导 读

在上期文章《智能建造全周期应用系列（五）：智慧运维》中，我们主要依据《烟台市建设工程智能建造技术导则(试行)》，对智慧运维阶段进行了深入解析，探讨了如何通过数字孪生模型、物联网感知、AI诊断分析及系统集成管控等核心技术手段，实现运维全过程可感知、可预警、可追溯、可优化。

本期我们将围绕数字孪生技术进行知识拓展：什么是数字孪生？它为什么成为热点？有哪些应用领域？在建筑业中有哪些应用场景？今天，先为您介绍数字孪生的概念和应用领域，带您走进这个虚实融合的智能世界。

一、数字孪生是什么？

1.概念

数字孪生的概念，以下列举了三个具有代表性的专业解读：

天问一号数字孪生图像（来源：网络）

①“数字孪生”这一术语最初就应用于航空航天领域，为的是解决航空航天飞行器的健康维护与保障问题。从诞生之初就可以看到，数字孪生是融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能和虚拟现实等多种新兴技术在内的复合技术。（来源：中国科学院院刊，作者：中国工程院院士李培根 、中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任黄培）

②数字孪生是物理对象的数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、训练等（即仿真），并将仿真结果反馈给物理对象，从而帮助对物理对象进行优化和决策。物理对象、数字孪生以及基于数字孪生的仿真及反馈一起构成一个信息物理系统（cyber physical systems）。（来源：北京航空航天大学教授张霖）

数字孪生技术是指通过传感器、物联网、虚拟现实和人工智能等技术，对物理对象的特征、行为、运行过程及性能进行描述与建模的方法，核心在于构建与实体实时同步的虚拟模型以支持仿真分析与决策优化。（来源：百度百科）

数字孪生概念解析（来源：网络）

2.成为热点原因

（1）技术成熟度曲线步入爆发期

过多年发展，数字孪生的核心技术框架已经成熟，包括建模技术（CAD、3D扫描、逆向工程）、渲染技术（PBR、实时渲染）、仿真技术（FEA、实时仿真）和物联网技术（数据采集与传输）等。集成平台的完善也为数字孪生的规模化应用奠定了基础。

建模、渲染技术（来源：网络）

仿真技术、物联网技术（来源：网络）

（2）AI赋能的“质变”

Ai概念（来源：网络）

人工智能的崛起为数字孪生注入了“智慧大脑”，让它从“精准复刻”迈向“智能干预”：

①决策能力升级：从“告诉你问题”到“直接解决问题”。AI不仅能自动学习生产数据中的模式，还能主动提出优化建议或决策路径。

(来源：网络）

②应用边界拓展：从单点设备到全链路系统。数字孪生结合AI，可以实现工厂全生产要素在物理工厂、虚拟工厂、工厂服务系统间的迭代运行，最终使物理工厂不断迭代优化。

工厂全生产要素迭代(来源：网络）

二、应用领域有哪些？

近年来，数字孪生作为基于数字技术的重要概念，在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域都有广阔的应用场景。

1.智能建造

数字孪生在建筑行业中应用广泛，可覆盖建筑全生命周期管理，涵盖设计、施工、运维等多个关键阶段。

①设计阶段

通过构建数字孪生模型，将工程项目以三维形式呈现，设计师可直观查看建筑布局、结构形式、空间关系等，便于优化设计方案，提高设计质量。

建筑数字孪生模型(来源：网络）

②施工阶段

结合BIM模型和物联网传感器，实时采集施工进度数据，与数字孪生模型关联，动态展示施工进度，对比实际进度与计划进度，及时调整施工计划，确保项目按时完成。

智慧工地决策系统(来源：业荣数据）

③运维阶段

通过数字孪生模型，管理人员可实时了解工程项目的设施分布、使用情况、空间占用等信息，便于进行设施维护、空间规划和租赁管理，提高设施利用率和空间效益。

智慧楼宇管理系统（来源：网络）

2.智能制造

在工业制造领域，数字孪生技术正以前所未有的深度和广度渗透至生产运营的全流程，成为推动制造业智能化转型的核心引擎。

①从单台设备到整座工厂，数字孪生构建全层级虚拟映射，实时监测运行数据、预警故障隐患，变“事后维修”为“事前预防”，大幅降低停机损失。

智慧工厂管理平台（来源：网络）

②在生产流程优化层面，通过仿真推演设备布局与生产节拍，帮助企业发现瓶颈、改进工艺、实现高效排产，提升生产效率与产品质量。

生产仿真推演（来源：网络）

③在产品研发阶段，虚拟仿真技术的介入显著减少了实物原型试验的成本与周期，让设计验证在数字空间中高效完成，加速新品上市进程。

产品研发设计建模（来源：网络）

④具体到细分场景，汽车制造企业通过构建高保真虚拟汽车模型，在真实投产前精准模拟不同工况下的车辆性能与耐久表现，为联网车型的可靠性提供数据支撑。

汽车模型构建、碰撞实验（来源：网络）

⑤自动驾驶领域，数字孪生驱动的云端虚拟测试场则为算法提供了海量、安全、可复现的实验场景，支持极端工况模拟与算法快速迭代，助力自动驾驶技术从实验室走向真实道路。

自动驾驶领域激光雷达（来源：网络）

3. 智慧城市

数字孪生技术为智慧城市建设与管理提供了核心支撑，覆盖交通、资源、应急、规划等多个维度。

①在交通管理方面，数字孪生通过动态模拟城市交通流量，精准预判拥堵节点、优化信号配时与路网规划，实现从“被动疏解”到“主动治堵”的转变。

数字孪生应用于交通管理（来源：网络）

②在资源与环境管理领域，数字孪生整合物联网感知数据，实时监测能源消耗与环境指标，支撑城市精细化节能管理与资源高效配置，同时通过宏观能耗仿真为能源结构升级提供科学依据。

数字孪生应用于资源与环境管理（来源：网络）

③面对洪水、地震等自然灾害，数字孪生利用虚拟场景提前模拟灾害演进路径，协助应急部门快速推演救援方案、优化疏散路线，将被动救灾转化为有准备的精准防控。

数字孪生应用于模拟灾害演进路径（来源：网络）

④在城市规划层面，基于CIM的数字孪生城市让规划师在虚拟环境中反复推演土地利用、建筑布局与能耗影响，在动工之前设计出更具韧性、更宜居的绿色城市。

数字孪生应用于城市规划（来源：网络）

4. 智慧医疗

在医疗健康领域，数字孪生技术正以前所未有的深度融入诊疗全流程，成为推动精准医疗发展的核心驱动力。

①在精准诊断层面，数字孪生融合医学影像数据，对患者病灶部位进行高精度三维重建，动态模拟病变演进过程，让隐匿于复杂组织中的病灶清晰呈现，显著提升诊断准确性与早期干预能力。

数字孪生应用于病灶部位模拟（来源：网络）

②在个性化治疗领域，基于患者的基因组信息、生理特征与生活方式构建专属数字孪生模型，在虚拟空间中预演不同治疗方案的效果，为制定“一人一策”的精准诊疗方案提供科学依据。

数字孪生应用于个性化治疗（来源：网络）

③在高风险手术场景中，借助患者特定数字模型搭建沉浸式手术模拟环境，让主刀医生在真实操作前反复演练、优化路径、预判风险，大幅提升复杂手术的成功率与安全性。

数字孪生应用于手术模拟环境（来源：网络）

④在医疗培训方面，数字孪生构建高保真病理模型与手术场景，为青年医生提供可重复、无风险的实操训练环境，加速临床技能培养。

⑤在新药研发领域，基于数字孪生的“虚拟患者”模型可模拟药物在人体内的代谢过程与疗效反应，大幅缩短研发周期、降低临床试验成本与伦理风险。

模拟药物（来源：网络）

5. 航空航天

航空航天领域中，数字孪生技术是保障装备安全与降低研发成本的关键。通过对飞机、航天器的零部件进行数字化建模，能实现装备全寿命周期的数字化管理，大幅提高维护效率，减少运维成本。

①在设计阶段，利用数字孪生技术可优化飞行器设计与性能参数，通过虚拟仿真验证设计方案，降低研发过程中的风险与成本。

数字孪生应用于飞行器设计与性能参数（来源：网络）

②在运行阶段，实时监控飞机、航天器的运行状态，精准预测部件故障，及时采取维护措施，为飞行安全提供坚实保障。

数字孪生应用于监控飞机、航天器的运行状态（来源：网络）

6. 能源领域

数字孪生技术在能源领域的应用贯穿生产、传输、消费全链条，助力能源行业高效、安全、低碳发展。

①在电网管理层面，数字孪生通过对电网全要素进行高精度建模，实时监控电力分布、供应与需求动态，优化电力分配与调度策略，有效提升电网运行稳定性与能源利用效率。

电网数字孪生平台（来源：网络）

②在油气管道等关键设施运维中，数字孪生集成物联网感知数据，对管道压力、温度、流量等参数进行实时监测与智能分析，提前预警泄漏与故障隐患，变“事后抢修”为“事前预防”，保障能源供应安全。

油气管道数字孪生平台（来源：网络）

③在可再生能源领域，数字孪生构建风电场、光伏电站的虚拟模型，动态模拟不同气象条件下的发电能力，优化运营策略与维护计划，提升电力生成效率，同时支撑可再生能源的高效集成与并网利用。

风电场、光伏电站数字孪生平台（来源：网络）

④在城市能源规划层面，数字孪生通过模拟城市整体能源消耗情况，帮助规划师精准掌握能源需求分布与变化趋势，为能源基础设施布局、电网扩容及低碳转型提供科学决策支撑。

城市整体能源消耗模拟（来源：网络）

7. 农业领域

农业领域中，数字孪生技术推动传统农业向精准农业转型，实现产量提升与环境友好的双重目标。

①在作物生长模拟层面，数字孪生融合地理位置、气候条件与土壤数据，动态模拟作物从萌发到成熟的完整生长过程，精准预判气候灾害影响，帮助农民科学制定生产规划、提前锁定收成预期。

作物生长模拟（来源：网络）

②在农田精细化管理领域，数字孪生通过对农田进行高精度数字建模，实时监测土壤墒情、养分含量与作物长势，为农民提供灌溉、施肥、植保等智能化决策方案，在提升产量与品质的同时减少环境负面影响。

农田监测平台（来源：网络）

③在农业资源调度方面，数字孪生整合气象预警与农田数据，动态优化农机作业路径与农资调配方案，实现农业生产全流程的精准管控与资源高效利用。

农机作业路径优化（来源：网络）

④在农业可持续发展层面，数字孪生通过模拟不同耕作模式与种植结构对土壤健康与生态的影响，为农业绿色转型与低碳种植提供科学决策支撑。

农业可视化平台（来源：网络）

三、总结展望

数字孪生技术通过虚实融合，为各行业提供了更高效、更智能的管理和决策工具，正在推动数字化转型和智能化发展。

业荣数据作为深耕数字科技的国家级高新技术企业，始终致力于将数字孪生等前沿技术落地于工程建设领域，以“深耕数字科技，助力产业升级”为使命，为建筑行业提供从智慧工地到智能建造的全流程解决方案。我们将继续以技术创新为驱动，以行业需求为导向，为建筑业高质量发展贡献烟台力量。

注：考虑到推文篇幅，本期先为您介绍数字孪生的概念和应用领域，下期为您详细介绍在建筑业中的应用场景，敬请期待。

本期综合参考资料，点击可下载：

[1]《烟台市建设工程智能建造技术导则(试行)》

[2]中国科学院院刊《应用日益广泛的数字孪生技术》

推荐阅读：

[1]《智能制造概论》：李培根、高亮编著；清华大学出版社出版。

[2]《数字孪生实战：基于模型的数字化企业（MBE）》：梁乃明、方志刚、李荣跃、高岩松等编著；机械工业出版社出版。