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科普之数字孪生

吴贝言

“数字孪生”是个啥？

专家解释：数字孪生是利用物理模型、传感器更新、运行 历史 等数据，为实体设备或系统创造数字版“克隆体”。好比在与现实平行的数字世界，你有一个一模一样的“双胞胎兄弟”，他与你完全同步，甚至会比你更快一步去未来世界看一看，告诉你未来会发生什么，如何提前应对。目前，该技术已在桥隧、地铁等复杂工程建设领域应用，并逐渐向工业品生产领域延伸。

在华科大教授李培根院士的眼中，数字孪生是智能装备的灵魂，数字孪生应用正逐渐成为新一代制造的重要趋势。

在数字孪生工厂中，利用动态场景监控、生产工艺联动、过程异常报警等功能，工厂产量、设备变化等情况能被高效管控。张青介绍，在维盈WINGplat工业互联网平台，数字孪生工厂将安全环保、设备 健康 、供应链协同、生产管控、应急管理实现五个一体化，让传统工业企业成功转型智能亏袭备制造。在江西蓝星星火有机硅有限公司，借助数字孪生、5G无人机巡检等网络技术，企业生产管理成本降低20%，工艺安全预判销毁效率增长80%。在中国中化南通星辰合成材料有限公司，以数字孪生为代表的应用技术助力企业生产管理效率提升六成多。

在烽火通信 科技 股份有限公司副总裁范志文看来，数字孪生是网络世界的“元宇宙”。通过数字孪生、人工智能、算力算法构筑的智慧光网体系，开放且高效，可实现一个重要价值——“随需”：消费者通过APP提出消费需求，“数字孪生”通过算力算法转换，驱动平台和现实随时满足需求。

数字孪生，还能帮助提升城市的精细化管理水平。软通智慧 科技 有限公司首席战略官叶毓平表示，通过建立数字孪生城市，能实时看到现实城市的运行状态，并灵活应对各种突发情况。

据了解，“ 探索 建设数字孪生城市”已被纳入我国“十四五”规划，多部委密集出台政策文件，规范引领数字孪生技术、应用、产业发展，上海、海南、浙江、禅好北京、山东等省市已率先开展数字孪生城市建设实践。

什么是CIM模型

CIM的起源

从上世纪90年代开始，中国的城市管理信息化领域引入了GIS技术作为基础工具，并以此提出了城市网格化管理的理念，缓解了城市管理粗放、公共领域缺少管理的局面，取得了良好的效果，极大推进了城市管理精细化和规范化。城市管理者们在城市网络基础上，将城市信息进行庆凯业务化分类，为城市信息的融合奠定了基础，并开始地理信息共享平台的探索与建设。

从2010年开始，城市信息化的概念也由"数字城市”向“智慧城市”升级，首先是 3DGIS技术发展迅速，城市的空间表达由二维向三维化升级，通过3DGIS展现城市立体全貌，提供一个比二维地图更加精细的时空应用支撑。城市信息关联到精细的三维对象上，为多个行业提供了更加直观与精细的应用场景。

在应用维度升级的同时，随着行业应用的深入和信息采集维度的丰富，行业应用逐步由单个应用向跨业务的综合应用发展，应急救援等需要整合多个行业信息的综合业务也可以快速构建，而支撑多行业综合应用的时空信息云平台也成为城市建设的新热点和新方向。

近年来，随着物联网、大数据技术的兴起，信息资产已经成为社会管理的核心，城市智慧化的管理愈发需要跨部门、跨领域的信息融合。无论在城市生活还是城市管理中，能够支撑信息融合与信息挖掘的技术也愈发重要，城市的规划、建设、运营都将基于新的信息技术，围绕信息的采集、融合和应用而呈现新的发展动力与发展模式。

CIM城市信息模型概念

信息的实时性提高与智能化程度提升，都推动城市由物理世界向虚拟世界映射，数字驱动实体向着新的发展方向前进。城市信息化形成全要素采集、全专业建模、全生命周期管理、全空间数字化管理、全场景支撑的建设理念，城市信息模型（City Information Modeling，CIM) 的概念也正是在这样的行业发展中被提出。

政策依据

2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》第十六章中提出，“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。探索建设数字孪生城市。”明确提出了数字城市建设中要重点发展城市信息模型平台与数字孪生城市，CIM建设成为国家城市治理体系和治理能力现代化的目标和方向之一。

国家各部委近年来也发布政策标准，引导城市信息模型平台的建设落地。

2019年9月，住房和城乡建设部、工业和信息化部和中央网信办联合颁布《关于开展城市信息模型（CIM）基础平台建设的指导意见》，对CIM基础平台建设的定位、建设原则、建设目标、建设内容、运营维护和服务保障等工作进行了全方位的指导。

2020年3月，发改委发布了《加快培育新型消费实施方案》，将CIM定义为新一代信息基础设施建设，要推动城市信息模型（CIM）基础平台建设，支持城市规划建设管理多场景应用，促进城市基础设施数字化和城市建设数据汇聚。

2020年9月，自然资源部发布了《市级国土空间总体规划编制指南（试行）》，在文中提出“……基于国土空悄激间基础信息平台，探索建立城市信息模型（CIM）和城市时空感知系统，促进智慧规划和智慧城市建设，提高国土空间精治、共治、法治水平”。

2020年9月27日，住建部发布《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》作为行业CIM基础平台建设的技术依据。

2021年4月，住建部分别就CIM基础平台建设中的数据加工、规划管理、工程报批、施工图审查、竣工验收备案等方面发布了相应标准规范的征求意见稿，对CIM平台建设提供了行业标准的参照与保障。

一、CIM基础平台的特点与价值

CIM目前重要的建设内容，是通过构建一个基于三维数字空间的现实城市誉运唤数字化版本，成为连接城市现实世界与数字虚拟世界的桥梁。为城市提供全空间、全要素、全专业、全流程和全生命周期的城市数字化管理能力。这个数字化的版本，称为CIM基础平台，也是未来新一代信息基础设施。

（一）CIM基础平台的特点

传统的GIS技术支撑建设的数字城市，其城市信息管理粒度比较大到城市的大型部件。CIM基础平台引入BIM信息后，城市信息管理的粒度从建筑整体延伸到了建筑构件，从而能够构建从城市宏观布局到微观部件的完整全面的城市信息框架，为城市精细化治理提供了数据基础。

住建部发行的《城市信息模型基础平台技术标准》中对CIM进行了明确的定义：城市信息模型，是以建筑信息模型（BIM）、数字孪生（Digital Twin）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维信息模型数据和城市感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。

三维数字空间城市信息有机综合体，就是将 BIM 在建筑领域设计、施工、运营一体化的全生命周期管理的理念应用到城市中，将以 BIM 技术提供的城市微观信息与 GIS 技术为基础的城市宏观场景信息进行融合，并将城市交通、人群、资金等等动态信息进行结构化整合，形成一个能够同步反映城市完整现状，并且对城市发展进行预测与研究的信息巨系统。

（二）CIM基础平台的价值

1.CIM是空间智慧引导城市发展的切入点

CIM通过支撑构建数字化虚拟城市，实现对物理城市的映射、监管、分析和模拟，是我国数字社会建设中数字驱动发展的建设理念的具体落地实现。

借助对空间对象的分析与挖掘能力，CIM在数字空间中构建城市的信息化模型，通过空间技术对信息的分析、挖掘，能够在数字空间中对现实世界的状态发展、变化趋势、管理响应等进行判断与预测，从而能够准确地把握城市发展，指导制定城市运维管理政策与手段，减少现实中的试错成本，实现将数字成果映射到现实世界，再将数字成果反哺现实世界的双向驱动，达到城市数字驱动发展的战略目标。

2.城市现代化治理需要CIM的空间智慧服务

城市现代化治理中数字治理能力建设是核心和关键。数字治理能力是面向城市不同管理领域、管理模式和管理手段的信息化能力的全面升级，利用数字技术通过对城市信息的采集、存储、计算和程序，实现监控城市运行状态，预测城市发展动向，维护城市稳定运行。

城市数字治理能力的核心是城市空间数字化能力的构建，而CIM建设是城市空间数字化能力的基础支撑与具体实践。CIM平台的总体建设目标，是通过构建城市基础设施数字化资源库，城市设施与业务建模，城市时空信息分析与挖掘能力，在统一的框架下实现城市信息共享互通，支撑城市跨部门、跨层级、跨区域的整理能力，为城市现代化治理提供城市空间的全面表达能力，城市信息挖掘的空间分析计算能力，提升城市治理的数字化水平，比较终服务于城市现代化治理的总体目标。

二、CIM基础平台生命力的“3-4-5”

（一）三项关键技术

BIM+GIS+IoT是CIM平台建设的基础能力支撑。

GIS提供城市大尺度空间内的地形地貌、构造布局信息的管理与应用能力，BIM提供城市微观尺度下的部件与构件信息的构造与管理能力。通过 BIM+GIS，整合城市地上 / 地下、室 内 / 室外的空间数据体系，实现宏观 / 微观一体化的管理、展现与分析应用，结合 IoT 技术对城市信息的多维度实时采集，实现历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据和融合，比较终构建起三维数字空间的城市信息有机综合体，并依此推动城市规划、建造、管理的新模式。

（二）四项创新理念

CIM平台是城市数字治理现代化管理理念的落地和创新。

1.城市信息集成创新，通过构建城市全生命周期的数据，记录与挖掘城市成长信息，形成跨行业、跨领域的城市信息集成新模式与新理念。

2.城市状态表达创新，通过构建城市全时空数据模型，让城市多维度信息能够在三维数字空间中进行融合，实现城市信息的新的表达形式。

3.城市管理方法创新，通过采集构建城市全要素、全专业数据，为城市搭建“建-管-养-运”的信息化模型与业务规则，实现城市数字化***管控。

4.城市信息共享创新，通过采集城市运营全过程数据，支撑成果管理各项业务的开发与协同，促进城市支持信息的全面开放。

（三）五项核心能力

在关键技术支撑和创新理念的指导下，CIM形成聚合、表达、服务、呈现与分析5项核心能力，为城市数字孪生建设提供了基础和支撑：

1.全要素数字化表达能力：对城市空/天/地、室内/室外、 地上/地下的全要素采集、数字化建库，实现二三维一体化、时空一体化城市数字底板。

2.数据融合与建模能力：在城市全要素数字化基础上，以城市时空数据为主要索引，建立跨行业数据模型，实现城市全要素、全过程、一体化的时空数据体系。

3.可视化呈现能力：对城市全貌大场景到城市细节的一体化多级别渲染；提供空间分析、大数据分析、仿真结果等多主体可视化能力，支持大屏、网页、移动端等多种显示场景。

4.空间分析计算能力：是指基于城市三维模型，针对具体业务指标建立分析模型，进行空间数据相关计算、分析、展示的能力。

5.数据服务共享能力：基于CIM的全要素时空数据资源和跨行业建模与分析能力，以数据信息服务的方式提供各业务使用，支持更为***全面的呈现和表达，更准确地实现动态监测、趋势预判等功能。

三项关键技术与四项创新理念，形成了CIM五项基础核心能力，为城市管理数字化与智慧化提供持续的生命力。

如何在数字化转型中推进和实施数字孪生？

从2017年和2019年Gartner将数字孪生（Digital Twin）作为十大战略性技术发布以来，数字孪生正在从虚拟产品生命周期管理、工业物联网专业技术，发展为企业数字化的核心通用技术。作为企业数字化通用技术，数字孪生为企告液租业的运营创新、产品与服务创新、商业模式创新、管理创新带来了新的机会，本文结合PLM、工业互联网及企业领域数字孪生技术的发展演进探讨如何规划和实施企业数字孪生战略。

数字孪生的技术演进：从虚拟产品技术到数字化战略技术

2021年上海车展特斯拉车主维权事件中，特斯拉分别向市场监管部门、维权的张女士发送了整理为Excel表格的48页6697组后台服务器数据，详细记录了车主在事故前30分钟的车辆状况和驾驶动作。

特斯拉的用户不仅可以通过特斯拉的数字孪生追溯设备的过去和当前使用状况，还可以发现，在使用过程中，特斯拉 汽车 的功能似乎越来越智能，特斯拉 汽车 似乎会越来越懂你。特斯拉通过数字孪生给用户提供了一种“持续智能”，可以持续适配用户、持续优化。特斯拉通过这种服务，每年可以从每辆特斯拉获得超过1200美元的收入。

要构建类似特斯拉这样的数字化产品、服务和商业模式，首先需要理解数字孪生技术的由来、发展及持续演进。数字孪生迄今经历了三个演进阶段：

1、虚拟产品管理发展阶段

2003年迈克尔·格里夫斯（Michael Greives）***次提出将数字孪生（Digital Twin） 作为PLM的一个概念模型，将虚拟产品纳入PLM的管理范畴，重新定义了PLM。到2011年NASA将“数字孪生”（Digital Twin）列入美国航空航天发展规划，这个阶段是数字孪生的概念形成阶段。袜兆这个阶段数字孪生主要被定位为下一代PLM系统的“虚拟完美模型”（Virtually perfect Model）。

2、工业互联网发展阶段

2011年以来，GE公司发布雄心勃勃的工业互联网计划，随后，在GE和西门子、PTC等公司的倡导和支持下，数字孪生作为工业互联网的核心技术得到了前所未有的重视，这个阶段，无论是GE、PTC还是西门子，都不仅将数字孪生用于CAD、CAE、PLM等虚拟产品系统工程，还在设备（APM）、过程控制、网络等工业互联网各个领域以数字孪生和数字主线作为核心技术支持，各个厂商分别发布了设备、网络、过程、产品、生产、运营等不同应用场景数以百万计的数字孪生体。数字孪生通过工业互联网的发展进入到商用阶段，不过迄今大约只有1%的企业资产应用了数字孪生技术。

3、数字化战略技术发展阶段

2017年Gartner将数字孪生列入10大战略技术趋势，数字孪生从工业互联网的核心技术进一步发展为基于物联网的智慧城市和企业数字化的核心战略技术。数字孪生作为战略技术，从复杂系统工程（iMBSE）和工业互联网等特定领域发展为智慧城市和企业的数字化基础设施。Gartner数字孪生分为离散数字孪生、组合数字孪生、埋行组织数字孪生三个基本类型。产品数字孪生也好，设备数字孪生也好，实际都是一种离散的数字体，这样的数字孪生的作用是局部的，Gartner的建议实际是将这种离散的数字孪生能力“组装”起来，打造具备特定的业务模式和运营模式的组织数字孪生（DTO），让企业具备数字孪生的持续智能能力。这样，数字孪生就成为企业数字化的一种核心战略技术。

数字孪生实施路线：从离散可视、数据驱动到持续智能

数字孪生的概念虽然出现已久，但是在企业数字化转型中的应用还刚刚开始，即使引入数字孪生的企业也还处于试点和 探索 阶段。但是在未来一年内，65%的大型企业都表示会投入启动数字孪生项目。未来两到三年，是企业数字孪生建设的战略机遇期，有的放矢的拟定数字孪生战略，无疑将获得先行优势。

目前推行数字孪生的制造企业，基本有两条战略实施路线，一条是从产品数字孪生开始，基于产品数字孪生，实现虚拟样机、虚拟仿真，缩短产品研发周期，降低产品研发成本。典型代表是中车集团如中车株机；一条是设备和车间数字孪生开始，基于设备和车间数字孪生，实现透明化的装备生产、运维和服务。典型代表是树根互联参与的三一重工8号工厂；

从企业战略发展角度，为了实现通过数字孪生构建未来的竞争优势，企业的数字孪生的战略可以按照四个步骤展开：

1、***阶段：实现离散数字孪生的连接与可见

离散数字孪生,是实现设备、人员等单一的资源数据连接和数据可视以实现资源优化的单一数字孪生体。这一阶段，基于边缘网络技术、设备及资源管理系统，通过选定的设备、流程、系统的数字化连接和数据采集、数字化标识、数字化监测，实现数字化设备、流程和系统的诊断、描述性分析和预测；目前在不少企业推行的RPA（流程机器人）其实也是一种离散数字孪生的应用。设备的离散数字孪生未来将主要通过设备供应商提供；流程的离散数字孪生主要通过应用软件服务商提供；

2、第二阶段：实现复合数字孪生的互联与数据驱动

复合数字孪生是基于内部离散数字孪生和外部数据资源复合而成的数字孪生体，如一条产线，一个端到端的服务线。数字孪生的复合过程不是简单的数据互通，包括基于 历史 数据的机器学习和模型训练、基于实时数据的模型实时运行和监测。所以复合数字孪生的能力是需要通过一个包括AI和大数据能力在内的物联网平台实现的。符合数字孪生一般通过企业个性化定制实现。

3、第三阶段：实现企业数字孪生的数据驱动与持续智能

企业数字孪生（DTO）重点是面向企业全流程，通过数据孪生监测和驱动的业务运行，形成一种可以持续自动采集、自动分析、自主执行、自主决策的数据驱动闭环。在2020年的战略技术趋势预测中，Gartner提出了一个“持续智能”的新概念刚好可以解释企业数字孪生的价值。持续智能指的是基于数字化在线平台实时获取数据流，实时进行情景分析并给出响应方案，实现决策与运营的一体化。企业数字孪生的的建设是一个系统工程，基本的建设内容包括全价值链的数据获取、模型构建、数据监测及支持持续智能的数据与分析平台建设。这种需求很多企业都是存在的，不过大多数企业因为不了解企业数字孪生的概念，可能将这个项目简单等同于大数据中心。

4、第四阶段：实现数字孪生的生态服务与价值共生

将产业上下游的数字孪生组织集合起来，就成为以链主为核心的产业数字孪生，如 汽车 制造商上下游数字孪生体集合起来就可以构成一个包括消费者、供应商、4S店及 社会 服务资源在内的 汽车 产业数字孪生。产业数字孪生将改变传统的产业协同关系，衍生出全新的基于数据和智能的生他服务和价值共生模式。个性化订制、网络化协同比较终将体现在客户参与数字孪生、生态伙伴共享产业数字孪生的价值。

数字孪生的创新策略：模型驱动、架构引领， 探索 中前进

从离散数字孪生，复合数字孪生到企业数字孪生、生态数字孪生，数字孪生在企业的应用深度不断加深、实施的复杂性和应用的难度也会逐级加大。在实施的过程中必然面临不确定的风险，在行业内实际还缺少行之有效的数字孪生实施方法。

在复杂系统工程领域，有基于模型的系统工程方法（iMBSE）对产品定义、领域建模与仿真给出了方法论指导；

在虚实融合的数字化方法论层面，德国工业4.0参考架构、中美工业互联网参考架构也已经发表了发表了相关的架构框架。

但是在企业数字孪生领域，在面向企业运营和流程优化领域，原有的BPM（业务流程管理）的方法论已经不能支持模型驱动、虚实融合的数字化业务模式和运营模式创新需求，企业需要新的业务和运用模式优化方法论。

作者：金蝶软件（中国）有限公司

组稿：李艾离

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