科创中国

行业领域

电子信息技术,高技术服务业,信息安全技术,计算机及网络技术,软件,数字孪生

需求背景

近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，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电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业，如上图所示。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（如空客、洛克希德马丁、西门子等）与组织（如 Gartner、德勤、中国科协智能制造协会）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 。

基于纳入国家“十四五”自然资源保护和规划的《全面推进实景三维中国建设》国家战略，以实景三维技术为核心，结合5G/6G，物联网，城市信息模型（CIM），时空大数据，云边计算和人工智能来研发建设数字孪生城市系统平台。研发建设数字孪生城市系统大势所趋，对城市规划、建设以及民众的各类活动，不仅在实体空间，而且在虚拟空间将得到极大的扩充，通过虚实融合、虚实协同将重新定义城市未来发展新模式，建设及推动新型智慧城市的升级发展，是所有高新技术行业人共同奋斗的目标！

需解决的主要技术难题

1.多尺度融合建模的挑战。首先，现实中的复杂系统往往很难建立精确的数理模型。目前的建模方法大多基于统计学算法将数据转化为物理模型的替代，模型的可解释性不足，难以深度刻画或表征物理实体的机理。如何将高精度传感数据与物理实体的运行机理有效深度结合，获得更好的状态评估和系统表征效果，是构建准确数字孪生模型的关键。其次，高层次的数字孪生系统往往需要对大量不同物理实体进行建模，在将这些不同尺度的模型融合为一个综合的系统级模型时，增加不同模型间的数据接口及数据翻译器，解决模型参数及其格式不一致的问题，同样是数字孪生建模过程中的挑战。

2.数据采集传输及管理的挑战。对于数据采集，主要挑战在于传感器的种类、精度、可靠性、工作环境等受到当前技术发展水平的限制；对于数据传输，主要挑战在于传输的实时性，而目前应用的大多数网络传输设备和网络结构难以满足高级别的传输速率及质量要求；对于数据管理，全寿命周期数据管理需要借助于分布式及冗余存储，如何优化数据的分布架构、存储方式和检索方法以获得实时可靠的数据读取性能，是其应用于数字孪生系统面临的挑战。

3.高性能计算的挑战。数字孪生系统各项功能的实现非常依赖高性能的计算能力，对系统所搭载的云计算平台，优化数据结构、算法结构，并配套足够的算力，对部署在终端的边缘计算平台，综合考量算力和功耗的平衡，均是数字孪生系统层面需要面临的挑战。而在服务层面，如今用户所需的人工智能基础设施不足、人工智能应用方案成本过高等也是亟待解决的问题。

4.虚拟呈现的挑战。如今 VR、AR、MR技术本身存在很多亟待突破的瓶颈，而对复杂的数字孪生系统，VR、AR、MR 技术难点有2个：一是需要布置大量的高精度传感器采集系统的运行数据，为虚拟呈现提供必要的数据来源和支撑，二是如何将虚拟内容叠加至现实空间并提供沉浸式的虚实交互体验。

5.系统安全的挑战。数字孪生系统中数字孪生体与物理实体的交互是建立在网络数据传输的基础上的，数字孪生的应用使得企业原有的封闭系统逐渐转变为开发系统，因此系统的安全问题随之而来。首先是数据传输与存储的安全，即在传输及存储的过程中面临数据丢失、数据泄密等风险，其次是数字孪生虚实交互过程中存在安全漏洞，而导致其易受外界攻击，进而引起系统紊乱，影响数字孪生体与物理实体之间的数据信息及控制指令的交互效率。

期望实现的主要技术目标

根据泉州城市规模及管理的需求，“数字孪生城市”运行生命体征指标体系可以分为市、区县两个层级，并从经济、政治、文化、社会、生态文明五大领域将城市具象化，实现标准量化定义。

力争到2026年可实现“数字孪生城市”初步建设，提升公共服务、社会治理等数字化智能化水平。加强公共数据资源共建共享，把“数据池塘”汇聚成“数据海洋”。保障数据安全，加强个人信息保护。提升全民数字技能，缩小城乡区域数字鸿沟，实现信息服务全覆盖。

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