二、数字孪生技术：数字化基础设施
中国信通院在数字孪生城市白皮书中指出，数字孪生的本质是技术集成3。数字 孪生的实现需要依赖诸多基础数字技术的融合创新，这正是这些基础数字技术的蓬 勃发展，数字孪生才有机会从小尺度到大尺度都有了更多的应用场景，并变成了新 的融合贯通式的数字化基础设施。
（一）物联网 物联网 (Internet of Things, IoT) 是通过智能传感器、射频识别设备 (RFID)、卫 星定位系统等信息传感设备，按照约定的协议，把各种设备连接到互联网进行数据 通信和交换，以实现对设备的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 2005 年国际电信联盟 (ITU) 在突尼斯举行的信息社会世界峰会 (WSIS) 上正 式确定了“物联网”的概念，并随后发布了《ITU Internet reports 2005——the Internet of things》，介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇。 物联网的技术构成主要包括感知与标识技术、网络与通信技术、计算与服务技 术及管理与支撑技术四大体系。感知和标识技术是物联网的基础，负责采集物理世 界中发生的物理事件和数据，实现外部世界信息的感知和识别，包括多种发展成熟 度差异性很大的技术，如传感器、RFID、二维码等；网络是物联网信息传递和服务 支撑的基础设施，通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性传送； 海量感知信息的计算与处理是物联网的核心支撑，服务和应用则是物联网的最终价 值体现；管理与支撑技术是保证物联网实现“可运行-可管理-可控制”的关键，包括测 量分析、网络管理和安全保障等方面（孙其博，刘杰，黎羴，等，2010）。 物联网是将物理世界进行数字化连接，实现实时感知控制能力的“最后一公里” 式的基础设施。 3 CAICT 中国信通院：《数字孪生城市白皮书（2021 年）》，2021 年 12 月发布。数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2022) 8
（二）5G 通信网络
5G 即第五代移动通信技术，具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移 动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。国际电信联盟 (ITU) 定义了 5G 的三大类应用场景，即增强移动宽带 (eMBB)、超高可靠低时延通信 (uRLLC) 和海 量机器类通信 (mMTC)。 5G 具有大容量、高速率、低延时和高移动性等典型特性（沈洲，安岗，余明明， 2019）。1）高速率。单用户峰值速率超过 1Gbps，可满足工业等客户对于高速数据采集、 传输需求，例如高清晰度视频信息的传输。 2）低时延。超高可靠与低时延的通信，可将传输时延控制在 10ms(R15 版)，甚 至在 1ms (R16 版本) 之内，可以满足工业场景下的实时控制类应用。有专家甚至认 为，未来 5G 的应用 80%将集中在工业场景。 3）大容量。可提供 1 平方公里范围内超过百万设备的海量连接能力，为万物互 联提供通信基础。 4）移动性。发挥移动通信无线及漫游切换的优势，为生产区域的无线化、动态 化、个性化、广域化发展趋势提供可靠的网络保障。 5G 为工业互联网、物联网和数字孪生提供了海量设备的高带宽低延时双向通信 能力，有了这个通信能力，才能真正的实现万物互联和实时感知控制。
（三）云计算
云计算 (Cloud Computing) 是网格计算、并行计算、网络存储等传统计算机技术 和网络技术发展融合的产物，是一种新型的数据密集型的超级计算方式，运用了虚 拟化技术、数据存储技术、数据管理技术、编程模型等关键技术 (罗茂兴，2019)。数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2022)9 1）虚拟化技术。虚拟化是针对计算元件的运行基础而言，区别于原始计算模式， 云计算主要以虚拟基础作为运行基础而不是真实硬件基础，能够更好的了解用户需 求，更快的整合资源信息，同时也提高了资源利用率、运行系统的可靠性和自愈性。 2）数据存储技术。云计算在数据储存方面主要采用分布式储存的方式。分布式 储存是较为灵活的储存方式，主要是冗余储存，将同一份数据储存多个副本，具有 安全性和可靠性特点。 3）数据管理技术。要想用户能够体会到高效、快捷的服务体验，关键的步骤是 对储存信息进行科学管理，目的是使用户能够在大量数据库中快速找到自己想要了 解的信息，由此基础上发展出了大数据技术。 4）编程模型。云计算中的编程模型不需要太复杂，这样反而不利于后台任务的 并行执行。简单、易操作是云计算中编程模型的主要特点。 云计算是一种新型的按需付费的商业模式，将硬件、平台以及软件作为服务通 过互联网提供给用户。使用云计算服务时，用户无需配置昂贵的硬件和复杂的软件 系统，也不需要关心数据存储的位置，可以像电一样可以即插即用。 云计算的快速发展，为各行各业提供了分布式可扩展的数据存储和计算能力， 有效整合了各类设计、生产和市场资源，促进产业上下游的高效对接和协同创新， 大幅度降低建设投入成本和数字化技术门槛，使得技术资源配置方式发生了重大变 革。云计算可以说是数字化改革最重要的底层技术基础设施。
（四）人工智能
2017 年 7 月中国发布的《新一代人工智能发展规划》，提出人工智能作为新一 轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量， 并创造新的强大引擎，重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏 观至管观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式， 引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力 的整体跃升。数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2022) 10 人工智能已经从早期的模仿人类，单一的单机智能转变为数据驱动，基于网络 协同的系统。基于云计算和大数据基础设施之上，人工智能将成为未来智能时代最 重要的数字生产力。在线化、数字化、智能化也是走向未来智能时代的必由之路。 数字孪生世界的构建必然要依赖于人工智能的发展。技术方面，人工智能为数 字孪生体运行过程中提供了诊断、预测、决策等核心支撑，构成了数字孪生信息中 枢的智能引擎。价值方面，人工智能的价值一定更多体现在多跨场景应用中，最终 为用户带来便捷和体验升级。
（五）建模仿真
仿真是理论和实验之外认识世界的第三种手段，可以不受时空的限制，观察和 研究已经发生或者尚未发生的现象，极大的拓展了人类认识和改造世界的能力。对 于一些负载系统或者特殊领域而言，建模仿真技术可以发挥独特的作用，有时候甚 至是唯一的手段。数字孪生技术从某个角度也可以说是一种在线数字建模仿真技术。 构建数字孪生的第一步是创建高保真的数字孪生体虚拟模型，真实的再现物理 实体的几何图形、属性、行为和规则等。数字孪生体模型不仅要在几何结构上与物 理实体保持一致，更重要的是要能模拟物理实体的时空状态、行为、功能等。当前， 大多数仿真建模方法都存在灵活性差、配置复杂易出错等缺陷，要实现高置信度的 数字孪生体模型，还需要在高保真建模仿真技术上取得进一步发展。
（六）GIS
GIS (Geographic Information System) 是在计算机软硬件系统支持下，对整个或部 分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运 算、分析、显示和描述的技术系统。 GIS 的概念最早在 1963 年就已经出现，1965 年加拿大建成世界上第一个 GIS。 由于迅速增长的三维空间信息需求和新兴智能技术的发展，人们不仅需要精确的地数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2022) 11 理位置服务，还对现实空间的三维模拟产生了向往。所以，三维 GIS 成为了目前 GIS 领域中的研究主流。三维 GIS 有着良好的优势来替代传统的二维 GIS，其打破了二 维 GIS 在空间信息表达中的缺陷，能够在现实的三维空间中对城市中的各个部分和 细节进行精准的刻画，促进城市的数字化、信息化和智能化发展。 （七）BIM BIM (Building Information Modeling) 是继 CAD 之后整个工程建设领域的第二次 数字革命，对建筑行业的生产组织模式和管理方式产生了深远的影响。BIM 的核心 是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、 与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、 专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。 简单的说，BIM 是建筑设施物理和功能特性的数字化表达。基于 BIM 技术，可 以将建筑设施的各种信息集成在模型要素上，构建出建筑的数字孪生体。无论是效 率上还是数据上，都带来了极大的便利性。 2011 年住建部发布了《2011-2015 年建筑业信息化发展纲要》，首次将 BIM 技 术纳入建筑信息化的标准中（王建翔，胡蔚，2021。并在 2015 年和 2016 年相继推 出《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》、《2016-2020 年建筑业信息化发展纲 要》，再次明确 BIM 成为“十三五”建筑业重点推广的包括 BIM、大数据、智能化、 移动通讯、云计算等五大信息技术之首。
以上内容摘自易知微和数字孪生世界企业联盟出品《数字孪生世界白皮书(2022)》
