行業(yè)圖譜研究是清華大學五道口金融學院科創(chuàng)金融研究中心科技成果轉化研究的一項子課題，目標定位于清晰理解前沿科技成果的技術核心、科創(chuàng)企業(yè)的技術競爭力及科研工作者的研究進度，從而助力科技成果轉化效率的提升。行業(yè)圖譜研究將以系列形式展開，選取國家戰(zhàn)略重點科技領域的商業(yè)應用場景逐一進行，時效性較強。

　　本報告為行業(yè)圖譜研究之計算機科學系列中的課題：中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告。數(shù)字孿生技術，作為一種前沿技術，實現(xiàn)了將物理實體在虛擬空間中的精確映射，形成了一種被稱為“數(shù)字雙胞胎”的存在。這一技術利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時雙向交換，使得虛擬實體能夠全面反映其對應物理實體的生命周期，從而在集成底層數(shù)據(jù)信息的基礎上，支持仿真預測和優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術起源于美國航天與軍事領域，后被通用電氣首次應用于工業(yè)生產(chǎn)。在西門子、達索等巨頭的推動下，該技術從美國擴散到歐洲。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術進步和元宇宙概念興起，數(shù)字孿生技術不斷完善，在城市管理、智慧工業(yè)、自動駕駛測試及醫(yī)療等領域展現(xiàn)出巨大應用潛力，成為推動各行業(yè)數(shù)字化轉型與升級的重要支撐技術。

　　△數(shù)字孿生概念以及數(shù)字孿生等級劃分

　　根據(jù)技術復雜性，數(shù)字孿生分為五個等級，目前正處于由數(shù)字經(jīng)濟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、政策支持、技術進步及市場需求增長等因素驅動的快速成長階段。數(shù)字孿生的關鍵技術主要包括建模、渲染和仿真三大方面。建模技術通過3D掃描、參數(shù)化建模和逆向工程等方法創(chuàng)建物理實體的數(shù)字模型，代表軟件有SolidWorks、CATIA等。渲染技術則通過基于物理的渲染(Physically Based Rendering, PBR)、實時渲染和云渲染等手段實現(xiàn)逼真的視覺效果，主流平臺有Unreal Engine、Unity等。仿真技術利用有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)、多物理場耦合和實時仿真等方法模擬實體行為，主要軟件包括ANSYS、ABAQUS等。以上技術需要計算機圖形學、計算機輔助設計(Computer-Aided Design, CAD)、計算機輔助工程(Computer-Aided Engineering, CAE)和物理仿真等領域的協(xié)同，工業(yè)軟件巨頭如Siemens、Dassault、Autodesk等和GPU廠商如Nvidia、AMD等正在推動數(shù)字孿生技術的發(fā)展，未來這些技術的融合將驅動數(shù)字孿生走向成熟。

　　△數(shù)字孿生系統(tǒng)架構

　　數(shù)字孿生行業(yè)的主要參與者分為技術服務商和集成方案供應商。技術服務商包括計算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)、建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)、可視化平臺廠商等，而集成方案供應商則包括運營商和互聯(lián)網(wǎng)大廠。技術、業(yè)務和資源三方面共同構成了數(shù)字孿生廠商的競爭壁壘。隨著技術的發(fā)展，數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)主要包括商業(yè)模式的成熟度、技術支持的高要求、缺乏統(tǒng)一的標準體系以及數(shù)據(jù)能力的不完善。

　　△數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)圖譜

　　數(shù)字孿生技術在多個行業(yè)展現(xiàn)出顯著應用價值，推動了城市管理、智慧工業(yè)、自動駕駛測試和智慧醫(yī)療的發(fā)展。在城市管理中，數(shù)字孿生城市通過物聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控和優(yōu)化，應用于交通管理(如Siemens和IBM在新加坡的智慧交通系統(tǒng))、零碳智慧園區(qū)(如微軟的雷德蒙德園區(qū))和應急管理(如通用電氣的解決方案)。在智慧工業(yè)領域，數(shù)字孿生貫穿離散型和流程型工業(yè)的各個階段，提升生產(chǎn)效率和設備可靠性，主要應用企業(yè)包括軟通動力、GE、Siemens和IBM。自動駕駛測試方面，企業(yè)如Waymo、Tesla、百度和Aptiv利用數(shù)字孿生進行大規(guī)模虛擬仿真測試，提高系統(tǒng)性能和安全性。智慧醫(yī)療領域，通過IBM的Watson Health和GE Healthcare的Edison平臺等實現(xiàn)設備管理、手術模擬和個性化治療，顯著提升醫(yī)療服務質量和效率。總的來說，數(shù)字孿生技術為各行業(yè)提供了強大的創(chuàng)新驅動力和效率提升手段。

　　△數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈以及數(shù)字孿生實現(xiàn)流程概覽

　　在數(shù)字孿生技術的高校研究方面，中外進度總體齊頭并進，但研究方向存在側重和差異。國際上，尤其是歐美高校，側重于基礎理論、高精度仿真和多物理場耦合研究，注重復雜系統(tǒng)建模與跨學科應用，代表高校有麻省理工學院、佐治亞理工學院和約翰霍普金斯大學醫(yī)學院。中國高校在應用導向和大規(guī)模系統(tǒng)集成方面表現(xiàn)突出，特別在智慧城市、交通管理和基礎設施建設領域，代表高校有清華大學、北京航空航天大學和國防科技大學。中國高校還結合云計算、物聯(lián)網(wǎng)和5G技術，推動數(shù)字孿生的實際應用。國際高校研究側重技術深度和跨學科融合，中國高校研究側重應用廣度和系統(tǒng)效率，形成了既有競爭又有合作的研究生態(tài)。

　　數(shù)字孿生技術在發(fā)展過程中面臨多重挑戰(zhàn)，包括商業(yè)模式成熟度不足、初始投資高昂、用戶需求不強、定制化解決方案難以復制、成本高昂等，這些問題限制了其推廣和實施。此外，標準化困境也十分顯著，目前在數(shù)據(jù)采集的尺度、參數(shù)、格式及周期等方面尚未形成統(tǒng)一標準，導致數(shù)據(jù)整合和接口對接難度大，技術框架和協(xié)議不統(tǒng)一也使項目集成和對接復雜。技術支持方面，數(shù)字孿生構建的模型和數(shù)據(jù)量大，要求計算機硬件具備強大的處理和計算能力，同時對終端設備的高互動、高沉浸和高清晰度展示提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)能力的不足也制約了數(shù)字孿生技術的發(fā)展，包括數(shù)據(jù)質量不高、不完整，數(shù)據(jù)格式和質量差異，以及數(shù)據(jù)安全和隱私保護等問題。解決這些挑戰(zhàn)需要全行業(yè)的共同努力和協(xié)調。未來，行業(yè)內的參與者需共同努力，構建一個開放、共贏的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)，推動數(shù)字孿生技術的健康發(fā)展。

　　報告全文：中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告.pdf