2023年中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告

2023年中國數(shù)字孿生行業(yè)研究報告數(shù)字孿生丨研究報告核心摘要：概念定義：數(shù)字孿生指將物理實體鏡像映射到虛擬空間，生成一個“數(shù)字雙胞胎”，在虛擬空間中的克隆體可以通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時雙向互聯(lián)互通，反映對應(yīng)物理實體的全生命周期過程，在整合底層數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上進行仿真預(yù)測，為優(yōu)化決策賦能。根據(jù)復(fù)雜程度，數(shù)字孿生可以分成5級。受益于數(shù)字經(jīng)濟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、政策落地、技術(shù)突破、下游需求增長，當前行業(yè)步入快速增長期；數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)包括建模、渲染、仿真及物聯(lián)網(wǎng)。市場概覽：2022年中國數(shù)字孿生市場規(guī)模超100億元，預(yù)計2025年將達375億元；當前全球?qū)W術(shù)領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生研究熱度活躍，中國論文發(fā)布數(shù)量領(lǐng)先。投融資方面，行業(yè)融資熱度逐步回暖，城市賽道景氣度最高；數(shù)字孿生行業(yè)玩家可分為技術(shù)服務(wù)商（如CIM、BIM、可視化平臺廠商等）以及集成方案廠商（如運營商、互聯(lián)網(wǎng)大廠等）。技術(shù)、業(yè)務(wù)、資源三方面筑造數(shù)字孿生廠商競爭壁壘。數(shù)字孿生發(fā)展伴隨產(chǎn)生四大挑戰(zhàn)：廠商商業(yè)模式不成熟，支撐技術(shù)要求高，標準體系未統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)能力不完善。應(yīng)用場景：數(shù)字孿生與各行業(yè)融合加深，本文主要介紹數(shù)字孿生技術(shù)在城市管理（智慧交通、零碳園區(qū)以及城市應(yīng)急）、智慧工業(yè)（流程型工業(yè)、離散型工業(yè)）、自動駕駛測試以及醫(yī)療場景（智慧醫(yī)院、精準醫(yī)療及藥物研發(fā)）的應(yīng)用，通過數(shù)字孿生技術(shù)賦能各行業(yè)應(yīng)用場景。發(fā)展展望：呼吁數(shù)字孿生行業(yè)參與者共同建立統(tǒng)一的標準體系，構(gòu)建協(xié)同共贏、開源創(chuàng)新的數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)生態(tài)?；靖拍钗锢韺嶓w克隆與數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r聯(lián)通構(gòu)成數(shù)字孿生的形與神數(shù)字孿生指將物理實體鏡像映射到虛擬空間，生成一個“數(shù)字雙胞胎”，在虛擬空間中的克隆體可以通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時雙向互聯(lián)互通，從而反映對應(yīng)物理實體的全生命周期過程，在整合底層數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上進行仿真預(yù)測，為優(yōu)化決策賦能。同樣是在數(shù)字空間構(gòu)建產(chǎn)物，數(shù)字孿生并不等于元宇宙，數(shù)字孿生是元宇宙的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，二者的區(qū)別在于前者強調(diào)復(fù)現(xiàn)物理對象的狀態(tài)使其更加貼近現(xiàn)實，更多使用于B端領(lǐng)域，后者強調(diào)人及其感知，更加貼近C端消費場景。另外根據(jù)復(fù)雜程度，數(shù)字孿生可以分成5級，級別越高，數(shù)字孿生越強大。技術(shù)框架在數(shù)據(jù)層引入物理世界數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用層反作用于現(xiàn)實實體數(shù)字孿生通過構(gòu)建數(shù)字孿生體并對其全生命周期進行模擬分析，為優(yōu)化決策提供依據(jù)，這需要數(shù)據(jù)能力與建模能力作為底層支持。數(shù)字孿生通過傳感器等媒介，采集人、物等物理實體的數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，最終在內(nèi)部進行數(shù)據(jù)標記與管理，構(gòu)成底層數(shù)據(jù)池。具有底層數(shù)據(jù)做支撐后，數(shù)字孿生將基于現(xiàn)實世界建模，構(gòu)建一個與現(xiàn)實世界基本一致的數(shù)字世界，再通過仿真等技術(shù)模擬物理世界的規(guī)律，實現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測、問題診斷等功能，反饋現(xiàn)實世界決策。關(guān)鍵技術(shù)建模、渲染、仿真及物聯(lián)網(wǎng)融合構(gòu)成數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字孿生過程中涉及多種技術(shù)，可大體分為前端設(shè)備層及技術(shù)層，本頁所談?wù)摰暮诵募夹g(shù)并不涉及傳感器等前端設(shè)備。建模、渲染、仿真是數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)，分別負責構(gòu)建模型，讓模型更貼近現(xiàn)實，讓模型適用現(xiàn)實世界物理法則。除此，數(shù)字孿生體需要和物理實體保持全生命周期狀態(tài)的同步更新，要求數(shù)據(jù)實時同步，因此大數(shù)據(jù)、云計算以及網(wǎng)絡(luò)成為必不可少的底層技術(shù)支持，保證數(shù)據(jù)流通、實時交互。發(fā)展歷程當前處于增長期，隨技術(shù)發(fā)展已在部分行業(yè)完成具體實踐數(shù)字孿生概念起源于美國，最初是為了預(yù)防損失極高的航天意外事件、空軍戰(zhàn)斗機維護等問題的發(fā)生，隨后美國通用電氣公司發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)對生產(chǎn)制造的價值，將之推廣到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，西門子、達索等老牌制造企業(yè)紛紛入局，數(shù)字孿生技術(shù)從美國向歐洲擴散。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以及元宇宙概念的興起，數(shù)字孿生概念進一步完善，適用范圍不斷拓寬，在工業(yè)和城市領(lǐng)域均具備更大的想象空間。驅(qū)動因素｜政策標準相關(guān)政策部署加速，營造數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展環(huán)境我國早已對數(shù)字孿生進行相關(guān)政策布局，隨著“十四五”規(guī)劃的出臺，近年來數(shù)字孿生相關(guān)政策部署與落地明顯提速，為產(chǎn)業(yè)提供良好的社會環(huán)境，助力其發(fā)展規(guī)范性進一步提升。市場規(guī)模｜中國2022年中國市場規(guī)模突破100億，未來仍將保持高增長2022年中國數(shù)字孿生市場規(guī)模為104億元，同比增長35.0%，2020-2022年CAGR為65.4%。隨著各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，數(shù)字孿生滲透率也將上升，推動國內(nèi)未來數(shù)字孿生市場規(guī)模增長，預(yù)計2025年國內(nèi)市場規(guī)模將達375億元，2022-2025年CAGR為54.3%。學(xué)術(shù)論文情況全球?qū)W術(shù)研究熱度活躍，中國論文發(fā)布數(shù)量領(lǐng)先近年全球?qū)W術(shù)界對數(shù)字孿生的研究勢頭活躍，全球論文發(fā)布數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長趨勢，自2019年以來研究熱度持續(xù)高漲。根據(jù)WebofScience數(shù)據(jù)，2022年全球共發(fā)布與數(shù)字孿生相關(guān)論文數(shù)量為2027篇，同比增長42.1%。我國論文發(fā)布數(shù)量與全球趨勢保持一致，且占全球比重逐年上升，2022年中國共發(fā)布688篇數(shù)字孿生相關(guān)論文，占全球33.9%。從總量上看，2017-2022年間，全球共累計發(fā)布4727篇數(shù)字孿生相關(guān)論文，其中中國（1306篇，27.6%）、美國（725篇，15.3%）、德國（574篇，12.1%）、意大利（300篇，6.3%）等國家是論文產(chǎn)出最多的國家。?企業(yè)投融資情況融資熱度逐步回暖，城市賽道景氣度最高自數(shù)字孿生步入增長期，行業(yè)的相關(guān)投融資事件起數(shù)及融資規(guī)模整體趨勢往上增長，根據(jù)IT桔子數(shù)據(jù)，2017年至2022年，國內(nèi)數(shù)字孿生相關(guān)企業(yè)融資事件共計80起，融資總額82.6億元。從融資熱度角度，2022年處于快速發(fā)展期，融資金額在2021年相對回落后又持續(xù)走高，2022年攀升至25.4億元。從融資輪次角度，主要以A輪及以前的相關(guān)事件為主，戰(zhàn)略投資及Pre-IPO事件近年來頻現(xiàn)。從應(yīng)用場景看，城市作為數(shù)字孿生最重要的落地場景，近年來始終維持較高景氣度，其次為制造。產(chǎn)業(yè)鏈及流程圖示玩家類型業(yè)內(nèi)玩家類型可分為技術(shù)服務(wù)商與解決方案集成廠商數(shù)字孿生行業(yè)內(nèi)玩家可以分為兩類，分別為數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)提供商與解決方案集成商。其中，技術(shù)提供商包括可視化廠商、BIM、GIS、CIM以及CAD/CAE仿真建模等技術(shù)廠商；而解決方案廠商主要是為不同行業(yè)客戶提供定制化的物聯(lián)網(wǎng)解決方案和服務(wù)，從而幫助廣大客戶實現(xiàn)不同層級的數(shù)字孿生解決方案，代表企業(yè)主要為互聯(lián)網(wǎng)大廠（BAT）、華為等云廠商以及三大運營商、萬?？萍?、軟通動力等垂直領(lǐng)域綜合智慧平臺廠商。競爭壁壘技術(shù)、業(yè)務(wù)、資源三方面筑造數(shù)字孿生廠商競爭壁壘數(shù)字孿生行業(yè)玩家競爭壁壘主要體現(xiàn)在技術(shù)、業(yè)務(wù)及資源三方面。技術(shù)壁壘主要是掌握場景數(shù)量、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)處理能力以及自研渲染引擎打磨能力；除了技術(shù)壁壘以外，數(shù)字孿生行業(yè)還具有業(yè)務(wù)壁壘，需要玩家積累深刻的下游應(yīng)用行業(yè)Know-how、對用戶服務(wù)能力；最后為資源壁壘，主要是服務(wù)商的渠道關(guān)系，是否擁有行業(yè)標桿案例。三個壁壘既相互獨立，又相互掣肘和促進?，F(xiàn)存挑戰(zhàn)數(shù)字孿生發(fā)展伴隨產(chǎn)生一系列挑戰(zhàn)目前中國數(shù)字孿生行業(yè)現(xiàn)存挑戰(zhàn)主要有四大挑戰(zhàn)：廠商商業(yè)模式不成熟，主要體現(xiàn)在客戶需求端較低迷，產(chǎn)品高定制化需求導(dǎo)致供給廠商盈利困難；其次是行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的標準體系，數(shù)字孿生數(shù)據(jù)、產(chǎn)品、項目落地等標準體系有待完善；此外，數(shù)字孿生對高性能計算、顯示技術(shù)等基礎(chǔ)支撐技術(shù)要求較高，且基礎(chǔ)軟件和渲染引擎仍依賴國外廠商；第四點是數(shù)據(jù)能力方面，挑戰(zhàn)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)準確性無法保證，數(shù)據(jù)處理能力弱及可靠性低以及數(shù)據(jù)安全性易受攻擊等。場景分析｜城市管理從頂層設(shè)計實現(xiàn)虛實互映，已經(jīng)在多個城市場景落地數(shù)字孿生城市指利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理信息技術(shù)以及智能建筑城市模型等將物理城市轉(zhuǎn)化為虛擬數(shù)字城市模型，通過模型模擬運營，達到實時監(jiān)測效果，進而實現(xiàn)預(yù)測、分析、優(yōu)化等功能。傳統(tǒng)智慧城市概念只是將不同部分的城市職能實現(xiàn)單體智能，數(shù)字孿生城市在頂層設(shè)計上就將虛擬和現(xiàn)實結(jié)合起來，在數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)上將物理實體與對應(yīng)孿生體重疊，實現(xiàn)虛實互動。數(shù)字孿生的應(yīng)用場景廣泛，目前在交通、園區(qū)、城市應(yīng)急等領(lǐng)域已經(jīng)具備較為成熟的實踐案例。細分場景應(yīng)用｜城市交通解決當前交通管理痛點，推動智慧交通再升級交通行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已發(fā)展多年，道路交通的運行效率顯著提升，但仍存在部分問題有待解決。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的興起，基于數(shù)字孿生城市的虛擬空間，結(jié)合交通信息數(shù)據(jù)和高精度地圖，構(gòu)建具備實時性、可模擬、可預(yù)測、并可控制物理實體的新型智慧交通體系，將是未來交通發(fā)展新方向。在智慧城市交通場景下，數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用至全息路口、高速公路及交通樞紐（地鐵、車站、機場等）三個子細分場景。細分場景應(yīng)用｜零碳園區(qū)數(shù)字孿生全面賦能零碳智慧園區(qū)，助力實現(xiàn)雙碳目標數(shù)字孿生可賦能智慧園區(qū)，輔助園區(qū)管理者完成園區(qū)運營、安防、業(yè)務(wù)等管理工作，實現(xiàn)管理降本提效，優(yōu)化員工工作生活體驗。隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進，零碳園區(qū)隨之產(chǎn)生。根據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)，我國工業(yè)園區(qū)的耗能約占全社會總耗能的69%，碳排放量約占全國總排放量的31%，并呈現(xiàn)出持續(xù)增長勢頭，因此零碳園區(qū)建設(shè)重要性不言而喻，零碳園區(qū)成為智慧園區(qū)下一步發(fā)展方向。數(shù)字孿生賦能零碳園區(qū)建設(shè)，即在數(shù)字孿生園區(qū)基礎(chǔ)上，通過傳感技術(shù)采集碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合AI算法模擬預(yù)測碳排放規(guī)劃、碳計算、能效監(jiān)控等工作，通過建設(shè)高效、安全、智慧的零碳園區(qū)，助力園區(qū)雙碳目標的早日實現(xiàn)。場景分析｜智慧工業(yè)數(shù)字孿生賦能工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)四大價值數(shù)字孿生起源于工業(yè)，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的成熟，工業(yè)也將成為數(shù)字孿生應(yīng)用較廣的場景。工業(yè)企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計算上傳相關(guān)數(shù)據(jù)后，使用數(shù)字孿生技術(shù)可以完成生產(chǎn)、能耗、設(shè)備、設(shè)計、制造管理等工作，進而實現(xiàn)提質(zhì)、降本、創(chuàng)收、增效四大價值。工業(yè)根據(jù)生產(chǎn)過程涉及的操作不同，可分為流程型和離散型工業(yè)，后文將分別介紹數(shù)字孿生在這兩類工業(yè)的應(yīng)用情況。細分場景應(yīng)用｜離散型工業(yè)解決離散型工業(yè)痛點，數(shù)字孿生貫穿產(chǎn)品全生命周期離散型工業(yè)當前面臨研發(fā)設(shè)計階段效率低，生產(chǎn)制造過程難以全面掌控，設(shè)備運維檢測依賴人工等痛點，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用至離散工業(yè)領(lǐng)域，可以貫穿工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計、制造、調(diào)試、運行、維護、預(yù)測、報廢的全生命周期，完成精益化設(shè)計、智能化制造與調(diào)試、智能維護以及精準預(yù)測等工作。細分場景應(yīng)用｜流程型工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)可優(yōu)化流程工業(yè)生產(chǎn)過程流程工業(yè)包括能源、化工、制藥、冶金等細分行業(yè)，這類行業(yè)在生產(chǎn)過程中設(shè)涉及多種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，各流程工序間耦合強，因此面臨缺乏最優(yōu)物料配方方案導(dǎo)致能耗物耗高，資源利用效率低，工藝調(diào)參復(fù)雜導(dǎo)致生產(chǎn)成本高企，生產(chǎn)過程環(huán)保措施不到位導(dǎo)致環(huán)境污染等問題。通過數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助流程工業(yè)完成優(yōu)化物料配方、工藝參數(shù)以及環(huán)保檢測預(yù)警等工作。場景分析｜自動駕駛測試以數(shù)字孿生技術(shù)為牽引，自動駕駛場景加速落地在數(shù)字孿生測試體系中，真實測試車輛可將實時采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字孿生平臺，用于驅(qū)動虛擬車輛模型，完成對真實動態(tài)數(shù)據(jù)的處理和分析，基于評價維度和數(shù)據(jù)庫對車輛行為進行評價。同時數(shù)字孿生平臺將場景數(shù)據(jù)下發(fā)至真實測試車輛控制器上，汽車根據(jù)自身算法做出決策行為。通過虛實結(jié)合，虛擬車輛模型構(gòu)建工作和測試場景搭建的過程實現(xiàn)簡化，提高自動駕駛測試效率。場景分析｜自動駕駛測試數(shù)字孿生解決自動駕駛測試難點自動駕駛行業(yè)內(nèi)一直有“里程測試需達到177億公里，自動駕駛可靠性才能達到相對理想的置信區(qū)間”的觀點，然而實現(xiàn)該目標需投入巨額的時間和金錢，很大程度限制了自動駕駛發(fā)展。隨著數(shù)字孿生、仿真等技術(shù)發(fā)展，業(yè)內(nèi)普遍采取“99.9%+0.09%+0.01%”解決方案的共識，通過數(shù)字孿生技術(shù)賦能，保障自動駕駛研發(fā)測試算法的演進。除此之外，還面臨測試場景碎片化、成本高企風(fēng)險大、難以復(fù)現(xiàn)測試場景的挑戰(zhàn)，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在自動駕駛研發(fā)測試上，具有測試場景持續(xù)化，節(jié)省測試場景建設(shè)成本，同時提高開發(fā)迭代效率等優(yōu)勢。場景分析｜智慧醫(yī)療依托多維度醫(yī)療數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，實現(xiàn)醫(yī)療場景數(shù)字孿生醫(yī)療數(shù)字孿生技術(shù)通過實時采集與計算醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)及醫(yī)療信息系統(tǒng)等真實多維度多樣化數(shù)據(jù)，基于AI建模，結(jié)合BIM、CIM等技術(shù)，將醫(yī)院物理空間轉(zhuǎn)化為醫(yī)院孿生模型，通過預(yù)測、分析等功能完成醫(yī)務(wù)管理、門診管理、設(shè)備管理等精細化管理工作。此外，基于DICOM數(shù)據(jù)的重建技術(shù)，構(gòu)建高精度人體模型，對手術(shù)流程、治療方案等進行孿生。醫(yī)療數(shù)字孿生的應(yīng)用對經(jīng)濟、社會具有積極意義，但當前醫(yī)療領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)還未成熟，仍面臨數(shù)據(jù)安全及隱私、道德倫理等挑戰(zhàn)。細分場景應(yīng)用｜精準醫(yī)療&醫(yī)藥研發(fā)提高醫(yī)療質(zhì)量與提升醫(yī)藥研發(fā)效率在醫(yī)療場景中，數(shù)字孿生可以幫助醫(yī)生進行手術(shù)模擬與規(guī)劃，提高手術(shù)成功率以及醫(yī)生實操技能，同時還可以建立患者孿生模型，針對不同患者的具體情況給予不同的治療方案，實現(xiàn)患者個性化治療，不僅提高