2023年初，中國信息通信研究院發(fā)布了《數(shù)字孿生城市產(chǎn)業(yè)圖譜研究報(bào)告(2022)》，報(bào)告中提出我國數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)四階段體系，2020年到2030年是我國數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)增長期，當(dāng)前數(shù)字孿生市場(chǎng)需求和技術(shù)均處于高速發(fā)展階段。
在大背景下，數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)發(fā)展還沒有進(jìn)入到理想化的元宇宙階段，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)不再是單一的技術(shù)體系，而是以積木式組裝結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM、GIS等多項(xiàng)前沿技術(shù)的聚合技術(shù)?！?ldquo;十四五”國家信息化規(guī)劃》《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)劃》等文件也提出要強(qiáng)化數(shù)字孿生技術(shù)戰(zhàn)略研究布局和技術(shù)融通創(chuàng)新。
結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程，易知微聯(lián)合數(shù)字孿生世界企業(yè)聯(lián)盟與眾多行業(yè)專家共同編寫《數(shù)字孿生世界白皮書(2023)》(以下簡(jiǎn)稱《白皮書》)，通過對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)和行業(yè)解決方案的深度剖析與成果分享，為數(shù)字孿生應(yīng)用在千行百業(yè)中落地生根提供借鑒，以助力更多單位與企業(yè)建設(shè)數(shù)字孿生應(yīng)用。
主編單位：杭州易知微科技有限公司
參編單位：杭州玳數(shù)科技有限公司、浙江宇視科技有限公司、北京中創(chuàng)碳投科技有限公司、安世亞太科技股份有限公司、浙江卓見云科技有限公司、數(shù)巒云(杭州)科技有限公司、深圳市瑞云科技有限公司、杭州微盟時(shí)空科技有限公司
編寫指導(dǎo)(排名按姓名拼音首字母)：
陳為 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授
鄧貴德 中國特種設(shè)備研究院 正高級(jí)工程師
楊秦敏 浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院教授
周偉華 浙江大學(xué)數(shù)據(jù)分析和管理國際研究中心主任
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數(shù)字孿生：數(shù)智視融合，構(gòu)建數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈
數(shù)字孿生具有多學(xué)科交叉會(huì)聚、多技術(shù)跨界融合的典型特征，在當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)高速發(fā)展階段該特征尤為突出。而高速發(fā)展也逐步的暴露出數(shù)字孿生“流于形式”，數(shù)字孿生城市建設(shè)探索“有表無里”等問題。從當(dāng)前數(shù)字孿生應(yīng)用的建設(shè)實(shí)踐來看，數(shù)字孿生需要在數(shù)字化和孿生可視化層面兩手抓。
l 數(shù)字孿生高速發(fā)展，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)
《白皮書》中指出我國數(shù)字孿生城市初創(chuàng)企業(yè)多處在快速成長期，隨著應(yīng)用場(chǎng)景的持續(xù)探索，數(shù)字孿生城市將實(shí)現(xiàn)多輪爆發(fā)并維持較高增長。數(shù)字孿生技術(shù)是符合當(dāng)前數(shù)字產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)的前沿和關(guān)鍵數(shù)字技術(shù)，也是新型智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字化建設(shè)、工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、新型智慧水利建設(shè)、能源數(shù)字化升級(jí)等各個(gè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域應(yīng)用融合創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施之一。
l 打造“數(shù)智視融合、虛實(shí)人聯(lián)動(dòng)”的數(shù)字孿生世界
隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和AGI等基礎(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生世界也將進(jìn)入到“數(shù)智視融合，虛實(shí)人聯(lián)動(dòng)”的新階段，為不同行業(yè)帶來更有價(jià)值的應(yīng)用，讓每一個(gè)組織和個(gè)體從看見到受益于數(shù)字化。
數(shù)字化是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)前提，智能化是數(shù)字孿生的關(guān)鍵變量，可視化是數(shù)字孿生的交互界面。將數(shù)字化、智能化和可視化等技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步打造“數(shù)智視融合”的新型數(shù)字孿生應(yīng)用。每個(gè)人可以通過數(shù)字孿生應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬世界的參與和互動(dòng)，也可以通過虛擬世界對(duì)物理世界進(jìn)行協(xié)同感知和控制，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)人聯(lián)動(dòng)”。
l 持續(xù)推進(jìn)數(shù)字孿生世界“多跨”數(shù)智場(chǎng)景建設(shè)
數(shù)字孿生相較于數(shù)據(jù)可視化有著更為繁雜的架構(gòu)。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化的展示價(jià)值基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生增加了業(yè)務(wù)運(yùn)營價(jià)值，尤其在可視管理、模擬演練等場(chǎng)景里價(jià)值明顯。比如面向復(fù)雜體、隱蔽體、綜合體的業(yè)務(wù)運(yùn)營層面效果突出，所以在數(shù)字政府、數(shù)字城市等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
中國信通院《數(shù)字孿生城市白皮書(2022年)》也指出，未來數(shù)字孿生城市“多跨”應(yīng)用場(chǎng)景將加速推進(jìn)，有力支撐中國式現(xiàn)代化發(fā)展模式。數(shù)字孿生世界企業(yè)聯(lián)盟基于此提出4P應(yīng)用場(chǎng)景和數(shù)字孿生五層工程技術(shù)體系，4P應(yīng)用場(chǎng)景分別是科學(xué)規(guī)劃(Plan)、可視管理(Present)、輔助決策(Predict)、干預(yù)演練(Preact)，五層工程技術(shù)體系主要包含地理信息要素層、實(shí)時(shí)感知控制層、數(shù)據(jù)智能層、全真模型層、可視化交互層。
(數(shù)字孿生城市工程技術(shù)體系)
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數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)B/S與C/S的探索
在第二章中，《白皮書》主要針對(duì)于數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)選型與實(shí)踐探索進(jìn)行了對(duì)比和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)分享。
B/S架構(gòu)的數(shù)字孿生場(chǎng)景渲染，常見有以下三種技術(shù)路線：基于WebGL封裝的渲染庫直接進(jìn)行開發(fā);基于支持H5的3D游戲引擎進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)完成后打包成WebGL;基于WebGL封裝的渲染庫開發(fā)適用于數(shù)字孿生項(xiàng)目的融合渲染引擎，再基于自研的引擎的進(jìn)行開發(fā)，例如EasyTwin數(shù)字孿生融合渲染引擎。
C/S架構(gòu)的數(shù)字孿生場(chǎng)景渲染，常見的有以下兩種技術(shù)路線：基于游戲引擎直接進(jìn)行開發(fā)，例如Unity3D、Unreal Engine;基于游戲引擎封裝的適用于數(shù)字孿生項(xiàng)目的融合渲染引擎，再基于自研的渲染引擎的進(jìn)行開發(fā)。
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數(shù)字孿生核心技術(shù)加速發(fā)展和融合應(yīng)用
數(shù)字孿生技術(shù)的向前發(fā)展和融合應(yīng)用，使得數(shù)字孿生在城市、流域、工廠等數(shù)字化場(chǎng)景的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，為現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字化和虛擬化提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。
《白皮書》中主要圍繞數(shù)字孿生世界建設(shè)7大核心能力，物理世界感知能力、數(shù)據(jù)治理能力、地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用能力、數(shù)字孿生高效建模能力、數(shù)字孿生場(chǎng)景渲染能力、數(shù)字仿真能力、虛實(shí)交互能力進(jìn)行展開描述。
l 物理世界感知能力
物理世界感知能力是數(shù)字孿生應(yīng)用建設(shè)架構(gòu)中的底層基礎(chǔ)，是物理世界信息輸入的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與其數(shù)字孿生應(yīng)用間全要素、全業(yè)務(wù)、全流程精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互的重要一環(huán)。
隨著計(jì)算機(jī)算力的大規(guī)模發(fā)展及算法的不斷突破，AI得到了快速發(fā)展，為物理世界全域感知和管理監(jiān)測(cè)等技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新提供了強(qiáng)大的工具。構(gòu)建一體化感知網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)感知范圍全域覆蓋，在擴(kuò)大物理世界實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)范圍的同時(shí)，提升監(jiān)測(cè)能力，幫助使用人員以科技之眼實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)全面感知、科學(xué)決策與智慧管理。
l 數(shù)據(jù)治理能力
數(shù)據(jù)從業(yè)務(wù)中產(chǎn)生，在數(shù)據(jù)應(yīng)用中承載。以數(shù)據(jù)應(yīng)用核心，數(shù)據(jù)治理平臺(tái)工具為支撐，在數(shù)據(jù)治理組織/制度保障下，不斷通過數(shù)據(jù)治理手段，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)、技術(shù)、管理、平臺(tái)的有效聯(lián)動(dòng)。只有構(gòu)筑一套數(shù)據(jù)治理綜合體系，明確關(guān)鍵數(shù)據(jù)資產(chǎn)的業(yè)務(wù)管理責(zé)任，依賴規(guī)范的制度流程機(jī)制，構(gòu)建有效的管理平臺(tái)及工具，數(shù)據(jù)的價(jià)值才能真正發(fā)揮出來。
l 地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用能力
在數(shù)字孿生應(yīng)用的建設(shè)階段，地理信息數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生應(yīng)用的輸入，能夠通過各種傳感器和設(shè)備進(jìn)行收集和傳送，并通過云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)處理和存儲(chǔ)，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供多方面、多層次、多來源的數(shù)據(jù)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)和算法進(jìn)行智能分析。在數(shù)字孿生應(yīng)用的展示階段，地理信息數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的輸出，它能夠有效展示數(shù)字孿生的結(jié)果和效果，為用戶進(jìn)行決策、控制、反饋提供途徑。
《白皮書》中主要介紹了矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)以及常見地圖坐標(biāo)系的應(yīng)用。矢量數(shù)據(jù)用于表示地圖上的點(diǎn)、線、面等幾何要素和屬性信息，例如道路、建筑物、地名等;柵格數(shù)據(jù)用于表示地圖上的圖像信息，例如衛(wèi)星影像、地形圖、天氣圖等。
l 數(shù)字孿生高效建模能力
創(chuàng)建高保真的數(shù)字孿生體虛擬模型是構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用的重要步驟之一，需要真實(shí)的再現(xiàn)物理實(shí)體的幾何圖形、屬性、行為和規(guī)則等。數(shù)字孿生體模型不僅要在幾何結(jié)構(gòu)上與物理實(shí)體保持一致，更重要的是要能模擬物理實(shí)體的時(shí)空狀態(tài)、行為、功能等。針對(duì)高效建模流程，《白皮書》中主要介紹手工建模與程序化建模。
數(shù)字孿生領(lǐng)域中，手工建模是較常采用的建模方式，可以靈活適應(yīng)不同數(shù)字孿生場(chǎng)景需求，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行靈活修改和迭代，且更容易進(jìn)行數(shù)字孿生可視化展示和交互操作，性能上也更具有優(yōu)勢(shì)?；谑止つＰ椭谱鞯臄?shù)字孿生建模方法主要介紹了利用傾斜攝影等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理、BIM模型輕量化的處理流程、PBR建模流程。
程序化建模是指根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理設(shè)定模型生成的規(guī)則，利用程序?qū)崿F(xiàn)模型或貼圖的創(chuàng)建，建模人員可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)快速生成具有多樣性和靈活性的模型，幫助建模人員大幅提高建模效率。與傳統(tǒng)建模方式相比，程序化建模的優(yōu)點(diǎn)不僅是快速生成各種模型結(jié)果，還可以與游戲引擎對(duì)接形成高效的生產(chǎn)管線。《白皮書》中主要介紹了Houdini和CityEngine兩種程序化建模方式。
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l 數(shù)字孿生場(chǎng)景渲染能力
目前大多數(shù)數(shù)字孿生城市項(xiàng)目在三維渲染引擎的技術(shù)選型上通常是2種方案，一種是基于C/S架構(gòu)的主流游戲引擎技術(shù)路線(Unreal Engine、Unity3D等)，另外一種是基于B/S架構(gòu)的WebGL技術(shù)路線。
《白皮書》中核心剖析了基于WebGL純代碼開發(fā)、支持H5的游戲引擎打包WebGL、自研B/S低代碼融合渲染引擎三大WebGL數(shù)字孿生開發(fā)技術(shù)路線，以及基于游戲引擎的數(shù)字孿生場(chǎng)景渲染效果，和云渲染的實(shí)現(xiàn)方式。
(基于WebGL生成的數(shù)字孿生植被自然場(chǎng)景)
(基于游戲引擎實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生天氣系統(tǒng)效果)
l 數(shù)字仿真能力
數(shù)字化模型的仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對(duì)應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術(shù)。仿真技術(shù)不僅建立物理對(duì)象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過物理學(xué)規(guī)律和機(jī)理來計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)物理對(duì)象的未來狀態(tài)。這種仿真不是對(duì)一個(gè)階段或一種現(xiàn)象的仿真，應(yīng)是全周期和全領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)仿真。
《白皮書》中針對(duì)于設(shè)備實(shí)時(shí)的數(shù)字孿生模型構(gòu)建通用技術(shù)方法與實(shí)現(xiàn)案例進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
(數(shù)字仿真模型構(gòu)建通用技術(shù)方法路線)
l 虛實(shí)交互能力
隨著數(shù)字孿生可視化的市場(chǎng)需求迸發(fā)及行業(yè)的日益成熟，數(shù)字孿生駕駛艙的發(fā)展從“看得到”到“用起來”。數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實(shí)交互操作性，意味著在虛擬世界中的操作能夠在真實(shí)物理世界得到反饋，這樣的虛實(shí)交互、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，是從看見數(shù)字化轉(zhuǎn)變到受益于數(shù)字化的關(guān)鍵，是構(gòu)建數(shù)字孿生多跨協(xié)同、預(yù)案指揮的核心之一。
(易知微數(shù)字孿生聯(lián)動(dòng)預(yù)案指揮體系架構(gòu)圖)
新型技術(shù)成果：降低數(shù)字孿生應(yīng)用建設(shè)門檻
數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)逐步成為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM、GIS等多項(xiàng)前沿技術(shù)的聚合技術(shù)體，新型技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)的融合賦能已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要路徑。
易知微數(shù)字孿生產(chǎn)品矩陣中的EasyTwin數(shù)字孿生融合渲染引擎、EasyV for Unreal數(shù)字孿生雙向通信插件、EasyMan數(shù)字孿生數(shù)字人分別在全方位融合渲染、游戲引擎以及AIGC技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新，助力數(shù)字孿生技術(shù)全方位多領(lǐng)域發(fā)展。
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數(shù)字孿生世界：重點(diǎn)行業(yè)解決方案探索
目前我國已經(jīng)進(jìn)入"技術(shù)+應(yīng)用”的數(shù)字孿生雙驅(qū)動(dòng)時(shí)代，在市場(chǎng)需求和國家政策的推動(dòng)下，各地因地制宜發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，深入開展數(shù)字孿生應(yīng)用建設(shè)。
白皮書總結(jié)了數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的“園區(qū)、港口、工廠、水利、雙碳”五大行業(yè)場(chǎng)景，通過對(duì)于方案深度剖析和成果分享，希望能為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在千行百業(yè)中落地生根提供參考與借鑒!
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