一图看懂《数字孪生应用白皮书2020》

2020年11月11日，由中国电子技术标准化研究院联合树根互联技术有限公司主编，特斯联科技集团有限公司、中机生产力促进中心等20余家数字孪生领域开发商、集成商、科研院所、高校联合编写的《数字孪生应用白皮书》在2020年新一代信息技术产业标准化论坛上正式发布。

作为新基建背景下的重要研究成果，该白皮书对当前我国数字孪生的技术热点、应用领域、产业情况和标准化进行了分析，同时收录了在智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智能制造、智慧健康6大领域的31个数字孪生应用案例，希望作为数字孪生技术领域、产业发展和标准化之间的初始连接纽带，加快推动数字孪生发展应用。

一、数字孪生概述

“Digital Twin”一词最初是在NASA 的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”。

在接下来的几年中，越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修，飞行器能力评估，飞行器故障预测等。

学术界定义是：数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

从根本上讲，数字孪生可以定义为有助于优化业务绩效的物理对象或过程的历史和当前行为的不断发展的数字资料。数字孪生模型基于跨一系列维度的大规模，累积，实时，真实世界的数据测量。

二、智慧城市和智慧建筑领域数字孪生应用

数字孪生可划分为“基础支撑”、“数据互动”、“模型构建”、“仿真分析”、“共性应用”、“行业应用”6 大核心模块，对应从设备、数据到行业应用的全生命周期。国内外主要厂商主要有建模业务、仿真业务、平台业务、行业服务业务四大类。

▲数字孪生产业图谱

数字孪生城市则是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。数字孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态，也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行。

数字孪生城市主要有新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系三大横向的分层：

数字孪生城市

典型应用场景，包括城市规划应用场景、城市建设应用场景以及城市管理应用场景。

数字孪生城市典型应用

“数字孪生建筑”是将数字孪生使能技术应用于建筑科技的新技术，简单说就是利用物理建筑模型，使用各种传感器全方位获取数据的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，以反映相对应的实体建筑的全生命周期过程。

数字孪生建筑具有四大特点：精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预。

典型应用场景包括规划设计、建设实施和运营维护三大场景。

数字孪生建筑典型应用场景

三、智慧城市领域数字孪生标准化现状及需求

当下，为了促进数字孪生在具体应用领域的发展，我国也在不断完善相关技术标注。在智能制造应用领域，由中国电子技术标准化研究院牵头的2项IEEE系列标准《智能工厂物理实体的数字化表达系统架构》（P2806）、《工厂环境中物理对象数字表示的连接性要求》（P2806.1）已成功立项；2项国家标准《智能制造虚拟工厂参考架构》《智能制造虚拟工厂信息模型》已处于报批阶段；1项《信息技术数字孪生第1部分：通用要求》国家标准已提交立项。

智慧城市建设涉及面广、技术复杂、业务类型多，需信息、通信、应用多领域协作，需要不断完善标准体系。智慧城市部分领域标准缺失，标准体系不完善，影响智慧城市标准化建设。如智能家居标准缺失，技术标准不统一、产品兼容性和开放性差，无法互联互通；新能源汽车、无

人驾驶等由于缺乏加氢站建设运营管理、无人驾驶汽车测试等规范而受影响。

数字孪生城市基于数字孪生技术建立的城市信息模型（CIM），作为智慧城市的重要基础，其核心围绕全域数据端到端管理运营：数据采集、接入、治理、融合、轻量化、可视化、应用。这一核心正是面向信息资源共享、整合、有效利用和跨部门业务协同的根源性解决手段。因此，数字孪生城市的标准化制定会是满足智慧城市标准化需求的重要途径。

四、典型应用案例

智慧城市领域

以城市领域为例，数字孪生最典型的应用场景就是智慧城市。数据显示，目前全球近 1000个提出智慧化发展的城市中，有近500个中国城市，占全球数量的 48%。智慧城市建设成为我国下一阶段新型城市基础设施建设的集中承载平台。2019年我国新型智慧城市规模超过9000亿元，未来几年还将保持较快速度增长，预计到 2023 年市场规模将超过1.3万亿元。

案例一：重庆AI CITY 系统建设