數(shù)字孿生技術(shù)應用研究及對寧波的建議

文|陳善福 張曉偉 黃文琦

隨著網(wǎng)絡化、信息化、智能化水平不斷提升，全面推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型是城市塑造核心競爭力的關(guān)鍵之舉。數(shù)字孿生是數(shù)字智能化發(fā)展的產(chǎn)物，是助力經(jīng)濟社會實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要前沿技術(shù)。國家、省、市層面越來越重視數(shù)字孿生，在若干規(guī)劃、政策中都明確提出要探索建設(shè)數(shù)字孿生城市，在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)上積極推動數(shù)字孿生發(fā)展。

目前，寧波正積極打造數(shù)字化改革先行區(qū)，為浙江省數(shù)字化改革提供更多寧波元素、寧波范例。數(shù)字孿生作為數(shù)字化改革的重要技術(shù)和手段，可孕育新的經(jīng)濟增長點和巨大的藍海市場，促進城市治理更加系統(tǒng)、全面，推動經(jīng)濟社會實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。未來，寧波應以智能硬件、應用軟件、基礎(chǔ)平臺建設(shè)為科技創(chuàng)新方向，以城市治理、先進制造、港口航運、社會民生等應用場景為發(fā)展方向，以頂層設(shè)計優(yōu)生態(tài)、平臺搭建促發(fā)展、技術(shù)攻關(guān)強支撐、應用場景促融合為具體舉措，打造一批彰顯寧波辨識度、具有全國影響力的技術(shù)成果、應用成果、理論成果和制度成果，全力打造數(shù)字孿生標桿城市。

解析數(shù)字孿生

數(shù)字孿生也可稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，其雛形最早可追溯到2003年產(chǎn)品生命周期管理中提及的“信息鏡像模型”。美國高德納咨詢公司連續(xù)三年把“數(shù)字孿生”列入年度十大戰(zhàn)略性技術(shù)，通用電氣、西門子、SAP等巨頭公司紛紛布局推進數(shù)字孿生的商業(yè)化應用。隨著以數(shù)字孿生應用場景不斷涌現(xiàn)，數(shù)字孿生逐漸成為城市提升競爭力、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

目前學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對數(shù)字孿生的認識各有側(cè)重，尚未形成統(tǒng)一的概念。但一般認為，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，從而反映相對應實體的全生命周期過程。數(shù)字孿生核心是一種物理空間與虛擬空間的虛實交融、智能操控的映射關(guān)系，通過在實體世界以及數(shù)字虛擬空間中，記錄仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源的最優(yōu)化配置。

寧波數(shù)字孿生技術(shù)具備一定基礎(chǔ)

《寧波市智慧城市建設(shè)“十四五”規(guī)劃》提出“建設(shè)數(shù)字孿生城市標桿市”的戰(zhàn)略目標，目前，寧波數(shù)字孿生技術(shù)具備一定基礎(chǔ)，相關(guān)領(lǐng)域也已開展初步探索。

數(shù)據(jù)底座具備基礎(chǔ)。全市已建成覆蓋全市域地形地貌模型數(shù)據(jù)庫、核心區(qū)域約410平方千米三維仿真模型數(shù)據(jù)庫、約1300平方千米的城市實景三維模型數(shù)據(jù)庫和5.8萬千米的地下管線數(shù)據(jù)庫等四大類三維地理信息數(shù)據(jù)資源，形成了全市統(tǒng)一的三維空間信息底圖。在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化方面，隨著“產(chǎn)業(yè)大腦+未來工廠”重大應用的謀劃推進，模具、化工、服裝、智能家電、文體用品等5個產(chǎn)業(yè)大腦入圍省級首批“揭榜掛帥”計劃，鎮(zhèn)海、鄞州、慈溪被列入省級區(qū)域新智造試點，海曙紡織服裝、北侖模具被列入省級產(chǎn)業(yè)集群新智造試點，吉利汽車、東方電纜等12家企業(yè)入選省級“未來工廠”試點企業(yè)名單。產(chǎn)業(yè)數(shù)字化相關(guān)工作的加速推進、全面布局，為數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

博威集團打造的數(shù)字孿生研發(fā)系統(tǒng)。 李 超 | 攝

創(chuàng)新主體具備活力。在數(shù)字孿生平臺及主體方面，寧波大學、浙江大學軟件學院、寧波市智能制造技術(shù)研究院、寧波人工智能產(chǎn)業(yè)研究院等科研院所的研究方向基本覆蓋了數(shù)字孿生各項技術(shù)環(huán)節(jié)，也可培養(yǎng)數(shù)字孿生發(fā)展所需基礎(chǔ)人才。數(shù)字孿生應用領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀企業(yè)，美象科技、寶略科技等數(shù)字孿生高新技術(shù)企業(yè)在未來社區(qū)、地下空間、智慧水利、智慧管廊等場景有所應用探索。吉利汽車、博威集團、舜宇光學、均普智能等龍頭企業(yè)以數(shù)字孿生技術(shù)為生產(chǎn)制造賦能，取得初步實踐效果。

寧波數(shù)字孿生應用涉足多領(lǐng)域

數(shù)字孿生已經(jīng)逐漸滲透到各行各業(yè)，寧波也在不少領(lǐng)域進行探索和嘗試。目前，全市已建或在建的城市規(guī)劃、防災減災、基礎(chǔ)設(shè)施、三江流域建設(shè)等領(lǐng)域數(shù)字孿生應用場景超過20個，其中市地鐵安全管理數(shù)字孿生應用已成為首批省級試點，臺風積水地圖、“智慧燈桿”數(shù)字孿生可視化管理平臺、智慧安防系統(tǒng)、“5G+智慧港口”應用平臺、“五彩梁弄”數(shù)字鄉(xiāng)村平臺等已落地應用。

先進制造領(lǐng)域。博威集團階段性地建成了基于有色合金新材料研發(fā)過程的數(shù)字孿生平臺，集成使用數(shù)字化仿真、知識圖譜、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)中臺等5項關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了需求轉(zhuǎn)化、產(chǎn)品設(shè)計、應用技術(shù)研究、研發(fā)生態(tài)圈等8個主要功能模塊，大幅提高了研發(fā)效率。吉利汽車探索把自動化、數(shù)字化、智能化三者有效結(jié)合，在產(chǎn)品、產(chǎn)線及研發(fā)設(shè)備方面開展數(shù)字孿生實踐，打造高柔性、智能、敏捷、透明、清潔、環(huán)保的智能制造標桿車間，開啟“科技吉利4.0”時代。美象科技參與研發(fā)的“新材云創(chuàng)平臺”，打造了數(shù)字孿生駕駛艙，利用數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)模擬生產(chǎn)線，通過在模擬生產(chǎn)線上調(diào)試設(shè)備、工藝參數(shù)，為真實產(chǎn)線的建設(shè)提供準確的參考數(shù)據(jù)，縮短新產(chǎn)品投產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。東方日升建設(shè)數(shù)字孿生異地工廠——虛擬的滁州生產(chǎn)基地，可實時了解車間生產(chǎn)運行、設(shè)備異常等情況，以精益生產(chǎn)、設(shè)備管控優(yōu)化減少企業(yè)損失。

產(chǎn)業(yè)規(guī)劃領(lǐng)域。寶略科技參與建設(shè)的鄞州區(qū)制造業(yè)全域治理數(shù)字化平臺，結(jié)合“數(shù)據(jù)共享、業(yè)務協(xié)同”的制造業(yè)全域治理場景應用，基于POPAI大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生等技術(shù)為全區(qū)2.6萬家制造業(yè)企業(yè)建立全息畫像，保障鄞州區(qū)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)、土地、企業(yè)資源集約利用工作順利推進與落實。

城市治理領(lǐng)域。美象科技參與建設(shè)的余姚數(shù)字孿生可視化平臺建設(shè)，以余姚鳳山街道4.4平方千米區(qū)域為試點，運用數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合跨部門、多業(yè)務場景，構(gòu)建虛實映射、數(shù)據(jù)互通的數(shù)據(jù)應用，聚焦路面交通擁堵、地下管網(wǎng)復雜等治理難點，實現(xiàn)城市精細化管理。寶略科技憑借在城市實景三維數(shù)字建模、智能無人機遙感等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，致力開發(fā)數(shù)字孿生軟件體系，幫助多個地區(qū)建立了全實景“數(shù)字底盤”。

智慧交通領(lǐng)域。美象科技參與謀劃建設(shè)的東錢湖地鐵站方案是比較典型的符合數(shù)字孿生特性的場景，技術(shù)要素多、技術(shù)先進，將地鐵運營活動可測、可控、可視，以數(shù)據(jù)可視化的方式呈現(xiàn)車站綜合數(shù)據(jù)看板和設(shè)備情況信息，目前正在前期謀劃建設(shè)階段。

目前，寧波數(shù)字孿生應用取得一定成效，但仍存在場景待拓展、高能級創(chuàng)新平臺待崛起、專業(yè)人才待引育等問題。一是應用仍處于初步探索階段，大量應用場景有待進一步挖掘，典型應用案例還不夠成熟；二是高能級創(chuàng)新平臺、高層次專業(yè)人才比較缺乏，仍然需要政府側(cè)加大投入、加強引導。

寧波發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)應用的思考

寧波智慧城市建設(shè)正邁向新的發(fā)展階段，迫切地需要借助數(shù)字孿生這一前沿技術(shù)，加快新型智慧城市跨越領(lǐng)先發(fā)展。堅持系統(tǒng)思維，以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，以賦能長遠為目標，以應用拓展為方向，探索一批實質(zhì)性舉措。比如，設(shè)置一個試驗區(qū)、建設(shè)一個研究院、發(fā)布一批應用場景、啟動一批科研攻關(guān)，著力打造形成具有寧波特色優(yōu)勢的數(shù)字孿生技術(shù)成果、制度成果和示范案例。

加強頂層設(shè)計優(yōu)生態(tài)。數(shù)字孿生城市建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，需要做好頂層設(shè)計，營造良好生態(tài)環(huán)境。一要完善政策制度供給，借鑒數(shù)字孿生城市試驗場等先進做法，結(jié)合全市開發(fā)區(qū)（園區(qū)）整合提升行動，開辟數(shù)字孿生城市試驗區(qū)，加強數(shù)字孿生城市制度體系建設(shè)，在規(guī)章法規(guī)、要素供給、體制機制等方面充分賦權(quán)、先行先試、形成特色。二要壯大發(fā)展聯(lián)盟，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢，動員市內(nèi)外優(yōu)勢企業(yè)、科研院所和服務機構(gòu)組建數(shù)字孿生聯(lián)盟，聯(lián)合制定實施一批關(guān)于數(shù)字孿生建設(shè)的技術(shù)支撐、業(yè)務管理、數(shù)據(jù)共享、網(wǎng)絡安全等地方性制度標準和發(fā)展導引，打造“政產(chǎn)學研金服用”有機聯(lián)動發(fā)展生態(tài)。三要打造寧波名片，在寧波城市展覽館開辟展示平臺，為數(shù)字孿生特色成果開辟展示空間，通過線上線下同步展示的方式，擴大寧波數(shù)字孿生的影響力。

搭建引領(lǐng)平臺促發(fā)展。加快構(gòu)建安全統(tǒng)一的數(shù)字孿生創(chuàng)新平臺，支撐科技和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新雙聯(lián)動。一要按照新型研發(fā)機構(gòu)建設(shè)要求，加快成立寧波數(shù)字孿生東方理工研究院和寧波數(shù)字孿生浙大研究院，聚焦智能硬件與感知、三維建模與虛擬仿真、人工智能與大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈與信息安全、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與反饋控制等基礎(chǔ)研究方向，開展數(shù)字孿生領(lǐng)域“卡脖子”核心技術(shù)攻關(guān)，加速專業(yè)人才引進培養(yǎng)、產(chǎn)業(yè)孵化，積極爭創(chuàng)國家和省級創(chuàng)新平臺。二要加快建設(shè)新型基礎(chǔ)設(shè)施，加快推動市政數(shù)字化設(shè)施、公共服務智能化設(shè)施、5G基站等數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造升級，廣泛應用三維建模、仿真分析、數(shù)字傳感等先進技術(shù)，打造城市智治“一網(wǎng)統(tǒng)管”新模式，擴大和完善數(shù)字孿生城市底座。

強化技術(shù)攻關(guān)強支撐。加快掌握數(shù)字孿生上下游關(guān)鍵核心技術(shù)，把人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等前沿產(chǎn)業(yè)與數(shù)字孿生緊密融合，在技術(shù)、安全、測評等方面形成標準體系，結(jié)合場景應用強化智能傳感器、三維CAD/CAE等技術(shù)支撐。一要實施重大項目攻關(guān)，依托美象科技、寶略科技、吉利汽車等已在數(shù)字孿生領(lǐng)域有所布局的企業(yè)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求實施一批重大科技項目和應用示范項目，形成一批關(guān)鍵核心成果。二要搭建高端算力平臺，打造計算中心、數(shù)據(jù)處理中心和邊緣計算中心協(xié)同發(fā)展的人工智能超算中心，解決數(shù)字孿生發(fā)展中最關(guān)鍵的算力提升、數(shù)據(jù)貫通等問題。三要集聚一批專業(yè)人才，利用甬江引才工程，面向全球招引數(shù)字孿生及相關(guān)領(lǐng)域的高端人才，依托寧波大學、浙江大學軟件學院等提升相關(guān)學科能級，形成以場景、項目培育人才的良好機制，加強人才梯隊建設(shè)。

寧波前灣新區(qū)海智未來社區(qū)的數(shù)字駕駛艙。 柴鍶佳 | 攝

拓展應用場景促融合。數(shù)字孿生城市建設(shè)是一個技術(shù)復雜、周期長遠的工程，應依托現(xiàn)有基礎(chǔ)，以點帶面、逐步推廣。聚焦智能生產(chǎn)、智慧治理、智享生活等領(lǐng)域，探索場景聯(lián)動機制，構(gòu)建數(shù)字孿生賦能智能制造、新型智慧城市、未來社區(qū)等領(lǐng)域的重大應用場景體系，多維度多層次推動場景應用從“零星探索”向“全面拓展”轉(zhuǎn)變，推進場景構(gòu)建與城市規(guī)劃、經(jīng)濟發(fā)展等有機統(tǒng)一。一要存量場景融合提升。以現(xiàn)有數(shù)字孿生底座建設(shè)和應用創(chuàng)新方面的良好基礎(chǔ)為依托，進一步梳理整合已建設(shè)的數(shù)字孿生應用場景、技術(shù)，促進數(shù)字孿生技術(shù)融合提升、形成體系。二要謀劃新場景增量。結(jié)合全市域數(shù)字化改革，采取新技術(shù)應用轉(zhuǎn)化、先進項目招商等形式，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)更新、前沿產(chǎn)業(yè)落地拓展場景。采用“揭榜掛帥”的形式，在有條件、有基礎(chǔ)的地方擇優(yōu)評選5—10個典型應用場景作為試點賽道，通過這樣持續(xù)的場景創(chuàng)新和試驗，逐步實現(xiàn)數(shù)字孿生城市治理全領(lǐng)域覆蓋。

智能制造領(lǐng)域涉及數(shù)字車間、智能工廠、智慧企業(yè)/未來工廠3個環(huán)節(jié)，運用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)，將探索建設(shè)工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字孿生集成應用，實現(xiàn)交互設(shè)計、產(chǎn)線運行狀況智能管理和預測、生產(chǎn)故障錯誤提前預警、生產(chǎn)工序工藝優(yōu)化改進、產(chǎn)品遠程運維與決策服務、企業(yè)內(nèi)部智慧協(xié)同、外部上下游協(xié)同、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同運營等功能，為打造全球智造創(chuàng)新之都提供支撐。

新型智慧城市領(lǐng)域以新型測繪、物聯(lián)感知、協(xié)同控制等技術(shù)為基礎(chǔ)，將構(gòu)建統(tǒng)一的城市信息模型，遠程對城市的每一個角落進行綜合監(jiān)測、智慧調(diào)度和集中管理，推動城市治理和公共服務走出“盲人摸象”的現(xiàn)狀，提升治理效率。

未來社區(qū)領(lǐng)域集成鄰里、教育、健康、創(chuàng)業(yè)、建筑、交通、低碳、服務和治理等功能，將打造有歸屬感、舒適感和未來感的新型城市功能單元，將逐步實現(xiàn)更加有溫度、更加安全、更加高效的居民生活，為打造一流智慧善治之都、建設(shè)共同富裕先行市提供支撐。