数字孪生技术应用研究及对宁波的建议

文|陈善福 张晓伟 黄文琦

随着网络化、信息化、智能化水平不断提升，全面推进数字化转型是城市塑造核心竞争力的关键之举。数字孪生是数字智能化发展的产物，是助力经济社会实现高质量发展的重要前沿技术。国家、省、市层面越来越重视数字孪生，在若干规划、政策中都明确提出要探索建设数字孪生城市，在产业和技术上积极推动数字孪生发展。

目前，宁波正积极打造数字化改革先行区，为浙江省数字化改革提供更多宁波元素、宁波范例。数字孪生作为数字化改革的重要技术和手段，可孕育新的经济增长点和巨大的蓝海市场，促进城市治理更加系统、全面，推动经济社会实现质的飞跃。未来，宁波应以智能硬件、应用软件、基础平台建设为科技创新方向，以城市治理、先进制造、港口航运、社会民生等应用场景为发展方向，以顶层设计优生态、平台搭建促发展、技术攻关强支撑、应用场景促融合为具体举措，打造一批彰显宁波辨识度、具有全国影响力的技术成果、应用成果、理论成果和制度成果，全力打造数字孪生标杆城市。

解析数字孪生

数字孪生也可称为数字映射、数字镜像，其雏形最早可追溯到2003年产品生命周期管理中提及的“信息镜像模型”。美国高德纳咨询公司连续三年把“数字孪生”列入年度十大战略性技术，通用电气、西门子、SAP等巨头公司纷纷布局推进数字孪生的商业化应用。随着以数字孪生应用场景不断涌现，数字孪生逐渐成为城市提升竞争力、实现可持续发展的关键技术。

目前学术界和产业界对数字孪生的认识各有侧重，尚未形成统一的概念。但一般认为，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，从而反映相对应实体的全生命周期过程。数字孪生核心是一种物理空间与虚拟空间的虚实交融、智能操控的映射关系，通过在实体世界以及数字虚拟空间中，记录仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹，实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。

宁波数字孪生技术具备一定基础

《宁波市智慧城市建设“十四五”规划》提出“建设数字孪生城市标杆市”的战略目标，目前，宁波数字孪生技术具备一定基础，相关领域也已开展初步探索。

数据底座具备基础。全市已建成覆盖全市域地形地貌模型数据库、核心区域约410平方千米三维仿真模型数据库、约1300平方千米的城市实景三维模型数据库和5.8万千米的地下管线数据库等四大类三维地理信息数据资源，形成了全市统一的三维空间信息底图。在产业数字化方面，随着“产业大脑+未来工厂”重大应用的谋划推进，模具、化工、服装、智能家电、文体用品等5个产业大脑入围省级首批“揭榜挂帅”计划，镇海、鄞州、慈溪被列入省级区域新智造试点，海曙纺织服装、北仑模具被列入省级产业集群新智造试点，吉利汽车、东方电缆等12家企业入选省级“未来工厂”试点企业名单。产业数字化相关工作的加速推进、全面布局，为数字孪生技术发展奠定基础。

博威集团打造的数字孪生研发系统。 李 超 | 摄

创新主体具备活力。在数字孪生平台及主体方面，宁波大学、浙江大学软件学院、宁波市智能制造技术研究院、宁波人工智能产业研究院等科研院所的研究方向基本覆盖了数字孪生各项技术环节，也可培养数字孪生发展所需基础人才。数字孪生应用领域涌现出一批优秀企业，美象科技、宝略科技等数字孪生高新技术企业在未来社区、地下空间、智慧水利、智慧管廊等场景有所应用探索。吉利汽车、博威集团、舜宇光学、均普智能等龙头企业以数字孪生技术为生产制造赋能，取得初步实践效果。

宁波数字孪生应用涉足多领域

数字孪生已经逐渐渗透到各行各业，宁波也在不少领域进行探索和尝试。目前，全市已建或在建的城市规划、防灾减灾、基础设施、三江流域建设等领域数字孪生应用场景超过20个，其中市地铁安全管理数字孪生应用已成为首批省级试点，台风积水地图、“智慧灯杆”数字孪生可视化管理平台、智慧安防系统、“5G+智慧港口”应用平台、“五彩梁弄”数字乡村平台等已落地应用。

先进制造领域。博威集团阶段性地建成了基于有色合金新材料研发过程的数字孪生平台，集成使用数字化仿真、知识图谱、大数据、数字孪生、数据中台等5项关键技术，构建了需求转化、产品设计、应用技术研究、研发生态圈等8个主要功能模块，大幅提高了研发效率。吉利汽车探索把自动化、数字化、智能化三者有效结合，在产品、产线及研发设备方面开展数字孪生实践，打造高柔性、智能、敏捷、透明、清洁、环保的智能制造标杆车间，开启“科技吉利4.0”时代。美象科技参与研发的“新材云创平台”，打造了数字孪生驾驶舱，利用数字孪生相关技术模拟生产线，通过在模拟生产线上调试设备、工艺参数，为真实产线的建设提供准确的参考数据，缩短新产品投产周期，降低生产成本。东方日升建设数字孪生异地工厂——虚拟的滁州生产基地，可实时了解车间生产运行、设备异常等情况，以精益生产、设备管控优化减少企业损失。

产业规划领域。宝略科技参与建设的鄞州区制造业全域治理数字化平台，结合“数据共享、业务协同”的制造业全域治理场景应用，基于POPAI大数据挖掘、数字孪生等技术为全区2.6万家制造业企业建立全息画像，保障鄞州区制造业产业、土地、企业资源集约利用工作顺利推进与落实。

城市治理领域。美象科技参与建设的余姚数字孪生可视化平台建设，以余姚凤山街道4.4平方千米区域为试点，运用数字孪生技术结合跨部门、多业务场景，构建虚实映射、数据互通的数据应用，聚焦路面交通拥堵、地下管网复杂等治理难点，实现城市精细化管理。宝略科技凭借在城市实景三维数字建模、智能无人机遥感等领域的技术优势，致力开发数字孪生软件体系，帮助多个地区建立了全实景“数字底盘”。

智慧交通领域。美象科技参与谋划建设的东钱湖地铁站方案是比较典型的符合数字孪生特性的场景，技术要素多、技术先进，将地铁运营活动可测、可控、可视，以数据可视化的方式呈现车站综合数据看板和设备情况信息，目前正在前期谋划建设阶段。

目前，宁波数字孪生应用取得一定成效，但仍存在场景待拓展、高能级创新平台待崛起、专业人才待引育等问题。一是应用仍处于初步探索阶段，大量应用场景有待进一步挖掘，典型应用案例还不够成熟；二是高能级创新平台、高层次专业人才比较缺乏，仍然需要政府侧加大投入、加强引导。

宁波发展数字孪生技术应用的思考

宁波智慧城市建设正迈向新的发展阶段，迫切地需要借助数字孪生这一前沿技术，加快新型智慧城市跨越领先发展。坚持系统思维，以技术创新为引领，以赋能长远为目标，以应用拓展为方向，探索一批实质性举措。比如，设置一个试验区、建设一个研究院、发布一批应用场景、启动一批科研攻关，着力打造形成具有宁波特色优势的数字孪生技术成果、制度成果和示范案例。

加强顶层设计优生态。数字孪生城市建设是一项系统工程，需要做好顶层设计，营造良好生态环境。一要完善政策制度供给，借鉴数字孪生城市试验场等先进做法，结合全市开发区（园区）整合提升行动，开辟数字孪生城市试验区，加强数字孪生城市制度体系建设，在规章法规、要素供给、体制机制等方面充分赋权、先行先试、形成特色。二要壮大发展联盟，发挥新型举国体制优势，动员市内外优势企业、科研院所和服务机构组建数字孪生联盟，联合制定实施一批关于数字孪生建设的技术支撑、业务管理、数据共享、网络安全等地方性制度标准和发展导引，打造“政产学研金服用”有机联动发展生态。三要打造宁波名片，在宁波城市展览馆开辟展示平台，为数字孪生特色成果开辟展示空间，通过线上线下同步展示的方式，扩大宁波数字孪生的影响力。

搭建引领平台促发展。加快构建安全统一的数字孪生创新平台，支撑科技和产业创新双联动。一要按照新型研发机构建设要求，加快成立宁波数字孪生东方理工研究院和宁波数字孪生浙大研究院，聚焦智能硬件与感知、三维建模与虚拟仿真、人工智能与大数据、区块链与信息安全、工业互联网与反馈控制等基础研究方向，开展数字孪生领域“卡脖子”核心技术攻关，加速专业人才引进培养、产业孵化，积极争创国家和省级创新平台。二要加快建设新型基础设施，加快推动市政数字化设施、公共服务智能化设施、5G基站等数字化基础设施建设和改造升级，广泛应用三维建模、仿真分析、数字传感等先进技术，打造城市智治“一网统管”新模式，扩大和完善数字孪生城市底座。

强化技术攻关强支撑。加快掌握数字孪生上下游关键核心技术，把人工智能、工业互联网等前沿产业与数字孪生紧密融合，在技术、安全、测评等方面形成标准体系，结合场景应用强化智能传感器、三维CAD/CAE等技术支撑。一要实施重大项目攻关，依托美象科技、宝略科技、吉利汽车等已在数字孪生领域有所布局的企业，结合产业发展需求实施一批重大科技项目和应用示范项目，形成一批关键核心成果。二要搭建高端算力平台，打造计算中心、数据处理中心和边缘计算中心协同发展的人工智能超算中心，解决数字孪生发展中最关键的算力提升、数据贯通等问题。三要集聚一批专业人才，利用甬江引才工程，面向全球招引数字孪生及相关领域的高端人才，依托宁波大学、浙江大学软件学院等提升相关学科能级，形成以场景、项目培育人才的良好机制，加强人才梯队建设。

宁波前湾新区海智未来社区的数字驾驶舱。 柴锶佳 | 摄

拓展应用场景促融合。数字孪生城市建设是一个技术复杂、周期长远的工程，应依托现有基础，以点带面、逐步推广。聚焦智能生产、智慧治理、智享生活等领域，探索场景联动机制，构建数字孪生赋能智能制造、新型智慧城市、未来社区等领域的重大应用场景体系，多维度多层次推动场景应用从“零星探索”向“全面拓展”转变，推进场景构建与城市规划、经济发展等有机统一。一要存量场景融合提升。以现有数字孪生底座建设和应用创新方面的良好基础为依托，进一步梳理整合已建设的数字孪生应用场景、技术，促进数字孪生技术融合提升、形成体系。二要谋划新场景增量。结合全市域数字化改革，采取新技术应用转化、先进项目招商等形式，为传统产业更新、前沿产业落地拓展场景。采用“揭榜挂帅”的形式，在有条件、有基础的地方择优评选5—10个典型应用场景作为试点赛道，通过这样持续的场景创新和试验，逐步实现数字孪生城市治理全领域覆盖。

智能制造领域涉及数字车间、智能工厂、智慧企业/未来工厂3个环节，运用云计算、大数据、人工智能、工业互联网等智能技术，将探索建设工业领域数字孪生集成应用，实现交互设计、产线运行状况智能管理和预测、生产故障错误提前预警、生产工序工艺优化改进、产品远程运维与决策服务、企业内部智慧协同、外部上下游协同、产业链协同运营等功能，为打造全球智造创新之都提供支撑。

新型智慧城市领域以新型测绘、物联感知、协同控制等技术为基础，将构建统一的城市信息模型，远程对城市的每一个角落进行综合监测、智慧调度和集中管理，推动城市治理和公共服务走出“盲人摸象”的现状，提升治理效率。

未来社区领域集成邻里、教育、健康、创业、建筑、交通、低碳、服务和治理等功能，将打造有归属感、舒适感和未来感的新型城市功能单元，将逐步实现更加有温度、更加安全、更加高效的居民生活，为打造一流智慧善治之都、建设共同富裕先行市提供支撑。