数字孪生发展及行业应用

数字孪生（Digital Twins）之火热，已经成为了一个不争的事实。数字孪生的概念，起源于制造业，现在已广泛应用到了智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等行业。简而言之，数字孪生无处不在，数字孪生技术将是未来十年最有潜力的战略科技趋势。

数字孪生是数字经济新蓝图，与大数据、人工智能、 5G并列，是“十四五”、“新基建”重要组成部分，已列入国家战略。数字孪生将成为各行各业的新型基础设施之一，而数字孪生应用场景仅被开发不到1%，数字孪生将从新兴市场走向主流市场。

数字孪生发展背景

具有理论色彩的数字孪生，2002年密歇根大学的Michael Grieves首次提出了PLM（信息镜像模型）概念，模型中出现了现实空间，虚拟空间，从现实空间到虚拟空间的数据流，从虚拟空间到现实空间的信息流，以及虚拟子空间的表述。Michael Grieves在数字孪生方面的理论方面的工作，对数字孪生的普及应用，起到了至关重要的作用。

具有工程应用的数字孪生，NASA（美国宇航局）在“阿波罗计划”中认识到了建设物理孪生的重要性。在2010年提出了数字孪生（Digital Twins）的概念。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。

数字孪生行业应用

得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于城市治理、交通、制造、能源、农业、制造、金融、医疗、环境等行业。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。许多著名企业与组织对数字孪生给予了高度重视，并且开始探索基于数字孪生的智能生产新模式。例如数字孪生在城市治理领域机会广阔：

1、智能市政

在过去的城市化建设过程中，由于市政规划不合理造成堵城、睡城等现象严重，土地资源经济能效低。为解决以上问题，在数字孪生城市的建设过程中，需要基于城市数字孪生体，依靠大数据和人工智能等技术，通过挖掘城市不同样本特征，对多源异构数据进行融合，从点规划、线规划到面规划，为城市管理者提供智能市政管理解决方案。

2、智能城行

基于数字孪生体与GPS卫星定位、智能传感、智能摄像等技术，可突破传统模式，实现城市地上地下空间的运行异常状态智能监控，指导数字孪生城市的建设、评估和运行管理。如通过城市信息模型建立起三维城市空间模型，实现城市规划、建设、运行管理的全面立体可视化管理，支持城市模拟仿真、分析验证等，实现城市运行智能化监管。

3、智慧交通

基于城市交通数字孪生体可对车流量数据和道路设施实时传递数据进行分析预判，同时可对交通信号灯进行实时优化控制。基于城市交通历史数据，可预判某个区域未来10分钟至一小时的交通态势，帮助交通管理部门在交通堵点出现前制定应急预案、提前实施交通疏导措施。如根据赛事演出活动、天气数据预判特定时间段的交通状况。

4、智能环保

造成环境污染是由多方面因素引起的，比如大气、土壤、水质、噪声、固废等，随着大数据、物联网、云计算等技术的快速发展，城市管理者可基于数字孪生城市中的海量环境数据来进行监测和预测演进态势，最终得以用更加精细和动态的方式实现城市环保治理和决策，如通过打通环保局、气象局、交管局等各个系统的数据，并利用城市大数据和人工智能技术对环保数据进行分析，辅助管理部门进行事前规划、实时监测、未来预测和历史溯源，及时锁定污染源头，快速进行城市环保问题的精准治理。

5、智能安防

基于城市智能化基础设施视频监控探头，结合视频图像的智能识别分析功能,可实现对各类警情、灾情、生态破坏、道路违章、环境卫生等的可视化展示，从而实现城市安全防范预警、提示、资源优化管理等。如某地发生打架斗殴、盗窃事件、疑犯追踪、被拐或走失人员等事件，视频监控可以自动识别，在安防管理系统上显示并进行精准分析、整体研判和协同指挥，同时调动附近警力进行处置，实现对警力的优化配置。

6、智慧医疗

智慧医疗保健是数字孪生城市智能化应用的重要组成部分。通过移动监测、移动诊室、无线远程会诊、智慧处方、医疗信息云存储等智能技术手段，可提升城市诊疗覆盖面与效率，促进城市医疗资源的合理化分配。进一步利用物联网技术构建“电子医疗”服务体系，实现医疗监护设备的小型化、无线化、发展智慧家庭健康保健、智能健康监护，可大幅降低城市公众医疗负担，缓解城市医疗资源紧缺的压力。

7、智能服务

基于数字孪生城市下万物互联产生的海量数据，建立跨部门跨地区业务协同、共建共享的信息服务体系，创新发展教育、就业、社保、养老、医疗以及文化的服务模式，通过聚合社保、交通、医疗等应用，使市民足不出户即可享受方便快捷、优质高效的生活服务。

8、智慧社区

基于数字孪生城市建设，智慧社区为城市社区居民建立一个安全、便利的数字生活社区，从而形成一种以数字化、智能化为基础的新社区管理模式。集成利用先进的物联网技术、智能化统计和计算建筑内空调、电灯、电视等各项能耗数据，根据居民生活习惯进行预测和动态调控。还可以通过远程反应监测老年人用电用气安全，如老人在做饭时忘关闭天然气，发现不符合以往习惯的异常情况，则系统可以及时发出警报，减少事故发生，保证老年人的居住安全。

9、智慧景区

基于景区数字孪生体对景区地理、自然资源、旅游者行为、景区工作人员、景区基础设施和服务设施进行全面、透彻、及时的感知，对游客、景区工作人员行动实现可视化管理，优化再造景区业务流程和数字化智能运营管理,提高服务质量，实现景区环境、社会和经济的全面、协调和可持续发展。对于景区管理机构和商业机构来说，可基于景区数字孪生体，对旅游淡旺季的游客数据、意外和应急处理事件、景区设施利用率和故障率、景区商业销售数据等进行模拟仿真分析，并进行未来预测，并根据预测结果进行持续优化调整。