數字孿生這個概念多年以前就被提出了，怎么理解數字孿生的概念、價值及應用呢？這篇文章里，作者做了梳理和概述，并對“數字孿生產品升級”做了自己的分享，一起來看看吧。

一、數字孿生的概述

1. 數字孿生的起源

1）美國空軍研究實驗室

“數字孿生”概念提出者，是美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。

2011年3月，美國空軍研究實驗室結構力學部門的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演講，題目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin（基于狀態的維護+結構完整性&戰斗機機體數字孿生）”，首次明確提到了數字孿生。

當時，AFRL希望通過數字化的方式維護戰斗機，而數字孿生是他們想出來的創新方法。

2）美國通用電氣公司

當美國空軍意識到數字孿生具有很強實用意義的同時，另一家企業也對數字孿生產生了濃厚的興趣，它就是美國通用電氣公司（GE），該公司希望通過數字的能力，提升對產品生產過程的監管效率，進而減少企業成本。

3）德國西門子
德國西門子（德國工業4.0的代表企業）也跟著擁抱了數字孿生，將其奉為至寶。

4）中國

2015年左右，中國也開始跟進。當時包括工業4.0研究院在內的多家國內研究機構和企業，紛紛啟動了數字孿生相關的研究課題。

2. 數字孿生是什么

數字孿生的官方定義：

數字孿生，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

相比于設計圖紙，數字孿生體最大的特點在于：它是對實體對象的動態仿真。進一步闡述，數字孿生體是會“動”的。

數字孿生體不是隨便亂“動”。它“動”的依據，來自本體的物理設計模型，還有本體上面傳感器反饋的數據，以及本體運行的歷史數據。

數字孿生的特點：

1. 全生命周期：指數字孿生可以貫穿產品包括設計、開發、制造、服務、維護乃至報廢回收的整個生命周期。它并不僅限于幫助企業把產品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產品。
2. 實時/準實時：指本體和孿生體之間，可以建立全面的實時或準實時聯系。兩者并不是完全獨立的，映射關系具備實時性。
3. 雙向：指本體和孿生體之間的數據流動可以是雙向的。并不是只能本體向孿生體輸出數據，孿生體也可以向本體反饋信息。企業可以根據孿生體反饋的信息，對本體采取進一步的行動和干預。

3. 為什么使用數字孿生

數字和虛擬孿生給每個公司帶來的好處，它們正迅速成為許多行業的主流。尤其是制造業和物流業可以從這些技術中受益，這得益于大大縮短了交付周期，并有助于高效規劃。

從制造業角度分析：

1. 減少意外事件：數字孿生不僅僅在于它復刻真實世界，其特點是是可以與物理物體互動，甚至反向控制物理實體。比如你工作所在的大樓，它的數字孿生體可以記錄它運行的歷史信息，反饋大樓當下的運行狀態，能比它先行一步，預估可能發生的火災、電梯故障，模擬風險，把關鍵信息及時反饋到物理世界中，讓你所處的工作環境更加安全。
2. 精進傳統產品生產鏈：近年來，人們越來越關注可持續制造和循環經濟，真正強調的是提高生產過程的整體生產效率。與此同時，制造業老板們也發生了真正的轉變，企業家尋求對生產的更多控制，同時也可以把成本降至最低。數字孿生使制造商能夠在維護和改進工作流程的同時，獲得有關削減成本的數據信息。
3. 優化內部業務體系：為了真正強調虛擬孿生技術的有效性，在一個案例研究中，某工廠在安裝了虛擬孿生后，工廠的效率提高了250%。孿生提供了對低效率的深入分析，并為制造商提供了有助于克服這些低效率的模擬模型。與此同時，員工的安全和滿足感在節省時間方面提高了5%。
4. 優化外部業務生態鏈：某企業司由于更好的計劃和技術，交貨準時率提高了50%。此外，交付時間也減少了50%，這使企業能夠保持高水平的訂單，同時將更高比例的貨物按時送到消費者手中。

4. 數字孿生的價值

如果分析數字孿生的價值，需要把具體的業務和數字孿生技術結合分析，單獨談論數字孿生是沒有意義的，數字孿生是賦能型技術，無法構成單獨的價值鏈，因此我們要具體業務具體分析。

數字孿生的宏觀價值如下：

1. 減少交易成本
2. 提高生產效率
3. 減少溝通成本
4. 規避風險

數字孿生對于智慧城市行業的價值案例：

1. 提高城市生產效率
2. 提升城市綜合治理能力
3. 提升市民幸福感
4. ……

5. 數字孿生的弊端

專業團隊去實現數字孿生的過程，會發現：懂數字化呈現的不懂行業業務，而懂行業業務的又不懂數字化呈現。溝通成本高、效率低、孿生質量差，同時制作成本也居高不下。目前，大部分的數字孿生應用只停留在“好看”階段。

1）實現周期長

數字孿生應用涉及技術多，從幾何、圖形、開發、設計、研發到業務分解，如果團隊沒有2-3年的試錯過程難以快速穩定的交付項目；

2）投入成本大

從傳統的WEB引擎到游戲引擎，需要組建從游戲引擎、模型數據、設計、代碼、測試和產品等一個完整團隊，需要大量的人力和資金儲備；

3）技術門檻高

在交付過程中需要實時適應項目需求的變化，想要打造一個科技感十足還原應用場景，且應用場景豐富的數字孿生應用對技術人員、地理信息數據有著很高的要求。

二、數字孿生的前景

1. 政策支持

2. 行業發展

1）數字孿生是大型智慧項目的技術底座

數字孿生是大規模智慧項目的技術底座之一，例如數字工廠、智慧機場、智慧市政、智慧工地，再往大一些的角度來看，包括智慧城市內在的所有既需要收集底層數據來分析計算以及推演和運行，又不可能在實際的生產生活環境里完全實現上述目標的場景，都是數字孿生的用武之地。

2）數字孿生是元宇宙的技術底座

數字孿生同時會是元宇宙的技術底座?？赡茉谖磥砗荛L一段時間里，數字孿生能夠給社會的生產、生活的直接效益并不明顯，這意味著數字孿生從業者，可能不會在未來幾年獲得充足的回報，但是與云計算和人工智能一樣，數字孿生必然會成為數字世界的基礎設施，跟水電暖一樣，成為數字世界無法離開的必要元素。

目前數字孿生主要應用領域匯總：

三、數字孿生 & 渲染引擎

1. 為什么要使用3D渲染引擎

來源：http://3d.jzsc.net/

數字孿生體簡單來說就是通過數字化手段對物理對象進行描述，這種描述可以分成不同層級，最基本的就是描述幾何模型，包括物理對象的大小、形狀、內部結構、空間位置以及不同零件間的位置關系等等，這也是將物理對象可視化的過程。因此需要渲染器。

可視化可以分為2D和3D，比起2D可視化，3D可視化能夠更加直接地將各行業的數據立體化地呈現出來，因此現在大多數字孿生都是通過3D可視化表達。我們可以簡單理解為，3D可視化其實是數字孿生成果的一種常見表達工具。

2. 3D引擎的分類

常見的3D引擎可以分成兩大類，一類是Native3D引擎（客戶端），這類引擎以Unity、UE4等游戲引擎為主，另一類是Web3D引擎（瀏覽器），以T3D為代表的基于WebGL和WebGPU開發的渲染引擎為主。

Cesium是基于Web GL、Web GPU做的渲染

3. 引擎使用的考慮因素

來源：https://www.uino.com/

根據需求的不同選擇不同的渲染引擎：

Native 3D和Web 3D都能實現數字孿生，但是適配性有所不同。

1）仿真度、擴展性：

Unity、UE

2）便攜性：

Web GL、WebGPU

目前游戲引擎也支持瀏覽器實現很好的仿真度效果：采用像素流送技術，直接運行在瀏覽器中。

引擎選用參考指標：

1. 便攜性
2. 仿真度
3. 使用群體數量（并發量）
4. 兼容性
5. 開發周期
6. 開發預算

四、游戲引擎

1. 游戲引擎是什么

引擎屬于支撐性技術。

游戲引擎包含以下系統：渲染引擎（即“渲染器”，含二維圖像引擎和三維圖像引擎）、物理引擎、碰撞檢測系統、音效、腳本引擎、電腦動畫、人工智能、網絡引擎以及場景管理。

2. 游戲引擎的特點

1）渲染

是引擎最重要的功能之一，當3D模型制作完畢之后，設計師會按照不同的面把材質貼圖賦予模型，這相當于為骨骼蒙上皮膚，最后再通過渲染引擎把模型、動畫、光影、特效等所有效果實時計算出來并展示在屏幕上。渲染引擎在引擎的所有部件當中是最復雜的，它的強大與否直接決定著最終的輸出質量。

2）光影效果

即場景中的光源對處于其中的人和物的影響方式。游戲的光影效果完全是由引擎控制的，折射、反射等基本的光學原理以及動態光源、彩色光源等高級效果，都是通過引擎的不同編程技術實現的。

3）動畫

游戲所采用的動畫系統可以分為兩種：一是骨骼動畫系統，二是模型動畫系統，前者用內置的骨骼帶動物體產生運動，比較常見，后者則是在模型的基礎上直接進行變形。引擎把這兩種動畫系統預先植入游戲，方便動畫師為角色設計豐富的動作造型。

4）物理系統

使物體的運動遵循固定的規律。 例如：當角色跳起的時候，系統內定的重力值將決定他能跳多高，以及他下落的速度有多快，子彈的飛行軌跡、車輛的顛簸方式也都是由物理系統決定的。

5）碰撞探測

物理系統的核心部分，它可以探測游戲中各物體的物理邊緣。當兩個3D物體撞在一起的時候，這種技術可以防止它們相互穿過，這就確保了當物體撞在墻上的時候，不會穿墻而過，也不會把墻撞倒，因為碰撞探測會根據物體和物體之間的特性確定兩者的位置和相互的作用關系。

6）協同

引擎還有一個重要的職責就是負責玩家與電腦之間的溝通，處理來自鍵盤、鼠標、搖桿和其它外設的信號。如果游戲支持聯網特性的話，網絡代碼也會被集成在引擎中，用于管理客戶端與服務器之間的通信。

3. 主流游戲引擎介紹

Unity

概述：

在Apple應用商店和Google Play上排名最靠前的1000款游戲中，53%都是用Unity創作。75%與AR/VR相關的內容為Unity引擎創建，比較知名的游戲包括：《城市天際線》、《王者榮耀》、《原神》、《爐石傳說》、《神廟逃亡》、《紀念碑谷》、《崩壞》系列等等。

Unity 中國正式成立，包括阿里巴巴、中國移動、抖音（字節）、米哈游、OPPO、佳都科技等將參與投資。

在VR/AR，影視，動漫，建筑，工業等行業領域也用處頗多，戴姆勒、寶馬、Skanska都是他的大客戶。國內包括蔚來、小鵬、理想等14家車廠都在使用Unity提供的智能座艙等解決方案，在建筑建造領域，Unity的數字孿生解決方案已應用至海爾、香港機場、上海安亭汽車城在內的企業。

優勢：

1. 生態完善，從業者最多。
2. 原生支持B/S架構。
3. 開發相對簡單（采用C#）
4. VR、AR、MR支持度高。

unity現有應用：

目前GIS軟件中，SuperMap、ArcGIS、Mapbox均推出了Untiy3D的GIS插件。國內可視化廠商基于Unity做的比較好的公司是光啟元

虛幻引擎Unreal Engine

虛幻引擎是全球最開放、最先進的實時3D創作平臺，可創建逼真的視覺畫面和沉浸式體驗，幾乎是3A工作室的首選，相比Unity，虛幻引擎在圖形保真度方面表現更好，在UE中，使用C++進行游戲代碼的編寫，雖有一定開發難度，但UE中藍圖也很友好。UE設計目的非常明確，每一個方面都具有比較高的易用性，尤其側重于數據生成和程序編寫的方面。而UE5，也憑借著其Nanite和Lumen等突破性的新功能，讓虛幻引擎再次吸引了所有人的矚目。

比較知名的游戲包括：《絕地求生》、《堡壘之夜》、《戰爭機器》 、《彩虹六號》等。

目前GIS軟件中，SuperMap、Cesium、ArcGIS、MapGIS均推出了UE的插件。國內可視化廠商基于UE做的比較好的包括51World、飛渡、數字冰雹、光輝城市、四方偉業等。

五、為什么選擇游戲引擎

1. 三維GIS的發展

地理信息產業大會上提到三維GIS的五次浪潮，其中第五次就是游戲引擎。

三維GIS發展的五次浪潮：

1. 地形三維
2. 三維體
3. 二三維一體化
4. 面向業務的WEB 3D
5. 游戲引擎+GIS

2. 三維GIS與游戲引擎的聯系

游戲引擎不具備地理信息的解決方案。

游戲地圖通常是虛構的，雖然可以展現故事發生的時代、地域、文化特點和人物生存氛圍，但它并非真實的地理環境，也不包含真實的地理坐標。因此，三維GIS技術可以將具有真實地理坐標的GIS數據導入游戲引擎中。通過在游戲中創建一個與真實世界一致的數字孿生地理空間，使得游戲故事發生在真實的地理環境中。

3. 游戲引擎的呈現效果

游戲引擎可以加載多種數據格式的地理信息文件。

基于S3M標準，游戲引擎能夠動態加載大規模、多源異構的在線/離線3D GIS數據，包括傾斜攝影模型、激光點云、手工建模數據、BIM模型等。同時，通過超圖提供的三維GIS插件，游戲引擎還可以支持動態加載地形和影像數據。此外，超圖還在游戲引擎中引入了三維地球，可展示本地/在線的地形和影像數據。這些數據不僅提供室外地理環境信息，還包含地形、地物（水系、居民地、交通、地貌、植被等地理要素），以及建筑內部信息和物聯網實時數據，為游戲引擎提供了具有真實坐標的三維地理底圖，有助于創建與現實一致的虛擬孿生平行世界。

Cesium加載GIS數據

UE4加載GIS數據

Unreal Engine4通過SuperMap GIS動態加載本地/在線的3D GIS數據

來源：https://www.supermap.com/zh-cn/aboutus/

Unity加載GIS數據

Unity通過SuperMap GIS動態加載本地/在線的3D GIS數據

來源：https://www.supermap.com/zh-cn/aboutus/

4. 游戲引擎技術架構與業務的關聯

基于三維GIS數據和游戲特效搭建各種仿真場景。

基于游戲引擎的應用場景架構：

根據ICT技術（Information Communications Technology，信息與通信技術）的組織框架和面向對象的規則，游戲地圖可以分為三層，包括操作層、地形層和地圖文件配置層。其中，操作層是面向用戶的，包括各種物理特效、天氣、光影等信息，屬于動態活動層。地形層是承上啟下交互的紐帶，包括地表、地物、生物，屬于資源支撐層。

基于超圖提供的三維GIS插件，我們可以將本地/在線、具有真實地理坐標的GIS數據動態加載到游戲引擎中，作為游戲的地形層。在地形層上，添加游戲引擎中的各種角色和特效，就可以渲染構建面向用戶的仿真場景。

5. 游戲引擎跨界的優勢

游戲作為一種多媒體載體，會運用到聲音、圖像、視頻等方面的技術；游戲引擎作為底層技術架構，在其他行業也具有一定通用性。

六、Unity & Unreal Engine

對游戲引擎介入的理解，從可視化效果、大場景展示、可擴展性、系統架構等展示能力，并結合公司業務需求場景考慮，其中Unity和UE這兩款引擎符合要求，以下需要結合公司業務需求場景對比這兩款引擎。主要考慮方面為：開發周期、可視化效果、GIS數據結合、大場景展示、人員培養、引擎購買費用。

1. 開發周期

內置功能的數量和先進性：

UE在這方面擁有明顯的優勢。然而，在當前時間點上，UE和Unity之間的差距并不是非常巨大，因此即使選擇使用Unity進行開發也是可行的（尤其是如果Unity在其他方面具有優勢，比如價格），只是并非最佳選擇，需要投入較大的開發成本。

若專注于移動領域，由于移動設備的功能受限以及用戶群體的特點，對新技術的需求較低，因此UE在這方面就不再具備優勢，但總體來說，并沒有明顯的劣勢。實際上，這兩款引擎都可以滿足當前的移動開發需求，雖然各自存在缺陷，但這些缺陷都可以相對簡單地通過二次開發來彌補。（目前在手機端AR應用中，Unity開發應用數量最多）

功能擴展效率（目前業務應用場景不需要對引擎底層做修改）：

Unity在擴展性方面具有一定優勢。

Unity并未開放源代碼，而是通過開放底層接口來支持擴展性，并且處理得相當不錯。相比之下，UE的擴展性處理方式則是“開放源代碼”。

UE在這方面的缺陷主要體現在，用戶擴展功能后很難與其他用戶共享。對于同一個問題，Unity開發者可以直接將解決方案打包分享給其他用戶，在網絡上或商店中讓其他用戶直接使用；而UE開發者只能編寫教程來傳授如何進行修改，導致通過網絡解決問題的效率降低。然而，如果問題本身無法通過網絡解決，則這個缺陷就相當于不存在。此外，由于直接修改源代碼來擴展功能意味著官方可能沒有提供相應的教程和參考資料，因此對開發者的技術水平要求較高。

雖然Unity在擴展性方面更為簡便，但如果業務需求有較高要求，仍可能需要修改引擎以獲得最佳結果。由于無法查看源代碼，只能進行黑盒測試，這對性能優化工作不利。此外，直接接入源碼比從C#中轉接更為高效，特別是接入第三方中間件時。

Unity可以購買源代碼，通過額外支付費用購買源代碼可達到與UE相同水平。然而，Unity的源代碼實際上屬于商業機密，泄露將帶來嚴重后果。各公司對Unity源代碼的保護非常嚴格，員工的閱讀和修改權限受到限制。因此，若打算對引擎進行徹底改造，購買Unity引擎源代碼并非優選方案。

技術開發效率：

Unity的邏輯代碼使用C#語言，而UE則使用C++語言，目前C++應用更為普遍。

就可視化編程工具而言，UE內置了藍圖系統，而Unity則擁有由Unity公司開發的Bolt插件以及第三方的PlayMaker插件（需付費）。在可視化編程工具方面，UE的藍圖相比Unity的插件更為方便易用。

美術/設計的效率：

編輯器界面及漢化：Unity相比UE界面更簡潔一些，UE4的界面窗口數比Unity要更多一些，當然更多的窗口數，也意味著UE4提供了更多可視化的工具給開發者使用。界面漢化方面UE支持界面中文，Unity還是全英文界面。UE和Unity相比對非程序人員更友好。

在可視化編程工具方面UE藍圖相比Unity插件更方便易用。對非程序人員實現可視化的交互功能UE要比Unity更友好。（美術設計師有大量的工作是在引擎外完成的，在引擎中調試效果UE比Unity更方便易用）

2. GIS數據結合

相比Unity對于GIS數據支持度更高，對頂尖的GIS廠商如超圖制作數字孿生項目首推是UE。

3. 大場景展示

UE對比Unity對大大場景支持，UE支持性最好，UE中的WorldPartition 自動化的大世界流送系統。是一種全新的數據管理和流送系統。使用世界分區功能后，世界場景會以單個持久關卡的形式存在，并且場景會被劃分成數個網格，數據會根據你的需求進行局部加載，因此你再也不用將世界劃分成無數的子關卡來管理流送。

4. 人員培養

與Unity相比，UE首先支持中文，并且在打開后會直接彈出一個介紹其功能和使用的教程頁面，采用新手引導式教學，點擊鏈接可跳轉至全中文的教程網頁。這對于非技術人員來說尤為重要。母語優勢十分關鍵；此外，他們可以利用藍圖實現許多功能，無需涉及編程，這有助于提高積極性。更重要的是，UE默認的畫質也較好。在UE商店中，美術資源數量較Unity更多，且畫質更佳。因此，能夠更快地搭建出可用的工程，對于探索學習引擎具有幫助。

雖然Unity曾被認為是一款易于學習的引擎，但這僅因其功能較少而言。然而，隨著需求的增加和需要學習的內容增多，當Unity和UE的畫面和復雜度接近時，這一優勢實際上已經不存在了。盡管UE具有種種優點，但由于Unity擁有先發優勢，從業人員數量遠遠超過UE，因此在這方面UE依然處于明顯劣勢。

需要指出的是，知識并不是特定于某個引擎，而是與特定技術相關聯的，而技術通常是共通的。

5. 引擎購買費

UE相對于Unity的最大競爭劣勢實際上是其定價策略。UE采用的是目標項目收入不超過100萬美元則免費使用，超過部分按5%的收入比例進行收費。（值得一提的是，這個5%的授權方式可以商議，可以考慮像Unity那樣一次性購買，只要價格合適，否則現在那些使用UE的公司也不可能選擇UE。）

而Unity的收費方式則是按每客戶端使用收費：加強版為3101.85人民幣每年每客戶端，專業版為15675.36人民幣每年每客戶端。

另外，在引擎源碼方面，UE是免費獲取的，而Unity源碼則需要付費。

6. 總結

經如上綜合考慮，最終推薦：UE虛擬引擎升級數字孿生。

七、產品應用架構預設

1. 游戲引擎的價值閉環

2. 平臺技術框架

通過UE視頻流的方式與前端VUE及后端接口聯通，發布為瀏覽器訪問的BS系統。

以上是筆者對——【數字孿生產品升級】的分享，希望可以和大家一起了解、分享TO G行業中，與智慧城市相關的知識。