胞生命周期里又有4200万的蛋白质。但人体数字化，即基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究，却将这些知识全部注入人体的数字孪生体中。这有利于降低各种手术风险，提高成功率，改进药物研发，提高药物的效用。

     数字孪生技术在医疗健康领域中的应用主要是在医学影像方面。通过数字孪生技术，可以将患者的身体部位进行三维建模，并模拟病变情况，从而帮助医生更准确地诊断和治疗疾病。

      通过数字孪生技术建立虚拟人体模型，模拟人体的各种生理和病理情况，帮助医生制定更有效的治疗方案，并提供更准确的医疗预测和风险评估。此外，数字孪生技术还可用于医学教育和培训，让医学生通过虚拟实验和模拟操作来提高技能。

     随着数字孪生技术的出现，为个体患者提供个体化的诊断和治疗将成为可能，可以对人体健康状态进行实时监测和预测，为医疗保健提供更加精准的服务，并被认为是未来精准医学的一部分。如今数字孪生技术在心血管疾病、癌症、传染病等方面的都有应用案例。

    在手术模拟与培训方面，医疗机构通过数字孪生技术建立患者特定的数字模型，为医生提供实时的手术模拟和培训环境，提高手术的准确性。

    在个性化治疗方面，基于患者的数字孪生模型，医生可以制定个性化的治疗方案，提高治疗的效果。

    在健康管理方面，数字孪生还可以应用于医疗健康领域。例如，通过建立人体的数字孪生模型，可以对人体健康状态进行实时监测和预测，为医疗保健提供更加精准的服务。

     在医疗保健运营方面，创建医院、运营战略、容量、人员配备和护理模型的数字化双胞胎可帮助医疗保健提供商检查组织的运营绩效。 

    在个性化护理方面，医疗保健提供者和制药公司还可以使用数字孪生体对患者的基因组代码，生理特征和生活方式进行建模，以便医疗保健公司可以为每位患者提供个性化护理，例如独特的药物。

8、数字孪生交通

      数字孪生可以在交通管理和规划中发挥作用，提高道路、铁路和航空等交通系统的效率和安全性。数字孪生可以对交通运输系统中的数据进行分析和预测，帮助规划者和管理者更好地管理和调整交通系统。交通驾驶场景复杂，交通堵、停车难、行车乱等问题愈发频繁，而具备实时性、闭环型的数字孪生技术可以通过交通数据的采集和处理，对城市交通系统建模进行交通仿真，进而对城市交通运行状况进行模拟和优化，提出有效的交通管理策略，从而使城市交通更加高效、安全、稳定。

      利用城市级三维重建技术，基于自己的高精度地图数据，可以真实还原出整个城市的楼宇、道路等主体要素。然后，是树木绿化、公交站台、交通标记、交通标线等静态元素。

    在整个城市的大规模车道级实时仿真下，交通流数据可以像我们使用地图导航APP一样，通过颜色（交通热力图），进行可视化呈现。城市交通的拥堵情况，一览无余。

     数字孪生交通可以模拟交通信号灯的设计优化方案，为管理部门优化交通管理调度提供技术支持。基于虚拟环境，为救护车、消防车等紧急车辆提供路线动态规划，挽救生命。

     在数字孪生交通环境下模拟各种天气状态，评估天气对交通路网系统运能带来的影响，提前做好灾害天气环境下的应急预案。

     在自动驾驶方面，数字孪生技术对于自动驾驶来说也天然契合，我们知道自动驾驶汽车包含许多传感器，用来收集与车辆本身及汽车周围环境的相关数据。在数字孪生的世界里，可以通过云端测试场，根据真实道路数据生成的虚拟环境，让自动驾驶的算法在虚拟世界里进行安全的实验与测试。

    在司机驾驶员方面，交通数字孪生技术具备准确率达到95%的精准感知能力，以及300ms端到端时延的通信能力。它可以将异常事件告警以视觉和声音的方式，发送到驾驶员的孪生终端上，提高驾驶员的安全通行能力。

     在高速公路的管理方面，数字孪生技术强调的是主动运营，也就是把整个高速公路管理起来。通过ETC、摄像头、车联网终端、RSU（路侧单元）、蜂窝基站甚至卫星，可以实现数据的传输。通过云端或现场MEC（边缘计算节点），可以进行数据的计算和处理。基于感知到的车流、路面、天气、事故数据，可以轻松实现对高速公路全要素全时空的主动安全式精细管控，例如车道级定位及引导，动态路径编排，交通基础设施调控，等等。

9、数字孪生住房建筑

      数字孪生技术在建筑业中的应用主要是在建筑设计和施工过程中。通过数字孪生技术，可以在计算机上建立建筑物的三维模型，并模拟建筑物在不同环境下的运行情况，如风力、地震等，从而在设计阶段就发现并解决潜在的问题，避免在实际施工中出现问题。

    数字孪生可以用于建筑项目的虚拟建模和仿真，包括设计、施工和运营阶段。这有助于优化建筑结构、提高能源效率，并预测设备的维护需求。

     在建筑设计与模拟方面，建筑师使用数字孪生技术建立建筑的数字模型，实时模拟建筑在不同光照和气候条件下的表现。

     在智能楼宇管理方面，数字孪生技术在房地产中的应用使得建筑可以实时监控能耗、人流等信息，实现智能楼宇管理。

     在建筑物建设方面，数字孪生体可以帮助建筑公司实时了解建筑物的性能，从而使他们能够调整性能以优化效率。从数字孪生体收集的数据可用于规划和设计未来的建筑物。

10、数字孪生农业场景

      农业是一个高度复杂和动态的领域，生产过程会受到天气、病虫害、季节和气候因素等相关条件的影响。数字孪生技术能够帮助农业从业人员实现对农场运营的实时监控，并及时评估生产策略，实时调整生产计划，从而达到高质量的生产力水平。

      在农业领域，数字孪生可用于建模农业生产流程、预测农作物生长情况，并优化农业决策，提高农业生产效益。　

      数字孪生可以用来模拟作物生长，以帮助农民预测和优化作物收成。数字孪生可以根据不同的地理位置、气候条件、土壤类型等因素，模拟不同作物的生长过程，包括种子萌发、植物生长、气候灾害等。这样就可以让农民更加准确地进行农业生产规划和管理。

      在农田管理方面，农业领域通过数字孪生技术对农田进行数字建模，实现对土壤质量、植物生长等方面的监测和优化。通过建立农田的数字孪生模型，可以对农田进行精细化管理和智能化决策，提高农业生产效率和经济效益。

      在精准农业方面，借助数字孪生技术，农民可以进行精准农业管理，提高农田的产量并减少对环境的影响。