挖掘数字孪生高价值应用，驱动城市数字化“智变”

□ 文 叶美灵 王 瑜

0 引言

近日，工业和信息化部、教育部、文化和旅游部、国务院国资委、国家广播电视总局五部门联合印发《元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023—2025年）》（以下简称《行动计划》）。《行动计划》明确元宇宙是“新一代信息技术集成创新和应用的未来产业，是数字与实体经济融合的高级形态”。其中，数字孪生技术作为元宇宙的关键技术，通过对物理世界模拟，呈现现实世界中的各种实体和过程，并收集和分析现实世界中的数据来不断更新和优化，支撑元宇宙实现更加准确地反映现实世界的情况。同时，元宇宙也可以为数字孪生提供更广阔的应用场景。数字孪生技术既能解决城市规划、设计、建设、管理、服务过程中的复杂性和不确定性问题，也能驱动城市治理模式、服务模式、运营模式快速变革，助力城市数智化发展。

1 数字孪生技术推动城市数智化发展

随着5G 规模化发展和数字孪生技术演进升级，数字孪生技术加速与经济社会深度融合，促进了数字孪生技术在城市数字化转型中的创新应用。我国数字孪生技术应用成熟度进一步提升，智慧工业、智慧水利、智慧交通等中高价值场景成为行业应用热点。

1.1 5G与数字孪生技术的融合为城市数智化发展奠定坚实基础

我国已建成全球规模最大、技术领先的5G网络，网络覆盖能力持续提升，融合应用不断拓展，数字化转型支撑作用不断增强。从网络建设和用户规模来看，我国已建成全球最大的5G网络，实现全国所有地级市城区、县城城区以及绝大部分乡镇镇区的覆盖。截至2023年8月末，我国已累计开通5G 基站305.5万个，建成5G 行业虚拟专网超1.6万个，完成国民经济重点行业的覆盖，有效满足企业对数据本地化、管理自主化等个性化需求。从融合应用来看，5G 融合应用深入拓展，已成为推动经济社会数字化转型升级的关键力量。目前，我国5G已融入60个国民经济大类，应用案例超5万个，行业应用在项目数量和应用领域上全球领先。从产业生态来看，5G应用产业及生态加速成熟。我国已研究制定87 项5G应用标准，面向制造业、能源等十余个领域已形成近200 家的5G应用解决方案供应商，共评定创新中心32家。

5G与数字孪生技术结合，在数据采集和传输、计算和仿真、可视化和交互、安全和隐私等方面产生技术促进作用，推动数字孪生的发展和应用。在数据采集和传输方面，5G与物联网、感知等技术结合，可以支持大规模传感器和设备实时连接，并进行海量数据的采集和传输，实现对物理世界的实时感知和数据采集。在计算和仿真方面，5G与算力、大模型等技术结合，可以将计算任务分布到边缘计算节点和云端，提供更强大的算力支持，使得数字孪生能够处理更大规模的数据和复杂的模型，从而提高数字孪生的精度和准确性。在可视化和交互方面，5G 的高带宽和低延迟能力，可以支持高分辨率的可视化展示和实时的交互操作，使得用户可以获得更直观的体验，并进行远程操作和决策支持。在安全和隐私方面，5G 的网络切片和边缘计算能力，可以实现数字孪生数据的安全传输和存储，同时保护用户的隐私信息。

1.2 数字孪生应用场景创新驱动城市数智化发展

数字孪生应用规划化发展成效显著，与产业领域结合更加紧密。数字孪生技术加速与经济社会深度融合，应用场景成熟度进一步提升，“孪有所值”的中高价值场景落地成效较为明显。中国电信5G“绽放杯”应用案例梳理结果显示，兴业、善治、惠民分别占申报案例数量的48%、32%、20%，智慧工业、智慧水利、智慧交通等成为行业应用热点。根据近三年中国电信5G“绽放杯”应用场景案例情况，绘制形成数字孪生应用场景图谱。该应用场景图谱涵盖兴业、善治、惠民3 大类、智慧工业、智慧园区、智慧能源、智慧水利、智慧交通等15 个行业、虚拟工厂、无人巡检等47个典型场景。（如图1所示）。

5G行业虚拟专网、定位、上行增强等5G相关技术能力不断提升，驱动应用场景创新。5G 行业虚拟专网、网络切片、定位、上行增强、5G LAN、授时技术的占比分 别 达63.9%、40.5%、25.7%、14.8%、5.0%、4.7%。随着工业4.0时代的到来，工业自动化与智能化不断推进，5G 行业虚拟专网将加快建设，为各行业提供更先进、更智能化的网络连接服务。同时，5G与人工智能、物联网、边缘计算等新技术加速协同创新，不仅丰富了5G的应用场景，也加速了信息技术赋能各行各业，提升了社会生产力和生活质量，为构建高质量发展新引擎提供了强大动力。

基于5G的行业特色终端创新继续加速，5G行业终端更加丰富。数据采集方面，超一半的应用场景采用5G CPE和5G工业网关进行数据收集。5G CPE、5G工业网关、5G一体化传感器、5G定位终端、5G DTU、5G路由器、5G手持巡检设备等方式采集、传输占比分别达：51.8%、50.0%、27.5%、15.7%、14.2%、13.0%和12.1%。控制执行方面，超20%的应用场景采用5G AGV、5G机器人、5G PLC等设备。5G AGV、5G 机器人、5G PLC、5G机械臂等方式进行控制执行占比分别达21.3%、21.0%、20.7%和7.7%。部署方式方面，近一半的应用场景采用5G摄像机、AR/VR/MR、5G直播背包、摄像头/相机、5G记录仪等方式进行视频采集，占比分别达47.3%、44.4%、16.6%、12.1%和5.9%。

图 1 5G+数字孪生应用场景图谱

2 数字孪生技术赋能城市数智化发展面临的诸多挑战

尽管数字孪生应用规模化发展成效显著，但是仍面临关键技术制约、高价值场景少、产业生态不健全等挑战。因此，有待加快克服这些挑战，以更好地发挥数字孪生技术的作用，推动城市数智化发展。

2.1 关键技术“卡脖子”制约，技术原始创新不足

当前，我国在新型测绘、标识感知、协同计算、全要素表达、模拟仿真等多个关键技术方面仍需要加强自身发展，许多基础性技术仍依赖国外开源技术。首先，海量数据加载技术、云网协同技术、模拟仿真技术等成熟度还不高，各种设计模型主要由西门子、达索等国外企业主导，核心技术的自主水平还不够。其次，CPU、GPU 芯片等算力设备仍处于发展阶段，操作系统、驱动中间件与国外存在较大差距，各种传感器在技术和成本方面仍未进入良性循环轨道，仍需要市场培育。

2.2 高价值场景少，应用开发深度与广度不足

目前，我国数字孪生应用仍以简单场景的可视化和城市静态实体展示管理为主，尚未充分发挥数字孪生的虚实互动、仿真推演和智能决策等价值。首先，大多数应用场景案例侧重于构建基础能力，例如空间剖切、空间查询、空间统计和光照分析等，而对于深度应用场景需求的能力建设较少，例如城市生命线的碰撞检测、基于孪生体的全流程轨迹溯源和基于孪生空间的水淹效果分析等。其次，缺乏对业务场景的深度理解和需求分析，过度关注3D 精细化呈现，导致数字孪生技术应用与城市发展实际需求脱节。此外，算法模型与动态数据融合不够深入，快速分析与辅助决策能力不足，数字空间的模拟仿真和态势预测等价值远未充分释放。

2.3 产业生态还不健全，缺少实力强的链主企业

我国数字孪生各个领域应用建设仍处于“政府主导，企业各自为战”的阶段。目前，企业间的生态合作还不够紧密，无论是从CPU/GPU到数据格式、数据资源治理、平台支撑能力，还是具体业务流程等环节，都尚未形成整体方案。现有行业企业规模较小，缺乏实力强大的链主企业，还未形成生态引领态势，产业主体有待进一步壮大。此外，行业缺乏数字孪生公共服务平台，难以支持数字孪生生态运营、场景推广、产业发展和技术协同创新。

3 数字孪生应用场景落地的建议

通过加大关键技术研发投入、找准“小切口”培育高价值应用场景和搭建行业交流平台等多方面举措，加快构建数字孪生技术体系，推动数字孪生技术在城市数智化发展中发挥更大的作用。

3.1 加大关键技术的研发投入，构建数字孪生技术体系

加强数字孪生技术的理论研究，推动数学建模、算法设计、数据挖掘等方面的研究，为数字孪生技术的实际应用提供坚实的理论基础。加强政府、企业、科研机构和用户等各方面的合作，强化自主核心技术研发创新，通过科技专项、政策扶持、揭榜挂帅等手段，推动数字孪生技术单领域突破与集成创新交织演进，实现技术的跨越发展。构建“感知标识+地理信息+建模渲染+算法仿真+虚实交互”的数字孪生城市技术体系。发挥标准在推进数字孪生中的基础性、引领性作用，加快建立我国数字孪生技术应用标准体系。

3.2 找准“小切口”，多措并举培育高价值应用场景

坚持以高价值应用场景为驱动，聚焦不同行业领域的差异化需求，找准中高价值的“小切口”应用场景，拓展工业、矿业、电力、港口、交通等先导领域的应用规模，深入挖掘医疗、教育、能源等试点领域的典型应用场景，探索形成一批典型的数字孪生场景示范标杆。围绕跨部门、跨行业、跨系统、跨平台的综合业务场景，通过最小化拆解业务流程和系统性重构，形成数据架构和应用架构，指导高价值数字孪生场景的落地。

3.3 搭建行业交流平台，构建优势互补、协同共赢的产业生态

以产业联盟为抓手，联合政府部门、科研机构、产业链上下游企业，共同推动数字孪生城市产业的发展与合作。设立数字孪生城市创新应用实验室，共同探索数字孪生技术在城市治理和服务中的各种应用场景，促进产业链的交流合作和需求对接，构建优势互补、协同共赢的产业生态系统。聚焦市政管理、交通、文旅、园区和制造等重点领域，协同产业链上下游，围绕行业需求，开发一批行业数字孪生解决方案，并向全国推广。同时，探索建立数字孪生产业金融扶持平台，支持有条件的企业在科创板和创业板上市。

4 结束语

数字孪生技术是一种新兴的技术手段，具有巨大的潜力和广阔的应用前景。通过挖掘数字孪生的高价值应用，推动城市数智化发展，为城市的可持续发展和人们的生活带来更多便利和改善。当前，数字孪生应用仍面临诸多挑战，还需不断探索数字孪生技术的应用领域和商业价值，加强数字孪生技术的研究和开发，为城市的智能化发展提供更有力的支持和保障。■