(網(wǎng)經(jīng)社訊)行業(yè)圖譜研究是清華大學(xué)五道口金融學(xué)院科創(chuàng)金融研究中心科技成果轉(zhuǎn)化研究的一項(xiàng)子課題，目標(biāo)定位于清晰理解前沿科技成果的技術(shù)核心、科創(chuàng)企業(yè)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力及科研工作者的研究進(jìn)度，從而助力科技成果轉(zhuǎn)化效率的提升。行業(yè)圖譜研究將以系列形式展開，選取國(guó)家戰(zhàn)略重點(diǎn)科技領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景逐一進(jìn)行，時(shí)效性較強(qiáng)。
本報(bào)告為行業(yè)圖譜研究之計(jì)算機(jī)科學(xué)系列中的課題：中國(guó)數(shù)字孿生行業(yè)研究報(bào)告。數(shù)字孿生技術(shù)，作為一種前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將物理實(shí)體在虛擬空間中的精確映射，形成了一種被稱為“數(shù)字雙胞胎”的存在。這一技術(shù)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向交換，使得虛擬實(shí)體能夠全面反映其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的生命周期，從而在集成底層數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，支持仿真預(yù)測(cè)和優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術(shù)起源于美國(guó)航天與軍事領(lǐng)域，后被通用電氣首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。在西門子、達(dá)索等巨頭的推動(dòng)下，該技術(shù)從美國(guó)擴(kuò)散到歐洲。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)進(jìn)步和元宇宙概念興起，數(shù)字孿生技術(shù)不斷完善，在城市管理、智慧工業(yè)、自動(dòng)駕駛測(cè)試及醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，成為推動(dòng)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與升級(jí)的重要支撐技術(shù)。△數(shù)字孿生概念以及數(shù)字孿生等級(jí)劃分
根據(jù)技術(shù)復(fù)雜性，數(shù)字孿生分為五個(gè)等級(jí)，目前正處于由數(shù)字經(jīng)濟(jì)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、政策支持、技術(shù)進(jìn)步及市場(chǎng)需求增長(zhǎng)等因素驅(qū)動(dòng)的快速成長(zhǎng)階段。數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)主要包括建模、渲染和仿真三大方面。建模技術(shù)通過3D掃描、參數(shù)化建模和逆向工程等方法創(chuàng)建物理實(shí)體的數(shù)字模型，代表軟件有SolidWorks、CATIA等。渲染技術(shù)則通過基于物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）、實(shí)時(shí)渲染和云渲染等手段實(shí)現(xiàn)逼真的視覺效果，主流平臺(tái)有Unreal Engine、Unity等。仿真技術(shù)利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）、多物理場(chǎng)耦合和實(shí)時(shí)仿真等方法模擬實(shí)體行為，主要軟件包括ANSYS、ABAQUS等。以上技術(shù)需要計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design, CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer-Aided Engineering, CAE）和物理仿真等領(lǐng)域的協(xié)同，工業(yè)軟件巨頭如Siemens、Dassault、Autodesk等和GPU廠商如Nvidia、AMD等正在推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，未來這些技術(shù)的融合將驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生走向成熟。△數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)
數(shù)字孿生行業(yè)的主要參與者分為技術(shù)服務(wù)商和集成方案供應(yīng)商。技術(shù)服務(wù)商包括計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing, CIM）、建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）、可視化平臺(tái)廠商等，而集成方案供應(yīng)商則包括運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)大廠。技術(shù)、業(yè)務(wù)和資源三方面共同構(gòu)成了數(shù)字孿生廠商的競(jìng)爭(zhēng)壁壘。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)主要包括商業(yè)模式的成熟度、技術(shù)支持的高要求、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系以及數(shù)據(jù)能力的不完善。△數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)圖譜
數(shù)字孿生技術(shù)在多個(gè)行業(yè)展現(xiàn)出顯著應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)了城市管理、智慧工業(yè)、自動(dòng)駕駛測(cè)試和智慧醫(yī)療的發(fā)展。在城市管理中，數(shù)字孿生城市通過物聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化，應(yīng)用于交通管理（如Siemens和IBM在新加坡的智慧交通系統(tǒng)）、零碳智慧園區(qū)（如微軟的雷德蒙德園區(qū)）和應(yīng)急管理（如通用電氣的解決方案）。在智慧工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生貫穿離散型和流程型工業(yè)的各個(gè)階段，提升生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性，主要應(yīng)用企業(yè)包括軟通動(dòng)力、GE、Siemens和IBM。自動(dòng)駕駛測(cè)試方面，企業(yè)如Waymo、Tesla、百度和Aptiv利用數(shù)字孿生進(jìn)行大規(guī)模虛擬仿真測(cè)試，提高系統(tǒng)性能和安全性。智慧醫(yī)療領(lǐng)域，通過IBM的Watson Health和GE Healthcare的Edison平臺(tái)等實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、手術(shù)模擬和個(gè)性化治療，顯著提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和效率。總的來說，數(shù)字孿生技術(shù)為各行業(yè)提供了強(qiáng)大的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力和效率提升手段。
△數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈以及數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)流程概覽
在數(shù)字孿生技術(shù)的高校研究方面，中外進(jìn)度總體齊頭并進(jìn)，但研究方向存在側(cè)重和差異。國(guó)際上，尤其是歐美高校，側(cè)重于基礎(chǔ)理論、高精度仿真和多物理場(chǎng)耦合研究，注重復(fù)雜系統(tǒng)建模與跨學(xué)科應(yīng)用，代表高校有麻省理工學(xué)院、佐治亞理工學(xué)院和約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院。中國(guó)高校在應(yīng)用導(dǎo)向和大規(guī)模系統(tǒng)集成方面表現(xiàn)突出，特別在智慧城市、交通管理和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，代表高校有清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)。中國(guó)高校還結(jié)合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)，推動(dòng)數(shù)字孿生的實(shí)際應(yīng)用。國(guó)際高校研究側(cè)重技術(shù)深度和跨學(xué)科融合，中國(guó)高校研究側(cè)重應(yīng)用廣度和系統(tǒng)效率，形成了既有競(jìng)爭(zhēng)又有合作的研究生態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)展過程中面臨多重挑戰(zhàn)，包括商業(yè)模式成熟度不足、初始投資高昂、用戶需求不強(qiáng)、定制化解決方案難以復(fù)制、成本高昂等，這些問題限制了其推廣和實(shí)施。此外，標(biāo)準(zhǔn)化困境也十分顯著，目前在數(shù)據(jù)采集的尺度、參數(shù)、格式及周期等方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)整合和接口對(duì)接難度大，技術(shù)框架和協(xié)議不統(tǒng)一也使項(xiàng)目集成和對(duì)接復(fù)雜。技術(shù)支持方面，數(shù)字孿生構(gòu)建的模型和數(shù)據(jù)量大，要求計(jì)算機(jī)硬件具備強(qiáng)大的處理和計(jì)算能力，同時(shí)對(duì)終端設(shè)備的高互動(dòng)、高沉浸和高清晰度展示提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)能力的不足也制約了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、不完整，數(shù)據(jù)格式和質(zhì)量差異，以及數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)等問題。解決這些挑戰(zhàn)需要全行業(yè)的共同努力和協(xié)調(diào)。未來，行業(yè)內(nèi)的參與者需共同努力，構(gòu)建一個(gè)開放、共贏的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的健康發(fā)展。
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