數字孿生技術應用研究及對寧波的建議

文|陳善福 張曉偉 黃文琦

隨著網絡化、信息化、智能化水平不斷提升，全面推進數字化轉型是城市塑造核心競爭力的關鍵之舉。數字孿生是數字智能化發展的產物，是助力經濟社會實現高質量發展的重要前沿技術。國家、省、市層面越來越重視數字孿生，在若干規劃、政策中都明確提出要探索建設數字孿生城市，在產業和技術上積極推動數字孿生發展。

目前，寧波正積極打造數字化改革先行區，為浙江省數字化改革提供更多寧波元素、寧波范例。數字孿生作為數字化改革的重要技術和手段，可孕育新的經濟增長點和巨大的藍海市場，促進城市治理更加系統、全面，推動經濟社會實現質的飛躍。未來，寧波應以智能硬件、應用軟件、基礎平臺建設為科技創新方向，以城市治理、先進制造、港口航運、社會民生等應用場景為發展方向，以頂層設計優生態、平臺搭建促發展、技術攻關強支撐、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成果、應用成果、理論成果和制度成果，全力打造數字孿生標桿城市。

解析數字孿生

數字孿生也可稱為數字映射、數字鏡像，其雛形最早可追溯到2003年產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三年把“數字孿生”列入年度十大戰略性技術，通用電氣、西門子、SAP等巨頭公司紛紛布局推進數字孿生的商業化應用。隨著以數字孿生應用場景不斷涌現，數字孿生逐漸成為城市提升競爭力、實現可持續發展的關鍵技術。

目前學術界和產業界對數字孿生的認識各有側重，尚未形成統一的概念。但一般認為，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，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、智能操控的映射關系，通過在實體世界以及數字虛擬空間中，記錄仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡，實現系統內信息資源、物質資源的最優化配置。

寧波數字孿生技術具備一定基礎

《寧波市智慧城市建設“十四五”規劃》提出“建設數字孿生城市標桿市”的戰略目標，目前，寧波數字孿生技術具備一定基礎，相關領域也已開展初步探索。

數據底座具備基礎。全市已建成覆蓋全市域地形地貌模型數據庫、核心區域約410平方千米三維仿真模型數據庫、約1300平方千米的城市實景三維模型數據庫和5.8萬千米的地下管線數據庫等四大類三維地理信息數據資源，形成了全市統一的三維空間信息底圖。在產業數字化方面，隨著“產業大腦+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個產業大腦入圍省級首批“揭榜掛帥”計劃，鎮海、鄞州、慈溪被列入省級區域新智造試點，海曙紡織服裝、北侖模具被列入省級產業集群新智造試點，吉利汽車、東方電纜等12家企業入選省級“未來工廠”試點企業名單。產業數字化相關工作的加速推進、全面布局，為數字孿生技術發展奠定基礎。

博威集團打造的數字孿生研發系統。 李 超 | 攝

創新主體具備活力。在數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研究院、寧波人工智能產業研究院等科研院所的研究方向基本覆蓋了數字孿生各項技術環節，也可培養數字孿生發展所需基礎人才。數字孿生應用領域涌現出一批優秀企業，美象科技、寶略科技等數字孿生高新技術企業在未來社區、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以數字孿生技術為生產制造賦能，取得初步實踐效果。

寧波數字孿生應用涉足多領域

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

先進制造領域。博威集團階段性地建成了基于有色合金新材料研發過程的數字孿生平臺，集成使用數字化仿真、知識圖譜、大數據、數字孿生、數據中臺等5項關鍵技術，構建了需求轉化、產品設計、應用技術研究、研發生態圈等8個主要功能模塊，大幅提高了研發效率。吉利汽車探索把自動化、數字化、智能化三者有效結合，在產品、產線及研發設備方面開展數字孿生實踐，打造高柔性、智能、敏捷、透明、清潔、環保的智能制造標桿車間，開啟“科技吉利4.0”時代。美象科技參與研發的“新材云創平臺”，打造了數字孿生駕駛艙，利用數字孿生相關技術模擬生產線，通過在模擬生產線上調試設備、工藝參數，為真實產線的建設提供準確的參考數據，縮短新產品投產周期，降低生產成本。東方日升建設數字孿生異地工廠——虛擬的滁州生產基地，可實時了解車間生產運行、設備異常等情況，以精益生產、設備管控優化減少企業損失。

產業規劃領域。寶略科技參與建設的鄞州區制造業全域治理數字化平臺，結合“數據共享、業務協同”的制造業全域治理場景應用，基于POPAI大數據挖掘、數字孿生等技術為全區2.6萬家制造業企業建立全息畫像，保障鄞州區制造業產業、土地、企業資源集約利用工作順利推進與落實。

城市治理領域。美象科技參與建設的余姚數字孿生可視化平臺建設，以余姚鳳山街道4.4平方千米區域為試點，運用數字孿生技術結合跨部門、多業務場景，構建虛實映射、數據互通的數據應用，聚焦路面交通擁堵、地下管網復雜等治理難點，實現城市精細化管理。寶略科技憑借在城市實景三維數字建模、智能無人機遙感等領域的技術優勢，致力開發數字孿生軟件體系，幫助多個地區建立了全實景“數字底盤”。

智慧交通領域。美象科技參與謀劃建設的東錢湖地鐵站方案是比較典型的符合數字孿生特性的場景，技術要素多、技術先進，將地鐵運營活動可測、可控、可視，以數據可視化的方式呈現車站綜合數據看板和設備情況信息，目前正在前期謀劃建設階段。

目前，寧波數字孿生應用取得一定成效，但仍存在場景待拓展、高能級創新平臺待崛起、專業人才待引育等問題。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；二是高能級創新平臺、高層次專業人才比較缺乏，仍然需要政府側加大投入、加強引導。

寧波發展數字孿生技術應用的思考

寧波智慧城市建設正邁向新的發展階段，迫切地需要借助數字孿生這一前沿技術，加快新型智慧城市跨越領先發展。堅持系統思維，以技術創新為引領，以賦能長遠為目標，以應用拓展為方向，探索一批實質性舉措。比如，設置一個試驗區、建設一個研究院、發布一批應用場景、啟動一批科研攻關，著力打造形成具有寧波特色優勢的數字孿生技術成果、制度成果和示范案例。

加強頂層設計優生態。數字孿生城市建設是一項系統工程，需要做好頂層設計，營造良好生態環境。一要完善政策制度供給，借鑒數字孿生城市試驗場等先進做法，結合全市開發區（園區）整合提升行動，開辟數字孿生城市試驗區，加強數字孿生城市制度體系建設，在規章法規、要素供給、體制機制等方面充分賦權、先行先試、形成特色。二要壯大發展聯盟，發揮新型舉國體制優勢，動員市內外優勢企業、科研院所和服務機構組建數字孿生聯盟，聯合制定實施一批關于數字孿生建設的技術支撐、業務管理、數據共享、網絡安全等地方性制度標準和發展導引，打造“政產學研金服用”有機聯動發展生態。三要打造寧波名片，在寧波城市展覽館開辟展示平臺，為數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，擴大寧波數字孿生的影響力。

搭建引領平臺促發展。加快構建安全統一的數字孿生創新平臺，支撐科技和產業創新雙聯動。一要按照新型研發機構建設要求，加快成立寧波數字孿生東方理工研究院和寧波數字孿生浙大研究院，聚焦智能硬件與感知、三維建模與虛擬仿真、人工智能與大數據、區塊鏈與信息安全、工業互聯網與反饋控制等基礎研究方向，開展數字孿生領域“卡脖子”核心技術攻關，加速專業人才引進培養、產業孵化，積極爭創國家和省級創新平臺。二要加快建設新型基礎設施，加快推動市政數字化設施、公共服務智能化設施、5G基站等數字化基礎設施建設和改造升級，廣泛應用三維建模、仿真分析、數字傳感等先進技術，打造城市智治“一網統管”新模式，擴大和完善數字孿生城市底座。

強化技術攻關強支撐。加快掌握數字孿生上下游關鍵核心技術，把人工智能、工業互聯網等前沿產業與數字孿生緊密融合，在技術、安全、測評等方面形成標準體系，結合場景應用強化智能傳感器、三維CAD/CAE等技術支撐。一要實施重大項目攻關，依托美象科技、寶略科技、吉利汽車等已在數字孿生領域有所布局的企業，結合產業發展需求實施一批重大科技項目和應用示范項目，形成一批關鍵核心成果。二要搭建高端算力平臺，打造計算中心、數據處理中心和邊緣計算中心協同發展的人工智能超算中心，解決數字孿生發展中最關鍵的算力提升、數據貫通等問題。三要集聚一批專業人才，利用甬江引才工程，面向全球招引數字孿生及相關領域的高端人才，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。

寧波前灣新區海智未來社區的數字駕駛艙。 柴鍶佳 | 攝

拓展應用場景促融合。數字孿生城市建設是一個技術復雜、周期長遠的工程，應依托現有基礎，以點帶面、逐步推廣。聚焦智能生產、智慧治理、智享生活等領域，探索場景聯動機制，構建數字孿生賦能智能制造、新型智慧城市、未來社區等領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”轉變，推進場景構建與城市規劃、經濟發展等有機統一。一要存量場景融合提升。以現有數字孿生底座建設和應用創新方面的良好基礎為依托，進一步梳理整合已建設的數字孿生應用場景、技術，促進數字孿生技術融合提升、形成體系。二要謀劃新場景增量。結合全市域數字化改革，采取新技術應用轉化、先進項目招商等形式，為傳統產業更新、前沿產業落地拓展場景。采用“揭榜掛帥”的形式，在有條件、有基礎的地方擇優評選5—10個典型應用場景作為試點賽道，通過這樣持續的場景創新和試驗，逐步實現數字孿生城市治理全領域覆蓋。

智能制造領域涉及數字車間、智能工廠、智慧企業/未來工廠3個環節，運用云計算、大數據、人工智能、工業互聯網等智能技術，將探索建設工業領域數字孿生集成應用，實現交互設計、產線運行狀況智能管理和預測、生產故障錯誤提前預警、生產工序工藝優化改進、產品遠程運維與決策服務、企業內部智慧協同、外部上下游協同、產業鏈協同運營等功能，為打造全球智造創新之都提供支撐。

新型智慧城市領域以新型測繪、物聯感知、協同控制等技術為基礎，將構建統一的城市信息模型，遠程對城市的每一個角落進行綜合監測、智慧調度和集中管理，推動城市治理和公共服務走出“盲人摸象”的現狀，提升治理效率。

未來社區領域集成鄰里、教育、健康、創業、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、建設共同富裕先行市提供支撐。