科技先锋系列报告39：数字孪生：以虚控实的数字化方案2019.11
数字孪生综述
数字孪生综述随着人工智能、物联网、云计算等技术的不断发展，数字孪生作为一种新型的数字化技术逐渐被人们所关注和应用。
数字孪生是一种将物理世界与数字世界相结合的技术，通过建立物理模型、模拟预测和决策支持等方式，实现对物理世界的数字化复制和管理。
本文将对数字孪生的概念、应用场景、技术架构、发展趋势等方面进行综述。
一、数字孪生的概念数字孪生是指通过数字化技术建立物理系统的数字化复制，使得数字系统能够模拟、预测、优化和管理物理系统的运行。
数字孪生技术可以将物理系统的运行状态实时反馈到数字系统中，通过对数字系统的模拟和分析，提供决策支持和优化方案。
数字孪生技术的应用范围非常广泛，包括工业制造、城市管理、交通运输、医疗健康等领域。
二、数字孪生的应用场景数字孪生技术的应用场景非常广泛，以下是几个典型的应用场景。
1. 工业制造数字孪生技术可以帮助工业制造企业实现数字化生产，提高生产效率和质量。
数字孪生技术可以建立生产线的数字孪生模型，实时监测生产线的运行状态，预测设备故障和生产线的瓶颈，提供优化方案和决策支持。
2. 城市管理数字孪生技术可以帮助城市管理部门实现智慧城市的建设。
数字孪生技术可以建立城市的数字孪生模型，实时监测城市的交通、环境、能源等方面的数据，预测城市的发展趋势和问题，提供优化方案和决策支持。
3. 交通运输数字孪生技术可以帮助交通运输企业实现智能化运营。
数字孪生技术可以建立交通网络的数字孪生模型，实时监测交通流量和道路状况，预测交通拥堵和事故，提供优化方案和决策支持。
4. 医疗健康数字孪生技术可以帮助医疗健康机构实现个性化诊疗。
数字孪生技术可以建立患者的数字孪生模型，实时监测患者的生理指标和病情变化，预测疾病的发展趋势和治疗效果，提供个性化的诊疗方案和决策支持。
三、数字孪生的技术架构数字孪生技术的核心是数字孪生模型，数字孪生模型是一种将物理系统的结构和行为抽象成数学模型的技术。
数字孪生模型可以通过多种方式建立，包括物理模拟、数据挖掘、机器学习等技术。
数字孪生：虚拟与现实的结合
数字孪生：虚拟与现实的结合随着科技的不断发展，数字孪生（Digital Twin）作为一种新兴技术，正逐渐引起人们的关注。
数字孪生是指通过数字模型来模拟和仿真现实世界中的物体、系统或过程，以实现虚拟与现实的结合。
本文将探讨数字孪生的概念、应用领域以及未来发展趋势。
一、数字孪生的概念数字孪生是由美国国家航空航天局（NASA）首次提出的概念，它将物理世界与数字世界相结合，通过数字模型实时反映物理实体的状态和行为。
数字孪生可以是一个物体、一个系统，甚至是一个城市。
它通过传感器、数据采集和分析技术，将现实世界中的数据转化为数字模型，实现对物体或系统的监测、预测和优化。
数字孪生的核心是数据，它通过收集和分析大量的实时数据，实现对物体或系统的精确建模。
数字孪生可以模拟物体的外观、结构、性能等特征，还可以模拟物体在不同环境下的行为和响应。
通过数字孪生，人们可以在虚拟环境中对物体或系统进行测试、优化和改进，从而提高效率、降低成本。
二、数字孪生的应用领域数字孪生的应用领域非常广泛，涵盖了工业制造、城市规划、交通运输、医疗健康等多个领域。
1. 工业制造：数字孪生可以在产品设计、制造过程和运营管理中发挥重要作用。
通过数字孪生，企业可以在虚拟环境中对产品进行测试和优化，提高产品质量和生产效率。
同时，数字孪生还可以实现设备的远程监测和维护，减少停机时间和维修成本。
2. 城市规划：数字孪生可以帮助城市规划者更好地理解城市的运行机制和发展趋势。
通过数字孪生，城市规划者可以模拟城市的交通流量、能源消耗、环境污染等情况，从而制定更科学、更有效的城市规划方案。
3. 交通运输：数字孪生可以实现对交通系统的实时监测和优化。
通过数字孪生，交通管理者可以模拟交通流量、预测交通拥堵情况，从而调整交通信号灯、优化交通路线，提高交通运输效率。
4. 医疗健康：数字孪生可以在医疗诊断、手术模拟和康复治疗中发挥重要作用。
通过数字孪生，医生可以对患者进行精确的诊断和手术规划，提高手术成功率和患者康复速度。
数字孪生：实现虚拟与现实的完美融合
数字孪生的未来趋势
技术融合：与物联网、大数据、人工智能等技术深度融合 应用领域：在智能制造、智慧城市、医疗健康等领域广泛应用 标准化：建立统一的数字孪生标准和规范 安全性：加强数据安全和隐私保护，确保数字孪生的安全性
THANK YOU
汇报人：
数字孪生的技术实现
传感器技术：实时采集物理 对象的数据
通信技术：将数据传输到虚 拟模型
建模技术：构建虚拟模型， 模拟物理对象的行为
仿真技术：模拟物理对象的 运行状态和性能
数据分析技术：分析虚拟模 型和物理对象的数据，优化 物理对象的性能和运行状态
虚拟现实技术：将虚拟模型 与物理对象融合，实现虚拟 与现实的交互和融合
创新应用与商业模式
数字孪生技术在 智能制造、智慧 城市等领域的应 用
数字孪生技术在 医疗、教育等领 域的应用
数字孪生技术在 能源、交通等领 域的应用
数字孪生技术的 商业模式：平台 服务、解决方案、 数据服务等
数字孪生的挑战与未来发展
技术瓶颈与解决方案
技术瓶颈：数据采集、处理、 传输、存储等技术瓶颈
未来发展：随着技术的发展，数字孪生技术在安全隐私和数据保护方面 将面临更大的挑战和机遇。
跨领域合作与协同创新
挑战：不同领域 之间的技术壁垒 和沟通障碍
合作：需要跨领 域合作，共同解 决技术难题
创新：需要协同 创新，共同推动 数字孪生的发展
未来：数字孪生将 在更多领域得到应 用，需要更多的跨 领域合作与协同创 新
添加标题
技术瓶颈：模型构建、仿真、 优化等技术瓶颈
技术瓶颈：系统集成、协同、 交互等技术瓶颈
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技术瓶颈：安全性、隐私保 护等技术瓶颈
虚实融合,用数字孪生重塑生产力
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面临的挑战与解决方案
技术挑战
实时仿真
数字孪生需要实时地仿真物理世界，对计算能力和数据处理能力 提出字孪生需要高精度的数据和模型。
复杂性
物理世界的复杂性使得数字孪生的构建和维护变得困难。
数据安全挑战
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数据隐私
数字孪生涉及大量的个人和企业 数据，如何保障数据隐私是一个 重要问题。
数据泄露
02
03
数据完整性
数字孪生可能成为攻击者攻击的 目标，如何防止数据泄露是一个 挑战。
数字孪生需要处理大量的数据， 如何保证数据的完整性和准确性 是一个挑战。
解决方案与建议
采用云计算和边缘计算技术
利用云计算和边缘计算技术可以提高数据处理能力和计算能力。
建立高精度模型
通过建立高精度模型可以提高数字孪生的精确度。
人工智能与数字孪生融合应用
人工智能技术的不断进步，将为数字孪生技术提供更智能的分析和决策 能力，实现更高效的生产力和资源配置。
03
数字孪生与区块链技术结合
通过区块链技术的去中心化特性，可以实现更安全、可靠的数字孪生数
据共享和交互，为生产力的提升提供新的可能性。
跨界融合拓展应用场景
不同行业的跨界融合
数字孪生概述
定义
数字孪生是利用数字技术对物理 对象进行建模、仿真和优化的过 程，实现物理对象的全生命周期
管理和优化。
技术
数字孪生涉及多种技术，包括建模 技术、仿真技术、大数据分析技术 等。
应用
数字孪生在多个领域都有广泛应用 ，如制造业、航空航天、医疗等。
02
虚实融合技术
虚拟现实技术
01
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应用
混合现实技术在游戏、教育、医疗、军事等领域都有广泛 应用，可以帮助用户更好地理解和操作真实世界中的对象 ，同时提供更加丰富和逼真的虚拟体验。
数字孪生：建立智能生态系统的关键技术
成本投入：构建 数字孪生系统需 要大量的资金和 技术投入
跨领域合作：数 字孪生技术需要 跨领域、跨学科 的合作，需要解 决不同领域之间 的沟通和协作问 题
技术融合：与物 联网、大数据、 人工智能等技术 的深度融合
应用领域：在智 能交通、智慧城 市、智能制造等 领域的应用前景 广阔
挑战与机遇：面 临数据安全、隐 私保护、技术标 准等挑战，同时 也带来巨大的市 场机遇
数字孪生技术可以应用于产品设计、 生产制造、运营维护等各个环节， 实现全生命周期的管添加标题
添加标题
数字孪生技术可以实现对物理实体 的实时监控、预测和优化，提高生 产效率和产品质量。
数字孪生技术是智能生态系统中的 重要组成部分，可以实现智能化、 个性化和定制化的生产制造和服务。
提高用户体验：通过模拟和预测，提高 用户体验和满意度
提高生态系统的稳定性和可持续性：通过模拟和 预测，提高生态系统的稳定性和可持续性
数字孪生技术在智 能生态系统中的实 践案例
西门子：利用数字孪生技术进行生产线优化，提高生产效率 通用电气：利用数字孪生技术进行设备健康管理，降低维护成本 博世：利用数字孪生技术进行产品研发，缩短研发周期 施耐德电气：利用数字孪生技术进行能源管理，提高能源利用效率
概念提出：2002年，美国国防部提出数字孪生概念 技术发展：2010年，美国国家航空航天局（NASA）开始应用数字孪生技术 应用推广：2012年，通用电气（GE）开始推广数字孪生技术 技术成熟：2016年，数字孪生技术逐渐成熟，广泛应用于工业、医疗、交通等领域
智能制造：通过数字孪生技术实现生产过程的模拟和优化，提 高生产效率和产品质量
智能温室系统：通过传感器监测温室内的温度、湿度、光照等环境参数，自动调 节温室内的环境条件，提高作物生长速度和品质。
数字孪生工程实施方案
数字孪生工程实施方案引言数字孪生工程是一种将现实世界中的实体物体或过程与其数字化模型进行互动和仿真的技术。
它可以帮助企业和组织在设计、生产、运营和维护过程中更好地理解和管理物理系统，从而提高效率、降低成本、减少风险。
本文将介绍数字孪生工程的实施方案，包括其定义、应用领域、实施步骤、关键技术和成功案例分析。
一、数字孪生工程概述数字孪生工程是一种以物联网、大数据、人工智能和虚拟现实等技术为基础，将现实世界中的实体物体或过程与其数字化模型进行互动和仿真的技术。
它可以帮助企业和组织更好地理解和管理物理系统，并在设计、生产、运营和维护过程中提高效率、降低成本、减少风险。
数字孪生工程的应用领域非常广泛，包括制造业、能源行业、城市管理、物流和交通等。
它可以用于产品设计和优化、生产流程优化、设备运营和维护、智慧城市建设等方面。
二、数字孪生工程的实施步骤数字孪生工程的实施包括以下几个步骤：1.需求分析：了解客户需求，确定数字孪生工程的应用场景和目标。
2.数据采集：收集现实世界中的数据，包括物理系统的传感器数据、设备运行数据、环境数据等。
3.数据预处理：对采集的数据进行清洗、去噪、平滑等预处理操作，以确保数据的准确性和完整性。
4.建模与仿真：利用数学建模、仿真技术和虚拟现实技术，构建现实世界物理系统的数字化模型，并进行仿真和优化。
5.系统集成：将数字孪生系统集成到客户现有的信息系统中，实现数据的共享与交换。
6.应用推广：推广数字孪生系统的应用，使其成为客户日常工作和决策的重要工具。
三、数字孪生工程的关键技术数字孪生工程涉及多种技术的应用，关键技术包括：1.物联网技术：用于获取现实世界中物理系统的实时数据。
2.大数据技术：用于处理和分析大规模的数据，发现数据中的规律和信息。
3.数学建模与仿真技术：用于构建现实系统的数字化模型，并进行仿真和优化。
4.虚拟现实技术：用于实现对数字化模型的可视化和交互。
5.人工智能技术：用于智能化地分析和预测物理系统的行为。
数字孪生技术的概念和实现
数字孪生技术的概念和实现数字孪生技术（Digital Twin）是指在数字空间中，通过建立物理实体的虚拟模型，实现对实体的全方位预测、优化和管理。
数字孪生技术可以应用于各种领域，如工业、建筑、能源、医疗等，为生产和服务提供可靠且高效的解决方案。
本文将从概念、应用、实现等方面进行讨论。
1. 概念数字孪生技术最初提出于2002年，是由美国国家科学基金会提倡的。
数字孪生技术是建立现实世界和数字世界之间的联系，并在此基础上实现对实体的远程监控和管理。
简单的说，数字孪生技术就是通过数字模型，在虚拟空间中呈现出实体的每一个细节和运行状态，实现对实体的智能化管理和优化。
数字孪生技术包括以下四个主要步骤：第一步是数据采集，通过传感器、摄像头、雷达等设备采集实体的信息，包括温度、湿度、压力、流量等参数，甚至包括实体的外形和结构等。
第二步是数据传输，将采集到的数据传输到云端或本地服务器上，为建立数字孪生模型提供数据基础。
第三步是建模分析，将采集到的数据通过算法处理，建立数字孪生模型，分析出实体的运行状态和故障原因。
第四步是应用优化，根据数字孪生模型的分析结果，进行应用优化，如提高实体的效率、降低能耗等。
2. 应用数字孪生技术在生产和服务领域具有广泛的应用，以下分别介绍：（1）工业：数字孪生技术可以实现工业装备的全生命周期管理，包括设计、模拟、制造、运营、维护等环节。
在生产过程中，数字孪生技术可以实现实时监测和控制，提高生产效率和产品质量，降低成本。
（2）建筑：数字孪生技术可以在建筑设计和施工过程中应用，建立建筑物的数字孪生模型，实现建筑物设计优化和施工进度监测等功能。
在建筑物运营和管理过程中，数字孪生技术可以实现对建筑物内部环境、能耗等数据的实时监测和控制，提高能源利用效率。
（3）能源：数字孪生技术可以应用于电网、水网、气网等能源系统的监测和控制。
通过数字孪生技术，可以实现对能源系统内部的数据采集、分析和优化，提高能源输送和利用效率。
数字孪生：虚拟与现实的桥梁
数字孪生：虚拟与现实的桥梁数字孪生是近年来兴起的一个概念，它将现实世界中的实体事物或过程通过数字化技术呈现在虚拟世界中，实现了虚拟与现实之间的互动和联系。
数字孪生技术的发展，为各行各业带来了许多新的可能性和机遇，成为连接虚拟与现实的重要桥梁。
### 数字孪生技术的基本概念数字孪生是指通过数字化技术对现实世界中的实体进行建模、仿真和监控，使其在虚拟空间中具有与现实世界相对应的形态和行为。
通过数字孪生技术，可以实现对实体的数字化复制，实时监测和分析，以及预测和优化实体的运行状态。
这种数字化的映射关系，使得虚拟世界可以成为现实世界的延伸和影子，为人们提供了更加直观、高效的管理和决策手段。
### 数字孪生在工业制造中的应用在工业制造领域，数字孪生技术被广泛运用于智能制造、工艺优化和设备维护等方面。
通过数字孪生，制造企业可以实现对生产线的数字化建模和仿真，实时监测设备运行状态，预测潜在故障风险，并通过数据分析优化生产流程，提高生产效率和产品质量。
数字孪生技术的应用，使得工业制造迈向智能化、高效化的发展方向，为企业创造了更大的商业价值。
### 数字孪生在城市规划中的作用在城市规划和建设领域，数字孪生技术也发挥着重要作用。
通过对城市基础设施、交通网络、人口分布等数据进行数字化建模和仿真，城市规划者可以更好地了解城市发展的趋势和需求，优化城市布局和交通设计，提升城市的智能化管理水平。
数字孪生为城市规划提供了科学决策的依据，促进了城市可持续发展和居民生活质量的提升。
### 数字孪生在医疗健康领域的应用在医疗健康领域，数字孪生技术也展现出巨大的潜力。
通过对患者健康数据、疾病模型和医疗资源进行数字化整合和分析，医疗机构可以实现个性化诊疗方案的制定，提高医疗服务的精准度和效率。
数字孪生技术的应用，不仅可以帮助医生更好地诊断和治疗疾病，还可以促进医疗资源的合理配置，提升医疗卫生体系的整体水平。
### 数字孪生在教育培训中的价值在教育培训领域，数字孪生技术为教学和学习带来了全新的体验和方式。
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代表 孪生对象 实现载体 效率提升
功能价值
数字孪生当前主要应用
制造
建筑
医疗
城市
波音777 产品、生产线、工艺
北京新机场 龙骨、管网
பைடு நூலகம்
数字心脏
智慧城市
心脏结构、血管、心电
动力
城市布局、管网、气象
MBD、MBe、MBm、MBs
BIM
达索Living Heart 达索3D EXPERIENCity
研发周期从8年缩短至5年 实物仿真次数缩短90% 降低成本25%
数字孪生：复制现实世界
通过物联网、传感器等技术，获取产品数据，将现实物理世界数据化
数字孪生体系
现实实体 +
传感器
数据汇总 +
反馈
资料来源：德勤，中信证券研究部
3
技术架构：IoT+数据+AI分析
数字孪生要求在现实体配置大量的传感器，如各类IoT设备及边缘计算设备，收集数据实 时分析，并在后端布置大量AI软件设备用以运算和反馈
Azure Digital Twins 适用于各种环境类型，例如仓储、办公室、学校、医院和银行，甚至 可以应用于运动场、工厂、停车场、公园、智慧电网和城市
基于微软Azure的数字孪生方案
资料来源：微软官网
8
阿里云：孪生城市成为重点
阿里云在城市大脑基础发展智慧城市的数字孪生技术，将云及AI技术广泛应用 在云计算开放平台上通过数字孪生城市进行大规模仿真、推演、预测，结合动态的交通出
3DEXPERIENCE平台框架
资料来源：达索官网
10
51VR：自动驾驶+智慧城市的地球克隆计划
2018年12月18日，以VR+AI研发技术为核心的科技企业51VR推出“地球克隆计划”，即 利用数字孪生技术和VR，在虚拟世界中“复刻地球”
地球克隆计划对应三种核心产品：无人驾驶仿真平台51Sim-One、智慧城市产品51 City One以及针对5G的实时渲染云平台51 Cloud
51VR地球克隆计划
51Cloud 51云实时渲染
51Sim-One & Real Drive 自动驾驶仿真平台
资料来源：51VR，中信证券研究部
51World 51克隆地球
51City-One 智慧城市平台
11
51VR：三大平台助理城市孪生
51Sim-One主要用于模拟自动驾驶仿真场景；51 City-One主要是用于城市基础设施的数 字化升级；51 Cloud主要用于5G画面的实时渲染
数字孪生技术的早期起源
资料来源：工业4.0研究院
1
早期数字孪生：数字模拟实物改造
美国空军计划将飞机数字化，在数字模型基础上进行清理与维护 NASA构想将火箭虚拟化进行试验并采集数据用于制造
美国空军对数字孪生的应用构想
NSAA对数字孪生的构想
资料来源：工业4.0研究院
资料来源：工业4.0研究院
2
降低5-10%的建造成本 缩短10%的工期 减 少60%的返工
减少手术风险 提高药效果
定制化治疗方案
应急处置效率提升30% 拥堵率降低25%
产品性能改善、流程优化、 结构设计、资源优化、应急方案预 器官监测、手术预演、 规划辅助、区域预警、优
设备监控
演
药物扩散模拟
化资源配置
资料来源：波音，达索，阿里云，中信证券研究部
科技先锋系列报告39
数字孪生：以虚控实的数字化方案
2019年11月11日
早期数字孪生：起源于军事领域的数字化技术
数字孪生技术在2003年被首次提出，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
三大平台综合，用于城市孪生与规划
51VR以自动驾驶+智慧城市的综合规划
12
资料来源：51VR
市场前景：数字化趋势不可逆转
500 400 300 200 100
0 2018
2019E
资料来源：IDC（含预测），中信证券研究部
中国智慧城市支出规模
支出规模（亿美元）
同比增速
2020E
2021E
2022E
数字孪生技术架构
4
资料来源：德勤
商业作用：主动管理，提前感知
数字孪生让企业能将产品变成一个动态的平台，持续地感受客户需求，在合适的时间和合 适的场景，采取合适的行动，为客户提供更好的产品和服务
产品管理的进化
资料来源：埃森哲
5
应用场景：涵盖多类场景，虚拟降低成本
数字孪生技术已广泛应用于各类场景，以设计、监控类场景为主
6
城市、工厂、驾驶是三大重要使用场景
智慧城市、工业4.0和智能驾驶行业是先进数字孪生技术使用较多的行业，也是众多科技 巨头重点布局的行业
数字孪生重要使用场景
资料来源：泰瑞SmartEarth
7
微软：依托云+IoT布局数字孪生
Azure Digital Twins 预览版是一项 Azure IoT 服务，可建立完整的实体环境模型。 此服务 可建立空间智能图形，用模型来呈现人员、空间和装置之间的关联性与互动情形
6000 4000 2000
0 2014
资料来源：前瞻研究院，中信证券研究部
中国工业互联网市场规模
市场规模（亿元)
同比增速
2015
2016
2017
2023E
16% 15% 15% 14% 14% 13% 13%
2018
14% 14% 13% 13% 12% 12% 11%
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感谢您的信任与支持！
THANK YOU
行、商业活动、人群密度等活数据，实时分析城市规划和管理对于城市整体发展参数系统 的影响
阿里云数字孪生三步走战略
9
资料来源：阿里云
达索：提供底层软件方案
达索系统公司脱胎于著名的航空制造商达索集团(Dassault Group)，是全球领先的3D设计 软件、3D数字化实体模型公司
公司旗下产品3DEXPERIENCE平台基于协作交互环境中的 3D 设计、分析、仿真和智能 软件，可提供数字孪生的基础软件技术