文/張馨芳，李啟民，張佳星 中規(guī)（北京）認(rèn)證有限公司

《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》指出，數(shù)字經(jīng)濟(jì)是繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)之后的主要經(jīng)濟(jì)形態(tài)。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的基礎(chǔ)和動(dòng)力，是通向數(shù)字孿生的“鐵公基”，是數(shù)字孿生世界構(gòu)想落地的基礎(chǔ)支撐和關(guān)鍵引擎。數(shù)字孿生作為踐行智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等先進(jìn)理念的使能技術(shù)與手段，受到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文從專利視角分析數(shù)字孿生技術(shù)全球發(fā)展現(xiàn)狀，并提出相應(yīng)建議。

1 背景

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，是借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。

伴隨數(shù)字技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的演進(jìn)與變革，數(shù)字孿生發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段。第一階段為概念發(fā)展期；第二階段是在航空航天行業(yè)的應(yīng)用；第三階段為多類行業(yè)的拓展應(yīng)用。數(shù)字孿生的蓬勃發(fā)展與新一代信息技術(shù)的興起、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在多個(gè)行業(yè)的普及密不可分。

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和全面，國內(nèi)高校的相關(guān)專家對(duì)技術(shù)分解、核心技術(shù)路線指引和關(guān)鍵詞確定等方面提出寶貴的意見。

本文檢索的數(shù)據(jù)來源于智慧芽（PatSnap）專利數(shù)據(jù)庫。檢索分析步驟如下：第一步對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行技術(shù)分解；第二步確定中英文檢索關(guān)鍵詞；第三步制定檢索表達(dá)式；第四步清洗檢索數(shù)據(jù)；第五步為數(shù)據(jù)分析。

2 數(shù)字孿生專利申請(qǐng)分析

專利文獻(xiàn)作為技術(shù)信息最有效的載體，通過對(duì)數(shù)字孿生專利的統(tǒng)計(jì)分析，能夠幫助了解數(shù)字孿生的全球競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

2.1 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

隨著數(shù)字化成為未來世界的發(fā)展方向，數(shù)字孿生技術(shù)將虛擬世界和物理世界相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)采集分析和系統(tǒng)監(jiān)控，從而預(yù)防事故發(fā)生，尋求新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)。全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)狀況如圖1所示。從圖中可以看出，2003年至2010年，每年專利申請(qǐng)數(shù)量增長較為平緩，這一階段主要為數(shù)字孿生技術(shù)的概念發(fā)展期，還未大規(guī)模應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域；2011年至2014年，這一階段專利申請(qǐng)數(shù)量有較為明顯的增長趨勢(shì)，主要原因是數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用，數(shù)字孿生被定義為一種面向飛行器或系統(tǒng)高度集成的多物理場(chǎng)、多尺度、多概率的仿真模型；2015年至今，專利申請(qǐng)數(shù)量顯著增長，這一階段數(shù)字孿生技術(shù)由復(fù)雜的飛行器領(lǐng)域向一般工業(yè)制造領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用拓展，在能源、智能制造、軌道交通等領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)得到日益廣泛的應(yīng)用，例如建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在此期間被眾多國家列為工程建設(shè)行業(yè)的強(qiáng)制應(yīng)用技術(shù)，其專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)顯著增加。考慮到發(fā)明專利申請(qǐng)需要滿18個(gè)月后公布，圖中顯示2021和2022年的申請(qǐng)數(shù)量將小于實(shí)際申請(qǐng)數(shù)量。綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)已成為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究熱點(diǎn)，Gartner公司更是連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為未來十大戰(zhàn)略趨勢(shì)。隨著數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸建設(shè)完善，數(shù)字孿生技術(shù)也將呈現(xiàn)更加蓬勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

圖1 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

2.2 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)地域分析

數(shù)字孿生專利申請(qǐng)主要分布國家或組織依次為中國、美國、韓國、日本、歐洲專利局、德國、英國、法國、俄羅斯、印度等。全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前十的國家/組織如圖2所示，可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要集中在中國、美國、韓國、日本、德國，其中中國專利申請(qǐng)數(shù)量大幅領(lǐng)先其他國家。具體而言，中國多類主體積極參與數(shù)字孿生實(shí)踐，中國各級(jí)政府紛紛出臺(tái)數(shù)字孿生相關(guān)的政策文件，加快推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃，此外，中國企業(yè)、科研院校也積極開展數(shù)字孿生技術(shù)研究。美國作為最早開展數(shù)字孿生技術(shù)研究的國家，專利技術(shù)儲(chǔ)備靠前，當(dāng)前美國數(shù)字孿生研究集中在軍民兩大領(lǐng)域，通過美國國防部的項(xiàng)目孵化，相關(guān)參與企業(yè)積極推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的軍民轉(zhuǎn)化。韓國實(shí)施“數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)推進(jìn)戰(zhàn)略”，涵蓋數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建。日本通過“社會(huì)5.0”戰(zhàn)略，利用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建虛擬空間和物理空間高度融合的社會(huì)系統(tǒng)。綜上所述，相比于其他國家的點(diǎn)狀應(yīng)用探索，中國因“政產(chǎn)研”結(jié)合的綜合優(yōu)勢(shì)，在專利申請(qǐng)數(shù)量上較為領(lǐng)先。

圖2 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前十的國家/組織

2.3 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人

全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人，其近十年的專利申請(qǐng)趨勢(shì)如圖3所示。從申請(qǐng)人所處國家或地區(qū)來看，集中在中國、德國、美國、荷蘭，其中中國和德國數(shù)量最多，均為4家；從申請(qǐng)人所屬行業(yè)來看，制造業(yè)和能源行業(yè)的占比最多；從申請(qǐng)主體的性質(zhì)來看，主要集中在企業(yè)，共有8家。

圖3 全球數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人近十年申請(qǐng)趨勢(shì)

申請(qǐng)數(shù)量排名第一為國家電網(wǎng)，作為一家以投資、建設(shè)及運(yùn)營電網(wǎng)為核心業(yè)務(wù)的企業(yè)，國家電網(wǎng)積極引入數(shù)字孿生技術(shù)，其專利布局方向主要集中在數(shù)字孿生微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，通過全景監(jiān)測(cè)以及狀態(tài)評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確掌握微電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別微電網(wǎng)的運(yùn)行薄弱環(huán)節(jié)，以及新能源并網(wǎng)的控制策略優(yōu)化。國家電網(wǎng)作為國內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)量領(lǐng)先的企業(yè)，積極通過專利保護(hù)科技創(chuàng)新成果，其數(shù)字孿生領(lǐng)域相關(guān)專利“一種全屏蔽高壓隔離型電壓互感器”獲得第二十三屆中國專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)。

排名第二為西門子，西門子是全球領(lǐng)先的工業(yè)自動(dòng)化廠商，擁有從工業(yè)控制到工業(yè)軟件的完整產(chǎn)品譜系。西門子以高質(zhì)量的專利組合申請(qǐng)而著稱，其數(shù)字孿生領(lǐng)域的專利布局主要包括產(chǎn)品數(shù)字孿生、生產(chǎn)數(shù)字孿生和設(shè)備數(shù)字孿生三部分，通過系統(tǒng)化布局，形成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，保障企業(yè)整體智能化運(yùn)營。

排名第三為谷歌，谷歌是全球最大的搜索引擎公司，其在數(shù)字孿生領(lǐng)域的技術(shù)布局集中在數(shù)字地圖領(lǐng)域。谷歌利用其在AR/VR領(lǐng)域的專利技術(shù)優(yōu)勢(shì)，積極開展沉浸式3D實(shí)景地圖的專利布局，構(gòu)建數(shù)字新消費(fèi)場(chǎng)景，從而推動(dòng)數(shù)字孿生的相關(guān)產(chǎn)業(yè)落地。

綜上所示，數(shù)字孿生集合各類新興技術(shù)，將數(shù)字世界與物理世界相融合，為工業(yè)設(shè)備等提供完整的生命周 期數(shù)據(jù)，逐漸成為智能制造等行業(yè)的重要應(yīng)用趨勢(shì)。

2.4 核心技術(shù)專利分析

數(shù)字孿生技術(shù)是一系列數(shù)字化技術(shù)的集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，包括數(shù)字線程技術(shù)、數(shù)字孿生體、數(shù)字支撐技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)四大類型，其中，數(shù)字線程技術(shù)是數(shù)字孿生體系中的核心技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生多類模型數(shù)據(jù)融合的重要技術(shù)。

數(shù)字線程是指可擴(kuò)展、可配置和組件化的企業(yè)級(jí)分析通信框架，基于該框架可以構(gòu)建覆蓋系統(tǒng)生命周期與價(jià)值鏈全部環(huán)節(jié)的跨層次、跨尺度、多視圖模型的集成視圖，進(jìn)而以統(tǒng)一模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生存期活動(dòng)，為決策者提供支持。數(shù)字線程是物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體之間的溝通橋梁。

（1）全球數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

數(shù)字線程發(fā)源并廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)，是覆蓋復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)流，集成并驅(qū)動(dòng)以統(tǒng)一模型為核心的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營。全球數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)如圖4所示，從圖4可以看出，從2003年至2017年，數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量增長較為平緩，這一時(shí)期的數(shù)字線程技術(shù)主要集中于航空航天業(yè)；2018年至今，越來越多的工業(yè)組織實(shí)施或擴(kuò)大數(shù)字技術(shù)，數(shù)字線程技術(shù)消除不同制造系統(tǒng)之間的信息孤島，成為制造智能化的加速器，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量顯著增長。考慮到發(fā)明專利申請(qǐng)需要滿18個(gè)月后公布，圖中顯示2021和2022年的申請(qǐng)數(shù)量將小于實(shí)際申請(qǐng)數(shù)量。

圖4 全球數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

（2）國內(nèi)主要專利申請(qǐng)人排名

國內(nèi)數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先專利申請(qǐng)人如圖5所示，從圖中可以看出，國內(nèi)專利申請(qǐng)人主要為電力能源、信息通信類企業(yè)和高校，其中國家電網(wǎng)的申請(qǐng)數(shù)量最多，且遠(yuǎn)高于其他國內(nèi)申請(qǐng)主體；排名第二、第三分別是華為和廣東工業(yè)大學(xué)。電力行業(yè)數(shù)字線程技術(shù)的專利申請(qǐng)，屬于技術(shù)的應(yīng)用范疇，而數(shù)字線程模型集成管理平臺(tái)工具，是數(shù)字孿生底層數(shù)據(jù)和模型互聯(lián)、互通、互操作關(guān)鍵支撐，國內(nèi)企業(yè)在這一領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)布局較少。

圖5 國內(nèi)數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人

（3）國內(nèi)主要專利申請(qǐng)人技術(shù)聚焦點(diǎn)

國內(nèi)數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申 請(qǐng)人技術(shù)焦點(diǎn)如圖6所示，從圖中可以看出，國家電網(wǎng)的專利布局較為均衡，在數(shù)字仿真、仿真系統(tǒng)、以及終端設(shè)備等子技術(shù)領(lǐng)域均有布局，其異構(gòu)通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電力線載波以及無線通信協(xié)議的有效融合，促進(jìn)物理電網(wǎng)全要素的數(shù)字化以及全狀態(tài)的實(shí)時(shí)化；而華為主要在終端設(shè)備和服務(wù)器等子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利布局，其通過綜合運(yùn)用在通訊領(lǐng)域的專利技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)5G站點(diǎn)的數(shù)字化部署；廣東工業(yè)大學(xué)則在仿真模型和仿真平臺(tái)等子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利布局，其利用數(shù)字孿生的仿真加速測(cè)試方法對(duì)車間系統(tǒng)軟件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖6 國內(nèi)數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人技術(shù)焦點(diǎn)

（4）國外主要專利申請(qǐng)人排名

國外數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人如圖7所示，主要為軟件或制造類企業(yè)，其中谷歌的專利申請(qǐng)數(shù)量最多，申請(qǐng)數(shù)量超過100件，隨后依次為西門子和莊臣，申請(qǐng)數(shù)量分別為83件和62件。國外申請(qǐng)人主要集中在美國，申請(qǐng)數(shù)量前10的申請(qǐng)人中，有7家為美國公司，涵蓋軟件、醫(yī)療、信息通信類等企業(yè)類型。

圖7 國外數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人

（5）國外主要專利申請(qǐng)人技術(shù)聚焦點(diǎn)

國外數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人技術(shù)焦點(diǎn)如圖8所示，從圖中可以看出，谷歌在數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域的專利布局主要集中在數(shù)字地圖和交互式等子技術(shù)領(lǐng)域，西門子的專利布局主要集中在控制器等子技術(shù)領(lǐng)域，莊臣主要在眼科鏡片和光學(xué)質(zhì)量等子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行專利 布局。

圖8 國外數(shù)字線程技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先專利申請(qǐng)人技術(shù)焦點(diǎn)

3 建議

首先，從國家層面來看，專利申請(qǐng)地域主要集中于中國和美國，一定程度上反映出中美兩國在數(shù)字孿生領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新投入產(chǎn)出較為活躍。美國作為數(shù)字孿生概念較早提出的國家，從戰(zhàn)略規(guī)劃、應(yīng)用實(shí)踐、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新等方面全方位布局?jǐn)?shù)字孿生發(fā)展，通過構(gòu)建基于模型的系統(tǒng)工程方法論，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，利用領(lǐng)先的仿真產(chǎn)業(yè)為數(shù)字孿生提供基礎(chǔ)建模工具，而波音等公司在產(chǎn)品研制過程中的積累機(jī)理模型，持續(xù)優(yōu)化數(shù)字孿生的精度。當(dāng)前盡管數(shù)字孿生在中國的熱度較高，但主要集中在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，在中美競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，中國應(yīng)提前在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域做好技術(shù)備份，避免被“卡脖子”。

其次，從行業(yè)發(fā)展來看，得益于數(shù)字孿生技術(shù)向一般工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，2015年之后整個(gè)行業(yè)的專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)顯著增加，但結(jié)合專利申請(qǐng)內(nèi)容可以看出，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)主要集中在“階段性生命周期”中的“碎片化應(yīng)用”，例如在生產(chǎn)或運(yùn)維階段的數(shù)字孿生方案，并非自孿生對(duì)象誕生起直至報(bào)廢的“全生命周期”應(yīng)用發(fā)展，難以發(fā)揮數(shù)字孿生的潛在價(jià)值。數(shù)字線程技術(shù)是構(gòu)建“全生命周期”信息閉環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)，通過數(shù)字線程技術(shù)聯(lián)通數(shù)據(jù)和流程之間的孤島，從而實(shí)現(xiàn)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，減少開發(fā)和運(yùn)營成本以及改善客戶需求的目標(biāo)。從空間角度看，復(fù)雜的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括不同類型和尺度的獨(dú)立孿生對(duì)象，以及他們彼此實(shí)時(shí)的信息關(guān)聯(lián)和行為交互。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)行業(yè)將向延展孿生時(shí)間和拓寬孿生空間的方向發(fā)展。

最后，從企業(yè)層面來看，中國專利申請(qǐng)人主要為電力能源企業(yè)，國外申請(qǐng)人主要為制造業(yè)和軟件行業(yè)?？傮w來看，各主體需要立足自身優(yōu)勢(shì)綜合布局，打造數(shù)字孿生核心競(jìng)爭(zhēng)力，例如西門子通過持續(xù)并購工業(yè)軟件，不斷強(qiáng)化其自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建工廠級(jí)數(shù)字孿生解決方案；越南電動(dòng)車生產(chǎn)商Vinfast通過西門子數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)的智能整車工廠，耗時(shí)僅21個(gè)月，最大產(chǎn)能可達(dá)50萬輛/年。

4 結(jié)束語

數(shù)字經(jīng)濟(jì)正成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋?jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵力量。數(shù)字孿生作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的內(nèi)在引擎，當(dāng)前應(yīng)用水平仍僅處于初級(jí)階段，在全生命周期應(yīng)用、復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用仍有較大發(fā)展空間。數(shù)字孿生能夠充分發(fā)揮我國工業(yè)門類齊全、場(chǎng)景眾多的優(yōu)勢(shì)，釋放我國工業(yè)數(shù)據(jù)紅利。

本文以專利視角對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行研究分析，并從國家、行業(yè)、企業(yè)三個(gè)角度分別提出相關(guān)建議，以期為相關(guān)主體提供決策參考。專利申請(qǐng)作為評(píng)價(jià)創(chuàng)新產(chǎn)出的基本指標(biāo)，能較好反映申請(qǐng)主體的創(chuàng)新能力，有規(guī)劃的專利布局可以為申請(qǐng)主體提供良好的專利支撐。當(dāng)前，我國不斷強(qiáng)化數(shù)字經(jīng)濟(jì)建設(shè)，使之成為經(jīng)濟(jì)增長“新引擎”，數(shù)字孿生創(chuàng)新與發(fā)展的大幕剛剛拉開。一方面，需要加強(qiáng)仿真建模與數(shù)據(jù)科學(xué)的集成優(yōu)化等方向的創(chuàng)新投入，這些方向的基礎(chǔ)研究需要長期技術(shù)積累才可能取得創(chuàng)新性的突破；另一方面，提高工業(yè)廠商對(duì)孿生數(shù)據(jù)、孿生模型的積累意識(shí)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)尋求知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。