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数字孪生：5G时代的重要应用场景 可为政府部门、制造企业和从事工业制造政策制定、管理决策和咨询研究的人员提供参考为高等院校相关专业的师生和对工业智能制造感兴趣的读者学习阅读。

简介

本书内容包括数字孪生概论、数字孪生技术、数字孪生与工业4.0、数字孪生城市、数字孪生在其他领域的应用、数字孪生应用案例、数字孪生技术的挑战与发展趋势、数字孪生经济产业政策。本书涵盖了数字孪生的诸多重要技术点，列举了大量案例进行理论分析，并在多方面提出了创新观点。通过阅读本书，读者可以深入了解数字孪生这一新兴学科。

关于作者

著名作家陈根；北京大学特聘课程教授、南京航空航天大学客座教授、北京林业大学研究生导师、华东理工大学创新创业导师；彼时任人民日报、第一财经、新浪、网易等多家媒体特邀专栏作家，并担任央视大型纪录片《大国重器》特邀策划人。出版专着50余部，涵盖金融、科技、地产、医疗、设计等领域，是前沿科技领域公认的意见领袖。既有扎实的理论基础，又有丰富的实践经验。曾担任多家上市公司高管，在战略规划、企业转型、企业管理、资本运作等方面成绩斐然。是国内少有的产业金融两栖专家。

目录

第 1 章数字孪生简介

1.1 数字孪生的定义

1.1.1 数字孪生的一般定义

1.1.2 “工业4.0”术语编写组的定义

1.2 数字孪生和数字债券

1.3 数字孪生技术的演进过程

1.3.1 美国宇航局阿波罗计划

1.3.2 Michael Greaves 教授提出数字孪生的概念

1.3.3 美国空军研究实验室（AFRL）提出使用数字孪生解决战斗机机身的维护问题

1.3.4 NASA 与 AFRL 的合作

1.3.5 数字孪生技术的先进性已被许多行业学习和吸收

1.4 数字孪生技术的价值和意义

1.4.1 数字孪生技术的价值体现

1.4.2 数字孪生技术的意义

第 2 章数字孪生技术

2.1 数字孪生的相关领域

2.1.1 数字孪生和计算机辅助设计

2.1.2 数字孪生和产品生命周期管理

2.1.3 数字孪生和物理实体

2.1.4 数字孪生和网络物理系统

2.1.5 数字孪生和云

2.1.6 数字孪生与工业互联网

2.1.7 数字孪生与车间生产

2.1.8 数字孪生与智能制造

2.1.9 数字孪生和产业边界

2.1.10 数字孪生和 CIO

2.2 数字孪生技术体系

2.2.1 数据保护层

2.2.2 建模与计算层

2.2.3 功能层

2.2.4 沉浸式体验层

2.3 数字孪生的核心技术

2.3.1 多领域多尺度融合建模

2.3.2 数据驱动和物理模型融合状态评估

2.3.3 数据采集与传输

2.3.4 生命周期数据管理

2.3.5 VR 演示

2.3.6 高性能计算

2.4 创建数字孪生

2.4.1 创建数字孪生的两个关键点？

2.4.2 如何部署和创建数字孪生

第 3 章数字孪生和工业 4.0

3.1 产品数字孪生

3.1.1 产品数字孪生的定义

3.1.2 产品数字孪生的四大基本功能

3.1.3 产品数字孪生的基本特征

3.1.4 产品数字孪生的核心价值

3.2 数字孪生和生命周期管理

3.2.1 数字孪生的架构

3.2.2 数字孪生在生命周期各个阶段的表现

3.2.3 数字孪生在生命周期各阶段的实施途径

3.3 大型软件厂商对数字孪生的理解

3.3.1 西门子

3.3.2 通用电气

3.3.3 PTC

3.3.4 甲骨文

3.3.5 SAP

3.4 数字孪生生产发展趋势

3.4.1 伪实现

3.4.2 全生命周期

3.4.3 集成

3.4.4 与增强现实技术集成

第 4 章数字孪生城市

4.1 数字孪生城市概念的兴起

4.2 数字孪生城市的四大特征

4.2.1 精确映射

4.2.2 虚实交互

4.2.3 软件定义

4.2.4 智能干预

4.3 数字孪生城市的服务形态及典型场景

4.3.1 服务形式

4.3.2 典型场景

4.4 数字孪生城市整体架构

4.4.1 端面

4.4.2 网络端

4.4.3 云端

第 5 章其他应用中的数字孪生

5.1 医疗保健

5.2 智能家居

5.3 航空航天

5.4 油气勘探

5.5 智能物流

5.6 促进现实世界的探索

5.7 大脑活动的监测和管理

第6章数字孪生应用案例

6.1 基于数字孪生的航空发动机全生命周期管理

6.2 基于数字孪生的复杂产品组装过程

6.2.1 基本框架

6.2.2 方法特点

6.2.3 关键理论与技术

6.2.4 零件组装现场组装应用平台示例

6.3 BP 先进的模拟和监控系统 APEX

6.4 基于数字孪生的企业综合预算体系？

6.5 中国首条在役油气管道数字孪生的建设与应用

6.5.1 数字孪生构建过程

6.5.2 数字化修复的主要技术

6.5.3 研究成果及应用开发

第七章数字孪生技术的挑战与发展趋势

7.1 数字孪生技术发展新趋势

7.1.1 应用领域扩展要求

7.1.2 与新 IT 技术深度集成的要求

7.1.3 信息物理融合的数据要求

7.1.4 智能服务需求

7.1.5 普遍的工业互连要求

7.1.6 动态多维、多时空尺度模型要求

7.2 数字孪生的五维模型

7.3 数字孪生五维模型的十五个应用领域

第八章数字经济产业政策

8.1 数字经济的定义

8.2 全球主要国家和地区数字经济战略和产业政策

8.3 我国各地区数字经济产业扶持政策重点分析

8.3.1 重点对数字化转型和应用示范省（区、市）进行比较分析

8.3.2 创新服务型平台建设重点省（区、市）对比分析

8.3.3 重点建设数字生态系统的省（区、市）对比分析

8.3.4 重点吸引大而强市场主体的省（自治区、直辖市）对比分析

8.3.5 重视人才激励与学科建设省（区、市）的比较分析

8.3.6 重点加大要素资源支持力度，各省（自治区、直辖市）比较分析

8.4 总结

参考文献

数字孪生创建智能城市架构

全球物联网、5G、人工智能技术、自动驾驶、虚拟现实技术、深度学习等技术研发和产业发展正在加速完善，新一轮数字网络智能化浪潮正在席卷。同时，智慧城市实施进程不断加快，核心发展理念、推进方式和科技化管理体系不断创新演进，构建虚拟服务现实、数据驱动治理、信息化管理的数字孪生体。智能定义一切。城市将成为智慧城市的核心内容发展趋势。

1、数字孪生城市建设水平日益提高

1、信息通信技术（ICT）在城市的完美应用

近年来，云计算服务已成为城市的核心内容基础设施建设，被政府部门、企业乃至个人广泛使用；互联网大数据已成为城市的核心内容资产和战略资源，基于数据分析的智能管理决策得到应用。物联网技术推动万物互联成为现实，广泛应用于感知检测、数据采集等内容方法；基于机器学习的人工智能技术的应用，可以准确预测城市问题，大大提升群众体验。

2、数字孪生 (DT) 技术已广泛渗透到城市中

数字孪生技术最初起源于工业生产行业，尤其​​是飞机、火车发动机等高端制造业。对产品、生产线和加工工艺进行数字模拟和实时跟踪，大大缩短产品开发周期。成本大大降低，形成多机设备互联、协同、改进的施工方法。如今，数字孪生技术已逐渐渗透到工程建设、医疗、城市管理等领域。借助BIM实体模型，对建筑的龙骨、结构、风、水、电进行设计，完成建筑各项资源的完善和应急预案演练。古建筑资源升级与装备；达索研发设计3DEXPERIENCity服务平台，完成城市总体规划布局、管网、气候的数字孪生，将城市应急管理效率提升30%，将城市拥堵率降低25% .

3、技术结合与数据信息的积累不断推动城市自主创新发展

分布式计算、4G/5G通信、大规模数据信息并行处理、深度学习等技术与数字孪生相关技术如3D建模、高精度地图、仿真模拟、虚拟现实技术和智能控制系统。融合使得构建在数字空间同步运行的数字孪生城市成为可能。此外，经过近十年的智慧城市建设，城市传感器随处可见，城市移动智能终端广泛部署，大量城市标志运营数据和信息积累积累，城市画像日趋清晰，跨级别、跨区域、跨系统、跨部门。 .公共数据跨业务有序整合加速，基于海量多维数据的统计分析智能化应用层出不穷。智慧城市建设正处于量变引发质变的关键时期。

2、数字孪生城市是深度学习自强城市

数字孪生城市的核心本质是在互联网的数字空间中重塑与实际实体城市相对应的数字城市。该系统使其与实体城市并行运行。根据虚拟服务现实、数据驱动整治、万物智能定义的管理机制，完成城市全要素数字化与虚拟化技术、全态实时与数据可视化、城市运营管理协同智能化。是一座拥有机器学习和自身能力提升工作能力的城市。

1、对产业生态系统的认知，从真实到虚拟的完整

根据产业生态系统感知管理系统和各行业信息化管理系统服务平台的部署，收集汇总全市全数据信息的所有数据格式、业务流程数据信息、目标数据信息等定性分析，并创建一个数字空间。数字孪生城市实体模型服务平台一对一映射，加载城市全静态数据和可视化数据。

2、深度学习，完全自我提升

根据海量信息的不断积累和数字孪生城市实体模型服务平台，应用多维数据统计分析、深度学习、神经网络算法、机器学习等优化算法或技术计算改进方案城市资源配置、城市灾害预测分析与预警信息实体模型、城市应急指挥系统对策等，完成自我完善。

3、智能操作，虚拟控制完成

根据从上述数字空间得到的改进方案、预警信息实体模型、指导对策等深度学习结果，在数字孪生城市实体模型服务平台中，通过传感器的远程操作，信息化管理系统等实际操作作用的完善和调整，逆向作用于物理世界的城市运行，完成动态管理决策、快速反应和智能操控。

4、更新迭代完成流程优化

城市根据深度学习和自我完善，在新的运营步骤、运营标准、管理机制下不断产生和积累新的数据和信息。此外，新的智能产品和新技术不断交替出现，从而开启新一轮城市数字孪生更新迭代完成，完成城市不断进化的“自我成长”发展模式.

3、数字孪生城市是技术与数据信息紧密结合的新模式

数字孪生城市是一个虚拟城市，与实体城市一一映射、协作和交互，并进行智能操控。其技术管理体系架构包括移动智能终端、泛在互联网、配套服务平台、软件系统等必要组件。并且围绕城市数据采集、聚合、集成、分析、应用的全过程阶段，是一个技术集成、业务流程集成和数据预处理的复杂而庞大的系统。

1、产业生态系统中移动智能终端的数据采集是数字孪生城市的先决条件

产业生态系统中移动智能终端数据采集的核心内容包括数字标牌、移动智能终端、3D模型、地理信息四大基本要素。其中，数字标牌作为城市人、物、物在数字空间中的唯一索引，对城市人、物的身份信息进行定性分析，对数字信息和实体的内容进行精准匹配、建立联系和监管。 ;城市运营信息内容数据采集器，用于采集城市的所有静态数据和动态信息内容； 3D模型作为数字空间的信息内容媒介，用于呈现城市空间形态；城市人、物、物的空间信息定性分析。位置和偏移，核心内容包括GIS、RS、GPS等。

2、快速泛在的城市网络信息是数字孪生城市的基本保障

城市快速泛在网络信息的核心内容包括三大连接方式，即城市快速云平台、4G/5G宽带、NB-IOT/eMTC/LoRa物联网技术等，形成互补与互补互联网接入速度极快的基本保证。为考虑城市安全运行、虚实交互毫秒级响应、千万智能产品同时连接需求，首创城市快速云平台，集光纤宽带无线网络、光纤-光纤宽带有线网络、视频网站、应急通信网络。 、政务网等，完成极速互联。手机、智能穿戴设备等移动智能终端的核心内容以4G、5G连接为主，采集都市人的信息内容。对于数亿个传感器，可以根据NB-IOT、eMTC、LoRa等互联网完成统一连接。

3、独立思考的城市信息中心是数字孪生城市的核心内容

独立思考城市信息中心的核心内容包括四大重要平台，即数据信息资源优化配置服务平台、数字孪生实体模型服务平台、基于深度学习的人工智能技术算法服务平台、以及统一的智能操控服务平台。等，形成专门指导数字孪生城市高效运行的信息中心。数据信息资源优化配置服务平台，用于数据信息融合、解决、分发等；数字孪生实体模型服务平台作为数字室内空间的整合媒介，整合所有公共数据，呈现现实世界运营的全貌和关键点；基于深度学习的人工智能 智能技术算法服务平台，用于完善工作流程、资源配置、统筹布局等；统一智能运营服务平台主要用于智能管理决策指导、生态系统理论运行、远程控制等。

4、智能软件系统的高效运行是数字孪生城市的主要表现

部署结束时，数字孪生城市要作用于城市改善和民生服务的各个业务流程阶段，推动服务项目体验的智能化体系和社会管理的创新智能化。例如，根据城市规划方案的仿真模拟、动态评估、深度学习效果，整体规划将不再丢失；立体展示水势、空气动力学、雾霾天气变化等，为城市治理决策的早期部署提供依据；基于深度学习的个性化教育和知识结构，完成自适应定制学习；根据对公共交通习惯、日常生活、消费等的深入研究，制定个人；根据车流量预测分析，智能疏通、优化信号灯时间。

总之，数字孪生城市建设是一项长期而艰巨的任务。随着实施的深入，其技术管理体系架构和解决方案将更加清晰，将有力推动城市高质量发展。