基于专利导航的数字孪生网络发展分析

贾晓辉  国家5G产业知识产权中心 副主任

张子涛  中国移动通信集团设计院有限公司专利中心 专利工程师

潘丽蒙  中国移动通信集团设计院有限公司专利中心 高级咨询顾问

张   波  中国移动通信集团设计院有限公司专利中心 高级咨询顾问

数字孪生网络（Digital Twin Network）是依托物联网、云计算、大数据、数据融合等技术，以数字化方式构建实体物理网络的虚拟孪生体，并实现两个世界实时交互映射的网络系统[1] 。由于网络运维的高可靠性需求，复杂网络的排障难度变得越来越大，网络故障的代价也变得越来越难以承受。同时，网络的新规划方式、新技术落地试验变得愈发困难，新技术的试验成本也在逐步提升。在此背景下，数字孪生网络以其所具备的全息的仿真、控制、分析、诊断及预测等能力，应用于通信网络建设，构建实体物理网络的虚拟孪生网络，通过物理网络和孪生网络实时交互、迭代运行，助力通信网络实现低成本试错、智能化决策和高效率创新，进而实现通信网络全生命周期的高水平闭环自治[2]。数字孪生网络作为数字孪生在通信领域的映射，也逐渐受到业界的关注及深入研究。

专利文献作为技术创新信息的有效载体，具有数据广、检索易、不藏私和时机早等特性。世界知识产权组织（WIPO）的调查统计数据显示，世界上90%-95%的发明创造成果都体现在专利文献中。充分运用数字孪生网络领域的专利文献，能够了解数字孪生网络的产业发展概况与竞争态势，帮助企业提前对研发重点投入和专利布局方向做好指引。

本文所使用的专利数据来源于incoPat专利数据库，包括中国、美国的发明专利，数据检索截止时间为2023年9月1日。笔者首先对数字孪生网络进行技术调研，确定各级技术分支 ；其次确定检索关键词和检索式，进行专利检索 ；然后清洗检索数据，进行专利标引 ；最后对数字孪生网络领域进行专利分析，具体包括数字孪生网络领域的专利申请趋势、专利领先申请人，以及按照时空大数据、大系统仿真、高保真呈现及虚实交互三个关键维度进行针对性的检索分析。

数字孪生网络构建形态

在数字孪生网络中，不同层级网络的构建需求和应用可构建多位面合成的数字孪生虚拟孪生体，基于数据和模型对物理实体网络进行高效的分析、管理、优化、预测。基于此定义，数字孪生网络应当具备4个核心要素 ：数据、仿真、视觉和交互。

基于数字孪生网络“数据、仿真、视觉和交互”的核心要素，以网络数字孪生业务特点入手，结合当前数字孪生网络领域的研发重点，可提出数字孪生网络的关键分级维度。分析当前的数字孪生网络构建层级和构建需求，本文给出了包括时空大数据、大系统仿真、高保真呈现及虚实交互三个关键维度的数字孪生网络分级体系。

数字孪生网络专利分析

本节将采用总体和分支结合法，对数字孪生网络领域的专利进行整体宏观分析 ：首先对数字孪生网络的检索结果进行专利分析，然后按照时空大数据、大系统仿真、高保真呈现及虚实交互三个关键维度进行针对性的检索，检索数字孪生网络各维度中的相关专利，对各层专利分别进行深度专利分析。

数字孪生网络专利申请趋势

中、美两国的数字孪生网络专利申请趋势如图1所示。可以看出，中、美两国的申请量近年来总体呈现增长趋势，2008-2018年的专利申请量增长较为平缓，这一阶段为数字孪生的技术萌芽期，没有特定的应用领域 ；2018年以后，专利申请量出现较为明显的增长趋势，显示数字孪生领域技术进入迅速发展期 ；2020年以后，中国相对美国的优势明显，可能的主要原因是自2020年起，多部委相继出台国家级文件，为数字孪生相关技术研究及产业发展提供了政策指引。由于发明专利申请自申请日起18个月才会被公开，使得专利公布有一定的时滞性，公开数据的不完整使得图1中2022年和2023年专利申请量出现较为明显的下降趋势。综上，随着新一代数字基础设施及信息技术的逐渐普及，数字孪生网络在通信领域的应用也将呈现持续增长的发展态势。

数字孪生网络关键维度专利分析

数字孪生网络各技术关键维度的专利申请趋势如图2所示。可以看出，高保真呈现及虚实交互维度的相关专利大部分于2018年后开始申请 ；时空大数据和大系统仿真的专利布局相对较早、热度较高 ；三个技术维度的专利申请近年来均呈现稳步增长态势。

数字孪生网络二级技术分支专利申请分布情况如图3所示。从二级分支来看，企业和科研院校在复杂网络建模、网络大数据、设计大数据等技术分支的专利布局热度较高，网络状态推演方面的专利布局相对较少。

技术分支一 ：时空大数据

针对中、美两国专利局数据，结合时空大数据技术分支专利数据对比表1及专利申请趋势图2，可以看出，2013-2016年间，时空大数据技术分支处于技术萌芽期阶段，没有特定的针对市场，企业投入意愿较低，专利权人数量、专利申请数量均较少 ；2017年至今，随着技术的不断发展，市场不断扩大，技术吸引力凸显，入场的创新主体逐渐增多，专利申请量稳步上升，技术分布的范围逐步扩大。

结合表1中各技术分支专利申请占比与近三年增速的比较，可以看出，时空大数据（实时采集数据、网络资源数据）技术领域的专利布局热点集中在网络大数据技术分支，这与该分支起步时间较早、各企业的研发热度高有关，其核心技术较为集中。空间大数据（三维电子地图质检以及三维电子地图纠偏）相较于其他分支占比较少。国内时空大数据技术分支下聚集了众多互联网企业、科研高校和通信企业，专利申请人分布比较分散，原因在于国内数字孪生网络下时空大数据技术目前仍处于发展期。

实时采集数据技术的发展，主要可分为“机械化阶段：硬件采集”“数字化阶段：云端采集、软件采集”“智能化阶段 ：AI采集、边缘计算”等技术方向。网络资源数据技术的发展，主要可分为云计算、边缘计算、物联网、5G技术、人工智能技术等与网络资源数据耦合的技术方向。

地理位置数据资产技术的发展，呈现出“大数据分析—云计算与移动互联网阶段—跨行业整合与智能化阶段”的明显的演进趋势。三维电子地图质检技术的发展，呈现出“人工质检—人工+自动质检—全自动质检”以及“扫描—图像比对”的明显的演进趋势。

三维电子地图纠偏技术的发展，呈现出“数字化阶段—传感器与GPS阶段—大数据与人工智能阶段”的明显的演进趋势。

BIM数据技术的发展，未出现明显的“在特定时间段内聚焦某一技术方向”的演进趋势，而是在各时间段内，从VR、AR、数字化处理等多个维度发散布局。

其他三维模型技术的发展，呈现出“CAD计算机辅助设计—3D扫描+建模—AR+3D模型—AI+3D模型” 的明显的演进趋势。

数据设计资源技术的发展，呈现出“人工介入—计算机辅助自动化”的明显的技术演进趋势。

技术分支二 ：大系统仿真

针对中、美两国专利局数据，结合大系统仿真技术分支下的专利申请趋势图2以及专利数据对比表2，可以看出，自2018年起，大系统仿真技术领域的专利申请量稳步增长 ；二级分支中，复杂网络建模（室分系统建模、网络能力模型、空间环境建模）、用户行为建模（用户行为模型、业务模拟）、室内/室外仿真等分支的专利申请增长趋势与整体增长趋势较为一致。自2018年后，大系统仿真技术进入快速发展期。通过表2中各技术分支专利申请占比与近三年增速的比较，可以看出，大系统仿真技术领域的专利布局热点集中在网络能力模型分支，这与该分支属于数字孪生网络的基础架构有关。

室分系统建模近年来的网络应用场景逐渐趋于多样化，包括5G、毫米波、太赫兹、6G等场景 ；室内定位是室分系统建模的一个典型应用。除了基于收发情况的经典的射线追踪法外，室分系统建模近年来也运用了机器学习、遗传算法、神经网络、BIM等技术，并力求实现自适应。

网络能力模型构建领域的专利申请，涉及接入网、边缘计算、物联网、云计算、数据中心等，孪生体也从“单体”逐步发展至“大系统”。

空间环境建模既涉及对室内环境的仿真，也涉及对车路协同等室外大系统场景的模拟 ；既涉及对于原有建模方法（数字地图、射线模型等）的沿用，也涉及在此基础上视环境变化进行进一步更新以提高适应性。

用户行为建模最早源于电商领域，并随着大数据的发展推广至各个领域，包括网络运维和网络优化等。对用户行为进行数字孪生，从早期的记录系列动作，到运用程序进行自动模仿，目前已逐渐发展至对用户行为的全生命周期的数字孪生化构建。用户行为建模以用户行为数据为起点，从用户需求出发，构建体系化的用户行为逻辑孪生模型。

业务模拟已应用于卫星网、接入网、边缘网络、数据中心等，且涵盖流量模拟、负载均衡、路由决策等多种业务。

网络状态推演是基于现有网络状态参数以及网络动态模型，对网络状态的未来时间段的运行情况进行预测和推算。网络弱覆盖的定位方法，多采用MR（测量报告）、栅格划分、终端上报用户数据等方式，通过聚类等算法实现弱覆盖区域的定位和提取。通过定位弱覆盖区域，结合网络参数，数字孪生网络可实现一定时间段内的弱覆盖区域范围的变化模拟。 

数字孪生网络下的网络故障模拟可通过数字孪生网络参数的人工调整或自适应调整实现，以进行故障的定位、诊断、预判和提前应对。

技术分支三 ：高保真呈现及虚实交互

 针 对 中、 美 两 国 专 利 局 数 据， 结 合 计 算 机视 觉虚实交互技术分支下的专利申请趋势图，可以看出，2017-2018年，高保真呈现及虚实交互领域处于技术萌芽期阶段，没有特定的针对市场，企业投入意愿较低，专利申请人数量及专利申请量均较少。2019年至今，随着技术不断发展，该领域进入技术发展期，市场不断扩大，技术吸引力凸显，入场企业逐渐增多，专利申请数量稳步上升 ；未来可持续关注该技术分支的发展情况，并考虑加大专利布局力度。

数字孪生网络领域领先专利申请人

中、美两国专利局数字孪生网络专利申请量排名前五的企业及高校如图4所示。从申请主体所属国家来看，均集中在中国。企业排名中，中国移动位居第一，中国联通和安世亚太科技分居二、三位 ；高校排名中，榜单前列各高校差距较小，东南大学以微弱优势排名第一。在各级政府出台的数字孪生相关政策的指引下，中国企业及高校积极参与数字孪生技术实践，进行数字孪生网络研究。相比美国数字孪生网络的专利申请主体，中国的专利申请主体得益于“政产研”的优势，在专利申请量上领先于美国同类主体。

 

中、美两国数字孪生网络专利量排名前五的企业和高校近年专利申请趋势分别如图5和图6所示，其技术分布如图7所示。国内企业和高校均自2020年开始大量布局相关专利，其中，中国移动的专利布局力度更大，其在2020年和2021年的专利申请量较为领先 ；安世亚太科技在2022年进行了重点布局，且均申请了提前公开。中国移动、安世亚太科技、中国联通更为关注大系统仿真技术，浪潮、国家电网相对更为关注时空大数据技术。高校相关专利布局近年来均呈现增长态势，其中，东南大学的专利申请量增速最为迅猛 ；重庆邮电大学和广东工业大学的专利布局较早，但未有持续专利申请，2020年后其专利申请量才有大幅提升。从技术分布来看，高校均侧重于大系统仿真技术，南京邮电大学、广东工业大学、北京邮电大学的专利布局更为全面，在时空大数据、大系统仿真、高保真呈现及虚实交互三个技术方向均有布局。

小结

专利作为创新活动的有效载体，可用以较好地评价申请主体的创新产出指标 ；有规划的专利布局，可以为申请主体提供良好的专利支撑。发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择，数字孪生网络技术的应用已经拉开帷幕。对此，一方面，需要加强数字孪生网络的专利布局力度，推动数字孪生网络与大数据、云计算、物联网等领域的技术结合，加强数字基础研究的长期技术积累，才能取得数字化领域的创新性突破 ；另一方面，未来该领域的标准专利布局和竞争将呈白热化趋势，相关主体应提高风险意识，提前做好准备和防范，对相关成果及时寻求知识产权保护。

 

1 孙滔，周铖，段晓东 等.数字孪生网络（DTN）：概念，架构及关键技术[J].自动化学报，2021，47(3) ：569-582.

2 王达，孙滔，孙晓文 等.数字孪生在网络全生命周期管理中的研究[J].电信科学，2022，38(4) ：138-145.

 

来源：《中国知识产权》杂志第203期

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