2023年数字孪生世界白皮书

版权声明本白皮书版权属于数字孪生世界企业联盟和杭州易知微科技有限公司并受法律保护。转指导老师序字孪生技术战略研究布局和技术融通创新。数字孪生最早主要应用于军工及航空航天领本次白皮书分为数字孪生综述、技术架构建设生场景渲染能力、数字仿真能力、虚实交互能力7大数字孪生世界建设核心能力。成为产业发展的重要路径。易知微数字孪生产品矩阵中的EasyTwin数字孪生融合渲染引擎、EasyVforUnreal数字孪生双向通信插件、EasyMan数字孪生数字人分别在全方位融合扫码获取《数字孪生世界白皮书（2022）》 （一）数字孪生高速发展，成为数字经济热点 1（二）打造“数智视融合、虚实人联动”的数字孪生世界 3（三）持续推进数字孪生世界“多跨”数智场景建设 4 8 14 （一）物理世界感知能力 21 24 24 27 38 40 43 51（五）数字孪生场景渲染能力 56 56 68 （六）数字仿真能力 76 81 87 88 90（一）数字孪生园区 （三）数字孪生工厂 （四）数字孪生水利 （五）数字孪生双碳 137一、数字孪生：数智视融合,构建数字产业生态链（一）数字孪生高速发展，成为数字经济热点图1全球数字孪生城市项目应用占比，数据来源：WEF在国内将成为数字孪生融合发展的先行领域。根据艾瑞咨询数据显示，2022年我国数字图2艾瑞咨询2023年中国数字孪生城市行业研究报告：中国数字孪生城市产业图谱1艾瑞咨询：2023年中国数字孪生城市行业研究报告（二）打造“数智视融合、虚实人联动”的数随着物联网、5G、云计算、大数据和AGI（ArtificialGeneralIntelligence，通用人工智智能化是数字孪生的关键变量。智能算法是实现数字孪生技术在行业落地的关键变（三）持续推进数字孪生世界“多跨”数智场景建设2）实时感知控制层。主要由智能传感器数据采集、高速数据传送和全生命周期5G技术的发展，使得高性能传感器可以获得高速低延时的双向数据传输图3数字孪生城市工程技术体系EasyTwin数字孪生融合渲染引擎。数字孪生应用双模式架构选型对比常见技2.基于游戏引擎封装适用于数字孪生项目的融合渲术3.基于WebGL封装的渲染库开发适用于数字孪生项路目的融合渲染引擎，再基于自研的引擎的进行开线优势以帮助数字孪生场景的开发者快速创建、编(2)游戏引擎有庞大的用户社区和插件库，这意(1)数字孪生建设中，除去孪生场景的开发外，的研发效率，且实现效果更好。尤其结合光源和特效等等，这些要素需要在渲染时同时被处理。游戏引擎在处理大规模场景方面挡剔除（OcclusionCulli景中物体的距离和可见性来自动调整渲染的精细度和数量，从而在不影响渲染质量的前(2)游戏引擎本身具备许多性能优化技术，如批Instancing可以将多个物体合并成一个批(3)可更高效的利用客户端的硬件资源进行加统一管理和维护，减少了客户端的更新和维(2)可以方便地进行远程协作和数据共享统一管理和维护，减少了客户端的更新和维(2)可以方便地进行远程协作和数据共享，利于务系统配合，最终集成其他业务系统或是被劣势(2)客户端开发工程师相较于前端开发工程师数4.对硬件设备有要求：最终输出的exe文件仅支持windows系统运行；1.1.资源包体大小要求高：由于数据传输需要通过网减，渲染效果表现力下降以及性能优化手段非常成熟的三维渲染能力、场景编辑能力和以EasyTwin数字孪生融合渲染引擎建设实践为例图4EasyTwin基础架构图模型导入、模型位置调整、场景导入导出、资源管模型导入、模型位置调整、场景导入导出、资源管EasyTwin的组态化功能可以较好的解决纯代码开发以及通过支持H5的游戏引擎打包图5不同Web3D引擎的渲染效果接在编辑器中创建材质资源接在编辑器中创建材质资源，并调整材质参数。这样建模师将模型导入EasyTwin后，直接在EasyTwin中对模型材质参数修改，即可预览到最终渲染效果，不必再回到建模软件也会提供丰富的材质库，模型导入EasyTwin后可以使用材质库中的材质对模型进行材质PM/PD：数字孪生三维场景搭建是一种在数字空间实现物理世界场景的数字化建模和渲染的指数字孪生场景与物理世界场景之间在视觉上的相似度或差异度，通常分为L1~L5五个等使用高质量的模型、纹理和材质，提升美术效果和性能指标，使用LOD、CullDistance、Lightmap等工具来优化场景，根据功能场景和用设备标记、数据绑定：从CAD或者其他参考图纸上找到设备对应的位置和编号。在击的设备里制作点击POI后将设备ID传给Web并时间设置可以选择为接入标准的北京时间数据来实现孪生场景与真实世界的时间与环境将对应的Web页面嵌入到游戏引擎中，可将带有可视化图表的页面与三维孪生场景一起PM/PD：根据场景地编需求提供定制模型项目建模）根据场景地编需求提供预制模型资产库制作）根据场景地编的需求提供特殊材质效果、程序与开发对接处理交互时产生的视觉效果如拆楼、水坝放水的水流等需要按钮）；三、数字孪生核心技术：加速发展和融合应用2CAICT中国信通院：《数字孪生城市白皮书（2022年）》，2023年1月发布如在水利行业中透彻感知依托水利感知网实现，水利感知网是智慧水利的“感知系水利感知网利用视频监控设备，动态监测和实时采集河道/水岸线人、水、物三大类水利2、核心应用场景以智慧水利行业为例，水利感知一张网是建设数字孪生水利应用不可或缺的底层输图7宇视科技水位感知监测应用图8宇视科技智能水体颜色识别应用图9宇视科技智能积水识别应用图10袋鼠云数据治理架构2、数据治理模式图11数据治理三大基础模式3、数据治理实施路径图12数据治理实施路径三大阶段4、大型数字孪生项目数据治理实践跨层级、跨业务、跨隶属关系的管理协作单位超过50家并集多种图13数字孪生V字模型冻、大风、高温等6个二级任务，以及交通图14某大型数字孪生项目需求概览图15某高铁枢纽数字孪生全景运行图图16某高铁枢纽数字孪生应用数据治理成果矢量数据文件主要常见的数据格式有：GeoJSON、ShapeFile、TopoJSON、WKB/WKT（Well-knowntext）、KML/KMZ。其中在实际项目里最常见的GIS矢量数据文件格式是GeoJSON和ShapeFile。GeoJSON是一种基于JSON（JavaScriptObjectNotation）格式的地图矢量数据格式，边界、建筑、路网、河流水系等。图17EasyMap中生成点、线、面数据Shapefile是一种开放的地图矢量数据格式。它包含至少三个文件：.sEasyMap：https://map.easyv.cloud/高德开放平台：/全国地理信息资源目录服务系统和OpenStreetMap中获取。图18数字高程模型（DEM）图19数字表面模型（DSM）3）数字正射影像（DOM）/彩色经逐个象元进行投影差改正，再按影像镶嵌，根据图幅范OpenStreetMap，那么数据使用的坐标系基本为WGS84。GCJ-02火星坐标系：由中国国家测绘局制订的地理信息系的各种地图系统必须至少采用GCJ-02对地理位置进行首次加密。如果地图数据来源为高BD-09百度坐标系：在GCJ-02坐标系基础上再次加密，如果地图数据来源为百度地CGCS2000国家大地坐标系：根据国家测绘法规定，中国建立全国统一的大地坐标系4、在线地图服务百度、天地图、OpenStreetMap、Mapbox等。三维数字孪生模型在数字孪生领域的应用可以分为以下几个方三维数字孪生模型可以支持数字孪生的多维度展示和交互，使得用户能够从不同角2、模型数据的采集与处理人工测绘一般来说可以分为以下几个步骤：倾斜摄影测量是指在同一台无人机上搭载着镜影像，另外四台从前后左右4个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在40°~60°倾斜摄影技术主要具有以下技术优势：一是可以快速获取数字高程模型。激光点云数据是激3、常见三维建模软件BlenderBlender是一款由美国公司PTC开发的数字孪生软件，它可以将物理世界中的实体转换为数字模型，并在数字环境中进行仿真和分析。Blender提供了一个可视化的界面，使Maya/3DMAXMaya/3DMAX是一款数字内容创建软件，主要用于三Substance3DPainter是最具创新性和用户友好性的3D绘图器，广泛用于游戏和电影制作以及产品设计、时尚和建筑中。在数字孪生中Substance3DPainter能提供从无到有的贴图绘制制作，使为3D基于手工模型制作的数字孪生建模方法主要涉及以下几个关键技术：需要通过Blender等软件对模型进行手工重构重建，并利用图21倾斜摄影模型示例将已经处理优化后的倾斜摄影通过平台加密上需要对倾斜摄影的OSGB、3DTil图22加载倾斜模型示例PBR（Physically-BasedRendering）流程其实是一个很复杂的概念，它的基本概念是一图23模型对比示例是PBR流程最基础的中模、高模、低模以及对模型的烘培是相同的。3在建模软件中拓扑低模，形成优化网格和拆分UV坐标的低多边形模型；4在3D纹理贴图软件中烘焙贴图，将高模的信息投影到图24PBR流程模型示例BIM（BuildingInformationModeling）是继CAD之后整个工程建设领域的第二次数字革Blender或其他建模软件做BIM模型的轻量化，常见的操作有：使用多边形简化或网格简化（PolygonReduction/MeshSimplification）工具，根据一定AutoCAD.dwg/.dxf/.dwt/.dwsSketchupAutodeskRevit.rte/.rvt/.rfa进行obj的导出或者stp格式的导出，需要保持UV坐标系的一致性，避免出现UV重叠或错位的情况；使用合适的UV展开方式，根据模型的形状和贴图的特征，选择最优化的展开遵守贴图层面要求（具体可细看下面贴图层面案例细选择合适的贴图格式，根据不同的平台和需求，选择最优化的压缩比和清晰控制贴图数量和大小，尽量减少不必要的贴图，并将多个贴图打包到同一个使用高效的UV展开和打包工具，避免出现UV重叠或错位等问题，并提高贴选择合适的减面工具，根据不同的模型格式和需求，选择最优化的算法和参模型轻量化处理通常会选择使用模型减面工具进行减面优化处理，处理完成后导入5、程序化建模Houdini具有以下技术特点，可以帮助技术人员快速制作高质量数通过简单的参数控制快速生成符合规划标准的城市场景。此外，Houdini还可以通过实现城市道路系统、建筑物等元素的可编程化，以及通过使用各种分形算法和L-系统算法、图26基于Houdini生成的城市建筑场景然环境场景。通过使用L-系统、分形算法等方法，Houdini可以自动地生成树木和植被，图27基于Houdini生成的自然环境场景这些数据量通常非常庞大，需要一定的存储和管理能力。Houdini程序化生成技术可以通CityEngine是一款使用基于代码的程序化方法来高效地生成三维城市模型的软件。最面纹理、报告和仪表盘生成以及3D模型创建等易用功能的特点。支持多种格式的导入和使用基于WebGL封装的渲染库直接进行开发，例如three.js、babylon.js。适用于体量复用性低：由于根据业务需求进行深度定制可复用的效果较差：能支撑的三维场景体量小，能达到代码冗余多：游戏场景中场景和逻辑同等重要，逻辑上多为事件驱动n每次场景修改都需要重新打包WebGL；擎的进行开发，例如EasyTwin数字孪生融合渲染引擎。适用于有大量中大型数字孪生需维护成本低：低代码化、配置化实现孪生场景，业务的修改渲染引擎的研发成本高：需要较强的技术能力通用化、组态化引擎的场景编ViewBillboard； 4LOD； 5GPUDrvien；图28基于WebGL生成的数字孪生植被自然场景UnrealEngine（下文简称为UE是一款由EpicGames开发的游戏引擎，用于创建电他们在一个集成化的环境中进行开发。UE在数字孪生领域中发挥着重要图29蓝图系统Lumen技术图30基于UE的数字孪生天气系统[晴天/阴天/雨天/雪天]图31基于UE的昼夜交替系统图32基于UE的数字孪生四季切换系统[春/夏/秋/冬]图33基于UE的热力图图34基于UE的交通路况模拟展示和POI点展示图35基于UE的路径导航效果图36基于UE的粒子特效模拟火灾效果图37基于UE的人物动态效果模拟图38基于UE的自定义描边效果应用图39基于UE的模型切割透视效果和电梯透视管理3、Unity3D游戏引擎Unity是一款由UnityTechnologies公司研发的跨平台2D/3D游戏引擎。它以交互的图型化开发环境为首要方式，编译器运行在Windows和MacOS下，可发布应用至Windows、画、数字孪生等领域的综合型应用开发。它的编程语言是C#，本质上属于游戏引擎和游甚至影视动画制作等传统行业的内容设计制作流程中。通过将模型引入3D制作引擎，使Solidworks、JT、FBX、3dxml、OBJ、DAE、3DS、STL等。Unity提供对第三方仿真软件接Unity开发支持当下较为流行的主流平台，能够满足绝大部分项目需求。Unity多平台Unity平台提供了实时渲染、物理引擎、MR等关键技术，渲染底层支持DirectX和OpenGL。开发者可以通过三维扫描方式对真实模型和场景进行数据采集进而导入进UnityShaderLab建立自己的Shader。先进的遮挡剔除（OcclusionCulling）技术以及细节层级显图40基于U3D的数字孪生天气雪天效果图41基于U3D的数字孪生夜景效果图42基于U3D的数字孪生热力数据展示图43基于U3D的POI点位动态数据展示图44基于U3D的漫游路径导航效果图45基于U3D的动态模型扫描效果4、实时云渲染技术路线图46UE像素推流功能技术框架像素推流技术的框架包含两部分：像素推流插件PixelStreamPixelStreamingPlugin插件在UE中运行，它使用视频压缩对每个渲染帧的个或多个连接的浏览器。信令和Web服务器负责协商浏览器和像素流插件之间的连接，并为浏览器提供播放媒体流的HTML和JavaScript环境。3DCAT实时云渲染图473DCAT云渲染方案应用架构采用3DCAT云渲染方案，将渲染任务都放置在高性能的服务端来进行1、仿真模型构建的通用技术路线图48数字孪生模型构建通用技术方法路线第二阶段训练数据生成：为了生成零部件应力/变形场ROM(依据响应面拟合方法，构建载荷识别ROM。此外第四阶段数字孪生体模型建立：把第三阶段中生成的载荷识别ROM和应力/变形场片的应变数据实时计算得到零件所承受的载荷时间历程、零件的应力/变形结果及云图等图49零部件系统仿真模型示意图2、典型应用案例图50基于数字孪生体的服务模式（来源：ANSYS）边缘计算系统。PTCThingWorx平台创建了一个可将设备和传感器连接到物联网的生态系统，该系统能充分释放物联网数据蕴藏的巨大价值。ThingWorx可作为传感器与数字模型成有洞察力的信息和预测结果。传感器数据和分析结果以及部件列表、维修说明和其它基于部件的信息叠加到泵的图像图51挖掘机动臂历程识别；第二部分为降阶模型ROM：包括利用应变时所有仿真环境，部署到终端设备（如IoT平台）可对实时采集的应变数据进行响应计算，图52挖掘机动臂数字孪生模型建立技术路线图53挖掘机动臂数字孪生体模型建立实施过程快速构建完全脱离有限元仿真环境的动臂数字孪生体模型及不同操作平台的部署应随着数字孪生可视化的市场需求迸发及行业的日益成熟，数字孪生驾驶舱的发展从指挥调度、城市智能运营中心IOC、设备监控管理运维等。5中国信通院：数字孪生城市成熟度研究报告（2022年）图54联动预案指挥体系架构图者是基于DTable低代码数据协作平2、典型数字孪生联动预案指挥体系案例图55某大型交通枢纽数字孪生数智应用图56某大型交通枢纽联动预案指挥体系（模拟数据）图57数字孪生园区联动预案指挥业务逻辑图58智慧园区数字孪生系统该园区管理数字孪生联动预案指挥体系，是用EasyV低代码数字孪生可视化平台和四、新型技术成果：降低数字孪生应用建设门槛（一）EasyTwin数字孪生融合渲染引擎EasyTwin数字孪生融合渲染引擎是一款数字孪生应用开发平台，以产品化实现入门级图59EasyTwin数字孪生融合渲染引擎开发面板图60基于EasyTwin实现的数字孪生应用示例（二）EasyVforUnreal数字孪生双向通信插件据也较为便捷。通过EasyVforUnreal插件进行双向通信图61EasyMan核心应用场景五、数字孪生世界：重点行业解决方案探索2035年远景目标纲要（草案）》要求加快数字化社会建设步伐，提供智慧便捷的公共服全国各省市智慧园区地方政策（部分）《上海产业园区转型打造可持续发展将园区打造成为以全面感知和泛在联接为基础，具备主动服《天津市智慧城市建推进智慧园区试开展园区管理信息系统建设，搭建集园区招商管理、物业服经济和社会发展第十四个五年规划和二〇泛在互联、智能《浙江省推进数字化支撑园区企业数微企业园及产业集群中的应用，整合园区内《山东省传统产业智能化技术改造三年行动计划（2020年）》推动产业园区内企业两化深度融合，建设以设施数字化、管智慧园区试点工作的通知》打造国家重要先进制造业高低的推动全省园区产业高端化智能化绿色化融合化发展，奋力打《安徽省国民经济和社会发展第十四个五目标纲要》打造可持续发展初步建成具有卓越竞争力的世界开发区打造成为绿色发展、强化招商引资，讲开发区打造成产业强省的主引擎、改革开放的先行区、创新驱动的引领区和产城融合的示型智慧城市发展规划（2021-2025年）》打造园区智慧服《重庆市渝北区智慧划》建设智慧园区，全面提升园区服图62卓见云数字孪生智慧园区建设架构该智慧园区数字孪生云脑建设存在如下难点：该项目主要围绕以下建设思路进行：设备设施统一集成。支持园区内的物联设备及该项目主要针对以下场景进行应用建设：建立完整楼层、建筑、设备安装部署情况及相关附属设施的直观3D展示场景。为园图63卓见云智慧园区数字孪生云脑总览图64卓见云数字孪生园区应急指挥场景该智慧园区数字孪生系统建设存在如下难点：该项目主要针对以下场景进行应用建设：图65易知微数字孪生园区系统总览图66易知微数字孪生园区设备管理该模块由园区用水分析图、园区用电分析图、电梯运行图67易知微数字孪生园区资源管理图68易知微数字孪生园区车辆管理图69易知微数字孪生园区智慧安防图70易知微数字孪生港口建设架构该项目主要围绕以下建设思路进行：该项目主要针对以下场景进行应用建设：图71数字孪生港区作业动态拟真场景图72数字孪生港区智能操作模块图73数字孪生港口集卡指挥调度图74数字孪生港口车路协同一体化图75数字孪生港口智能仓储管理渗透，制造业数字化转型步伐明显加快。到2025年规模以上制造业企业大部分实现数字在技术的更新迭代和国家政策的推动下，数字孪生技术在工业领域中成为生产的宠图76数字孪生工厂的组成要素资金积压等资金积压等。突破重围的必经之路，就是进行数字化转型。随着智能工厂中国制造2025图图77数孪云数字孪生智慧工厂运营管理系统架构图该智慧工厂运营管理系统建设存在如下难点：该项目主要围绕以下建设思路进行：图78数孪云智慧工厂生产过程模拟仿真图79数孪云智慧工厂生产过程孪生总览图80数孪云智慧工厂多信息系统集成管理图81数孪云智慧工厂生产监控图82数孪云智慧工厂库存管理分析、能耗指标综合考评,帮助管理者实时了解厂区能耗状况,为资源合理调配、厂区图83数孪云智慧工厂能耗管理图84数孪云智慧工厂数字孪生双向控制网络化、智能化建设目标，阐释了智慧水利建设中数字孪生流域的定位和作用，构建了图85易知微数字孪生智慧水利应用建设架构易知微基于EasyV数字孪生可视化平台、EasyTwin数字孪生融合渲染引擎和EasyVfor该数字孪生水利工程应用建设存在如下难点：该项目主要围绕以下建设思路进行：该项目主要针对以下场景进行应用建设：图86数字孪生水利数据底板建设逻辑图87数字孪生水利数据底板宏观尺度图88数字孪生水利数据底板中观尺度图89数字孪生水利数据底板微观尺度图90某数字孪生水利工程监测感知体系水准监测图91某数字孪生水利工程监测感知体系垂线监测图92某数字孪生水利工程成果可视分析横向扬压力图93某数字孪生流域成果可视分析上下游水平位移图94某数字孪生水利工程成果可视分析垂直位移图95某数字孪生水利工程成果可视分析有限元计算图96某数字孪生流域防洪预演场景峰实施方案》，要求打造绿色低碳工业园区，引导提标改造，打造“零碳工厂”。2022图97中创碳投数字孪生企业能碳管理系统建设架构该数字孪生能碳管理系统建设存在如下难点：该系统主要围绕以下建设思路进行：图98中创碳投企业能碳管理系统智慧能碳数据采集服务购入电力/热力、产品及原材料运输、废弃物处