2025数字孪生与智能算法白皮书

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编制说明 2021 年 8 月，在浙江大学数据分析和管理国际研究中心的指导下，由杭州易知微科 技有限公司牵头发起成立了数字孪生世界企业联盟，专注于贯通数字孪生产业上下游，打 造数字孪生产业协同创新生态，以数字孪生体为基座，融合上下游产品和技术，将物理世 界全方位的数字化，实现一个真实的可以实时感知和管理的数字孪生世界。 为促进生态合作、行业交流、创新发展等工作上的融合共生，由联盟理事长单位杭州 易知微科技公司牵头，结合联盟内各成员单位的行业实践，于 2022 年 5 月首次编制数字 孪生世界白皮书（案例实践篇），于 2023 年 4 月编制数字孪生世界白皮书（技术实践篇）， 于 2025 年 4 月编制数字孪生世界白皮书（智能算法篇）。 特别说明：本白皮书内所有案例截图均为模拟数据。 主编单位：杭州易知微科技有限公司 编写指导（排名按姓名拼音首字母）： 陈为 浙江大学计算机学院教授 邓贵德 中国特种设备研究院正高级工程师 杨秦敏 浙江大学控制科学与工程学院教授 周伟华 浙江大学数据分析和管理国际研究中心主任 编写小组（排名不分先后）： 宁海元、赵倩、李强、李宋、朱悦凯、李耀辉、沈鲁栋、黄佳河、吴敏江、刘永贵、吴玉鑫、杨嘉欣、 韩帅、孟详钧、陈威辰、王学莹、张斯洋、童涛、徐照松、肖莉、相里佳豪、雷强等。 指导老师序 易知微主持编写的这本《数字孪生世界白皮书》为数字化改革和区域经济发展提供了 导览图，是各大企业数字化转型过程中的必备参考。 陈为 浙江大学计算机学院教授 从当前数字孪生项目布局情况来看，城市、水利、电力、交通、能源是目前数字孪生 的主要研究应用领域。在高端装备、社会风险防控等方面也有探索性的研究开展。《数字 孪生世界白皮书》通过对于数字孪生技术和行业解决方案的深度剖析和成果分享，为数字 孪生应用在千行百业中落地生根提供借鉴，为产业发展提供了参考。 邓贵德 中国特种设备研究院正高级工程师 随着经济社会数字化转型的持续推进，数字孪生逐渐成为各界关注的热点。尤其是今 年以来以数字孪生为核心技术的“元宇宙”概念的爆发式兴起，使得数字孪生技术得到了 包括学术界、工业界等在内的多方重点关注。数字孪生技术打通了物理世界与数字世界的 隔阂，实现了物理信息系统中的虚实融合，在智能制造、智能建造、智慧医疗、智慧城市 等垂直行业广泛拓展，产生了智能运维、虚拟调试、异常诊断、风险预测、决策辅助、系 统优化等诸多应用价值，已成为助力企业数字化转型、提高生产效率、促进数字经济发展 的重要抓手。 《数字孪生世界白皮书》聚焦数字孪生世界的关键技术、行业场景与应用发展，梳理 了数字孪生技术基础设施发展情况，深入分析产业化元宇宙发展趋势，技术体系以及包括 城市、工厂、流域、双碳等典型行业的应用场景，旨在为产业界在规划建设数字孪生世界 时提供参考借鉴，助力数字孪生世界的技术演进和产业发展。 杨秦敏 浙江大学控制科学与工程学院教授 在企业数字化转型和政府数字化改革大背景下，数据分析带来的决策能力，已经变成 每一个组织需要具备的核心能力。对于决策者来说，如何高效的看见和理解数据，并基于 数据快速做出决策和指挥，也越来越成为一个基本要求。因此，数据分析的可视化逐渐成 为普遍需求，由此进一步演进到数据孪生技术，构建和物理世界一一映射的数字孪生体， 实时联动呈现相关的数据和分析，并在数字世界中可以反向操控物理世界的实体，这是在 学术界和工业界正在兴起的数字化新技术。很高兴看到这本《数字孪生世界白皮书》的诞 生，提供了很多数字孪生技术企业在工程实践中的探索，必将加速数字孪生技术趋势的发 展。 周伟华 浙江大学数据分析和管理国际研究中心主任 前言 《“十四五”国家信息化规划》《“十四五”数字经济规划》等文件均提出要强化数 字孪生技术战略研究布局和技术融通创新。数字孪生最早主要应用于军工及航空航天领 域，近年来持续向智能制造、智慧城市、智慧水利、智慧能源、智慧交通等垂直领域拓展， 已成为助力企业数字化转型、实现城市可持续发展、促进数字经济发展的重要抓手。通过 数字化提升城市运行效能，不断破解城市治理中的实际问题是提升城市治理水平的重要路 径，而数字孪生技术作为优势技术集成突破的代表之一，已经成为产业、资本、政府各界 高度关注和资源投入的焦点。数字孪生城市被视为智慧城市的升级版和必选项，进一步刷 新了人们对于未来城市的想象空间。 2022 年，数字孪生世界企业联盟联合数字孪生业内领域单位与专家，主持编写了《数 字孪生世界白皮书（2022）》，聚焦数字孪生世界的关键技术、行业场景与应用发展，全 面介绍了数字孪生知识体系、“V”模型数字孪生世界方法论，聚焦 5 大领域、汇集 15 个 重点行业典型案例。旨在为产业界在规划建设数字孪生世界时提供参考借鉴，助力数字孪 生世界技术演技和产业发展。 《数字孪生世界白皮书（2023）》在 2022 版基础上深化技术创新，提出"技术+应用" 双驱动模式，系统规划产业发展路径。白皮书涵盖五大板块，行业综述指出数字孪生呈多 技术融合特征，但存在"有表无里"等实践痛点，强调"数智视融合，虚实人联动"将成为核 心趋势；技术架构对比分析 B/S 与 C/S 体系优劣势，结合案例提出建设参考；核心技术提 出七大能力体系，包括感知、数据治理、仿真推演等，支撑城市、工厂等场景深度应用； 通过技术成果展示物联网、AI、GIS 等技术聚合创新，如易知微的渲染引擎、数字人插件 等实践突破；五、行业应用聚焦园区、港口、水利等五大场景，结合政策与市场需求推动 技术落地。全文通过理论剖析与实践案例结合，为数字孪生技术跨领域融合及产业化发展 提供系统性指引。 《数字孪生世界白皮书（2025）》在前两版的基础上深化数字孪生技术创新，推动“数 字孪生+智能算法”的数字孪生智能应用建设，旨在通过白皮书为数字孪生产业发展提供 借鉴与参考。 本次白皮书系统梳理技术演进路径、核心能力建设及行业实践成果，数字孪生的核心 在于通过数据驱动实现物理世界与虚拟世界的精准映射与动态交互。白皮书提出四大关键 技术能力： 物理感知与数据融合。整合 LiDAR、无人机、物联网等多源异构数据，构建高精度三 维地质模型与实时监测网络，支持黄河流域泥沙冲淤分析、城市内涝预警等场景。 高效建模与轻量化渲染。基于 3D Tiles 流式加载、ENU 坐标变换与 LRU 缓存技术， 实现大规模倾斜摄影模型的秒级加载，突破 Web 端性能瓶颈。 机理与数据双驱动。融合水动力模型、有限元分析等物理机理与 AI 算法（如 LSTM、 强化学习），将洪水预测误差降至 3%以下，推演效率提升 20 倍。 动态交互与智能决策。通过数字人、大语言模型（LLM）实现自然语言操控，支持应 急指挥、设备运维等场景的智能响应。 围绕复杂数据处理与孪生场景应用、机理模型与数据驱动模型、超大体量数据处理与 实时渲染能力、自动化模型构建能力、大模型算法能力在数字孪生中的应用做了深度的技 术剖析。 同时，本白皮书围绕智慧城市、智慧水利、智能制造、智慧能源、智慧园区等场景， 深度展现数字孪生技术的场景化价值。 目录 一、数字孪生核心技术：智能算法的融合应用................................................................ 1 （一） 复杂数据处理与孪生场景应用...................................................................... 1 1、 气象数据处理与应用.................................................................................... 2 2、 地理数据处理与应用..................................................................................13 3、 3DTiles 数据处理与应用............................................................................ 25 4、 视频数据处理与应用..................................................................................32 （二） 机理模型与数据驱动模型............................................................................38 1、 机理模型应用.............................................................................................38 2、 数据驱动模型应用..................................................................................... 49 3、 机理模型与数据驱动模型的协同应用........................................................ 54 （三） 超大体量数据处理与实时渲染.................................................................... 56 1、 分布式计算与可视化展示........................................................................... 56 2、 超大量点位数据加载与查询.......................................................................64 （四） 自动化模型构建能力...................................................................................70 1、 Houdini 建模...............................................................................................71 2、 CityEngine 建模......................................................................................... 75 3、 倾斜摄影................................................................................................... 83 （五） 大模型算法能力的延伸............................................................................... 89 1、 多模态大模型的应用.................................................................................. 89 2、 3D 高斯泼溅技术.......................................................................................96 二、新型技术成果：持续赋能企业数字化转型............................................................ 101 （一） EasyV 数字孪生可视化平台........................................................................101 （二） EasyTwin 数字孪生仿真渲染引擎...............................................................106 （三） 防洪“四预”智慧水利平台......................................................................114 （四） 更多产品服务............................................................................................120 三、数字孪生世界：重点行业解决方案探索................................................................124 （一） 数字孪生能源............................................................................................124 （二） 数字孪生园区............................................................................................132 （三） 数字孪生文旅............................................................................................149 （四） 数字孪生物流............................................................................................156 （五） 数字孪生港口............................................................................................164 参考文献..................................................................................................................... 171 数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2025) 1 一、数字孪生核心技术：智能算法的融合应用 数字孪生技术的核心在于形成“物理机理为基、数据智能为翼”的复合技术体系。在 水利、制造、能源等领域，传统机理模型（如水动力模型、有限元分析）基于物理定律提 供可解释性强的基线预测，而智能算法（如 LSTM、随机森林、强化学习）通过海量数据 捕捉非线性关系，修正残差、优化参数，显著提升系统精度与响应速度。例如，某水利项 目中，LSTM 网络结合水文数据将水质预测误差降至 3%以下；在工业场景中，自编码器 驱动的设备故障预警系统减少非计划停机 30%。 智能算法的融合应用还体现在多源异构数据的实时处理与动态适应上。通过集成传感 器数据、遥感影像与业务日志，大模型可动态优化城市内涝模拟、港口物流调度等复杂场 景。黄河流域泥沙冲淤模型即通过无人机测深数据与智能插值算法，实现水下地形的高频 更新，防洪调度效率提升 40%。此外，基于强化学习的智能决策系统在电网负荷平衡、交 通信号优化中展现出自主进化潜力。 然而，智能算法融合仍需攻克数据质量、模型可解释性及边缘计算实时性等挑战。未 来，随着 AIGC 生成高精度场景、边缘 AI 加速推理，数字孪生将迈向“感知-决策-执行” 闭环自治，成为产业智能化升级的核心引擎。 （一）复杂数据处理与孪生场景应用 数字孪生技术的核心在于对多源异构数据的深度融合与智能解析，其应用场景的拓展 高度依赖于复杂数据的高效处理能力。地理数据处理通过整合 DEM、LiDAR 等数据，构 建高精度三维地质模型，结合 AI 算法实现地质灾害动态模拟（如滑坡预警、洪水淹没分 析），并应用于水利工程优化与城市规划决策。例如，黄河流域通过无人机测深技术实时 数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2025) 2 更新水下地形数据，支撑泥沙冲淤模型，显著提升防洪调度效率。 3D Tiles 数据的高效渲染解决了大规模倾斜摄影模型在 Web 端的性能瓶颈。通过自研 的流式加载方案、动态 LOD 机制及 ENU 坐标变换技术，优化了局部高精度场景的渲染精 度与效率，支持智慧城市中建筑群建模、工业设备监测等场景。LRU 缓存与空间索引技 术的引入，进一步降低了数据冗余，实现轻量化实时交互。 气象与视频数据的虚实融合是数字孪生动态化的重要支撑。基于 Unreal Engine 的气象 数据处理技术，通过解析格点与 NC 文件生成动态等高线图与卫星云图，增强气候预测的 直观性；而视频数据通过 GPU 加速的投影纹理映射与多路拼接技术，将实时监控画面精 准映射至三维模型表面，应用于交通管理、虚拟广告等领域，提升场景交互性与应急响应 能力。 未来，随着 AI 驱动的自动化建模、边缘计算与轻量化渲染技术的深化，复杂数据处 理将进一步突破时空对齐、精度优化等挑战，推动数字孪生在智慧城市、工业 4.0 及环境 治理中的规模化应用，构建虚实协同的智能化生态体系。 1、气象数据处理与应用 1）概述 近年来，随着数字孪生应用平台在城市管理、应急响应、防控指挥等场景的应用要求 加深，对于准确生成和可视化呈现气象数据提出了更高的技术要求，尤其是通过等高线图 和卫星云图的形式呈现。 等高线图为专业人士提供了一种直观理解地形复杂性的方法，同时在评估气象条件对 特定地理区域的影响方面也展现出无可替代的价值。它使得风向、温度分布以及其他关键 气象参数能够基于地形特征进行精确分析，从而支持更加精准的环境预测与规划决策。卫 数字孪生世界企业联盟 DTWEA 数字孪生世界白皮书(2025) 3 星云图作为观察大气动态变化的关键工具，提供了覆盖广阔区域的即时气象信息。 这些图像帮助我们实时追踪天气系统的演变，从大规模的气候模式到局部风暴的发 展，无所不包。对于数字孪生应用平台而言，集成卫星云图功能意味着能够在虚拟环境中 模拟真实的气象状况，进而为城市规划者、环境科学家以及应急响应团队提供强有力的决 策支持。 2）技术难点 ①通过格点数据生成等值线 在使用 UE 通过格点数据生成等高线图时，开发者面临一系列技术挑战。与专业地理 信息系统（GIS）软件相比，后者通常只需简单导入相应的格点数据，即可迅速生成精确 的等高线图，而 UE 在这个过程中则显得不够直接和高效，具体表现为： 数据适配难题。UE 并非为处理复杂的地理空间数据而设计，这意味着在将格点数据 转换为可用于生成等高线图的信息前，需要进行大量的数据预处理工作。这包括数据格式 转换、坐标系统校正以