数字孪生技术专利分析

文/张馨芳，李啟民，张佳星 中规（北京）认证有限公司

《“十四五”数字经济发展规划》指出，数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态。在数字经济时代，数字基础设施成为拉动经济增长的基础和动力，是通向数字孪生的“铁公基”，是数字孪生世界构想落地的基础支撑和关键引擎。数字孪生作为践行智能制造、工业4.0、工业互联网、智慧城市等先进理念的使能技术与手段，受到学术界和企业界的广泛关注。本文从专利视角分析数字孪生技术全球发展现状，并提出相应建议。

1 背景

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，是借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。

伴随数字技术在工业领域的演进与变革，数字孪生发展经历三个阶段。第一阶段为概念发展期；第二阶段是在航空航天行业的应用；第三阶段为多类行业的拓展应用。数字孪生的蓬勃发展与新一代信息技术的兴起、工业互联网在多个行业的普及密不可分。

为确保数据的准确和全面，国内高校的相关专家对技术分解、核心技术路线指引和关键词确定等方面提出宝贵的意见。

本文检索的数据来源于智慧芽（PatSnap）专利数据库。检索分析步骤如下：第一步对数字孪生进行技术分解；第二步确定中英文检索关键词；第三步制定检索表达式；第四步清洗检索数据；第五步为数据分析。

2 数字孪生专利申请分析

专利文献作为技术信息最有效的载体，通过对数字孪生专利的统计分析，能够帮助了解数字孪生的全球竞争态势。

2.1 全球数字孪生技术领域专利申请趋势

随着数字化成为未来世界的发展方向，数字孪生技术将虚拟世界和物理世界相结合，通过数据采集分析和系统监控，从而预防事故发生，寻求新的产业机会。全球数字孪生技术领域专利申请趋势状况如图1所示。从图中可以看出，2003年至2010年，每年专利申请数量增长较为平缓，这一阶段主要为数字孪生技术的概念发展期，还未大规模应用到工业领域；2011年至2014年，这一阶段专利申请数量有较为明显的增长趋势，主要原因是数字孪生技术在航空航天领域得到应用，数字孪生被定义为一种面向飞行器或系统高度集成的多物理场、多尺度、多概率的仿真模型；2015年至今，专利申请数量显著增长，这一阶段数字孪生技术由复杂的飞行器领域向一般工业制造领域进行应用拓展，在能源、智能制造、轨道交通等领域，数字孪生技术得到日益广泛的应用，例如建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在此期间被众多国家列为工程建设行业的强制应用技术，其专利申请数量出现显著增加。考虑到发明专利申请需要满18个月后公布，图中显示2021和2022年的申请数量将小于实际申请数量。综上所述，数字孪生技术已成为国内外研究机构和企业的研究热点，Gartner公司更是连续三年将数字孪生列为未来十大战略趋势。随着数字基础设施的逐渐建设完善，数字孪生技术也将呈现更加蓬勃的发展态势。

图1 全球数字孪生技术领域专利申请趋势

2.2 全球数字孪生技术领域专利申请地域分析

数字孪生专利申请主要分布国家或组织依次为中国、美国、韩国、日本、欧洲专利局、德国、英国、法国、俄罗斯、印度等。全球数字孪生技术领域专利申请量排名前十的国家/组织如图2所示，可以看出，数字孪生技术领域的专利申请主要集中在中国、美国、韩国、日本、德国，其中中国专利申请数量大幅领先其他国家。具体而言，中国多类主体积极参与数字孪生实践，中国各级政府纷纷出台数字孪生相关的政策文件，加快推进数字孪生技术创新计划，此外，中国企业、科研院校也积极开展数字孪生技术研究。美国作为最早开展数字孪生技术研究的国家，专利技术储备靠前，当前美国数字孪生研究集中在军民两大领域，通过美国国防部的项目孵化，相关参与企业积极推进数字孪生技术的军民转化。韩国实施“数字孪生产业推进战略”，涵盖数字孪生基础设施和产业生态系统的创建。日本通过“社会5.0”战略，利用数字孪生技术，构建虚拟空间和物理空间高度融合的社会系统。综上所述，相比于其他国家的点状应用探索，中国因“政产研”结合的综合优势，在专利申请数量上较为领先。

图2 全球数字孪生技术领域专利申请量排名前十的国家/组织

2.3 全球数字孪生技术领域领先专利申请人

全球数字孪生技术领域专利申请量排名前十的申请人，其近十年的专利申请趋势如图3所示。从申请人所处国家或地区来看，集中在中国、德国、美国、荷兰，其中中国和德国数量最多，均为4家；从申请人所属行业来看，制造业和能源行业的占比最多；从申请主体的性质来看，主要集中在企业，共有8家。

图3 全球数字孪生技术领域领先专利申请人近十年申请趋势

申请数量排名第一为国家电网，作为一家以投资、建设及运营电网为核心业务的企业，国家电网积极引入数字孪生技术，其专利布局方向主要集中在数字孪生微电网技术领域，通过全景监测以及状态评价，准确掌握微电网设备的运行状态，识别微电网的运行薄弱环节，以及新能源并网的控制策略优化。国家电网作为国内专利申请数量领先的企业，积极通过专利保护科技创新成果，其数字孪生领域相关专利“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”获得第二十三届中国专利奖金奖。

排名第二为西门子，西门子是全球领先的工业自动化厂商，拥有从工业控制到工业软件的完整产品谱系。西门子以高质量的专利组合申请而著称，其数字孪生领域的专利布局主要包括产品数字孪生、生产数字孪生和设备数字孪生三部分，通过系统化布局，形成一个完整的闭环系统，保障企业整体智能化运营。

排名第三为谷歌，谷歌是全球最大的搜索引擎公司，其在数字孪生领域的技术布局集中在数字地图领域。谷歌利用其在AR/VR领域的专利技术优势，积极开展沉浸式3D实景地图的专利布局，构建数字新消费场景，从而推动数字孪生的相关产业落地。

综上所示，数字孪生集合各类新兴技术，将数字世界与物理世界相融合，为工业设备等提供完整的生命周 期数据，逐渐成为智能制造等行业的重要应用趋势。

2.4 核心技术专利分析

数字孪生技术是一系列数字化技术的集成融合和创新应用，包括数字线程技术、数字孪生体、数字支撑技术和人机交互技术四大类型，其中，数字线程技术是数字孪生体系中的核心技术，是实现数字孪生多类模型数据融合的重要技术。

数字线程是指可扩展、可配置和组件化的企业级分析通信框架，基于该框架可以构建覆盖系统生命周期与价值链全部环节的跨层次、跨尺度、多视图模型的集成视图，进而以统一模型驱动系统生存期活动，为决策者提供支持。数字线程是物理实体对应的数字孪生体之间的沟通桥梁。

（1）全球数字线程技术领域专利申请趋势

数字线程发源并广泛应用于航空航天业，是覆盖复杂产品全生命周期的数据流，集成并驱动以统一模型为核心的产品设计、制造和运营。全球数字线程技术领域专利申请趋势如图4所示，从图4可以看出，从2003年至2017年，数字线程技术领域的专利申请数量增长较为平缓，这一时期的数字线程技术主要集中于航空航天业；2018年至今，越来越多的工业组织实施或扩大数字技术，数字线程技术消除不同制造系统之间的信息孤岛，成为制造智能化的加速器，该领域的专利申请数量显著增长。考虑到发明专利申请需要满18个月后公布，图中显示2021和2022年的申请数量将小于实际申请数量。

图4 全球数字线程技术领域专利申请趋势

（2）国内主要专利申请人排名

国内数字线程技术领域的领先专利申请人如图5所示，从图中可以看出，国内专利申请人主要为电力能源、信息通信类企业和高校，其中国家电网的申请数量最多，且远高于其他国内申请主体；排名第二、第三分别是华为和广东工业大学。电力行业数字线程技术的专利申请，属于技术的应用范畴，而数字线程模型集成管理平台工具，是数字孪生底层数据和模型互联、互通、互操作关键支撑，国内企业在这一领域专利申请布局较少。

图5 国内数字线程技术领域领先专利申请人

（3）国内主要专利申请人技术聚焦点

国内数字线程技术领域领先专利申 请人技术焦点如图6所示，从图中可以看出，国家电网的专利布局较为均衡，在数字仿真、仿真系统、以及终端设备等子技术领域均有布局，其异构通信技术可实现电力线载波以及无线通信协议的有效融合，促进物理电网全要素的数字化以及全状态的实时化；而华为主要在终端设备和服务器等子技术领域进行专利布局，其通过综合运用在通讯领域的专利技术优势，实现5G站点的数字化部署；广东工业大学则在仿真模型和仿真平台等子技术领域进行专利布局，其利用数字孪生的仿真加速测试方法对车间系统软件进行测试验证。

图6 国内数字线程技术领域领先专利申请人技术焦点

（4）国外主要专利申请人排名

国外数字线程技术领域领先专利申请人如图7所示，主要为软件或制造类企业，其中谷歌的专利申请数量最多，申请数量超过100件，随后依次为西门子和庄臣，申请数量分别为83件和62件。国外申请人主要集中在美国，申请数量前10的申请人中，有7家为美国公司，涵盖软件、医疗、信息通信类等企业类型。

图7 国外数字线程技术领域领先专利申请人

（5）国外主要专利申请人技术聚焦点

国外数字线程技术领域领先专利申请人技术焦点如图8所示，从图中可以看出，谷歌在数字线程技术领域的专利布局主要集中在数字地图和交互式等子技术领域，西门子的专利布局主要集中在控制器等子技术领域，庄臣主要在眼科镜片和光学质量等子技术领域进行专利 布局。

图8 国外数字线程技术领域领先专利申请人技术焦点

3 建议

首先，从国家层面来看，专利申请地域主要集中于中国和美国，一定程度上反映出中美两国在数字孪生领域的技术创新投入产出较为活跃。美国作为数字孪生概念较早提出的国家，从战略规划、应用实践、产业创新等方面全方位布局数字孪生发展，通过构建基于模型的系统工程方法论，为数字孪生应用提供理论指导，利用领先的仿真产业为数字孪生提供基础建模工具，而波音等公司在产品研制过程中的积累机理模型，持续优化数字孪生的精度。当前尽管数字孪生在中国的热度较高，但主要集中在数据分析领域，在中美竞争日益激烈的背景下，中国应提前在关键技术领域做好技术备份，避免被“卡脖子”。

其次，从行业发展来看，得益于数字孪生技术向一般工业制造领域的应用拓展，2015年之后整个行业的专利申请数量出现显著增加，但结合专利申请内容可以看出，当前数字孪生技术主要集中在“阶段性生命周期”中的“碎片化应用”，例如在生产或运维阶段的数字孪生方案，并非自孪生对象诞生起直至报废的“全生命周期”应用发展，难以发挥数字孪生的潜在价值。数字线程技术是构建“全生命周期”信息闭环的关键技术，通过数字线程技术联通数据和流程之间的孤岛，从而实现缩短产品上市时间，减少开发和运营成本以及改善客户需求的目标。从空间角度看，复杂的数字孪生系统包括不同类型和尺度的独立孪生对象，以及他们彼此实时的信息关联和行为交互。随着数字孪生技术的发展，整个行业将向延展孪生时间和拓宽孪生空间的方向发展。

最后，从企业层面来看，中国专利申请人主要为电力能源企业，国外申请人主要为制造业和软件行业。总体来看，各主体需要立足自身优势综合布局，打造数字孪生核心竞争力，例如西门子通过持续并购工业软件，不断强化其自动化优势，构建工厂级数字孪生解决方案；越南电动车生产商Vinfast通过西门子数字孪生技术建设的智能整车工厂，耗时仅21个月，最大产能可达50万辆/年。

4 结束语

数字经济正成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。数字孪生作为数字经济的内在引擎，当前应用水平仍仅处于初级阶段，在全生命周期应用、复杂系统应用仍有较大发展空间。数字孪生能够充分发挥我国工业门类齐全、场景众多的优势，释放我国工业数据红利。

本文以专利视角对数字孪生技术进行研究分析，并从国家、行业、企业三个角度分别提出相关建议，以期为相关主体提供决策参考。专利申请作为评价创新产出的基本指标，能较好反映申请主体的创新能力，有规划的专利布局可以为申请主体提供良好的专利支撑。当前，我国不断强化数字经济建设，使之成为经济增长“新引擎”，数字孪生创新与发展的大幕刚刚拉开。一方面，需要加强仿真建模与数据科学的集成优化等方向的创新投入，这些方向的基础研究需要长期技术积累才可能取得创新性的突破；另一方面，提高工业厂商对孪生数据、孪生模型的积累意识，对相关数据及时寻求知识产权保护。