數字孿生技術的研究與創新應用實踐

【摘" 要】 文章通過對數字孿生技術及發展趨勢進行深入理解與研究，利用建模、大數據分析、模擬仿真等數字孿生技術孿生復刻國家會展中心外圍數字實景，構建空間互聯網時代的進博四葉草數字孿生體，進而實現云游進博、應急演練、態勢感知等多場景應用，進一步夯實城市數字化轉型基礎，釋放轉型促創新、促改革、促發展的強大效應，為會展領域的數字化應用建設樹立了標桿。

【關鍵詞】 數字孿生技術；數字孿生體；多場景應用

一、數字孿生技術體系

數字孿生技術是近年來涌現的一項前沿技術，其核心思想是通過在虛擬世界中構建與實際物體、系統或過程相對應的精確模型，從而實現對實際世界的監測、分析、仿真和優化。數字孿生技術通過準確地模擬物理實體的行為性能、提供精確的數據分析，具有快速反應、高效決策和敏捷管理的技術優勢，以此幫助我們更好地理解和管理物理世界的實體。這項技術的實現依賴于多個領域的新興技術的高度集成，以及對跨學科知識的綜合應用。數字孿生技術的實現與應用涉及建模、大數據分析和模擬仿真等多項關鍵技術，它們緊密合作，構成了一個復雜而協同的系統工程，為構建更智能化、高效化的應用場景提供了強大支持。

（一）建模：數字孿生應用的引擎

在數字孿生技術中，建模是關鍵環節，也是數字孿生應用的引擎。建模的目標是將實際物體、系統或過程的各個方面映射到虛擬世界中，以便在數字孿生系統中進行精確模擬和分析。數字孿生建模不僅要關注物體的靜態特性，還需考慮其動態演化過程和實時運行狀態。例如，通過傳感器數據采集和計算機視覺技術，可以實時監測物體的狀態變化，將這些信息反映到數字孿生模型中，從而實現對物體隨時間推進的演化過程的模擬。此外，外部環境和干擾因素對物體的影響也應納入考慮，使得數字孿生模型能夠在“多時間尺度”上進行分析和預測。

為實現數字孿生模型的精確模擬和預測，需充分發揮數據采集、傳感器技術、3D建模、BIM（建筑信息模型）、GIS（地理信息系統）以及計算機視覺等技術手段優勢，加強多技術融合創新，充分捕捉實際物體的幾何形態、材質特性、運動狀態等各個維度的信息，使得數字孿生系統能夠在虛擬環境中高度還原實際世界的情景。

（二）大數據分析：洞察潛藏于數據中的規律

大數據分析在數字孿生技術中扮演著關鍵角色。數字孿生系統涉及的數據規模龐大、維度多樣，且具有實時性和非結構化特點，這使得傳統的數據處理方法無法勝任。大數據分析技術，如深度學習、機器學習和數據挖掘，可以對數字孿生系統中的海量數據進行感知、分析和處理，從中挖掘出數據間的關系和隱藏的規律。

通過大數據分析，數字孿生系統能夠更好地了解實體物體或系統的運行狀況，還能夠預測未來可能出現的問題，為決策提供精確的自主預測和決策支持，有助于提高系統的運行效率和穩定性。例如，在工業制造領域，基于能夠準確反應生產設備實際運行狀態的數字孿生模型，通過對生產設備傳感器數據的分析，可以實時監測設備狀態，預測潛在的故障并發出告警，讓工作人員可及時采取相應的維護措施，從而避免生產中斷。

（三）模擬仿真：優化決策的重要工具

數字孿生技術的另一個重要方面是模擬仿真。通過在數字孿生中構建虛擬模型，可以對實際物體、系統或過程進行仿真模擬，從而評估不同決策的影響，優化系統參數，甚至用于培訓人員。模擬仿真使得用戶能夠在虛擬環境中模擬現實場景，觀察物體或系統的行為，預測可能的結果。

在制造業中，數字孿生技術的模擬仿真能力可以幫助優化生產流程。例如，在汽車制造領域中，可以通過數字孿生模型模擬汽車生產線的運行情況，識別瓶頸并進行優化調整，以提高生產效率。此外，在醫療領域，數字孿生技術的模擬仿真也可以用于手術模擬和培訓，幫助醫生熟悉手術流程和可能的風險。

（四）跨學科知識應用：綜合解決方案的實現

實現數字孿生技術需要多個學科領域的知識綜合應用。這不僅僅是技術領域，還需要了解所模擬對象所涉及的專業領域知識，例如物理學、化學和生物學等。只有充分理解這些領域的知識，才能夠更準確地模擬和分析物體、系統或過程的行為。

跨學科知識應用的實現使得數字孿生技術能夠更加綜合地解決實際問題。例如，在城市規劃中，數字孿生技術不僅需要考慮建筑和土地利用方面的知識，還需要了解交通、環境、人口等多個因素的影響。通過綜合這些跨學科的知識，數字孿生系統能夠更全面地模擬和優化城市的發展規劃。

二、數字孿生發展現狀與趨勢

數字孿生技術在當今世界正迅速發展，為生產制造、醫療、城市規劃等多個領域帶來了前所未有的創新和變革，隨著政策及市場需求的推動，更多創新型數字孿生應用場景仍在拓展和深化。

（一）政策驅動：推動數字孿生技術的落地與應用

為了促進數字孿生技術的應用發展，我國各級政府紛紛制定了相關政策，為數字孿生技術的落地提供支持。在國家層面，中央網信辦印發的《“十四五”國家信息化規劃》明確提出“探索建設數字孿生城市”，強調完善城市信息模型平臺建設，以數字孿生技術推動城市發展。國務院印發的《“十四五”數字經濟發展規劃》中也提到“因地制宜構建數字孿生城市”，旨在促進數字經濟與實體經濟的深度融合。中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》強調“構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系”，倡導綠色智慧生活方式。這些政策的制定將為數字孿生技術的發展提供政策支持和指導。

各地區也高度重視數字孿生技術的發展。例如，《上海市全面推進城市數字化轉型“十四五”規劃》中強調“加快推動城市形態向數字孿生演進”，將數字孿生技術作為推動城市發展的重要手段。北京、深圳等城市也紛紛將數字孿生技術納入本地的發展規劃中，致力于打造智慧城市標桿，推動城市的數字化轉型。

（二）市場現狀：數字孿生市場蓬勃發展

數字孿生技術的市場潛力巨大，市場需求不斷增長。根據數據顯示，2020年全球數字孿生市場規模達到52.2億美元，2022年，這一規模已經增長到77億美元，同比增長了57.1%。這一增長趨勢表明數字孿生市場正在以驚人的速度擴大。在市場細分方面，仿真推演、可視化、交互控制、城市信息模型等領域都展現出“十億”級市場規模，相關企業在數字孿生解決方案方面的營收增長率普遍超過50%。這一市場現狀充分表明了數字孿生技術的廣闊應用前景和市場需求。

（三）發展趨勢：數字孿生走向多層次、多領域深度應用

從政策、行業應用、企業主體以及標準化等多個角度來看，數字孿生技術正朝著多層次、多領域深度應用的方向發展。

1. 技術創新引領應用場景落地

首先，從政策角度來看，政府將數字孿生技術視為促進國家經濟和社會的數字化轉型的戰略舉措，并出臺政策來支持其發展。這意味著政府將為數字孿生技術的研究和應用提供更多資源和支持，推動其在多個領域的深度應用。

在行業應用方面，數字孿生技術不再局限于特定行業，而是成為垂直行業數字化轉型的核心技術。各行業紛紛認識到數字孿生技術的潛力，將其應用于產品設計、生產、維護和預測性分析等領域。例如，在制造業，數字孿生技術可以幫助企業實現智能化制造和質量控制，提高生產效率和產品質量。在醫療領域，數字孿生技術可以用于模擬和優化手術過程，提高手術的成功率。這些應用將進一步推動數字孿生技術在各行業的深度應用。

在企業主體層面，越來越多的科技企業將數字孿生技術納入其戰略規劃中，將其視為數字領域技術和市場競爭的主要方向。這些企業將投入大量資源進行研發和創新，以不斷提升數字孿生技術的性能和應用范圍。這將加速數字孿生技術的發展和普及，推動其在商業領域的廣泛應用。

此外，數字孿生技術的標準化也逐漸成熟，標準體系的建立為數字孿生技術的應用提供了更加規范的指導。標準化有助于不同系統和設備之間的互操作性，促進了數字孿生技術的跨領域應用和整合。各行業的標準制定機構和專家將不斷完善和更新數字孿生技術的標準，以適應不斷變化的市場需求和技術發展。

2. 多跨應用場景驅動市場發展

在我國，海量的數字孿生單體有望形成新型的數字資產，城市數字孿生底座平臺將成為新型基礎設施，在政府引導、企業共建的模式驅動下，數字孿生市場前景向好。此外，數字孿生技術在各行業的應用也將逐漸形成“多跨”應用場景，進一步推動中國式現代化發展模式的建設。

3. 元宇宙賦能技術生態融合深化

隨著數字孿生技術的不斷發展和市場規模的擴大，人們將逐漸實現對更大范圍的物體、系統甚至世界的數字孿生。這種數字化的世界將被稱為元宇宙，將實際世界與虛擬世界深度融合，創造出更加豐富的體驗和可能性。數字孿生技術將在構建元宇宙中扮演重要角色，實現現實世界的高度數字化和智能化。

三、數字孿生在進博會的創新應用

中國國際進口博覽會積極響應習近平總書記“越辦越好”的指示精神，以《“十四五”國家信息化規劃》為綱要、《上海市全面推進城市數字化轉型“十四五”規劃》為指引，融合物聯網、AI人工智能、北斗室內導航定位、數實結合、實景計算和沉浸式交互式等新型技術，孿生復刻國家會展中心數字實景展館、構建空間互聯網時代的進博四葉草數字孿生體，打造了一批數字孿生應用場景，服務于進博會國家戰略，夯實城市數字化轉型基礎，釋放轉型促創新、促改革、促發展的強大效應，為會展領域的數字化應用建設樹立了標桿。

（一）云游進博

以高度可視化、圖形化的方式展示國家會展中心及周邊區域的城市建模，用戶可三維場景穿透式查看進博會各類場景應用。通過三維圖形引擎打造高精度的1：1數字孿生體，讓云游進博的用戶更加直觀感知國家會展中心實景、周邊交通、生態環境等，開創進博會觀展新體驗。

（二）應急演練

以突發事件感知、全域數據感知綜合研判應急情勢、融合通信、知識圖譜等基礎平臺和技術為支撐，實現進博會場館及周邊區域應急信息和資源的全面匯聚，“一張圖”綜合呈現快速上傳下達、聯動多部門協同、專題研判、智能調度、數字化預案和輔助決策等內容，建立應急演練體系。依據進博場館真實的運行數據，構建應急場景下的推演模型，模擬和分析進博會場館的運行狀態和發展趨勢，推演預測進博場館內應急事態的發展態勢與運行結果，并提出優化建議。

（三）態勢推演

進博孿生在全要素數字化、數據融合、空間分析計算的基礎上構建了較好的模擬仿真推演能力，可以對未來交通態勢提前計算推演。基于全數字化的基礎信息與感知，能夠可視化模擬呈現國家會展中心及其周邊在不同時段、天氣和路況下的狀態。

四、應用總結與展望

為確保進博會的順利舉辦，提升參會人員的參會體驗，增強突發事件主動預警防范能力，強化全域數據感知分析研判能力，進博會數字賦能服務保障一體化平臺圍繞進博會實際應用場景，利用數字孿生技術建立了云游進博、應急演練、態勢推演、智慧安防等創新應用場景，充分發揮數字孿生技術價值，實現展會過程實時化、語義化、數據化、可視化，打造沉浸、創新、智慧“可云上參展、可全域感知、可智慧防控”的數字會展中心。進博四葉草數字孿生體在進博會的創新實踐應用可為國內大型展會的數字化應用樹立了進博標桿，對向其他大型展會全面推廣和提升數字化建設具有重大的意義與價值。

未來，數字孿生技術將繼續引領智能時代的發展。隨著政策的支持、市場的需求和技術的進一步創新，數字孿生技術的應用領域將進一步拓展，市場規模將持續擴大。數字孿生技術將在制造業、城市規劃和醫療健康等更多領域發揮越來越重要的作用，逐漸演變成為行業發展、城市變革、國家建設的新思路、新動能、新路徑。在數字化轉型升級的浪潮下，數字孿生技術將逐漸深入到各個領域的實際應用中，為經濟社會的發展帶來新的動能。同時，數字孿生技術的應用也將在全球范圍內產生積極的影響，加速推動世界走向智能化和數字化的未來。

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