清華五道口-2024中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告-2024.08-69正式版-WN8

研究報告（2024年第13期總第45期）2024年7月2日中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告1科創(chuàng)金融研究中心朱雅姝胡杏【摘要】行業(yè)圖譜研究是清華大學(xué)五道口金融學(xué)院科創(chuàng)金融研究中心科技成果轉(zhuǎn)化研究的一項子課題，目標(biāo)定位于清晰理解前沿科技成果的技術(shù)核心、科創(chuàng)企業(yè)的技術(shù)競爭力及科研工作者的研究進(jìn)度，從而助力科技成果轉(zhuǎn)化效率的提升。行業(yè)圖譜研究將以系列形式展開，選取國家戰(zhàn)略重點科技領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用場景逐一進(jìn)行，時效性較強(qiáng)。本報告為行業(yè)圖譜研究之計算機(jī)科學(xué)系列中的課題：中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告。數(shù)字孿生技術(shù)，作為一種前沿技術(shù)，實現(xiàn)了將物理實體在虛擬空間中的精確映射，形成了一種被稱為“數(shù)字雙胞胎”的存在。這一技術(shù)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時雙向交換，使得1感謝資本市場與公司金融研究中心的實習(xí)生許喜遠(yuǎn)同學(xué)對本報告的助研工作。許喜遠(yuǎn)同學(xué)是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2022級博士。虛擬實體能夠全面反映其對應(yīng)物理實體的生命周期，從而在集成底層數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，支持仿真預(yù)測和優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術(shù)起源于美國航天與軍事領(lǐng)域，后被通用電氣首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。在西門子、達(dá)索等巨頭的推動下，該技術(shù)從美國擴(kuò)散到歐洲。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)進(jìn)步和元宇宙概念興起，數(shù)字孿生技術(shù)不斷完善，在城市管理、智慧工業(yè)、自動駕駛測試及醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，成為推動各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級的重要支撐技術(shù)。根據(jù)技術(shù)復(fù)雜性，數(shù)字孿生分為五個等級，目前正處于由數(shù)字經(jīng)濟(jì)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、政策支持、技術(shù)進(jìn)步及市場需求增長等因素驅(qū)動的快速成長階段。數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)主要包括建模、渲染和仿真三大方面。建模技術(shù)通過3D掃描、參數(shù)化建模和逆向工程等方法創(chuàng)建物理實體的數(shù)字模型，代表軟件有、等。渲染技術(shù)則通過基于物理的渲染（PhysicallyRendering,PBR）、實時渲染和云渲染等手段實現(xiàn)逼真的視覺效果，主流平臺有UnrealEngine、Unity等。仿真技術(shù)利用有限元分析（FiniteElementAnalysis,FEA）、多物理場耦合和實時仿真等方法模擬實體行為，主要軟件包括ANSYS、等。以上技術(shù)需要計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計（Design,CAD）、計算機(jī)輔助工程（AidedEngineering,CAE）和物理仿真等領(lǐng)域的協(xié)同，工業(yè)軟件巨頭如Siemens、Dassault、Autodesk等和廠商如Nvidia、AMD等正在推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，未來這些技術(shù)的融合將驅(qū)動數(shù)字孿生走向成熟。數(shù)字孿生行業(yè)的主要參與者分為技術(shù)服務(wù)商和集成方案供應(yīng)商。技術(shù)服務(wù)商包括計算機(jī)集成制造（ComputerIntegratedManufacturing,CIM）、建筑信息模型（BuildingInformationModeling,BIM）、可視化平臺廠商等，而集成方案供應(yīng)商則包括運營商和互聯(lián)網(wǎng)大廠。技術(shù)、業(yè)務(wù)和資源三方面共同構(gòu)成了數(shù)字孿生廠商的競爭壁壘。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)主要包括商業(yè)模式的成熟度、技術(shù)支持的高要求、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系以及數(shù)據(jù)能力的不完善。數(shù)字孿生技術(shù)在多個行業(yè)展現(xiàn)出顯著應(yīng)用價值，推動了城市管理、智慧工業(yè)、自動駕駛測試和智慧醫(yī)療的發(fā)展。在城市管理中，數(shù)字孿生城市通過物聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控和優(yōu)化，應(yīng)用于交通管理（如Siemens和IBM在新加坡的智慧交通系統(tǒng)）、零碳智慧園區(qū)（如微軟的雷德蒙德園區(qū)）和應(yīng)急管理（如通用電氣的解決方案）。在智慧工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生貫穿離散型和流程型工業(yè)的各個階段，提升生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性，主要應(yīng)用企業(yè)包括軟通動力、、Siemens和。自動駕駛測試方面，企業(yè)如、、百度和Aptiv利用數(shù)字孿生進(jìn)行大規(guī)模虛擬仿真測試，提高系統(tǒng)性能和安全性。智慧醫(yī)療領(lǐng)域，通過IBM的Health和GEHealthcare的Edison平臺等實現(xiàn)設(shè)備管理、手術(shù)模擬和個性化治療，顯著提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和效率?？偟膩碚f，數(shù)字孿生技術(shù)為各行業(yè)提供了強(qiáng)大的創(chuàng)新驅(qū)動力和效率提升手段。在數(shù)字孿生技術(shù)的高校研究方面，中外進(jìn)度總體齊頭并進(jìn)，但研究方向存在側(cè)重和差異。國際上，尤其是歐美高校，側(cè)重于基礎(chǔ)理論、高精度仿真和多物理場耦合研究，注重復(fù)雜系統(tǒng)建模與跨學(xué)科應(yīng)用，代表高校有麻省理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院和約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院。中國高校在應(yīng)用導(dǎo)向和大規(guī)模系統(tǒng)集成方面表現(xiàn)突出，特別在智慧城市、交通管理和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，代表高校有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和國防科技大學(xué)。中國高校還結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)，推動數(shù)字孿生的實際應(yīng)用。國際高校研究側(cè)重技術(shù)深度和跨學(xué)科融合，中國高校研究側(cè)重應(yīng)用廣度和系統(tǒng)效率，形成了既有競爭又有合作的研究生態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)展過程中面臨多重挑戰(zhàn)，包括商業(yè)模式成熟度不足、初始投資高昂、用戶需求不強(qiáng)、定制化解決方案難以復(fù)制、成本高昂等，這些問題限制了其推廣和實施。此外，標(biāo)準(zhǔn)化困境也十分顯著，目前在數(shù)據(jù)采集的尺度、參數(shù)、格式及周期等方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)整合和接口對接難度大，技術(shù)框架和協(xié)議不統(tǒng)一也使項目集成和對接復(fù)雜。技術(shù)支持方面，數(shù)字孿生構(gòu)建的模型和數(shù)據(jù)量大，要求計算機(jī)硬件具備強(qiáng)大的處理和計算能力，同時對終端設(shè)備的高互動、高沉浸和高清晰度展示提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)能力的不足也制約了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、不完整，數(shù)據(jù)格式和質(zhì)量差異，以及數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等問題。解決這些挑戰(zhàn)需要全行業(yè)的共同努力和協(xié)調(diào)。未來，行業(yè)內(nèi)的參與者需共同努力，構(gòu)建一個開放、共贏的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)，推動數(shù)字孿生技術(shù)的健康發(fā)展。ResearchReportJuly2,2024AtlasofChina'sDigitalTwinIndustry2ResearchCenterforSci-TechandFinanceYashuZhu,XingAbstract:ThestudyofcreatingAtlasoftheIndustryisasub-projectwithincenter'sresearchonthetransformationofscientificandtechnologicalachievements.Theobjectiveisgainacomprehensiveunderstandingofthecoretechnologiesbehindcutting-edgeinnovations,thetechnologicalcompetitivenessofpioneeringenterprises,andtheprogressofresearchers,therebyenhancingtheoftechnologyresearchwillbeconductedinaseries,focusingoncommercialapplicationscenarioskeynationalstrategicscientificandtechnologicalfields,withastrongemphasisontimeliness.ThisreportispartoftheComputerScienceserieswithintheAtlasoftheIndustryresearch:TheChinaDigitalAtlas.Digital2ThankstointernKhorHeeGuanofResearchCenterforSci-TechandFinanceatPBCSFTsinghuaUniversityforhisresearchassistanceinthisreport.KhorHeeisPhD.studentatSchoolofBiomedicalEngineering,TsinghuaUniversity.acutting-edgeinnovation,enablestheprecisemappingphysicalentitiesinvirtualspace,creatinga"digitaltwin."ThistechnologyleveragestheInternetofThings(IoT)forreal-timebidirectionaldataexchange,allowingvirtualentitiestocomprehensivelyreflectthelifecycleoftheircorrespondingphysicalentities.Itsupportssimulation,prediction,optimizationdecisionsbasedintegratedunderlyinginformation.OriginatingintheU.S.aerospaceandmilitarysectors,digitaltechnologyfirstappliedtoindustrialproductionbyGeneralElectric(GE).DrivenbylikeSiemensandDassault,thetechnologyspreadfromtheU.S.toEurope.inartificialintelligence,virtualandtheriseofthemetaverseconcept,digitaltwintechnologyhasbeencontinuouslyrefined,demonstratingsignificantpotentialinurbanmanagement,smartautonomousdrivingtesting,andhealthcare,thusbecomingacrucialtechnologyfordrivingdigitaltransformationandupgradesacrossvariousindustries.ontechnologicaldigitaltwinscategorizedintofivelevels.Thetechnologyiscurrentlyinarapidgrowthdrivenbythedevelopmentofthedigitalindustrialinternetgrowth,policysupport,technologicaladvancements,andincreasingmarketdemand.Keytechnologiesdigitaltwinsincludemodeling,rendering,andsimulation.Modelingtechnologycreatesdigitalmodelsofphysicalentitiesmethodslike3Dscanning,parametricmodeling,andreverseengineering,withrepresentativesoftwareincludingandRenderingtechnologyachievesrealisticvisualthroughPhysicallyBasedRendering(PBR),real-timerendering,andrendering,mainstreamplatformslikeUnrealEngineandSimulationtechnologyusesFiniteElementAnalysis(FEA),multiphysicsandreal-timesimulationtoentitymajorsoftwareincludingANSYSandABAQUS.Thesetechnologiesrequirecollaborationfieldssuchcomputergraphics,Computer-AidedDesign(CAD),Computer-AidedEngineering(CAE),andphysicalsimulation.IndustrialgiantslikeSiemens,Dassault,Autodesk,andGPUmanufacturerslikeNvidiaandAMDdrivingthedevelopmentofdigitaltwinwithfuturetechnologicalintegrationexpectedtodigitaltwins.Theparticipantsthedigitalindustrydividedintotechnologyserviceprovidersandintegratedsolutionsuppliers.serviceprovidersincludeComputerIntegratedManufacturing(CIM),BuildingInformationModeling(BIM),andvisualizationplatformmanufacturers,whileintegratedsolutionsuppliersincludeoperatorsandinternetcompanies.Thecompetitivebarriersfordigitaltwincompaniesconsistbusiness,andresources.Astechnologydevelops,digitaltwinsfacechallengessuchbusinesshightechnicalsupportrequirements,ofunifiedstandardsystems,andincompletedatacapabilities.Digitaltechnologyhasshownsignificantapplicationvalueacrossmultipleindustries,promotingurbanmanagement,smartautonomousdrivingtesting,andhealthcare.Inurbanmanagement,digitaltwincitiesIoTandGeographicInformation(GIS)forreal-timemonitoringandoptimization,appliedinmanagement(e.g.,SiemensandIBM'ssmarttrafficsystemsinSingapore),zero-carbonparks(e.g.,Microsoft'sRedmondcampus),andmanagement(e.g.,GE'ssolutions).Indigitaltwinscoverstagesofdiscreteandprocessindustries,improvingproductionandequipmentwithapplicationcompaniesincludingiSoftStone,Siemens,andIBM.Forautonomousdrivingtesting,companieslikeBaidu,andAptivdigitaltwinsforlarge-scalevirtualsimulationtesting,enhancingsystemperformanceandInhealthcare,platformslikeIBM'sHealthandGEHealthcare'sEdisonrealizeequipmentmanagement,surgicalsimulation,andpersonalizedtreatment,significantlyimprovinghealthcarequalityandOverall,digitaltwintechnologyprovidespowerfulinnovationdriversandenhancementmethodsforvariousindustries.Inthefieldofdigitaltwintechnologyresearchinuniversities,progressbetweenChineseandforeigninstitutionsisgenerallybutresearchfocusesdirectionsespeciallyintheU.S.andEuropeanuniversities,theemphasisonfundamentaltheories,high-precisionsimulations,andmultiphysicscouplingresearch,focusingcomplexsystemmodelingandinterdisciplinaryapplications,withleadinguniversitiesincludingandJohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine.Chineseuniversitiesinapplication-orientedlarge-scalesystemintegration,particularlyincities,trafficmanagement,andinfrastructureconstruction,withleadinguniversitiesincludingBeihangandNationalUniversityofDefenseChineseuniversitiesalsopromotethepracticalapplicationofdigitaltwinsbycombiningcloudcomputing,and5GInternationaluniversitiesfocustechnicaldepthandinterdisciplinaryintegration,whileChineseuniversitiesfocusonapplicationbreadthandcreatingacompetitivecooperativeresearchecosystem.Digitaltwintechnologymultiplechallengesindevelopment,includingimmaturebusinessmodels,highinitialinvestments,weakuserdemand,difficultyinreplicatingsolutions,andhighcosts,limitingpromotionimplementation.standardizationdilemmaisalsosignificant;therenounifiedstandardsfordatacollectionscales,parameters,formats,andcycles,leadingtoindataintegrationanddocking.lackofuniformityintechnicalframeworksandprotocolscomplicatesprojectintegrationanddocking.support-wise,digitaltwinconstructioninvolvesmodelsanddatavolumes,requiringpowerfulcomputingandprocessingcapabilitiescomputerhardware,andposeschallengesforhighinteraction,highimmersion,high-definitiondisplayterminaldevices.Insufficientdatacapabilitiesrestrictthedevelopmentofdigitalincludinglowincompleteness,dataformatandqualityanddatasecurityandprivacyprotectionissues.AddressingthesechallengesrequirestheconcertedandcoordinationtheentireInthefuture,industryparticipantsneedtoworktogethertobuildopenandwin-windigitaltwinpromotingthehealthydevelopmentofdigitaltwin目錄一、數(shù)字孿生的基本概念........................................................................................................1二、數(shù)字孿生的發(fā)展歷程........................................................................................................3三、數(shù)字孿生的技術(shù)框架........................................................................................................5四、數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)........................................................................................................7五、數(shù)字孿生的驅(qū)動因素......................................................................................................15（一）數(shù)字經(jīng)濟(jì)..................................................................................................................15（二）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展......................................................................................................16（三）政策標(biāo)準(zhǔn)..................................................................................................................17（四）用戶需求..................................................................................................................18六、數(shù)字孿生國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)及代表性成果..............................................................19（一）國外主流數(shù)字孿生解決方案概覽..........................................................................19（二）國內(nèi)主流數(shù)字孿生解決方案概覽..........................................................................24（三）國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)及代表性成果......................................................................29七、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)圖譜..........................................................................................31八、數(shù)字孿生競爭壁壘..........................................................................................................36九、數(shù)字孿生現(xiàn)存挑戰(zhàn)..........................................................................................................37十、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)應(yīng)用..........................................................................................................39（一）城市管理..................................................................................................................39（二）智慧工業(yè)..................................................................................................................41（三）自動駕駛測試..........................................................................................................43（四）智慧醫(yī)療..................................................................................................................45十一、數(shù)字孿生發(fā)展展望......................................................................................................48十二、專業(yè)術(shù)語解析...........................................................................................................................49參考文獻(xiàn)..................................................................................................................................51圖表目錄圖數(shù)字孿生概念以及數(shù)字孿生等級劃分.................................................................................2圖數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu).................................................................................................................6圖數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈以及數(shù)字孿生實現(xiàn)流程概覽...................................................................35圖數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)圖譜...............................................................................................................35圖數(shù)字孿生城市基本技術(shù)平臺架構(gòu).......................................................................................40圖數(shù)字孿生賦能工業(yè)實現(xiàn)四大價值.......................................................................................42圖數(shù)字孿生下自動駕駛測試體系架構(gòu)...................................................................................44圖醫(yī)療數(shù)字李生技術(shù)平臺架構(gòu)...............................................................................................47表數(shù)字孿生發(fā)展歷程...................................................................................................................4表數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù).................................................................................................................13表國際主流數(shù)字孿生廠商和解決方案.....................................................................................20表國際主流數(shù)字孿生廠商融資情況........................................................................................23表國內(nèi)主流數(shù)字孿生廠商和解決方案....................................................................................25表國內(nèi)主流數(shù)字孿生廠商融資情況.........................................................................................27表數(shù)字孿生研發(fā)技術(shù)國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)及代表性成果.....................................................31數(shù)字孿生技術(shù)，作為一種前沿的技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了物理實體在虛擬空間中的精確映射，形成了所謂的“數(shù)字雙胞胎”。這一技術(shù)最初起源于美國的航天與軍事領(lǐng)域，后來被通用電氣首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并迅速擴(kuò)展到歐洲和世界其他地區(qū)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸完善，并在城市管理、智慧工業(yè)、自動駕駛測試和醫(yī)療等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。全球范圍內(nèi)，西門子、達(dá)索等科技巨頭正積極推動這一技術(shù)的發(fā)展，帶動了各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級。本報告將全面解析中國數(shù)字孿生行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢，解構(gòu)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)競爭壁壘和現(xiàn)存挑戰(zhàn)；通過詳細(xì)的案例分析，揭示數(shù)字孿生技術(shù)如何助力各行業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展，從而推動整個社會的進(jìn)步與變革。一、數(shù)字孿生的基本概念數(shù)字孿生技術(shù)是將物理實體在虛擬空間中創(chuàng)建出一個精準(zhǔn)的“數(shù)字雙胞胎”，這個過程涉及物理實體的全面數(shù)字克隆。這種技術(shù)的核心在于實現(xiàn)物理實體與其數(shù)字化克隆體之間的數(shù)據(jù)實時雙向互聯(lián)互通。這種連接不僅限于形態(tài)的復(fù)制，關(guān)鍵在于每個數(shù)字實體都是唯一的，并且具備與其對應(yīng)物理實體實時交互的能力。這種互動可以超越傳統(tǒng)的二維或三維空間的限制；即使只是一串?dāng)?shù)據(jù)，只要它能實現(xiàn)唯一映射和數(shù)據(jù)互通，也可視為數(shù)字孿生的一部分（如圖1-1所示）。1數(shù)字孿生技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其與元宇宙概念仍存在一定差異。數(shù)字孿生的核心在于高度還原并實時映射物理實體的狀態(tài)，使數(shù)字模型與現(xiàn)實世界的對象達(dá)到同步，因此多見于B端行業(yè)，如工業(yè)制造、城市管理等。相比之下，元宇宙更側(cè)重于營造身臨其境的沉浸式體驗，滿足用戶在虛擬世界中的交互需求，更貼近C端消費場景，例如游戲、社交、娛樂等。盡管兩者在構(gòu)建數(shù)字空間方面有相通之處，但數(shù)字孿生技術(shù)實際上是實現(xiàn)元宇宙愿景的重要技術(shù)基石之一[1]。通過將物理世界的對象、環(huán)境乃至過程精準(zhǔn)映射到數(shù)字空間，數(shù)字孿生為元宇宙的實現(xiàn)提供了堅實的技術(shù)支撐，使虛擬世界能夠與現(xiàn)實世界形成緊密聯(lián)結(jié)，最終達(dá)到虛實共生、交互共融的理想境界。圖1-1數(shù)字孿生概念以及數(shù)字孿生等級劃分本中心發(fā)布的行業(yè)圖譜系列中已經(jīng)包括了一份《空間計算》的報告，在此我們對這兩個概念做一個區(qū)分，以更好地理解數(shù)字孿生技術(shù)的獨特價值和應(yīng)用前景?？臻g計算是一種側(cè)重于在真實世界和虛擬世界之間進(jìn)行無縫交互的技術(shù)，主要應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實2（Reality,AR）、虛擬現(xiàn)實（VirtualReality,VR）和混合現(xiàn)實（Reality,MR）等領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)用戶與環(huán)境的互動。相比之下，數(shù)字孿生則側(cè)重于物理實體的數(shù)字化及其生命周期管理，更多地應(yīng)用于工業(yè)制造、智慧城市和智能交通等領(lǐng)域。數(shù)字孿生的實現(xiàn)可以根據(jù)其復(fù)雜程度分為五個等級（如圖1-1所示）。這些等級從到逐漸提高，表示數(shù)字孿生的能力也在增強(qiáng)。級別，即“以虛映實”，能實時復(fù)現(xiàn)物理實體的狀態(tài)和變化過程。級別的“以虛控實”則能通過數(shù)字模型間接控制物理實體的運行。級別的“以虛預(yù)實”可預(yù)測物理實體未來一段時間的運行過程和狀態(tài)。級別的“以虛優(yōu)實”允許通過數(shù)字生態(tài)進(jìn)行物理實體優(yōu)化。最高級別的，“虛實共生”，意味著虛擬與現(xiàn)實長期同步運行，能自主發(fā)展，并精準(zhǔn)預(yù)測未來狀態(tài)。這些等級共同描繪了數(shù)字孿生技術(shù)從基礎(chǔ)到高級的發(fā)展軌跡。二、數(shù)字孿生的發(fā)展歷程數(shù)字孿生技術(shù)，作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段，其發(fā)展歷程令人矚目。它起源于美國，最初用于預(yù)防航天事故和空軍戰(zhàn)斗機(jī)的維護(hù)問題。隨著時間的推移，美國通用電氣公司率先認(rèn)識到這一技術(shù)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的巨大價值，并將其推廣至工業(yè)生產(chǎn)。緊隨其后的西門子、達(dá)索等老牌制造企業(yè)也加入這一領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)因此從美國傳播到歐洲[2]。3如圖2-1所示，在2002年，美國密歇根大學(xué)教授MichaelGrieves提出了“鏡像空間模型”的概念，為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。到了年，美國空軍研究實驗室在結(jié)構(gòu)力學(xué)部門的一個演講中正式提出了“數(shù)字孿生”（Twin）這一術(shù)語，進(jìn)一步明確了這一技術(shù)的定義和范疇。年，通用電氣（GeneralElectric，）、參數(shù)技術(shù)公司（ParametricTechnologyCorporation，PTC）、西門子和達(dá)索等公司開始接受并使用“DigitalTwin”這一術(shù)語，并在市場宣傳中推廣使用。表2-1數(shù)字孿生發(fā)展歷程年份描述階段核心技術(shù)2002美國密歇根大學(xué)教授Michael提出“鏡像空間模型”的概念初生鏡像空間模型2011美國空軍研究實驗室在部分學(xué)部門廣泛推廣，并提出數(shù)字孿生(DigitalTwin)術(shù)語探索數(shù)字孿生概念、虛擬仿真技術(shù)2014GE,PTC,西門子,還有賽曼贊揚(yáng)DigitalTwin方法并在市場宣傳中使用增長工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（）、數(shù)據(jù)分析2017數(shù)字孿生被列為未來航空航天與自動化的6大頂尖技術(shù)之一增長航空航天與自動化技術(shù)、預(yù)測性維護(hù)元宇宙熱興起，數(shù)字孿生作為虛擬能力的支柱和真實世界的真身貫穿其中增長元宇宙、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)分析2022步入增長期：Gartner將數(shù)字孿生列入2017-2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢增長戰(zhàn)略技術(shù)規(guī)劃、先進(jìn)制造技術(shù)工業(yè)4.0后自2013年提出之后，數(shù)字孿生注重更高層次的虛擬能力，西門子推出數(shù)字孿生用模型增長工業(yè)4.0、智能制造、系統(tǒng)建模與仿真到了年，數(shù)字孿生被認(rèn)為是未來航空航天與國防領(lǐng)域的六大頂尖技術(shù)之一。在同一年，將數(shù)字孿生列入至20194年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。自2013年工業(yè)4.0概念提出后，數(shù)字孿生的關(guān)注度逐漸提升，西門子等公司推出了數(shù)字孿生應(yīng)用模型。進(jìn)入年，隨著元宇宙概念的興起，數(shù)字孿生作為底層技術(shù)在多個領(lǐng)域都有了具體的實踐應(yīng)用，特別是在工業(yè)、醫(yī)療和城市管理等領(lǐng)域。這種技術(shù)的發(fā)展與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步密切相關(guān)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生的概念得以進(jìn)一步完善，適用范圍也在不斷拓寬[3]。三、數(shù)字孿生的技術(shù)框架數(shù)字孿生技術(shù)的核心在于將物理世界的數(shù)據(jù)引入數(shù)據(jù)層，通過構(gòu)建一個精確的數(shù)字模型，即數(shù)字孿生體，以模擬和分析現(xiàn)實世界實體的全生命周期（如圖3-1所示）。該技術(shù)的高效運作依賴于先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理能力和復(fù)雜的建模技術(shù)。數(shù)字孿生體的構(gòu)建始于對物理實體（如人員、機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)流程）的數(shù)據(jù)采集，通常通過各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)。這些設(shè)備能夠捕捉從基礎(chǔ)運行參數(shù)到復(fù)雜行為模式的數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時傳輸，提供實體的即時狀態(tài)信息[4]。一旦數(shù)據(jù)被收集和傳輸，它們會在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)記和管理，形成一個結(jié)構(gòu)化的底層數(shù)據(jù)池。這個數(shù)據(jù)池是數(shù)字孿生體建模和仿真的基礎(chǔ)，允許系統(tǒng)創(chuàng)建一個與物理世界幾乎一致的數(shù)字模型。該模型不僅反映實體的當(dāng)前狀態(tài)，還能模擬其行為和性能，甚5至預(yù)測未來的狀態(tài)變化。這是通過采用先進(jìn)的仿真技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法來實現(xiàn)的，能夠處理和分析大量數(shù)據(jù)，揭示其中的模式和關(guān)聯(lián)。這種模擬和分析能力對于診斷問題、預(yù)測系統(tǒng)性能和優(yōu)化操作至關(guān)重要。例如，在制造業(yè)中，數(shù)字孿生可以用于監(jiān)控生產(chǎn)線的運作，通過對生產(chǎn)流程的模擬分析，預(yù)測設(shè)備故障并提前進(jìn)行維護(hù)。在醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以模擬人體器官的功能，幫助醫(yī)生更好地理解疾病的影響并制定治療方案。數(shù)字孿生技術(shù)不僅局限于制造業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了城市規(guī)劃、能源管理、航空航天等多個行業(yè)。在城市規(guī)劃中，數(shù)字孿生可以模擬城市基礎(chǔ)設(shè)施的運作和發(fā)展，優(yōu)化交通流量和資源配置，提高城市管理效率。在能源管理中，數(shù)字孿生可以實時監(jiān)測和優(yōu)化能源系統(tǒng)的運行，降低能耗，提高能源利用效率。在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以模擬飛行器的運行狀態(tài)，進(jìn)行故障預(yù)測和維護(hù)管理，確保飛行安全。6圖3-1數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)最終，數(shù)字孿生技術(shù)通過將這些深入的洞察和預(yù)測能力反饋給決策者，極大地提升了決策的效率和準(zhǔn)確性。數(shù)字孿生技術(shù)的實施和發(fā)展不僅需要技術(shù)創(chuàng)新，還需要跨學(xué)科的知識融合，包括數(shù)據(jù)科學(xué)、工程學(xué)、計算機(jī)科學(xué)和行業(yè)特定知識。隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步和整合，數(shù)字孿生將在各行各業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。進(jìn)一步擴(kuò)展，數(shù)字孿生技術(shù)的未來發(fā)展趨勢包括智能化、自主化和協(xié)同化。智能化指的是通過引入人工智能技術(shù)，使數(shù)字孿生體具有自我學(xué)習(xí)和自我優(yōu)化的能力。自主化意味著數(shù)字孿生體能夠在無人干預(yù)的情況下自主完成某些任務(wù)，如故障診斷和性能優(yōu)化。協(xié)同化則是指多個數(shù)字孿生體之間能夠相互協(xié)作，共同完成復(fù)雜任務(wù)，如智能制造系統(tǒng)中的多設(shè)備協(xié)同工作。7總之，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種創(chuàng)新的技術(shù)手段，正在不斷改變著各行各業(yè)的運營模式和管理方式。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，數(shù)字孿生必將在未來的發(fā)展中發(fā)揮更加重要的作用[5]。四、數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字孿生技術(shù)，一種將物理世界和數(shù)字世界相融合的前沿技術(shù)，正變得越來越重要。在這個領(lǐng)域，建模、渲染、仿真和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合構(gòu)成了核心技術(shù)框架。這些技術(shù)不僅涉及前端設(shè)備如傳感器，還包括了更為深入的技術(shù)層面[6]。建模技術(shù)通過多種方法創(chuàng)建物理實體的數(shù)字模型，主要包括3D掃描、參數(shù)化建模和逆向工程等。掃描利用3D掃描儀如Artec和Creaform系列獲取物體表面的點云數(shù)據(jù)，然后通過點云處理軟件如GeomagicDesignX進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三角網(wǎng)格重建，生成高精度的3D模型。Artec3D和Creaform的核心技術(shù)由各自公司持有，前者位于盧森堡，后者屬于加拿大集團(tuán)，而DesignX軟件的核心算法由美國公司3D持有。參數(shù)化建模使用計算機(jī)輔助設(shè)計（）軟件如SolidWorks、和Creo等，根據(jù)設(shè)計參數(shù)直接構(gòu)建數(shù)字模型，實現(xiàn)精確的幾何形狀和尺寸控制。這些主要CAD軟件的核心技術(shù)和算法由DassaultSystè和PTC等公司持有，且均為商業(yè)產(chǎn)品，需要購買許可。雖然有一些開源的CAD工具如FreeCAD，但其功能和用戶體驗與商業(yè)產(chǎn)品相比存在差距。逆向工程結(jié)合3D掃描和CAD技術(shù)，通過掃描獲取實體的形狀數(shù)據(jù)，再在CAD軟件中進(jìn)行曲面重建，生成可編輯的參數(shù)化模型。這一過程8通常使用軟件如forSolidWorks和SpaceClaim，其核心技術(shù)由3D和持有，這些軟件也為商業(yè)產(chǎn)品，需要購買許可，開源解決方案如OpenSCAD的功能和精度有限。建模過程中應(yīng)用的關(guān)鍵算法包括三角網(wǎng)格化、曲面重建和點云處理。這些算法的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)和優(yōu)化通常由各軟件公司的研發(fā)團(tuán)隊持有，并通過專利和版權(quán)保護(hù)。盡管核心算法的基礎(chǔ)原理是公開的，高效實現(xiàn)和優(yōu)化通常是商業(yè)機(jī)密。開源庫如PCL（PointLibrary）提供了點云處理的基本功能，但商業(yè)軟件在性能和穩(wěn)定性上更有優(yōu)勢。在技術(shù)強(qiáng)度方面，國外的3D和Creaform在高精度3D掃描領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，尤其在工業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)研究等領(lǐng)域，而國內(nèi)公司如深圳遠(yuǎn)標(biāo)科技（Shining3D）在中低端市場有一定競爭力，但在高端市場上仍有差距。DassaultSystè和PTC在參數(shù)化建模領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積累和市場占有率，國內(nèi)公司如華天軟件（CAXA）在本地市場有一定存在感，但在全球市場上的影響力和技術(shù)深度上與國外巨頭仍有差距。3D和ANSYS在逆向工程軟件領(lǐng)域擁有強(qiáng)大的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用案例，國內(nèi)部分企業(yè)如華天軟件和3D數(shù)字化技術(shù)公司在本地市場有一定影響力，但整體技術(shù)水平和市場滲透率較低。建模技術(shù)面臨一些技術(shù)瓶頸和難點。首先，高精度3D掃描設(shè)備成本高且操作復(fù)雜，限制了其在一些應(yīng)用場景中的廣泛使用。其次，點云數(shù)據(jù)處理涉及大量計算，要求高性能計算資源支持，且在處理過程中可能會丟失細(xì)節(jié)信息。此外，對于復(fù)雜幾何形狀的精確建模，現(xiàn)有的技術(shù)和算法仍難以完美還原，特別是在處理細(xì)微曲9面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)時。最后，建模的精度和細(xì)節(jié)還原度需要平衡計算效率，這對算法優(yōu)化提出了更高的要求。這些問題需要通過不斷的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新來逐步解決，以提升數(shù)字孿生建模的效率和精度。渲染技術(shù)通過多種方法實現(xiàn)數(shù)字模型的逼真視覺效果，主要包括基于物理的渲染（PhysicallyRendering,PBR）、實時渲染和云渲染等?；谖锢淼匿秩臼褂娩秩酒魅鏏rnold、和Octane，通過模擬光線與物體表面的物理互動，考慮材質(zhì)的漫反射、鏡面反射、次表面散射等特性，生成高真實感圖像。Arnold由Autodesk擁有專利權(quán)，V-Ray由Chaos擁有專利權(quán)，Octane由擁有專利權(quán)，均為非開源且需購買商業(yè)許可。實時渲染依賴于GPU（圖形處理單元）強(qiáng)大的計算能力，使用游戲引擎如UnrealEngine和Unity，通過光柵化和光線追蹤技術(shù)，在毫秒級時間內(nèi)完成場景渲染，適用于虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實等交互式應(yīng)用。UnrealEngine的專利權(quán)由Epic擁有，源代碼開放但需遵守終端用戶許可協(xié)議（）；Unity由UnityTechnologies擁有專利權(quán)，源代碼不完全開放且需購買許可。云渲染利用云端的并行計算能力，使用如Nvidia的Iray和Chaos的Cloud對復(fù)雜大場景進(jìn)行分布式渲染，顯著提升渲染效率，支持高分辨率和高質(zhì)量圖像生成。NvidiaIray和Cloud均為非開源且需購買商業(yè)許可。渲染過程中，主要應(yīng)用的算法包括光線追蹤、全局光照、環(huán)境光遮蔽、陰影映射和次表面散射等。光線追蹤通過模擬光線在場景中的路徑來生成高度真實感的圖像，全局光照考慮光線在場景中的多次反射和折10射，環(huán)境光遮蔽用于模擬光線在遮擋區(qū)域的衰減，陰影映射用于生成場景中的陰影效果，次表面散射用于模擬半透明材質(zhì)（如皮膚）的光線散射效果。然而，渲染技術(shù)也面臨一些技術(shù)瓶頸和難點。首先，高分辨率和復(fù)雜場景的實時渲染需求對GPU性能要求極高，特別是在實現(xiàn)光線追蹤等高復(fù)雜度算法時。其次，渲染算法的復(fù)雜度高，導(dǎo)致計算開銷大，尤其是在處理全局光照和次表面散射等高精度效果時。此外，在實時渲染中，如何平衡圖像質(zhì)量和渲染速度也是一大挑戰(zhàn)，需要優(yōu)化算法和硬件加速以提高效率和響應(yīng)速度。最后，分布式云渲染需要解決數(shù)據(jù)傳輸和同步的問題，以確保渲染任務(wù)的高效執(zhí)行和結(jié)果的一致性。在國內(nèi)，阿里云和百度云在影視、動畫制作和智能城市仿真等領(lǐng)域表現(xiàn)出色；國外，Nvidia在GPU計算和云渲染，在實時渲染和虛擬現(xiàn)實應(yīng)用，Autodesk在建筑可視化和影視特效方面均處于領(lǐng)先地位。這些領(lǐng)先企業(yè)通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持，并大多持有相關(guān)技術(shù)的專利權(quán)，要求商業(yè)許可方可使用。這些問題需要通過硬件性能的提升、算法優(yōu)化和創(chuàng)新來逐步解決，以滿足數(shù)字孿生應(yīng)用對高質(zhì)量實時渲染的需求。仿真技術(shù)仿真技術(shù)通過多種方法模擬物理實體的行為和狀態(tài)，主要包括有限元分析（FiniteElementAnalysis,FEA）、多物理場耦合和實時仿真等。有限元分析使用軟件如ANSYS、和COMSOL，將連續(xù)區(qū)域離散為有限個單元，通過求解一系列偏微分方程來計算實體在力、熱、電磁等條件下的響應(yīng)。、11ABAQUS和COMSOL的專利權(quán)分別屬于ANSYS公司、達(dá)索系統(tǒng)和COMSOL公司，均需購買許可證，但開源軟件如CalculiX也能替代部分商業(yè)軟件功能。在技術(shù)實力上，國外的ANSYS和在全球市場上占有率和技術(shù)領(lǐng)先性較高，而國內(nèi)的FEA軟件在功能和用戶基礎(chǔ)上仍有差距。多物理場耦合仿真考慮結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲學(xué)等多種物理場的交互影響，使用軟件如COMSOLMultiphysics和ANSYSMultiphysics進(jìn)行綜合分析。COMSOL和ANSYS在多物理場耦合仿真方面擁有強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)技術(shù)在逐步提升但仍有差距。開源軟件OpenFOAM廣泛用于學(xué)術(shù)和工業(yè)應(yīng)用，提供了多物理場耦合仿真的開源解決方案。實時仿真通過簡化模型、降階技術(shù)和加速等手段提高計算效率，使用軟件如AnsysDiscoveryLive和AutodeskFusion360，實現(xiàn)實時交互的仿真分析。國外的ANSYS和Autodesk在實時仿真方面技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)企業(yè)也在積極開發(fā)實時仿真技術(shù)，但總體上仍需提升。一些基于開源庫的實時仿真解決方案如BulletPhysics和PhysX也在不斷發(fā)展。仿真過程中主要應(yīng)用的算法包括有限元法（FiniteElementMethod,FEM）、有限體積法（FiniteVolumeMethod,FVM）、離散單元法（DiscreteElementMethod,DEM）和多尺度建模等。這些算法通過數(shù)值方法求解復(fù)雜的偏微分方程，模擬物理現(xiàn)象的動態(tài)變化。有限元法和有限體積法作為經(jīng)典算法，具體實現(xiàn)可能有專利保護(hù)，離散單元法的算法公開但具體實現(xiàn)可能受專利保護(hù)，多尺度建模的具體實現(xiàn)和應(yīng)用場景可能有專利。硬件方面，高性能計算（High-Performance12Computing,HPC）系統(tǒng)、集群和大規(guī)模并行計算架構(gòu)是支持高精度仿真的關(guān)鍵。NVIDIA、IBM、Intel在這些領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，中國的HPC系統(tǒng)如天河系列也有顯著發(fā)展。硬件設(shè)計和架構(gòu)可能受專利保護(hù)，但許多系統(tǒng)設(shè)計文檔和標(biāo)準(zhǔn)是公開的。仿真技術(shù)也面臨一些技術(shù)瓶頸和難點。首先，高精度仿真要求大量計算資源，對計算機(jī)硬件尤其是系統(tǒng)和GPU性能有較高要求。多物理場耦合仿真需要同時處理多個物理場的復(fù)雜交互，計算復(fù)雜度高且求解時間長，這對算法優(yōu)化和計算資源提出了巨大挑戰(zhàn)。實時仿真需要在保證計算精度的同時大幅提高計算速度，簡化模型和算法優(yōu)化具有較高難度。此外，仿真模型的構(gòu)建和驗證需要大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)不足或不準(zhǔn)確會顯著影響仿真結(jié)果的可靠性。數(shù)據(jù)獲取、處理和管理的難度也是一大障礙。仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性依賴于模型的精度和算法的穩(wěn)定性，需要不斷改進(jìn)和驗證以滿足工業(yè)級應(yīng)用的需求。總體來看，仿真技術(shù)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，需要根據(jù)具體需求選擇合適的軟件和硬件方案。主要仿真軟件如ANSYS、ABAQUS、COMSOL和Autodesk等需購買許可證，而開源軟件如CalculiX和OpenFOAM提供部分替代功能。國際公司在仿真技術(shù)和硬件支持方面領(lǐng)先，國內(nèi)企業(yè)在部分領(lǐng)域有所進(jìn)展但仍需努力追趕。這些問題需要通過硬件性能提升、算法創(chuàng)新和數(shù)據(jù)質(zhì)量改進(jìn)來逐步解決，以滿足數(shù)字孿生技術(shù)對高精度和高效率仿真的需求。在數(shù)字孿生技術(shù)中，建模、渲染和仿真這三大關(guān)鍵技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings,IoT）技術(shù)密切關(guān)聯(lián)，協(xié)同作用以實現(xiàn)對物理13實體的全面數(shù)字化、可視化和智能化管理（如圖4-1所示）。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集物理實體的幾何形狀、位置信息、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)，為數(shù)字建模提供精確的基礎(chǔ)信息，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的動態(tài)更新。渲染技術(shù)則利用物聯(lián)網(wǎng)采集的實時數(shù)據(jù)，通過基于物理的渲染（PhysicallyRendering,PBR）、實時渲染和云渲染等方法，將數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，支持增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用，提供高真實感的沉浸式交互體驗。仿真技術(shù)通過實時仿真、多物理場耦合等方法，利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)作為輸入條件，模擬物理實體在不同環(huán)境和操作條件下的行為，為預(yù)測和優(yōu)化提供支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅確保了建模、渲染和仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通，提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理平臺，還結(jié)合云計算和邊緣計算，為數(shù)字孿生提供強(qiáng)大的計算和存儲能力，支持大規(guī)模實時數(shù)據(jù)處理和高效仿真計算，從而提升數(shù)字孿生的智能管理和優(yōu)化能力。表4-1數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)類別方法描述主要工具和軟件全部開源是否需要交費利用3D掃描儀獲取物體表面的Artec,3D掃描點云數(shù)據(jù)，通過點云處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和三角網(wǎng)格重Creaform,Geomagic否是建。DesignX建模技術(shù)參數(shù)化建模使用CAD軟件根據(jù)設(shè)計參數(shù)直接構(gòu)建數(shù)字模型，實現(xiàn)精確的幾何形狀和尺寸控制。SolidWorks,CATIA,Creo否是結(jié)合3D掃描和CAD技術(shù)，通過Geomagicfor逆向工程掃描獲取實體的形狀數(shù)據(jù)，再否是SolidWorks,

SpaceClaim在CAD軟件中進(jìn)行曲面重建。渲染技術(shù)基于物理的渲染使用渲染器模擬光線與物體表面的物理互動，生成高真實感圖像。Arnold,V-Ray,Octane否是14依賴于GPU的計算能力，使用實時渲染游戲引擎在毫秒級時間內(nèi)完成場景渲染，適用于交互式應(yīng)用。UnrealEngine,Unity否是利用云端的并行計算能力，對復(fù)雜大場景進(jìn)行分布式渲染，提升渲染效率。NvidiaV-RayCloud云渲染否是有限元分析將連續(xù)區(qū)域離散為有限個單元，通過求解偏微分方程計算實體在力、熱、電磁等條件下的響應(yīng)。ANSYS,ABAQUS,COMSOL否是仿真技術(shù)多物理場耦合考慮多種物理場的交互影響，使用軟件進(jìn)行綜合分析。COMSOLMultiphysics,ANSYSMultiphysics否是通過簡化模型、降階技術(shù)和GPU加速提高計算效率，實現(xiàn)實時交互的仿真分析。AnsysDiscoveryLive,AutodeskFusion360實時仿真否是技術(shù)類別主要公司及專利開源解決方案主要算法技術(shù)瓶頸Artec3D盧森堡，三角網(wǎng)格化、建模技術(shù)Creaform加拿大Ametek集團(tuán)，GeomagicDesignX3DSystems,美國DassaultèPTCPCL-PointCloudLibraryFreeCAD曲面重建、點云處理3D高精度掃描設(shè)備成本高，操作復(fù)雜；點云數(shù)據(jù)處理計算量幾何建模大；復(fù)雜幾何形狀精確建模難。3DSystems,ANSYSOpenSCAD曲面重建、點云處理光線追蹤、全渲染Autodesk,ChaosGroup,OTOYNone局光照、環(huán)境光遮蔽、陰影映射、次表面高分辨率和復(fù)雜場景實時渲染對GPU性能要求高；渲染算法復(fù)技術(shù)散射雜，計算開銷大。EpicGames,UnityTechnologiesNone光柵化、光線追蹤數(shù)據(jù)傳輸和同步問題。Nvidia,ChaosGroupNone分布式渲染仿真技術(shù)ANSYS,Dassault有限元法高精度仿真要求大量計算資源；多物理場CalculiXBulletPhysics,PhysXèCOMSOLCOMSOL,ANSYSOpenFOAM多物理場耦合耦合仿真計算復(fù)雜度降階技術(shù)、高；實時仿真需平衡GPU加速計算精度和速度。ANSYS,Autodesk15五、數(shù)字孿生的驅(qū)動因素（一）數(shù)字經(jīng)濟(jì)數(shù)字經(jīng)濟(jì)是指利用數(shù)字技術(shù)和信息通信技術(shù)（InformationCommunicationTechnology,ICT）推動經(jīng)濟(jì)活動的創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟(jì)形態(tài)。它涵蓋了基于互聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的生產(chǎn)、分配、交換和消費行為。數(shù)字經(jīng)濟(jì)不僅包括電子商務(wù)、數(shù)字金融、在線服務(wù)等新興行業(yè)，還滲透到傳統(tǒng)行業(yè)，通過數(shù)字化改造提升效率和創(chuàng)新能力。其核心在于數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵生產(chǎn)要素，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的商業(yè)模式和智能化決策，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長和社會發(fā)展。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的特點包括高效連接、無縫協(xié)作、實時互動和跨界融合，形成了新的經(jīng)濟(jì)形態(tài)和商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)是驅(qū)動數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。隨著數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)正從傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)向數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，企業(yè)和政府對數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策和管理需求日益增長。數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建物理實體的數(shù)字化副本，能夠?qū)崿F(xiàn)對實體全生命周期的實時監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化，從而提升生產(chǎn)效率、降低運營成本和改善產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了大規(guī)模的數(shù)據(jù)生成和傳輸需求，這為數(shù)字孿生提供了豐富的數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用場景。同時，信息通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings,IoT）、云計算、大數(shù)據(jù)分析和人工智能（ArtificialIntelligence,AI）等數(shù)字技術(shù)的融合應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字孿生技術(shù)的實時性、準(zhǔn)確性和智能化水平。此外，政策16支持和市場需求的不斷增加也推動了數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造、智慧城市、醫(yī)療健康、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的廣泛應(yīng)用?？傊瑪?shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不僅為數(shù)字孿生技術(shù)提供了堅實的基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用前景，也為其在各行各業(yè)的推廣和實施提供了強(qiáng)大的驅(qū)動力[7]。（二）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指將先進(jìn)的傳感器、控制系統(tǒng)和軟件與傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)、流程和人員的互聯(lián)互通，從而提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源配置和增強(qiáng)工業(yè)系統(tǒng)的智能化水平。它涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings,IoT）、云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能（ArtificialIntelligence,AI）、邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，通過實時數(shù)據(jù)采集和分析，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程和供應(yīng)鏈的精準(zhǔn)監(jiān)控和管理。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心目標(biāo)是推動制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)的全面連接和智能化運作，提升生產(chǎn)靈活性和產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低運營成本和能源消耗，從而實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是驅(qū)動數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。作為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了設(shè)備、系統(tǒng)、流程和人員的全面互聯(lián)與智能化管理。數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推動下，通過對物理實體的數(shù)字化復(fù)制和實時仿真，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)和運營效率的精準(zhǔn)監(jiān)控和優(yōu)化。這種技術(shù)能夠在設(shè)備維護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量控制和供應(yīng)鏈管理等方面提供智能化的解決方案，顯著提升了工業(yè)生17產(chǎn)的靈活性、效率和可靠性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了海量的數(shù)據(jù)流，這為數(shù)字孿生提供了豐富的實時數(shù)據(jù)來源，增強(qiáng)了其預(yù)測和決策能力。此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用和政策支持，促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造、智慧工廠等領(lǐng)域的落地與擴(kuò)展。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生的深度融合，企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精準(zhǔn)的生產(chǎn)管理和資源配置，推動工業(yè)體系向數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型，提升整體競爭力[8,9]。（三）政策標(biāo)準(zhǔn)2019年11月至2023年1月，中國在推動制造業(yè)、服務(wù)業(yè)及互聯(lián)網(wǎng)深度融合方面取得了顯著進(jìn)展。首先，國家發(fā)展改革委員會在2019年月發(fā)布《關(guān)于推動先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合發(fā)展的實施意見》，旨在通過發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)”模式，刺激經(jīng)濟(jì)發(fā)展活力與潛力，重點突破了工業(yè)機(jī)理建模、數(shù)字孿生與信息物理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。隨后，年4月該委員會推出《關(guān)于推進(jìn)‘上云用數(shù)賦智’行動培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實施方案的通知》，進(jìn)一步推動數(shù)字孿生技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。2020年月，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》支持云仿真、數(shù)字孿生等技術(shù)的平臺建設(shè)，加速信息技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用。到了年，國家層面對數(shù)字經(jīng)濟(jì)與數(shù)字孿生技術(shù)的支持進(jìn)一步加強(qiáng)。6月，國務(wù)院發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，提出構(gòu)建數(shù)字孿生城市以提升城市管理服務(wù)能力。月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《“十四五”大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生技術(shù)在18制造、跨系統(tǒng)及產(chǎn)業(yè)鏈分析中的應(yīng)用。2022年初，國家發(fā)展改革委員會和水利部共同推出《“十四五”水安全保障規(guī)劃》，提出構(gòu)建數(shù)字孿生流域以優(yōu)化水資源管理。同年月，國家能源局發(fā)布《能源碳達(dá)峰碳中和標(biāo)準(zhǔn)化提升行動計劃》，加速能源領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型。2023年初，中共中央和國務(wù)院發(fā)布《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》，提出以數(shù)字孿生技術(shù)推動生態(tài)環(huán)境的智慧治理與保護(hù)。綜上所述，中國在推動數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用方面已經(jīng)形成了一套完整的政策框架，從制造業(yè)、城市管理到自然資源與環(huán)境保護(hù)，數(shù)字孿生技術(shù)被視為重要的技術(shù)手段，旨在通過技術(shù)創(chuàng)新推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的深度融合。（四）用戶需求用戶需求的不斷增長是數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展的重要驅(qū)動力。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)的大背景下，數(shù)字孿生技術(shù)與各行各業(yè)的深度融合不斷加深，特別是在工業(yè)、城市管理、能源電力、醫(yī)療和水利等領(lǐng)域的全生命周期管理中展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景[10]。例如，在智慧工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)貫穿產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)驗證的各個階段，極大提升了制造效率和周期管理。在城市管理方面，數(shù)字孿生城市的構(gòu)建實現(xiàn)了對城市運行的全面監(jiān)控和優(yōu)化管理，提高了城市的運行效率和服務(wù)質(zhì)量。新型電力系統(tǒng)、數(shù)字醫(yī)療和數(shù)字流域管理等領(lǐng)域的應(yīng)用也展現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)在提升效率、優(yōu)化資源管理和決策制定方面的巨大潛力。隨著技術(shù)進(jìn)步的不斷深入，預(yù)期數(shù)字孿生的應(yīng)用場景將更加廣泛，對更多行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。19六、數(shù)字孿生國內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)及代表性成果（一）國外主流數(shù)字孿生解決方案概覽在當(dāng)今全球化的高科技環(huán)境中，數(shù)字孿生技術(shù)已成為推動工業(yè)和商業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。各領(lǐng)先企業(yè)如GEDigital、西門子、PTC、Ansys、達(dá)索系統(tǒng)等，正通過推出創(chuàng)新的數(shù)字孿生解決方案，定義這一領(lǐng)域的未來。這些解決方案不僅涵蓋了綜合性平臺，還包括與其他企業(yè)合作提供的全面解決方案，旨在滿足不同行業(yè)對數(shù)字化升級的需求（如表6-1所示）。特別是，像、西門子和PTC等企業(yè)，憑借其強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)了如Predix、COMOSPlatform和ThingWorx等綜合性平臺，為客戶提供從設(shè)備監(jiān)測到整個生產(chǎn)流程管理的全方位解決方案。同時，企業(yè)間的合作也顯得尤為關(guān)鍵，如達(dá)索系統(tǒng)與ABB、Ansys與微軟等的合作，通過整合各自的專長，共同提供了包含模型建模、驗證到部署的完整數(shù)字孿生服務(wù)。例如，Ansys的TwinBuilder是一款具備模型建模、驗證和部署三大核心功能的解決方案。它通過結(jié)合物理和虛擬傳感器，實現(xiàn)了跨學(xué)科多領(lǐng)域的系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生，特別適用于生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)計階段和運維階段的數(shù)字孿生。則提供了涵蓋工程、運營和績效管理的數(shù)字孿生產(chǎn)品組合，支持從設(shè)計到維護(hù)的全生命周期管理。Altair與ACROME的合作突出了數(shù)字孿生在教育及產(chǎn)品優(yōu)化方面的20應(yīng)用，而Bentley的iTwinPlatform則側(cè)重于基于數(shù)據(jù)的決策支持和業(yè)務(wù)服務(wù)。表6-2總結(jié)了國外主流數(shù)字孿生廠商融資情況。這些領(lǐng)先企業(yè)的解決方案體現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景。從工程設(shè)計、生產(chǎn)制造到運營維護(hù)，數(shù)字孿生正在成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展的重要推手。通過模擬、分析和優(yōu)化實體對象的虛擬副本，企業(yè)能夠在虛擬環(huán)境中預(yù)測和解決現(xiàn)實問題，從而實現(xiàn)效率提升和成本降低。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用深化，數(shù)字孿生無疑將在未來的工業(yè)革命中扮演更加重要的角色。表6-1國際主流數(shù)字孿生廠商和解決方案廠商名稱解決方案應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用行業(yè)技術(shù)來源網(wǎng)址數(shù)字生產(chǎn)設(shè)備、設(shè)計階段的數(shù)字生、運行汽車、裝TwinBuilder維護(hù)階段的數(shù)字孿生、基于經(jīng)驗公式的備、航空航天與國自主研發(fā)www.ans數(shù)字孿生、基于仿真防等的數(shù)字孿生UnifiedEngineering,AVEVAUnified化工、能OperationsCenter,Asset工廠設(shè)計、采購、施源、海工、工藝仿真優(yōu)化、事、電力Performance安全生產(chǎn)運營等流程行Management,業(yè)PISystem,ProcessSimulation自主研發(fā)www.avAltairAltairActivate產(chǎn)品開發(fā)和運營汽車、消費電子、航空航自主研發(fā)21天、能源等數(shù)字城市、制造、發(fā)BentleyiTwinPlatform設(shè)計、規(guī)劃、施工、運營等電、公用事業(yè)和通訊、軌道自主研發(fā)www.bem交通、采礦和海洋工程等航空航天與國防、船舶與海設(shè)計、生產(chǎn)、制造、洋工程、自主Dassault3DEXPERIENwww.3dSystemesCE交付、運營等工業(yè)設(shè)研發(fā)備、生命科學(xué)與醫(yī)療保健等航空航天ESIGroupHybridTwinGEDigitalPredixAzureMicrosoftAzur