什么是数字孪生？深圳建设数字孪生先锋城市
通讯yjbzj220132023/6/27
一、什么是数字孪生？
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。
二、数字孪生的原理
最早，数字孪生思想由密歇根大学的 Michael Grieves 命名为“信息镜像模型”（Information Mirroring Model），而后演变为“数字孪生”的术语。数字孪生也被称为数字双胞胎和数字化映射。数字孪生是在 MBD 基础上深入发展起来的，企业在实施基于模型的系统工程（MBSE）的过程中产生了大量的物理的、数学的模型，这些模型为数字孪生的发展奠定了基础。2012 年 NASA 给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。为了便于数字孪生的理解，庄存波等提出了数字孪生体的概念，认为数字孪生是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。数字孪生体是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。数字孪生是技术、过程、方法，数字孪体是对象、模型和数据。
进入21世纪，美国和德国均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系统”，作为先进制造业的核心支撑技术。CPS 的目标就是实现物理世界和信息世界的交互融合。通过大数据分析、人工智能等新一代信息技术在虚拟世界的仿真分析和预测，以最优的结果驱动物理世界的运行。数字孪生的本质就是在信息世界对物理世界的等价映射，因此数字孪生更好的诠释了 CPS,成为实现 CPS 的最佳技术。
三、中国数字孪生城市市场规模
近年来，我国数字孪生城市主要建设内容包括城市信息模型（CIM）平台的基础建设和交通、地下空间、安防应急、环保水务等领域的G端（政府和事业单位）市场应用，以及园区、住宅小区等B端市场应用。数据显示，2021年我国数字孪生城市市场规模达27亿元，随着应用场景的持续探索，数字孪生城市将实现多轮爆发并维持较高增长。预计2023年我国数字孪生城市市场规模将达87亿元，2025年将增至172亿元。
图表：我国数字孪生市场规模
数据来源：中研普华产业研究院整理
数字孪生相关专利数量保持高速增长，我国专利总量位居全球第一位。从2016到2020年，我国数字孪生相关的专利数量呈现明显增长趋势，数字孪生技术与创新已经进入快速发展阶段，截至2021年，我国新增数字孪生相关申请专利1771件,同比增长91%，成为数字孪生技术创新的核心力量。
根据不完全统计，2022年数字孪生市场融资事件达27起，融资金额达27.75亿元，行业融资情况呈向好态势并升至高点。资本市场上，多家专注于数字孪生技术城市空间应用的初创企业获得了大额融资，明星机构、政府引导基金和产业资本均有布局。
从申报案例来看，全球数字孪生城市当前建设案例中涉及公共服务或管理、社区发展、智能建筑的应用占比位列前三，分别达到55.6%、44.4%和40.7%。在所有中国数字孪生实践中，54%案例与智慧交通有关，31%案例涉及智慧社区。
四、深圳建设数字孪生先锋城市
深圳将建设“数实融合、同生共长、实时交互、秒级响应”的数字孪生先锋城市，建设国内领先、世界一流的智慧城市和数字政府，推动城市高质量发展。2023年6月，《深圳市数字孪生先锋城市建设行动计划（2023）》已经深圳市政府同意并正式印发实施。
建设国内领先世界一流的智慧城市和数字政府
数字孪生先锋城市建设是今年深圳市智慧城市和数字政府建设重点工作。以数字孪生为特点的智慧城市建设，是新的时代背景下智慧城市建设发展的必然方向，是智慧城市建设发展的新阶段。
《行动计划》提出了建设“数实融合、同生共长、实时交互、秒级响应”的数字孪生先锋城市。建设一个一体协同的数字孪生底座，构建不少于十类数据相融合的孪生数据底板，上线承载超百个场景、超千项指标的数字孪生应用，打造万亿级核心产业增加值数字经济高地，建设国内领先、世界一流的智慧城市和数字政府，推动城市高质量发展”的总体目标。
《行动方案》明确了打造“四个先锋”的重点任务，分别是先锋底座：建设一个一体协同的城市级数字孪生底座；先锋数据：构建不少于十类数据相融合的孪生数据底板；先锋应用：上线承载超百个场景、超千项指标的多跨协同数字孪生应用；先锋科技：打造信创驱动、数字赋能的万亿级核心产业增加值数字经济高地。
编制《行动计划》，将加强深圳智慧城市和数字政府建设顶层规划，进一步提升我市智慧城市和数字政府建设运营管理工作的整体性、协调性和可持续性，助力推动城市高质量发展，为“数字中国”建设贡献深圳智慧，创建城市范例。
多项建设内容均属于国内外首创或首次提出
《行动方案》编制思路和特点具体包括：
一是立足先行示范，突出先进性。《行动计划》的编制结合深圳实际明确了数字孪生城市建设的技术路线，即“基于BIM精细化建模的CIM平台建设路线”。提出了“以精细化BIM模型为‘细胞单元’”“云网一体、同城双活的算力基础设施”“数字孪生数据和应用超市”“数字孪生数据体系”等建设内容，均属于国内外首创或首次提出。
二是体现内在逻辑，突出科学性。数字孪生城市建设，底座是基础，数据是核心，应用是目标，科技是支撑。围绕这一逻辑体系，《行动计划》谋划了先锋底座、先锋数据、先锋应用、先锋科技四个板块，构成整个文件的框架。在此框架下，结合具体工作任务，突出重点，形成了20条具体工作任务，并建立了相应工作保障机制。
三是坚持目标导向，突出合理性。聚焦打造国际新型智慧城市标杆和“数字中国”城市典范，对标全球最好最优，科学谋划集先进性与可行性于一体的建设目标和指标体系。《行动计划》明确了“数实融合、同生共长、实时交互、秒级响应”的第一阶段数字孪生城市基本特点，围绕四个板块主要工作，确定了“一十百千万”的任务体系和建设目标。
四是强化应用导向，突出实效性。《行动计划》围绕经济运行、城市建设、民生服务、城市治理、应急安全、生态文明等方面，梳理出6大领域100+个业务场景，涵盖1000+项城市运行指标的数字孪生应用，为经济社会高质量发展提供有力支撑。
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