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科普之數字孿生

吳貝言

“數字孿生”是個啥？

專家解釋：數字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行 歷史 等數據，為實體設備或系統創造數字版“克隆體”。好比在與現實平行的數字世界，你有一個一模一樣的“雙胞胎兄弟”，他與你完全同步，甚至會比你更快一步去未來世界看一看，告訴你未來會發生什么，如何提前應對。目前，該技術已在橋隧、地鐵等復雜工程建設領域應用，并逐漸向工業品生產領域延伸。

在華科大教授李培根院士的眼中，數字孿生是智能裝備的靈魂，數字孿生應用正逐漸成為新一代制造的重要趨勢。

在數字孿生工廠中，利用動態場景監控、生產工藝聯動、過程異常報警等功能，工廠產量、設備變化等情況能被高效管控。張青介紹，在維盈WINGplat工業互聯網平臺，數字孿生工廠將安全環保、設備 健康 、供應鏈協同、生產管控、應急管理實現五個一體化，讓傳統工業企業成功轉型智能虧襲備制造。在江西藍星星火有機硅有限公司，借助數字孿生、5G無人機巡檢等網絡技術，企業生產管理成本降低20%，工藝安全預判銷毀效率增長80%。在中國中化南通星辰合成材料有限公司，以數字孿生為代表的應用技術助力企業生產管理效率提升六成多。

在烽火通信 科技 股份有限公司副總裁范志文看來，數字孿生是網絡世界的“元宇宙”。通過數字孿生、人工智能、算力算法構筑的智慧光網體系，開放且高效，可實現一個重要價值——“隨需”：消費者通過APP提出消費需求，“數字孿生”通過算力算法轉換，驅動平臺和現實隨時滿足需求。

數字孿生，還能幫助提升城市的精細化管理水平。軟通智慧 科技 有限公司首席戰略官葉毓平表示，通過建立數字孿生城市，能實時看到現實城市的運行狀態，并靈活應對各種突發情況。

據了解，“ 探索 建設數字孿生城市”已被納入我國“十四五”規劃，多部委密集出臺政策文件，規范引領數字孿生技術、應用、產業發展，上海、海南、浙江、禪好北京、山東等省市已率先開展數字孿生城市建設實踐。

什么是CIM模型

CIM的起源

從上世紀90年代開始，中國的城市管理信息化領域引入了GIS技術作為基礎工具，并以此提出了城市網格化管理的理念，緩解了城市管理粗放、公共領域缺少管理的局面，取得了良好的效果，極大推進了城市管理精細化和規范化。城市管理者們在城市網絡基礎上，將城市信息進行慶凱業務化分類，為城市信息的融合奠定了基礎，并開始地理信息共享平臺的探索與建設。

從2010年開始，城市信息化的概念也由"數字城市”向“智慧城市”升級，首先是 3DGIS技術發展迅速，城市的空間表達由二維向三維化升級，通過3DGIS展現城市立體全貌，提供一個比二維地圖更加精細的時空應用支撐。城市信息關聯到精細的三維對象上，為多個行業提供了更加直觀與精細的應用場景。

在應用維度升級的同時，隨著行業應用的深入和信息采集維度的豐富，行業應用逐步由單個應用向跨業務的綜合應用發展，應急救援等需要整合多個行業信息的綜合業務也可以快速構建，而支撐多行業綜合應用的時空信息云平臺也成為城市建設的新熱點和新方向。

近年來，隨著物聯網、大數據技術的興起，信息資產已經成為社會管理的核心，城市智慧化的管理愈發需要跨部門、跨領域的信息融合。無論在城市生活還是城市管理中，能夠支撐信息融合與信息挖掘的技術也愈發重要，城市的規劃、建設、運營都將基于新的信息技術，圍繞信息的采集、融合和應用而呈現新的發展動力與發展模式。

CIM城市信息模型概念

信息的實時性提高與智能化程度提升，都推動城市由物理世界向虛擬世界映射，數字驅動實體向著新的發展方向前進。城市信息化形成全要素采集、全專業建模、全生命周期管理、全空間數字化管理、全場景支撐的建設理念，城市信息模型（City Information Modeling，CIM) 的概念也正是在這樣的行業發展中被提出。

政策依據

2021年3月，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》第十六章中提出，“完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設。探索建設數字孿生城市。”明確提出了數字城市建設中要重點發展城市信息模型平臺與數字孿生城市，CIM建設成為國家城市治理體系和治理能力現代化的目標和方向之一。

國家各部委近年來也發布政策標準，引導城市信息模型平臺的建設落地。

2019年9月，住房和城鄉建設部、工業和信息化部和中央網信辦聯合頒布《關于開展城市信息模型（CIM）基礎平臺建設的指導意見》，對CIM基礎平臺建設的定位、建設原則、建設目標、建設內容、運營維護和服務保障等工作進行了全方位的指導。

2020年3月，發改委發布了《加快培育新型消費實施方案》，將CIM定義為新一代信息基礎設施建設，要推動城市信息模型（CIM）基礎平臺建設，支持城市規劃建設管理多場景應用，促進城市基礎設施數字化和城市建設數據匯聚。

2020年9月，自然資源部發布了《市級國土空間總體規劃編制指南（試行）》，在文中提出“……基于國土空悄激間基礎信息平臺，探索建立城市信息模型（CIM）和城市時空感知系統，促進智慧規劃和智慧城市建設，提高國土空間精治、共治、法治水平”。

2020年9月27日，住建部發布《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》作為行業CIM基礎平臺建設的技術依據。

2021年4月，住建部分別就CIM基礎平臺建設中的數據加工、規劃管理、工程報批、施工圖審查、竣工驗收備案等方面發布了相應標準規范的征求意見稿，對CIM平臺建設提供了行業標準的參照與保障。

一、CIM基礎平臺的特點與價值

CIM目前重要的建設內容，是通過構建一個基于三維數字空間的現實城市譽運喚數字化版本，成為連接城市現實世界與數字虛擬世界的橋梁。為城市提供全空間、全要素、全專業、全流程和全生命周期的城市數字化管理能力。這個數字化的版本，稱為CIM基礎平臺，也是未來新一代信息基礎設施。

（一）CIM基礎平臺的特點

傳統的GIS技術支撐建設的數字城市，其城市信息管理粒度比較大到城市的大型部件。CIM基礎平臺引入BIM信息后，城市信息管理的粒度從建筑整體延伸到了建筑構件，從而能夠構建從城市宏觀布局到微觀部件的完整全面的城市信息框架，為城市精細化治理提供了數據基礎。

住建部發行的《城市信息模型基礎平臺技術標準》中對CIM進行了明確的定義：城市信息模型，是以建筑信息模型（BIM）、數字孿生（Digital Twin）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IoT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維信息模型數據和城市感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體。

三維數字空間城市信息有機綜合體，就是將 BIM 在建筑領域設計、施工、運營一體化的全生命周期管理的理念應用到城市中，將以 BIM 技術提供的城市微觀信息與 GIS 技術為基礎的城市宏觀場景信息進行融合，并將城市交通、人群、資金等等動態信息進行結構化整合，形成一個能夠同步反映城市完整現狀，并且對城市發展進行預測與研究的信息巨系統。

（二）CIM基礎平臺的價值

1.CIM是空間智慧引導城市發展的切入點

CIM通過支撐構建數字化虛擬城市，實現對物理城市的映射、監管、分析和模擬，是我國數字社會建設中數字驅動發展的建設理念的具體落地實現。

借助對空間對象的分析與挖掘能力，CIM在數字空間中構建城市的信息化模型，通過空間技術對信息的分析、挖掘，能夠在數字空間中對現實世界的狀態發展、變化趨勢、管理響應等進行判斷與預測，從而能夠準確地把握城市發展，指導制定城市運維管理政策與手段，減少現實中的試錯成本，實現將數字成果映射到現實世界，再將數字成果反哺現實世界的雙向驅動，達到城市數字驅動發展的戰略目標。

2.城市現代化治理需要CIM的空間智慧服務

城市現代化治理中數字治理能力建設是核心和關鍵。數字治理能力是面向城市不同管理領域、管理模式和管理手段的信息化能力的全面升級，利用數字技術通過對城市信息的采集、存儲、計算和程序，實現監控城市運行狀態，預測城市發展動向，維護城市穩定運行。

城市數字治理能力的核心是城市空間數字化能力的構建，而CIM建設是城市空間數字化能力的基礎支撐與具體實踐。CIM平臺的總體建設目標，是通過構建城市基礎設施數字化資源庫，城市設施與業務建模，城市時空信息分析與挖掘能力，在統一的框架下實現城市信息共享互通，支撐城市跨部門、跨層級、跨區域的整理能力，為城市現代化治理提供城市空間的全面表達能力，城市信息挖掘的空間分析計算能力，提升城市治理的數字化水平，比較終服務于城市現代化治理的總體目標。

二、CIM基礎平臺生命力的“3-4-5”

（一）三項關鍵技術

BIM+GIS+IoT是CIM平臺建設的基礎能力支撐。

GIS提供城市大尺度空間內的地形地貌、構造布局信息的管理與應用能力，BIM提供城市微觀尺度下的部件與構件信息的構造與管理能力。通過 BIM+GIS，整合城市地上 / 地下、室 內 / 室外的空間數據體系，實現宏觀 / 微觀一體化的管理、展現與分析應用，結合 IoT 技術對城市信息的多維度實時采集，實現歷史現狀未來多維多尺度信息模型數據和城市感知數據和融合，比較終構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體，并依此推動城市規劃、建造、管理的新模式。

（二）四項創新理念

CIM平臺是城市數字治理現代化管理理念的落地和創新。

1.城市信息集成創新，通過構建城市全生命周期的數據，記錄與挖掘城市成長信息，形成跨行業、跨領域的城市信息集成新模式與新理念。

2.城市狀態表達創新，通過構建城市全時空數據模型，讓城市多維度信息能夠在三維數字空間中進行融合，實現城市信息的新的表達形式。

3.城市管理方法創新，通過采集構建城市全要素、全專業數據，為城市搭建“建-管-養-運”的信息化模型與業務規則，實現城市數字化***管控。

4.城市信息共享創新，通過采集城市運營全過程數據，支撐成果管理各項業務的開發與協同，促進城市支持信息的全面開放。

（三）五項核心能力

在關鍵技術支撐和創新理念的指導下，CIM形成聚合、表達、服務、呈現與分析5項核心能力，為城市數字孿生建設提供了基礎和支撐：

1.全要素數字化表達能力：對城市空/天/地、室內/室外、 地上/地下的全要素采集、數字化建庫，實現二三維一體化、時空一體化城市數字底板。

2.數據融合與建模能力：在城市全要素數字化基礎上，以城市時空數據為主要索引，建立跨行業數據模型，實現城市全要素、全過程、一體化的時空數據體系。

3.可視化呈現能力：對城市全貌大場景到城市細節的一體化多級別渲染；提供空間分析、大數據分析、仿真結果等多主體可視化能力，支持大屏、網頁、移動端等多種顯示場景。

4.空間分析計算能力：是指基于城市三維模型，針對具體業務指標建立分析模型，進行空間數據相關計算、分析、展示的能力。

5.數據服務共享能力：基于CIM的全要素時空數據資源和跨行業建模與分析能力，以數據信息服務的方式提供各業務使用，支持更為***全面的呈現和表達，更準確地實現動態監測、趨勢預判等功能。

三項關鍵技術與四項創新理念，形成了CIM五項基礎核心能力，為城市管理數字化與智慧化提供持續的生命力。

如何在數字化轉型中推進和實施數字孿生？

從2017年和2019年Gartner將數字孿生（Digital Twin）作為十大戰略性技術發布以來，數字孿生正在從虛擬產品生命周期管理、工業物聯網專業技術，發展為企業數字化的核心通用技術。作為企業數字化通用技術，數字孿生為企告液租業的運營創新、產品與服務創新、商業模式創新、管理創新帶來了新的機會，本文結合PLM、工業互聯網及企業領域數字孿生技術的發展演進探討如何規劃和實施企業數字孿生戰略。

數字孿生的技術演進：從虛擬產品技術到數字化戰略技術

2021年上海車展特斯拉車主維權事件中，特斯拉分別向市場監管部門、維權的張女士發送了整理為Excel表格的48頁6697組后臺服務器數據，詳細記錄了車主在事故前30分鐘的車輛狀況和駕駛動作。

特斯拉的用戶不僅可以通過特斯拉的數字孿生追溯設備的過去和當前使用狀況，還可以發現，在使用過程中，特斯拉 汽車 的功能似乎越來越智能，特斯拉 汽車 似乎會越來越懂你。特斯拉通過數字孿生給用戶提供了一種“持續智能”，可以持續適配用戶、持續優化。特斯拉通過這種服務，每年可以從每輛特斯拉獲得超過1200美元的收入。

要構建類似特斯拉這樣的數字化產品、服務和商業模式，首先需要理解數字孿生技術的由來、發展及持續演進。數字孿生迄今經歷了三個演進階段：

1、虛擬產品管理發展階段

2003年邁克爾·格里夫斯（Michael Greives）***次提出將數字孿生（Digital Twin） 作為PLM的一個概念模型，將虛擬產品納入PLM的管理范疇，重新定義了PLM。到2011年NASA將“數字孿生”（Digital Twin）列入美國航空航天發展規劃，這個階段是數字孿生的概念形成階段。襪兆這個階段數字孿生主要被定位為下一代PLM系統的“虛擬完美模型”（Virtually perfect Model）。

2、工業互聯網發展階段

2011年以來，GE公司發布雄心勃勃的工業互聯網計劃，隨后，在GE和西門子、PTC等公司的倡導和支持下，數字孿生作為工業互聯網的核心技術得到了前所未有的重視，這個階段，無論是GE、PTC還是西門子，都不僅將數字孿生用于CAD、CAE、PLM等虛擬產品系統工程，還在設備（APM）、過程控制、網絡等工業互聯網各個領域以數字孿生和數字主線作為核心技術支持，各個廠商分別發布了設備、網絡、過程、產品、生產、運營等不同應用場景數以百萬計的數字孿生體。數字孿生通過工業互聯網的發展進入到商用階段，不過迄今大約只有1%的企業資產應用了數字孿生技術。

3、數字化戰略技術發展階段

2017年Gartner將數字孿生列入10大戰略技術趨勢，數字孿生從工業互聯網的核心技術進一步發展為基于物聯網的智慧城市和企業數字化的核心戰略技術。數字孿生作為戰略技術，從復雜系統工程（iMBSE）和工業互聯網等特定領域發展為智慧城市和企業的數字化基礎設施。Gartner數字孿生分為離散數字孿生、組合數字孿生、埋行組織數字孿生三個基本類型。產品數字孿生也好，設備數字孿生也好，實際都是一種離散的數字體，這樣的數字孿生的作用是局部的，Gartner的建議實際是將這種離散的數字孿生能力“組裝”起來，打造具備特定的業務模式和運營模式的組織數字孿生（DTO），讓企業具備數字孿生的持續智能能力。這樣，數字孿生就成為企業數字化的一種核心戰略技術。

數字孿生實施路線：從離散可視、數據驅動到持續智能

數字孿生的概念雖然出現已久，但是在企業數字化轉型中的應用還剛剛開始，即使引入數字孿生的企業也還處于試點和 探索 階段。但是在未來一年內，65%的大型企業都表示會投入啟動數字孿生項目。未來兩到三年，是企業數字孿生建設的戰略機遇期，有的放矢的擬定數字孿生戰略，無疑將獲得先行優勢。

目前推行數字孿生的制造企業，基本有兩條戰略實施路線，一條是從產品數字孿生開始，基于產品數字孿生，實現虛擬樣機、虛擬仿真，縮短產品研發周期，降低產品研發成本。典型代表是中車集團如中車株機；一條是設備和車間數字孿生開始，基于設備和車間數字孿生，實現透明化的裝備生產、運維和服務。典型代表是樹根互聯參與的三一重工8號工廠；

從企業戰略發展角度，為了實現通過數字孿生構建未來的競爭優勢，企業的數字孿生的戰略可以按照四個步驟展開：

1、***階段：實現離散數字孿生的連接與可見

離散數字孿生,是實現設備、人員等單一的資源數據連接和數據可視以實現資源優化的單一數字孿生體。這一階段，基于邊緣網絡技術、設備及資源管理系統，通過選定的設備、流程、系統的數字化連接和數據采集、數字化標識、數字化監測，實現數字化設備、流程和系統的診斷、描述性分析和預測；目前在不少企業推行的RPA（流程機器人）其實也是一種離散數字孿生的應用。設備的離散數字孿生未來將主要通過設備供應商提供；流程的離散數字孿生主要通過應用軟件服務商提供；

2、第二階段：實現復合數字孿生的互聯與數據驅動

復合數字孿生是基于內部離散數字孿生和外部數據資源復合而成的數字孿生體，如一條產線，一個端到端的服務線。數字孿生的復合過程不是簡單的數據互通，包括基于 歷史 數據的機器學習和模型訓練、基于實時數據的模型實時運行和監測。所以復合數字孿生的能力是需要通過一個包括AI和大數據能力在內的物聯網平臺實現的。符合數字孿生一般通過企業個性化定制實現。

3、第三階段：實現企業數字孿生的數據驅動與持續智能

企業數字孿生（DTO）重點是面向企業全流程，通過數據孿生監測和驅動的業務運行，形成一種可以持續自動采集、自動分析、自主執行、自主決策的數據驅動閉環。在2020年的戰略技術趨勢預測中，Gartner提出了一個“持續智能”的新概念剛好可以解釋企業數字孿生的價值。持續智能指的是基于數字化在線平臺實時獲取數據流，實時進行情景分析并給出響應方案，實現決策與運營的一體化。企業數字孿生的的建設是一個系統工程，基本的建設內容包括全價值鏈的數據獲取、模型構建、數據監測及支持持續智能的數據與分析平臺建設。這種需求很多企業都是存在的，不過大多數企業因為不了解企業數字孿生的概念，可能將這個項目簡單等同于大數據中心。

4、第四階段：實現數字孿生的生態服務與價值共生

將產業上下游的數字孿生組織集合起來，就成為以鏈主為核心的產業數字孿生，如 汽車 制造商上下游數字孿生體集合起來就可以構成一個包括消費者、供應商、4S店及 社會 服務資源在內的 汽車 產業數字孿生。產業數字孿生將改變傳統的產業協同關系，衍生出全新的基于數據和智能的生他服務和價值共生模式。個性化訂制、網絡化協同比較終將體現在客戶參與數字孿生、生態伙伴共享產業數字孿生的價值。

數字孿生的創新策略：模型驅動、架構引領， 探索 中前進

從離散數字孿生，復合數字孿生到企業數字孿生、生態數字孿生，數字孿生在企業的應用深度不斷加深、實施的復雜性和應用的難度也會逐級加大。在實施的過程中必然面臨不確定的風險，在行業內實際還缺少行之有效的數字孿生實施方法。

在復雜系統工程領域，有基于模型的系統工程方法（iMBSE）對產品定義、領域建模與仿真給出了方法論指導；

在虛實融合的數字化方法論層面，德國工業4.0參考架構、中美工業互聯網參考架構也已經發表了發表了相關的架構框架。

但是在企業數字孿生領域，在面向企業運營和流程優化領域，原有的BPM（業務流程管理）的方法論已經不能支持模型驅動、虛實融合的數字化業務模式和運營模式創新需求，企業需要新的業務和運用模式優化方法論。

作者：金蝶軟件（中國）有限公司

組稿：李艾離

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