箩筐分享｜元宇宙如何引领未来20年科技发展浪潮

展望：

元宇宙开启探索下一代新生态

我们认为，向元宇宙发展的过程中，将持续看到各种单点创新和突破，这些单点技术 不断融合诞生下一代产品，下一代产品会继续突破、创新、融合，最终能够带来超越想象 的潜力，驱动产品创新和商业模式创新。当前我们处于元宇宙早期，终极元宇宙尚需极大 的技术进步和产业创新，可能要到 20-30 年之后才有可能实现。而全球科技巨头正在为元 宇宙布局，发展过程将呈现渐进式发展，单点技术创新不断出现和融合、“连点成线”，从 产业各方面向元宇宙靠近。我们乐观看待元宇宙的中长期发展，预计自 2022 年起，元宇宙将推动开启探索下一 代新生态，最终有望形成新的科技浪潮。

元宇宙发展路径判断

随着概念热度不断提升，陆续有公司对元宇宙发声，短期来看，市场大部分公司更多 是将元宇宙作为一种热点概念跟随和营销手段。

对于有实质性布局的科技巨头，我们认为持续投入的本质是去竞争未来信息技术的发 展机遇，在移动互联网市场格局逐渐清晰的当下，去尝试寻找和把握下一个科技浪潮的时 代机遇。

以 Meta 为代表，其向元宇宙转型坚决，亦是因为在当下的移动互联网中，公司营收 高度依赖广告，错失移动时代和云时代的关键机会，导致 Meta 营收、利润的成长性受到 限制，市值出现明显掉队。而元宇宙作为下一代科技浪潮的展望，可能带来新的时代机遇， 能够改变当前市场格局，最终吸引到科技巨头纷纷入局。

在发展过程中，与移动互联网的发展路径相比，我们认为在元宇宙将看到软件和硬件 发展的同与不同。整体来说，我们判断一批和元宇宙相关的软件应用将先行发展、落地， 中期下一代智能交互终端的出现将全面开启元宇宙，中远期看，软件应用和下一代智能终 端相结合，完成效率和体验的代际性升级。

在时间点上，我们认为一批与元宇宙相关的软件和应用会先行发展，我们将看到数字 孪生、开放世界游戏、虚拟数字人、3D 社交、3D 会议等领域在 C 端和 B 端的持续探索， 这些应用的落地不依赖于下一代硬件终端，可以在当前的互联网环境中产生较大的价值。同时，这些领域积累的技术储备与元宇宙的特点契合，能够持续在元宇宙发展的过程中迭 代和发挥价值，等待下一代硬件落地后，将激发这些领域更大的应用潜力。

从元宇宙特点出发，当前的智能手机、PC 均不具备提供 3D 显示的能力，我们认为会 出现下一代智能交互终端，并且同移动互联网兴起相同，下一代智能交互终端将是元宇宙 全面开启的关键。回顾“PC-手机”、“功能手机-智能手机”的变迁，我们看到分别出现的 是便携性的代际进化和显示交互的代际进化，而在第一代 iPhone 的发布会上，乔布斯特 别强调的是 iPhone 带来的全新交互形式。从代际更迭的角度来看，理想的 XR 终端在显 示、交互两个方面有代际性的突破，2D 视觉升级到 3D，点按、滑动的交互方式升级到动 作、语言、眼动，是下一代智能交互终端的有力竞争者。

对于 XR 产业，我们认为 VR 将首先落地，虽然看好 VR 终端的出货量继续增长，但 预计较难在用户端成为社会主流的消费电子产品。中长期维度，我们更看好 AR/MR 的潜 力。预计 2025 年发售的 AR/MR 设备将成为关键的市场节点，如果能验证关键技术和核心 用户体验，在 2025-2030 年阶段，AR/MR 设备整体有望看到出货量的显著增长。远期， 我们看好 AR/MR 随着技术的突破，带来用户体验的继续升级和更丰富的生态应用，最终 呈现对智能手机的替代趋势。

在中远期，等待下一代智能终端落地后，软件和硬件将结合发展、相互促进。我们判 断结合发展的逻辑和方向将与移动生态的关键逻辑会有所不同。在移动生态的全面兴盛中， 非常关键的是智能手机带来更大规模的用户群体，电商、游戏、IM、生活服务等 PC 互联 网已经出现的类型，受益于移动互联网不断增长的用户规模而快速发展，也带来了过去十 年互联网企业对网络规模追求。但从个体微观角度出发，在用户体验上，虽有便捷性、算 法等诸多显著提升，但本质上仍受限于 PC 屏幕或手机屏幕的范畴，这些应用在跨越互联 网代际后，仍然以看文字、看图片、看视频等形式来服务于用户，难以称得上是体验范畴 的代际更迭。

在元宇宙的发展中，虽然用户规模仍将是增长点，但我们认为，中远期软件应用和硬 件结合发展，核心逻辑是带来效率和体验的代际性升级。用户将以下一代的体验方式，或 虚拟、或虚实结合、或我们当前难以预测到的方式，大幅提高各项生产生活活动的效率， 同时获得与人类天性结合更加紧密和自然的体验。当然，这个发展过程还需要众多技术积 累和时间，同时也需要下一代智能交互终端来全面开启。

4 元宇宙发展路径中的机遇

GPU：算力基础，英伟达全球领先、国产 GPU

起步 GPU 全称 Graphics Processing Unit，即图形处理器，是一种应用在在 PC、工作站、 游戏主机等终端设备上运行绘图运算工作的微处理器。

GPU 诞生之初，主要用于视频、2D/3D 游戏等图像领域。在发展中，得益于设计结 构带来的特点，GPU 在大规模并行计算和通用计算的能力被逐步发掘，开始拓展应用领域， 在服务器、汽车、比特币、人工智能等领域逐步进入应用。

近年，在传统的图形应用外，GPU 在加速计算、AI 模型训练和推理、高性能计算、 云游戏、数据分析等领域陆续得到关注，并快速占据重要地位。当前，GPU 的下游应用场 景主要包括游戏设备、消费电子、AI 服务器、自动驾驶、医疗影像等。

例如，进入云时代后，在 AI 服务器中，利用 CPU 和 GPU 构建的组合可以满足更高 的数据吞吐处理需求，在云端为人工智能发展的计算机视觉处理、自然语言处理、机器学 习等众多方向提供算力支撑，主要用于 AI 的推理和训练。这个过程中所需要并行处理的大 量数据和计算过程，可以由 GPU 来加速完成。

例如，在自动驾驶中，智能汽车需要处理行驶过程中雷达、摄像头等传感器采集的大 量信息数据，在短时间内进行快速计算并反馈结果、保障行驶安全，这个过程对处理器的 计算量和计算速度都有较高的要求。而 GPU 设计结构带来的大规模并行计算的优势，非 常契合自动驾驶需求，已在行业中得到应用。

GPU 全球市场基本情况

根据 Verified Market Research 数据，2020 年全球 GPU 市场规模为 254.1 亿美元， 2027 年有望达到 1853.1 亿美元，年平均增速达到 32.82%。在游戏、数据中心、智能汽 车、物联网、元宇宙等多方向助力下，行业整体有望持续保持高速发展。

当前 GPU 硬件结构极为复杂，是半导体产业多年技术积累的结果，并且在不断演进 中，自 2008 年以来，英伟达基本实现每两年升级一次 GPU 产品架构，实现了 GPU 性能 的不断提升。同时，GPU 的算法和软件生态的配合也至关重要，GPU 在图形渲染方向的 应用涉及到大量的计算机图形学研究，而图形学是一门复杂的学科，涉及到数学、物理、 计算机科学的交叉应用，GPU 在 AI 计算方向的技术难度低于图形渲染，也是当前国内 GPU 公司重要的发展方向。

同时，软件生态的建立也是 GPU 公司的重要壁垒，英伟达已经完 成了与绝大部分产业链生态公司的商业合作或授权，搭建了广为业界使用的运算平台架构 CUDA，引领整个产业的发展方向。GPU 包含硬件、制造、算法、软件生态等多个高壁垒环节，同时还要求这些高壁垒环 节相互高度结合，带来了整个 GPU 行业极高的壁垒。当前，全球 GPU 已经处于寡头垄断 的格局，英伟达、AMD、英特尔三家公司基本占据了除去集成式 GPU 的大部分市场，而 手机等移动设备的集成式 GPU 由 ARM、高通、苹果等厂商占据。

英伟达：多项业务全球领先

在 GPU 重要性和应用场景不断增加的背景下，英伟达已经成长为市值约 6000 亿美元 的科技巨头，旗下多项业务在全球均处于领先地位，是全球最核心、具有稀缺性的 GPU 核心。

国产 GPU：起步追赶

相比于全球领先的 GPU 龙头，国内 GPU 行业处于起步阶段，尚未有能在市场竞争中 有一定影响力的公司或产品出现。如上文所述，GPU 行业极高的壁垒也带来了国内企业进 行追赶的极高难度。

在缺芯、国产替代、独立自主等词语和发展方向不断成为市场关注点的当下，虽然道 阻且长，但行则将至，国内的一批 GPU 企业开始起步追赶。

XR 产业：科技巨头持续投入，中长期机遇的竞争者

通常情况下，XR 产业可以分为 VR、AR、MR 三个方向，技术路线各有不同：VR 是 指模拟产生一个三维空间的虚拟世界，显示在使用者佩戴在头部的 VR 头显上，提供视觉 和听觉感官的模拟；AR 是指在现实世界上叠加生成的数字环境，提供虚拟显示叠加在现 实世界之上的体验；MR 是指现实世界和虚拟世界融合后产生的新的可视化环境，显示的 数字内容和现实世界内容能够实时交互。但整体来说，现在市场对于 VR 和 AR 区分较为 明确，AR 和 MR 常混用或不明确切割。

全球科技巨头持续布局 XR 产业

元宇宙受到高度关注，其核心特点指引的 2D 到 3D 的视觉体验升级也逐步得到重视， 当前互联网主流的终端设备，智能手机、平板电脑、PC 等，都尚只能提供 2D 平面视觉体 验。当前主流设备的能力缺失与未来体验想象出现代际性差异，下一代智能终端的机会似 乎已经初露头角，而全球科技巨头亦已进行了深度布局。

当前 XR 终端设备主要由科技巨头在持续布局和投入，当前有较为明确布局的是 Meta、 苹果和微软。

Meta（Facebook）是当前全球绝对领先的 VR 终端商，根据 IDC 数据，Quest 2 占 据全球 VR 出货量 50%以上。高通 CEO 在 2021 年 11 月表示 Quest 2 已经售出超过 1000 万台，这意味着 2020 年 10 月发布的 Quest 2 年销量接近千万。在硬件设备销量增长的背 景下，Meta 发布了一系列面向开发者的平台和工具，包括 Oculus Developer Hub、 Presence Platform 等，助力开发者持续打造 VR 相关的软件开发生态。Meta 在 VR 硬软 件领域持续投入多年，是当前 VR 终端设备的有力竞争者。

苹果持续在 AR 领域投入多年，自 2017 年开始苹果就持续发布和更新 AR 的开发工 具 ARKit，一方面注重软硬件等底层技术的开发，另一方面积极收购产业链相关公司，完 善能力布局。从技术布局来看，苹果同时注重在软件、硬件中的储备和发展，有望在 AR 设备上延续其出众的硬件软结合能力。苹果可能将于 2022 年发布第一代 VR/AR 设备、在 2023 年正式上市销售，并于 2024 年发布第二代 AR 眼镜， 苹果在智能手机、智能无线耳机、智能手表等领域都展现了定义硬件赛道的能力，市场对 苹果的 AR 产品期待度较高。

微软在 MR 领域投入较多，MR 产品 HoloLens 于 2019 年发售第二代，售价达到 3500 美元的高价，仅面向 B 端客户发售。在 2018 年向美军供货 HoloLens 的改装军用版本 IVAS 后，2021 年 4 月，美军表示 IVAS 已从原型阶段进入生产部署阶段，微软与美军已正式签 订供货合同，合同为十年期，价值 219 亿美元。2021 年 5 月，公司确认正在开发下代产 品 HoloLens 3，并预计将有消费者版本。从众多技术发展历史来看，“军用-民用”的发展 路线并不罕见，微软有望在 MR 终端设备上走出类似的路径。

中国市场上，字节跳动在 2021 年 8 月以 90 亿人民币的高价格收购了国内领先的 VR 厂商 Pico，加强在 VR 终端设备上的布局。国内其余 VR/AR 终端厂商较多处于 B 轮融资阶段，集中在研发布局上，在市场上进行直接销售的产品较少。整体来看，国内 XR 终端 设备厂商在出货量、技术能力、成本等方面，离科技巨头尚有距离。

关键技术节点临近，与巨头产品线预期吻合

如我们在前文总结，VR 的多项技术已经逐渐进入落地阶段，可以实际应用在产品中。当前节点，AR 光学和显示的相关技术仍处于研发状态中，但随着产业发展，已经逐步看 到落地的可能。

对于 AR 终端设备，当前受到行业较为认可的解决方案是“光波导+MicroLED”，其中 表面浮雕光栅衍射光波导已经逐步具备初步量产条件，MicroLED 尚处于研发状态中、正 处于从样品到商品的过程。根据半导体分析机构 Yole 预测，2022 年至 2023 年，MicroLED 的应用将有望看到较大突破，到 2025 年，Micro LED 能够逐步进入商业化。

同时，我们也看到包括苹果、微软、谷歌、Meta、索尼、三星等在内的全球科技巨头， 近年通过自主研发和投资持续投入光波导和 MicroLED 领域，有望进一步加速相关关键技 术的落地。

根据中国信通院 2020 年编制的虚拟现实技术成熟度曲线，衍射光波导等关键技术有 望在 5 年左右的维度发展至主流；根据半导体分析机构 Yole 预测，2025 年 MicroLED 能 够逐步进入商业化。相关关键技术的时间点预测与全球科技巨头在相应产品上的布局较为 吻合。

我们认为，2025 年发售的 AR 终端产品将成为较为关键的市场节点，有望看到“光波 导+MicroLED”的消费级产品受到市场关注，在使用体验上有极大的提升，并进一步探寻 行业的长期发展方向。

发展判断：VR 首先落地，AR/MR 远期想象空间巨大

考虑到当前产业和技术的实际情况，我们认为，VR 终端仍将成为 XR 产业中短期落 地的主要设备形态，并随着应用生态的丰富，有望进一步满足用户的娱乐需求，并开始尝 试探索 3D 社交、办公等领域的应用情景。

中长期维度，我们认为，突破技术创新点后的 AR/MR 产品，将在使用体验上大幅升 级，带来的数字与现实结合的用户体验，在日常生活、娱乐、社交、工作应用、工业生产 等多方面开始逐步深入应用，并最终完成元宇宙 2D 到 3D 的核心特质，提供全新的终端 体验，最终，呈现对智能手机的替代趋势。

同时，回顾手机出现爆发性增长的时间点，2007 年 iPhone 问世，并未成为全球爆款， 2009 年发布的 iPhone 3GS、2010 年发布的 iPhone 4，带动智能手机进入爆发性增长轨 道。

如以 iPhone 的发展节奏类比于 AR/MR 设备可能的节奏，我们认为，当前处于第一代 产品将要出现的阶段。同时，由于软硬件等多因素限制，第一代产品将较难直接放量增长， 但不断推进的代际更迭将带动 AR/MR 软硬件体验不断升级，并最终成为市场主流。

从时间点上来看，我们综合预测，2025年发售的AR/MR设备将成为关键的市场节点， 验证关键技术和核心用户体验，2025-2030 年阶段，AR/MR 设备整体有望看到出货量的 显著增长。

VR/AR 出货量及市场空间

IDC 预测，全球 VR 出货量将于 2021 年超过 700 万台，并于 2025 年达到 2500 万台 以上，2021-2025 出货量 CAGR 超过 40%。同时，全球 AR 设备出货量有望从 2020 年不 足百万台的量级，到 2025 年增长至超过 2000 万台。考虑到高通 CEO 在 2021 年 11 月投 资者日表示 Quest 2 已经售出超过 1000 万台和 Oculus 应用在圣诞季的良好表现，我们在 IDC 数据的基础上，上调 2021 年 VR 出货量估计至 1100 万台。

对于 2025 年的出货量预测，综合考虑 Meta 下一代头显带来的体验升级、转化为出货 量增长预期，苹果相关产品的可能性预期，微软的 MR 产品在中期进入消费级市场的可能 性，并结合 VR/AR/MR 在游戏、视频、智能汽车等领域扩展应用范围的可能性，我们看好 VR/AR/MR 总计年出货量在 2025 年超过 5 千万台。

ASP 方面，综合考虑当前市场 Quest 2 售价 299 美元起、下一代 VR/AR 产品硬件成 本预期大幅超过当前产品、早期产品采用价格补贴的可能性等众多成本和市场销售策略的 因素，我们认为当前较难对 ASP 做出比较确定的预测。整体看来，2025 年的 VR/AR 终端设备市场有望达到数百亿美元的市场规模。

机遇：设备、操作系统及电子产业链

在 XR 产业的发展中，在终端设备层面，我们认为会出现三个方向的机会：

1. 终端设备商

长期看来，VR/AR 终端设备商，特别是能够引领行业发展、定义赛道的终端设备商， 将有极大可能在发展中切割高额的终局价值。

考虑到 VR/AR 设备在技术、供应链、应用等各方面要求较高，同时行业发展路径具 有不确定性，亦需要有能力持续大量的投入，我们认为中期主要的竞争者将是当前市场上 已经有密切布局、有实质性积累的科技公司，同时，我们亦对国内 VR/AR 终端行业的发展保持谨慎乐观。

2. 下一代操作系统

VR/AR 终端设备的硬件、平台、交互模式等方面与智能手机有极大区别，如同 PC 到 智能手机带来的系统变迁，新一代的智能交互终端也极有可能带来下一代操作系统。操作 系统作为软件运行的基础，本身也具有极大的终局价值。

当前 XR 操作系统尚在早期阶段，市场上没有明确的相关系统或产品出现。从发展趋 势来看，我们认为，XR 操作系统可能维持移动时代的情况，一方面，销量和体验领先带 来的相对封闭的系统，在软硬一体化上深度探索；另一方面，完全开源、开放给全球终端 设备商使用的完全开放系统。

3. 电子产业链

伴随终端设备出货量的增长预期和技术研发需求，电子产业链相关公司亦将有望长期 受益。自终端设备向上游追溯，我们认为 OEM/ODM、芯片、光学、显示等环节将持续受到关注。

UGC 发展：数字内容生产方式转向，带来变革与机遇

UGC（User generation content）即用户创作内容，主要指由应用的用户自行创作并 发布的文字、图片、音频、视频等内容，与之相呼应的是 PGC（Professional Generated Content）和 PUGC（Professional User Generated Content），分别指由专业创作者创作 的内容和专业用户创作的内容。在当前互联网中，例如腾讯视频的电视剧、腾讯游戏产品 等就是典型的 PGC 内容；抖音、Bilibili 等平台中带有一定专业能力、拍摄能力、制作能 力的专业用户生产的内容是典型的 PUGC 内容；普通用户生产并上传公开的内容，可以理 解为 UGC 内容。

在互联网的发展中，长期以来，PGC 内容都占据着主导地位，长视频、音乐、游戏 等行业都长期以互联网公司作为内容提供商的模式运行。2017 年开始，短视频行业逐渐 发展，丰富的 PUGC 和 UGC 内容，加上算法推荐和内容标签，迅速成为了全球互联网的 热门新兴赛道。2020 年 9 月，抖音官方宣布，包括抖音火山版在内，抖音的日活跃用户 已经超过了 6 亿；2021 年 9 月，TikTok 首席运营官宣布 TikTok 全球月活跃用户已经超过 10 亿。我们看到，PUGC、UGC 内容与算法结合，在全球范围已经充分展现了影响力和 对互联网用户的吸引力。

以 Roblox 为例：UGC 平台+经济系统模式

Roblox 以元宇宙为旗帜上市，同名产品 Roblox 本身是一个提供在线游戏、游戏创作 和社交的平台，产品形态以游戏为主，其中大多数作品都是用户自行创作的。在游戏中， 用户可以开发各种形式类别的游戏、供其余用户游玩，同时也可以在游戏中进行消费。当 前，Roblox 主要面向儿童和青少年群体。

Roblox 受到市场高度关注的重要原因，是其成功打造了一个包含经济系统在内的 UGC 平台，成功构建了一个良性的“用户娱乐/用户社交 – 用户消费 – 创作者获得收入 – 创作者进一步创作更好的内容 – 用户参与度增加”的循环。同时，用户和创作者的身份 可以在 Roblox 中同时存在、随时切换。

在 Roblox 中，配合 UGC 平台的属性，产品成功打造了一个良性的经济系统循环。在 用户于 Roblox 中游玩时，可以使用现实货币购买平台虚拟货币 Robux，之后可以使用 Robux 去购买创作者创作的游戏、游戏内虚拟道具、个性化虚拟形象等各种游戏内容。当 用户消费行为发生时，Roblox 会按消费内容和金额，将一定比例的 Robux 分成给内容创 作者，内容创作者可以将这些 Robux 转化成为现实货币，从而获得现实受益。当然，内容 创作者也可以将分成的 Robux 用于游戏内消费。

这一套较为完善的经济系统设计，配合 UGC 平台属性，将创作者的积极性充分调动， 为用户提供更有吸引力的内容，好的内容又进一步吸引用户和增加黏性，形成了良好的循 环。

当然，打造能够正向循环的 UGC 平台并非易事，Roblox 自 2006 上线后便一直致力 于提供一个有充分创作自由度、适合青少年玩的游戏产品。同时，Roblox 打造了 Roblox 客户端（适配多平台）、Roblox Studio、Roblox Cloud 三大基础设施，来尽量降低 UGC 内容的创作门槛、为创作者提供尽量多的保障：

Roblox 客户端：支持 PC、手机、主机、VR 的多平台用户终端，提供跨平台同 步的用户体验，用户无论在哪个平台登录游戏，都可以同步自己账号的所有体验 和设置，也即是当前游戏行业受到较多关注的跨平台游戏的概念；

Roblox Studio：用于提供给创作者进行内容创作、构建、发行、运营的工具平台， 其性质介于游戏引擎和内容编辑器之间。Studio 使用 Lua 语言，学习成本相对 较低，并且包含众多较为通用的游戏编程模块，比如背包、聊天等，为内容创作 者，特别是 Roblox 面向的青少年群体，提供了较为友好的创作体验。同时，其 教程、社区论坛、发布、运营等也是一站式服务，免去通常游戏发行会遇到的许 多实际问题。

Roblox Cloud：由 Roblox 自行开发的云架构，基于其自有基建，具备全球服务 能力，为用户提供快速相应的游戏服务。

互联网平台公司角色转变

向元宇宙发展的过程中，我们认为，UGC 将逐渐成为互联网内容的重要组成部分。未来，用户既是内容消费者，同样也可以是内容的生产者；互联网平台类公司的角色，将 从现在的内容提供商向内容创作消费平台演进，更可能像是元宇宙时代的基础设施。

当前 3D 数字内容的创作门槛极高，3D 模型、贴图、渲染、动作、调试、运行等多环 节都还处在需要专业团队合作完成的阶段，离用户创作还有较大的距离。从内容提供商向 内容创作消费平台转变，需要平台公司在创作工具、商业模式等多方面进行大量突破。但 从终局来看，UGC 所带来的的内容生产力、内容丰富度、同用户现实生活的贴近度、及 时性、多类型用户的需求匹配性等许多方面，是纯 PGC 难以比拟的。

向元宇宙发展的过程中，我们认为互联网平台公司的属性将随之转变，从内容提供商 向内容创作消费平台演进，而终局的元宇宙平台，也将同现在的互联网平台一样，具备极 大的价值切割能力，成为投资的核心机遇之一。

数字孪生：产业数字化转型，连接数字与现实

历史发展：起源于军事和航天领域的数字化技术

数字孪生概念早在 1970 年就已经被用于航空及空军领域。2016 年，Gartner 将数字 孪生技术作为十大战略科技发展趋势。众多软件、互联网企业开始将数字孪生技术进行企 业级应用。2021 年，数字孪生技术被列入“十四五”规划中，其应用将渗入到各行各业 中。

数字孪生的发展历经三个主要阶段。第一阶段为技术积累期，在 21 世纪前，二维绘 图工具以及仿真技术的出现成为数字孪生发展的必要条件；第二阶段为概念发展期， 2000-2015 年，业界以航空及军事领域为代表提出了一些列数字孪生的基本概念；第三阶 段为应用爆发期，数字孪生结合航空航天、工业、医疗等领域拓展更多的应用场景。

本质内涵：连接数字与现实的桥梁

数字孪生是连接数字与现实的桥梁。数字孪生是将物理实体数字化，通过可视化的方 式实现对本体全生命周期的动态映射及交互。通过数字孪生，现实世界中的物理实体可以 被完整复刻在虚拟世界中，形成现实与虚拟之间的映射关系。虚拟世界实时且精确地映射 物理世界的整个生命周期，以达到模拟、监测、预测和优化等目的。

用户、数字孪生核心、数据采集与控制、跨域四大实体支撑数据孪生架构，目前应用 于智慧城市建设、工业设备制造、医疗、交通、房地产等行业。

完整的数字孪生技术一般包括复刻、实时运行和反馈体系三大要素。数字孪生通过建 模技术将物理参数数字化、可视化，实现对全局模型的掌握；通过网络传输传感器的实时 数据，实现对模型的动态数据管理及全生命周期的把控；通过智能算法，对及时信息产生 判断做出决策，对未来的场景提供预测和指导，并反馈到物理实体端实现完整闭环链路。

发展现状：政策支持数字孪生建设，千亿规模赛道已然开启

欧美全面布局数字孪生，国内政策端积极推动数字孪生发展。在数字孪生领域，欧美 发展较早且较快，目前以美国和德国为代表的国家，正全面布局数据孪生产业，并加快建 设步伐。我国自 2019 年，发改委、工信部、国资委等陆续出台相关文件，推动数字孪生 技术发展。2021 年，我国将数字孪生技术写入“十四五”规划，作为建设数字中国的重 要发展方向。工业互联网联盟增设数字孪生特设组，开展数字孪生技术产业研究，推进相 关标准制定，加速行业应用推广。

全球数字孪生市场规模快速增长。根据 IDC 数据，2020 年全球数字孪生市场规模为 52.2 亿美元；预计 2021 年，全球数字孪生市场规模将达到 74.7 亿美元，同比增长 43.1%；预计 2025 年整体市场规模将达到 264 亿美元，2021-2025 年的 CAGR 为 37.19%，行业 有望持续良好发展。IDC 预测，2022 年，中国将有 30%的城市开始使用数字孪生的数字 空间规划工具，以加快社会经济从疫情中逐步复苏；2024 年，中国约 40%的城市将通过 人工智能及数字孪生技术实现现实世界与虚拟世界的融合，提高城市运行效率。

数字孪生底层：四大技术层级与三个发展维度

数字孪生技术架构主要包含四大技术层级。从数字化物理实体到最终的应用分别为数 据采集、控制实体、核心实体、用户实体、跨域实体。核心实体和跨域实体构成了数字孪 生的核心技术，数据采集与控制和用户实体是数字孪生的基础技术。

1. 数据采集与控制实体：测量技术，对物理实体进行分模块标识，精准测量并形成 数字化数据；

2. 核心实体：通用支撑技术与建模仿真技术，其中通用支撑技术包括大数据、云计 算、人工智能、区块链等技术内容；

3. 用户实体：HMI、Web 等可视化技术，以及 AR、VR 虚拟现实技术，用以实现 人机交互的功能；

4. 跨域实体：数据传输及转换的实时通讯技术，实现多维数据的融合和互通。

数字孪生基础技术包含数据采集层面的测量技术，以及人机交互层面的可视化、虚拟 现实技术。核心技术包含建模、仿真以及多元数据的融合处理。基础技术的不断创新是数 字孪生发展的底层源动力，核心技术是数字孪生发展的关键引擎。

测量决定数字孪生的精度。测量技术包含了标识和数字化两部分。首先对物理实体中 的各组成要素进行标识，即对各要素进行“身份信息”登记，要求一物一码，从而实现全 局的精准化映射关系。接下来通过对传感器获取的各种信息，包括视频、图片、数值数据 等进行预处理，提取关键信息，进行数字化处理，实现对物理实体的数字化解析。

建模和可视化技术突破了空间领域的限制。人机交互为人参与决策流程提供便捷方式。与传统二维平面视图不同，虚拟现实技术可以实现三维空间的可视化，进一步提升数字孪 生的直观性应用效果。三维建模技术的发展为不同的空间丰富了应用场景的可能性，如城 市、机械、人体、车间、产线等。通过提取三维信息，将其使用可视化方式呈现，便于实 时观测监察以及做出对未来的预测。

网络和数字孪生仿真技术提供时间维度的输出。数字孪生的核心本质是将物理实体进 行数字化映射，对本体进行模型化。建模和仿真是其中的关键环节。传统的仿真技术通过 输入信息，调节参数，输出模型测算结果，停留在了静态的调配阶段。而数字孪生仿真技 术要求实现动态范围内的实时输入及输出，通过再结合人工智能等技术实现自我控制与调 节。网络技术的突破使物理世界产生的信息流及时传输到数字端，从而实现动态观察。

应用：加快产业数字化转型，多领域融合发展

数字孪生助力产业数字化转型。在以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的 宏观背景下，国家强调实体经济的高质量发展。作为企业数字化转型的关键技术，数字孪 生在设计、制造、诊断、维护、优化等方面提供全方位解决方案，为企业节约开支，提升 生产效率等方面创造价值，实现数字经济与实体经济的融合发展。

根据埃森哲数据，在产品设计研发阶段，数字孪生帮助企业的研发效率提升 10%以上；在生产制造环节，帮助企业减少 30%的生产错误，处理时间减少约 70%；在预防性维护 阶段使保修成本减少约 20%-25%。

此外，数字孪生还能与虚拟现实、云计算、人工智能、区块链等多种数字技术相结合， 增强应用场景和输出成果，带动产业数字化进一步发展。

在应用行业上，数字孪生是构建产业数字化的底层技术，能够在多行业中得到应用。数字孪生在城市治理发挥重要作用，城市设计规划、自然灾害预测、交通路线优化等方面 与数字孪生的结合，提供最优解决方案；工业领域与数字孪生技术结合，实现对产品全生 命周期的监测与调配；医疗健康领域与数字孪生结合，为重大手术预演、整容手术模拟等 提供了重要参考。因此，数字孪生技术未来有机会渗透生活中的方方面面，为现实与数字 化世界之间建立桥梁。

重点应用方向

数字孪生城市

数字孪生城市是面向新型智慧城市的一套复杂技术和应用体系。基于新型测绘、标识 感知、三维建模、仿真模拟等技术，通过智能中枢，在城市治理中实现精准映射、虚实交 互、智能分析、应用创新等功能。

中国智慧城市市场规模居于世界前列，发展前景广阔，将带动数字孪生技术在中国的 进一步发展。在全球范围内，2020 年中国智慧城市市场规模占全球比重为 22.7%，仅次 于美国与西欧地区。

我国智慧城市产业规模持续扩大。2020 年智慧城市市场规模达到 14.9 万亿，前瞻产 业研究院预计 2022 年这一数字可达 25 万亿元，2014 年至 2022 年的年均复合增长率达 到 55.27%。根据 IDC 数据，2020 年中国智慧城市市场支出规模达 259 亿美元，相关投 资 2016-2021 年年复合增长率达 19.3%。

数字孪生城市赛道受到重视，企业陆续布局。阿里云在城市大脑基础上，发展智慧城 市的数字孪生技术，将云及 AI 技术广泛应用。在云计算开放平台上通过数字孪生城市进行 大规模仿真、推演、预测，结合动态的交通出行、商业活动、人群密度等活数据，实时分 析城市规划和管理对于城市整体发展参数系统的影响。2021 年 12 月 10 日，51WORLD 正式发布数字孪生城市操作系统（51City OS V5.0），其具备智慧规划、智慧建设、智慧管 理三大功能，提供“云+边+端”一体化服务，助力城市治理数字化不断向纵深推进。科大 讯飞打造孪生城市“城市超脑”，利用人工智能算法，挖局城市运行轨迹，实时计算分析， 优化城市治理结构。

工业数字孪生

工业设备数字孪生系统是利用数字孪生技术实现工业设备的优化。物理空间内的工业 设备经过数字孪生技术，映射到数字空间中，反馈历史和实时状态，再面向具体应用需求， 对物理空间的工业设备活动进行分析决策，并支持物理和数字空间双向迭代优化。

中国工业互联网规模有望继续攀升。据艾媒咨询数据，2020 年中国工业互联网规模 为 6662.36 万亿元，预计 2022 年其规模将达到 9036.4 万亿元，2025 年可达到 1.2 万亿 元，2020-2025 年的 CAGR 为 13.12%。

展阶段。目前工业数字孪生的大部分应用集中在工厂的可视化监控、产品设计仿真、设 备运维管理等方向，主要体现在数字孪生精度的提升上。而对于时间维度的提升，即全生 命周期的动态管理案例较少，局部应用于航空航天等行业。

除此之外，数字孪生在工业领域为智能驾驶的训练提供解决方案。通过在数字孪生城 市系统中进行模拟训练，帮助自动驾驶进行深度学习，提高训练效率。

国际工业龙头引领行业发展，向更全面多维度数字孪生迈进。西门子立足工业互联网， 使用数字孪生在实体资产和虚拟资产之间建立永久连接的价值，以及与产品生命周期管理系统整合以持续数字化优化生产的价值。制造商可利用西门子 MindSphere 作为服务解决 方案，打造出数字孪生体，创造一个闭合的反馈回路，利用闭环的数字孪生动力体系维护 产品、工厂、系统和机器。通用电气投资建立数字孪生模型，提出物理机械和分析技术融 合的路径，使工业产品的每个零部件都建立对应的数字孪生体，已有 120 万生产中的数字 孪生实例。

未来展望：从数字孪生到元宇宙

数字孪生的概念虽然早已提出，但受限于数据科学、信息科学的发展，始终未能展现 出应用潜力。随着社会信息化程度的加深，数字孪生的发展已成趋势。全球各国已加速布 局数字孪生，我国在孪生城市、智慧工业等领域已开始探索，并将数字孪生写入“十四五” 规划，作为建设数字中国的重要发展方向。各大互联网龙头以及工业巨头纷纷布局加码数 字孪生。

数字孪生构建起现实世界的数字存在，将成为现实世界与数字世界连接的桥梁。我们 看好数字孪生的未来发展潜力，并有望看到数字孪生相关应用的加速落地。向元宇宙发展 的过程中，将伴随千行百业的数字化变革，工业生产、数字城市等领域的数字化变革和改 造，有望由数字孪生来作为关键技术推动发展，最终将带来城市、工业等多方面效率和成 本的优化，实现数字经济与实体经济的融合发展。

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