數(shù)字孿生技術(shù)的研究與創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐

【摘" 要】 文章通過對數(shù)字孿生技術(shù)及發(fā)展趨勢進(jìn)行深入理解與研究，利用建模、大數(shù)據(jù)分析、模擬仿真等數(shù)字孿生技術(shù)孿生復(fù)刻國家會(huì)展中心外圍數(shù)字實(shí)景，構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的進(jìn)博四葉草數(shù)字孿生體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)云游進(jìn)博、應(yīng)急演練、態(tài)勢感知等多場景應(yīng)用，進(jìn)一步夯實(shí)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)，釋放轉(zhuǎn)型促創(chuàng)新、促改革、促發(fā)展的強(qiáng)大效應(yīng)，為會(huì)展領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用建設(shè)樹立了標(biāo)桿。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字孿生技術(shù)；數(shù)字孿生體；多場景應(yīng)用

一、數(shù)字孿生技術(shù)體系

數(shù)字孿生技術(shù)是近年來涌現(xiàn)的一項(xiàng)前沿技術(shù)，其核心思想是通過在虛擬世界中構(gòu)建與實(shí)際物體、系統(tǒng)或過程相對應(yīng)的精確模型，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際世界的監(jiān)測、分析、仿真和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)通過準(zhǔn)確地模擬物理實(shí)體的行為性能、提供精確的數(shù)據(jù)分析，具有快速反應(yīng)、高效決策和敏捷管理的技術(shù)優(yōu)勢，以此幫助我們更好地理解和管理物理世界的實(shí)體。這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于多個(gè)領(lǐng)域的新興技術(shù)的高度集成，以及對跨學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用涉及建模、大數(shù)據(jù)分析和模擬仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它們緊密合作，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而協(xié)同的系統(tǒng)工程，為構(gòu)建更智能化、高效化的應(yīng)用場景提供了強(qiáng)大支持。

（一）建模：數(shù)字孿生應(yīng)用的引擎

在數(shù)字孿生技術(shù)中，建模是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是數(shù)字孿生應(yīng)用的引擎。建模的目標(biāo)是將實(shí)際物體、系統(tǒng)或過程的各個(gè)方面映射到虛擬世界中，以便在數(shù)字孿生系統(tǒng)中進(jìn)行精確模擬和分析。數(shù)字孿生建模不僅要關(guān)注物體的靜態(tài)特性，還需考慮其動(dòng)態(tài)演化過程和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。例如，通過傳感器數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測物體的狀態(tài)變化，將這些信息反映到數(shù)字孿生模型中，從而實(shí)現(xiàn)對物體隨時(shí)間推進(jìn)的演化過程的模擬。此外，外部環(huán)境和干擾因素對物體的影響也應(yīng)納入考慮，使得數(shù)字孿生模型能夠在“多時(shí)間尺度”上進(jìn)行分析和預(yù)測。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的精確模擬和預(yù)測，需充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集、傳感器技術(shù)、3D建模、BIM（建筑信息模型）、GIS（地理信息系統(tǒng)）以及計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)手段優(yōu)勢，加強(qiáng)多技術(shù)融合創(chuàng)新，充分捕捉實(shí)際物體的幾何形態(tài)、材質(zhì)特性、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等各個(gè)維度的信息，使得數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠在虛擬環(huán)境中高度還原實(shí)際世界的情景。

（二）大數(shù)據(jù)分析：洞察潛藏于數(shù)據(jù)中的規(guī)律

大數(shù)據(jù)分析在數(shù)字孿生技術(shù)中扮演著關(guān)鍵角色。數(shù)字孿生系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、維度多樣，且具有實(shí)時(shí)性和非結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，這使得傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法無法勝任。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘，可以對數(shù)字孿生系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、分析和處理，從中挖掘出數(shù)據(jù)間的關(guān)系和隱藏的規(guī)律。

通過大數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠更好地了解實(shí)體物體或系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，還能夠預(yù)測未來可能出現(xiàn)的問題，為決策提供精確的自主預(yù)測和決策支持，有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。例如，在工業(yè)制造領(lǐng)域，基于能夠準(zhǔn)確反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字孿生模型，通過對生產(chǎn)設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)的分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，預(yù)測潛在的故障并發(fā)出告警，讓工作人員可及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)措施，從而避免生產(chǎn)中斷。

（三）模擬仿真：優(yōu)化決策的重要工具

數(shù)字孿生技術(shù)的另一個(gè)重要方面是模擬仿真。通過在數(shù)字孿生中構(gòu)建虛擬模型，可以對實(shí)際物體、系統(tǒng)或過程進(jìn)行仿真模擬，從而評估不同決策的影響，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，甚至用于培訓(xùn)人員。模擬仿真使得用戶能夠在虛擬環(huán)境中模擬現(xiàn)實(shí)場景，觀察物體或系統(tǒng)的行為，預(yù)測可能的結(jié)果。

在制造業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)的模擬仿真能力可以幫助優(yōu)化生產(chǎn)流程。例如，在汽車制造領(lǐng)域中，可以通過數(shù)字孿生模型模擬汽車生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，識(shí)別瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高生產(chǎn)效率。此外，在醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的模擬仿真也可以用于手術(shù)模擬和培訓(xùn)，幫助醫(yī)生熟悉手術(shù)流程和可能的風(fēng)險(xiǎn)。

（四）跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用：綜合解決方案的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)需要多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)綜合應(yīng)用。這不僅僅是技術(shù)領(lǐng)域，還需要了解所模擬對象所涉及的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，例如物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等。只有充分理解這些領(lǐng)域的知識(shí)，才能夠更準(zhǔn)確地模擬和分析物體、系統(tǒng)或過程的行為。

跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)使得數(shù)字孿生技術(shù)能夠更加綜合地解決實(shí)際問題。例如，在城市規(guī)劃中，數(shù)字孿生技術(shù)不僅需要考慮建筑和土地利用方面的知識(shí)，還需要了解交通、環(huán)境、人口等多個(gè)因素的影響。通過綜合這些跨學(xué)科的知識(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠更全面地模擬和優(yōu)化城市的發(fā)展規(guī)劃。

二、數(shù)字孿生發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

數(shù)字孿生技術(shù)在當(dāng)今世界正迅速發(fā)展，為生產(chǎn)制造、醫(yī)療、城市規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域帶來了前所未有的創(chuàng)新和變革，隨著政策及市場需求的推動(dòng)，更多創(chuàng)新型數(shù)字孿生應(yīng)用場景仍在拓展和深化。

（一）政策驅(qū)動(dòng)：推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的落地與應(yīng)用

為了促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，我國各級政府紛紛制定了相關(guān)政策，為數(shù)字孿生技術(shù)的落地提供支持。在國家層面，中央網(wǎng)信辦印發(fā)的《“十四五”國家信息化規(guī)劃》明確提出“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，強(qiáng)調(diào)完善城市信息模型平臺(tái)建設(shè)，以數(shù)字孿生技術(shù)推動(dòng)城市發(fā)展。國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中也提到“因地制宜構(gòu)建數(shù)字孿生城市”，旨在促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)“構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系”，倡導(dǎo)綠色智慧生活方式。這些政策的制定將為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展提供政策支持和指導(dǎo)。

各地區(qū)也高度重視數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。例如，《上海市全面推進(jìn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型“十四五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)“加快推動(dòng)城市形態(tài)向數(shù)字孿生演進(jìn)”，將數(shù)字孿生技術(shù)作為推動(dòng)城市發(fā)展的重要手段。北京、深圳等城市也紛紛將數(shù)字孿生技術(shù)納入本地的發(fā)展規(guī)劃中，致力于打造智慧城市標(biāo)桿，推動(dòng)城市的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

（二）市場現(xiàn)狀：數(shù)字孿生市場蓬勃發(fā)展

數(shù)字孿生技術(shù)的市場潛力巨大，市場需求不斷增長。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年全球數(shù)字孿生市場規(guī)模達(dá)到52.2億美元，2022年，這一規(guī)模已經(jīng)增長到77億美元，同比增長了57.1%。這一增長趨勢表明數(shù)字孿生市場正在以驚人的速度擴(kuò)大。在市場細(xì)分方面，仿真推演、可視化、交互控制、城市信息模型等領(lǐng)域都展現(xiàn)出“十億”級市場規(guī)模，相關(guān)企業(yè)在數(shù)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(xiàn)狀充分表明了數(shù)字孿生技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景和市場需求。

（三）發(fā)展趨勢：數(shù)字孿生走向多層次、多領(lǐng)域深度應(yīng)用

從政策、行業(yè)應(yīng)用、企業(yè)主體以及標(biāo)準(zhǔn)化等多個(gè)角度來看，數(shù)字孿生技術(shù)正朝著多層次、多領(lǐng)域深度應(yīng)用的方向發(fā)展。

1. 技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)應(yīng)用場景落地

首先，從政策角度來看，政府將數(shù)字孿生技術(shù)視為促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略舉措，并出臺(tái)政策來支持其發(fā)展。這意味著政府將為數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用提供更多資源和支持，推動(dòng)其在多個(gè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用。

在行業(yè)應(yīng)用方面，數(shù)字孿生技術(shù)不再局限于特定行業(yè)，而是成為垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)。各行業(yè)紛紛認(rèn)識(shí)到數(shù)字孿生技術(shù)的潛力，將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)和預(yù)測性分析等領(lǐng)域。例如，在制造業(yè)，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化制造和質(zhì)量控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在醫(yī)療領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以用于模擬和優(yōu)化手術(shù)過程，提高手術(shù)的成功率。這些應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)的深度應(yīng)用。

在企業(yè)主體層面，越來越多的科技企業(yè)將數(shù)字孿生技術(shù)納入其戰(zhàn)略規(guī)劃中，將其視為數(shù)字領(lǐng)域技術(shù)和市場競爭的主要方向。這些企業(yè)將投入大量資源進(jìn)行研發(fā)和創(chuàng)新，以不斷提升數(shù)字孿生技術(shù)的性能和應(yīng)用范圍。這將加速數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和普及，推動(dòng)其在商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

此外，數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化也逐漸成熟，標(biāo)準(zhǔn)體系的建立為數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供了更加規(guī)范的指導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)化有助于不同系統(tǒng)和設(shè)備之間的互操作性，促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用和整合。各行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和專家將不斷完善和更新數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)不斷變化的市場需求和技術(shù)發(fā)展。

2. 多跨應(yīng)用場景驅(qū)動(dòng)市場發(fā)展

在我國，海量的數(shù)字孿生單體有望形成新型的數(shù)字資產(chǎn)，城市數(shù)字孿生底座平臺(tái)將成為新型基礎(chǔ)設(shè)施，在政府引導(dǎo)、企業(yè)共建的模式驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字孿生市場前景向好。此外，數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用也將逐漸形成“多跨”應(yīng)用場景，進(jìn)一步推動(dòng)中國式現(xiàn)代化發(fā)展模式的建設(shè)。

3. 元宇宙賦能技術(shù)生態(tài)融合深化

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展和市場規(guī)模的擴(kuò)大，人們將逐漸實(shí)現(xiàn)對更大范圍的物體、系統(tǒng)甚至世界的數(shù)字孿生。這種數(shù)字化的世界將被稱為元宇宙，將實(shí)際世界與虛擬世界深度融合，創(chuàng)造出更加豐富的體驗(yàn)和可能性。數(shù)字孿生技術(shù)將在構(gòu)建元宇宙中扮演重要角色，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的高度數(shù)字化和智能化。

三、數(shù)字孿生在進(jìn)博會(huì)的創(chuàng)新應(yīng)用

中國國際進(jìn)口博覽會(huì)積極響應(yīng)習(xí)近平總書記“越辦越好”的指示精神，以《“十四五”國家信息化規(guī)劃》為綱要、《上海市全面推進(jìn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型“十四五”規(guī)劃》為指引，融合物聯(lián)網(wǎng)、AI人工智能、北斗室內(nèi)導(dǎo)航定位、數(shù)實(shí)結(jié)合、實(shí)景計(jì)算和沉浸式交互式等新型技術(shù)，孿生復(fù)刻國家會(huì)展中心數(shù)字實(shí)景展館、構(gòu)建空間互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的進(jìn)博四葉草數(shù)字孿生體，打造了一批數(shù)字孿生應(yīng)用場景，服務(wù)于進(jìn)博會(huì)國家戰(zhàn)略，夯實(shí)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)，釋放轉(zhuǎn)型促創(chuàng)新、促改革、促發(fā)展的強(qiáng)大效應(yīng)，為會(huì)展領(lǐng)域的數(shù)字化應(yīng)用建設(shè)樹立了標(biāo)桿。

（一）云游進(jìn)博

以高度可視化、圖形化的方式展示國家會(huì)展中心及周邊區(qū)域的城市建模，用戶可三維場景穿透式查看進(jìn)博會(huì)各類場景應(yīng)用。通過三維圖形引擎打造高精度的1：1數(shù)字孿生體，讓云游進(jìn)博的用戶更加直觀感知國家會(huì)展中心實(shí)景、周邊交通、生態(tài)環(huán)境等，開創(chuàng)進(jìn)博會(huì)觀展新體驗(yàn)。

（二）應(yīng)急演練

以突發(fā)事件感知、全域數(shù)據(jù)感知綜合研判應(yīng)急情勢、融合通信、知識(shí)圖譜等基礎(chǔ)平臺(tái)和技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)進(jìn)博會(huì)場館及周邊區(qū)域應(yīng)急信息和資源的全面匯聚，“一張圖”綜合呈現(xiàn)快速上傳下達(dá)、聯(lián)動(dòng)多部門協(xié)同、專題研判、智能調(diào)度、數(shù)字化預(yù)案和輔助決策等內(nèi)容，建立應(yīng)急演練體系。依據(jù)進(jìn)博場館真實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建應(yīng)急場景下的推演模型，模擬和分析進(jìn)博會(huì)場館的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展趨勢，推演預(yù)測進(jìn)博場館內(nèi)應(yīng)急事態(tài)的發(fā)展態(tài)勢與運(yùn)行結(jié)果，并提出優(yōu)化建議。

（三）態(tài)勢推演

進(jìn)博孿生在全要素?cái)?shù)字化、數(shù)據(jù)融合、空間分析計(jì)算的基礎(chǔ)上構(gòu)建了較好的模擬仿真推演能力，可以對未來交通態(tài)勢提前計(jì)算推演。基于全數(shù)字化的基礎(chǔ)信息與感知，能夠可視化模擬呈現(xiàn)國家會(huì)展中心及其周邊在不同時(shí)段、天氣和路況下的狀態(tài)。

四、應(yīng)用總結(jié)與展望

為確保進(jìn)博會(huì)的順利舉辦，提升參會(huì)人員的參會(huì)體驗(yàn)，增強(qiáng)突發(fā)事件主動(dòng)預(yù)警防范能力，強(qiáng)化全域數(shù)據(jù)感知分析研判能力，進(jìn)博會(huì)數(shù)字賦能服務(wù)保障一體化平臺(tái)圍繞進(jìn)博會(huì)實(shí)際應(yīng)用場景，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立了云游進(jìn)博、應(yīng)急演練、態(tài)勢推演、智慧安防等創(chuàng)新應(yīng)用場景，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)展會(huì)過程實(shí)時(shí)化、語義化、數(shù)據(jù)化、可視化，打造沉浸、創(chuàng)新、智慧“可云上參展、可全域感知、可智慧防控”的數(shù)字會(huì)展中心。進(jìn)博四葉草數(shù)字孿生體在進(jìn)博會(huì)的創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用可為國內(nèi)大型展會(huì)的數(shù)字化應(yīng)用樹立了進(jìn)博標(biāo)桿，對向其他大型展會(huì)全面推廣和提升數(shù)字化建設(shè)具有重大的意義與價(jià)值。

未來，數(shù)字孿生技術(shù)將繼續(xù)引領(lǐng)智能時(shí)代的發(fā)展。隨著政策的支持、市場的需求和技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步拓展，市場規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。數(shù)字孿生技術(shù)將在制造業(yè)、城市規(guī)劃和醫(yī)療健康等更多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，逐漸演變成為行業(yè)發(fā)展、城市變革、國家建設(shè)的新思路、新動(dòng)能、新路徑。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的浪潮下，數(shù)字孿生技術(shù)將逐漸深入到各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展帶來新的動(dòng)能。同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也將在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生積極的影響，加速推動(dòng)世界走向智能化和數(shù)字化的未來。

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