从理论到实践：数字孪生技术的全面应用探讨

数字孪生是一种将实际物体或系统的数字模型与其实时运行状态相结合的概念。这一概念的核心在于创建一个虚拟的、与真实世界相对应的数字副本，以便监测、分析和优化实体系统的性能。

简单理解，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的 “ 克隆体 ”。

数字孪生已经广泛应用于千行百业，它在航空航天、电力、汽车、石油天然气、健康医疗、船舶航运、城市管理、智慧农业、建筑建设、安全急救、环境保护等多领域。本文将深入探讨数字孪生的定义、原理以及其在不同领域中的主要应用。

制造业

在制造业中，数字孪生为制造商提供了一种新的方法来设计、测试和生产产品。通过将实际的工厂和设备建模为数字孪生，制造商可以在模拟环境中进行各种测试，如产品验证、生产流程优化等。数字孪生还可以用来监测和分析设备的状态和性能，以实现更好的预测性维护和更高的生产效率。

传统人工装配方法工作效率低下，且产品质量难以保证，已无法满足快速多变的市场需求。随着自动化技术、人工智能技术的不断发展，以工业机器人为装备的智能装配系统在制造业中起到了越来越重要的作用。

应用图扑软件自研 HT 数字孪生技术支持多维度数据切片和切段分析，应用图扑丰富的图表、列表、指标等可视化组件，将产量完成度、直通率、设备使用率、不良率进行动态加载展示，更加直观的将各个图表数据形成对比。

建筑与城市规划

数字孪生可以用来模拟城市规划和建筑设计，包括建筑外观、结构和功能。在城市规划方面，数字孪生可以用来模拟城市交通和人口流动，帮助规划者更好地理解城市运行机制。通过模拟不同城市发展方案的影响，规划者可以更明智地制定城市规划政策，提高城市的可持续性和韧性。数字孪生还能够在应急情况下提供实时的城市运行状态，辅助决策者更科学快速地做出反应。

亦或是在修建楼宇、房屋、高速公路、桥梁等建筑之前可先使用数字孪生技术完成工程的数字化建模，然后通过输入各种钢筋、混凝土、建筑结构等数据利用建筑的数字孪生体进行评估、预测实体建筑是否能满足需求，是否会有事故隐患等等。建筑设计师先设计好虚拟的建筑体，然后借助数字孪生技术，即通过数字化扫描实时监测物理实体空间的施工，并将数据实时镜像到数字孪生空间进行验证。在建筑设计方面，数字孪生可以用来评估建筑的能耗和环保指标，帮助建筑师设计更加环保和节能的建筑物。

图扑通过自研 HT for Web 打造的智慧园区数字孪生系统，真实还原出园区的三维场景，并细化展示安防、消防、照明、空调、电梯、给排水、电力等设备。搭配两侧数据看板，可直观展示楼宇的资产数据、环境数据、安防数据等。实现人机交互、信息共享、安全监控、节能环保等功能，包括但不限于园区内人员和设备管理、能耗监控和调节、安全监测和预警、智能化交通管理等。其目的在于提升居住和工作环境的整体品质，为城市的可持续发展做出贡献。

农业

在农业领域，数字孪生可以用来模拟作物生长，以帮助农民预测和优化作物收成。数字孪生可以根据不同的地理位置、气候条件、土壤类型等因素，模拟不同作物的生长过程，包括种子萌发、植物生长、气候灾害等。这样就可以让农民更加准确地进行农业生产规划和管理。

智慧农业对农场环境、农产设备、农作物、显示传感器等多种数据通过数字孪生真三维建模、数字化驱动、智能交互与真实世界做沉浸式融合，可对农场设备进行远程精准控制；对农作物实时勘察农业资源、作物墒情；对农产品线上浏览、交易等实现产品溯源，对生产环节、物流环节的监控，对农场业务运营和管理赋能，彻底颠覆传统农业管理、农产品交易体验，打造全新虚拟现实技术与数字农业应用场景。

图扑 HT 农林牧数据分析平台的使用不仅能够提高农业生产效率，还实现对资源的合理利用，减少浪费，并优化生态环境。依托实时、动态的农业大数据中心，构建农业资源管理一张图，帮助农牧民更好地理解农场环境和农作物状况。有效解决手工统计数据耗时耗力、不及时不精准等问题，提高工作效率和播种质量。通过此种管理方式，可以预期其将对农业生产方式的转变产生深远影响，推动农业向着更高效、环保和可持续的方向发展。

能源

数字孪生可以用来模拟电网和输电线路，以帮助能源公司更好地预测和管理电力供应。数字孪生还可以用来优化风力和太阳能发电厂的运营，以提高电力生成效率。数字孪生甚至可以用来模拟整个城市的能源消耗情况，以帮助城市规划师了解城市的能源需求和挑战。

通过虚拟现实交互激活电网、设备的多源数据，特别是运行时空大数据，通过数据挖掘，提供高维、量化、多层次的视角辅助运营调控相关决策。针对复杂的电网场景，通过创造虚拟空间来运行生产过程的模拟，识别和分析出如何更高效、更安全地完成工作。

图扑 HT 将整体三维风电场的风机模型、布局、 工作、状态根据实际场景进行 1：1 还原。用户可自行选择环游视角，通过对场景进行放大、缩小平移等操作查看场景效果和细节。并将环境参数、实时发电指标、节能减排信息等数据接入图扑 HT 2D 面板，便于运维人员对整个基地运行的有效掌控。

汽车制造

在汽车行业，数字孪生的价值应用于研发、制造、销售、售后等产业链各个环节。

借助数字孪生技术，设计者可以在虚拟空间里测试、验证、优化其产品设计，快速、低成本实现产品的迭代。可以实现虚拟工厂漫游。还可以通过虚拟生产的方式来模拟不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判，加速新产品导入的过程。

图扑应用自研 HT for Web 3D 渲染引擎，数字孪生轻量化汽车总装车间，全景采用图扑 HT 特有的炫酷风格和未来的视角。围绕现有自动化技术与数字孪生技术结合，进行汽车组装展示分析，同时呈现 3D 可视化监控管理的科学策略。

油气行业

在油气行业，数字孪生技术被大量地用于小到一个设备，大到钻井、油田的开发和虚拟仿真。

通过数据分析和机器学习研究油气的特性，比如通过数据进行地震、压裂分析，钻柱的振动分析等；简化和自动化能源交易和能源管理任务，进行估值和风险评估等；识别故障、设计状态指示器，并估算关键设备（如泵和压缩机等）的剩余使用寿命，变计划性维护为预测性维护，极大地降低成本，提高效率。

图扑三维数字地图为背景展示。场景初始化后，通过图扑 HT 可视化打造油气管道空间切换，浏览不同场景效果。系统涵盖产量分析、能耗分析、设备运维、安全防护以及厂区监控等板块。图扑运用物联网、大数据、人工智能技术对传输到管理中心的智能感知数据进行分析计算，并通过可视化技术实现对日常运维的辅助决策、智能状态感知、智能数据分析、智能信息发布、智能设备管理、智能业务管理六大功能。

健康医疗

构建医院的数字孪生体，通过各种传感器设施以及数字化系统的建设让病人能以最少的流程完成就诊，提高医生的诊断准确率，实现病人身体状况预测、预警、医生远程会诊等现代化医疗技术手段。

图扑无缝融合 2D、3D 技术，搭建了一套轻量化的 3D 可视化智慧医院管控系统。由三个模块拼合成一个大长屏，围绕医疗看板、科室监测、医院园区等模块进行展示。使医院原本独立的各系统根据各自特性形成联动预案与管理一体化。

通过三个大屏模块组合成为一个大长屏的方式呈现，中间为主大屏，两边为副屏，每个大屏模块独立且融合，可通过 HT 自带交互左右任意切换场景，实现三个模块场景的旋转、平移、拉近拉远操作以及 360 度全方位无死角浏览。

船舶航运

通过建立数字孪生的航道、船舶和港口，实时采集、传输和处理运输信息，实现各种运输情况的协调和处理，可以在大范围内实时、准确、高效、全方位综合管理船舶航运，从而使水路交通设施、信息资源得以充分利用，提高船舶航行效率和安全性，最终实现水路交通运输服务社会化和管理智能化。

图扑 HT 实现可交互式的 Web 三维场景，货轮运输与 HT 可视化系统相结合，能准确显示靠泊时间、实际开工时间、计划完工时间、计划离泊时间、总冷/危/超、剩冷/危/超、总大小箱、剩大/小箱、作业总量、剩余作业、剩余装船、剩余卸船，通过数据驱动实现对船只装卸总量（完工、作业中）的统计，分析船舶作业效率，为合理安排工班、调配资源提供科学依据。

岸桥的 2D 面板显示了作业泊位、作业船只、大车位号、岸桥状态、行驶状态、作业状态、台时量、作业量、本班出勤、周期，接入实时数据，能有效进行资源的调配。

城市管理

数字孪生城市作为新一代信息技术综合集成应用创新，能够帮助洞悉城市运行规律、构建城市治理的闭环链条、促进城市资源的灵活使用、践行以人为本的城市治理理念，推动治理协同、服务升级、科学决策、创新实践，全面赋能城市 “ 全周期管理 ”。

图扑 IOC 智慧城市智能运营中心大屏结合 GIS 地图，以城市地图为背景，辅以左右两侧 2D 面板进行展示。分别从城市综合、生态文明、社会治理、文化旅游四个方面对整座城市进行运营整合，全方位掌控城市运行状况，及时做出运营策略调整。

航空航天

通过对数字孪生模型的分析来预测风险等级，及时进行维修维护，记录每台航空发动机每个架次的飞行路线、承载量，以及不同飞行员的驾驶习惯和对应的油耗，通过分析和优化，可以延长发动机的服役周期，并改进发动机的设计方案。

图扑 HT 三维仿真技术可多维度直观展示主体运载信息、飞行试验、技术实验、运行历程等重点管理对象的运行态势，支持全范围空间的态势可视化监控。智慧航天是基于大数据、云计算、人工智能技术的应用平台，它的出现能更加迅速的从海量数据中提取出有效的信息，为智慧决策提供有力支持。

天舟号（包括天舟一号、天舟二号）推进舱两侧各有一翼太阳能帆板三板，3D 可视化仿真演示如下：

物流仓储

数字孪生物流仓储通过全面提升物流仓储运维管理的智能化水平，以实现感知、调配、管理等，加速仓储物流管理的智能化、自动化升级创新，以此延伸而出的智慧物流概念成为物流行业的发展趋势。

数字孪生物流产业园区，将上下游系统打通并借助智能硬件实现数据联动，从园区日常管理、车流监控、人流监控、物流监控等多维度的呈现，使各流程密切联系，搭建出智慧园区与物流仓储的一体化可视化管理平台，提高物流园区的管理和工作效率，降低人工成本和管理成本。

通过依托 HT 可视化技术，智慧仓储管理可以 2D 组态，3D 仿真形态的方式展现出仓储中心与物流转运中心的全场景管理交互系统。智能三维监控系统包含三维可视化立体仓库系统、货位管理、信息实时查询、轨迹实时追踪、设备状态实时追踪、库存管理。

数字孪生作为一种前沿的技术手段，在制造业、医疗保健、城市规划和能源管理等领域都具有广泛的应用前景。多年来，图扑 HT 在各行各业积累了大量可视化项目实施经验，在智慧能源、智慧机房、智慧水务、智慧电网、智慧城市等行业具体业务中不断积累完善产品，竭力打造自主可控的 Web 可视化引擎工具。

审核编辑 黄宇