专家演讲 | 数字孪生：助力数字经济发展

陶飞

北京航空航天大学科学技术研究院副院长、教授

△陶飞教授在科学跨年夜现场演讲 摄影/张星海

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我们的衣食住行离不开物理世界，但处于网络和信息时代的我们，同样也离不开数字世界或虚拟世界。那么物理世界和数字世界是如何关联？又是如何交互共生的呢？今天我就跟大家一起聊聊数字孪生，一种实现物理世界在数字世界的克隆、镜像、孪生和共生的技术。

物理复制与数字复制

说起孪生或双胞胎，大家第一感觉或印象就是两个对象非常“像”或非常“相似”。如一对双胞胎通常特别像，甚至一模一样。又如秦始皇兵马俑，和秦朝的士兵非常像。这只是“外形像”，只是简单的“物理复制”， 存在着一定的时间和空间的局限。

随着计算机、信息、网络等技术的普及和推广应用，为突破这种“物理复制”的局限，人们开始使用数字化技术来实现对物理世界的“数字化复制”。如可通过全息影像技术在线“复活”一个和已故歌手一模一样的数字化、虚拟的歌手。这个歌手不仅和真的歌手长得一样，在舞台上的演唱表演神态也是一模一样。

又如可采用数字化技术，在虚拟世界打造一个和现实世界的故宫一模一样的数字故宫。这样的话，我们就可以通过电脑、手机去全景游览故宫，在数字故宫中去穿格格或者阿哥的宫廷服饰，体验历史生活。

交互与共生

随着技术不断的进步和人类的发展，仅仅是数字化复制、数字化展示功能，已不能满足人们对未知世界的好奇心和探索欲。我们还想知道，在不同时空尺度的物理世界，比如极端世界、极微观世界，正在发生什么，未来还可能发生什么，如何去提前预测未来一些危险的事情，并提前干预。

如我们希望通过在地面的数字孪生体，来洞悉在遥远太空翱翔的天问一号、在万里海底作业的潜航器，以及航空发动机在极端高温、15000转速下的运行状况，并对其远程精准操控，预测未来可能发生的故障，从而提前制定规避措施。

数字孪生，从被忽视到研究热点

数字孪生概念在此背景下于2002年应运而生。由于当时使用数字孪生成本非常昂贵，而且IT技术如储存能力、通信能力、CPU计算能力等，无法满足其落地应用需求，因此数字孪生概念在被提出后的近10年中没有受到太多关注。

到2011年，美国国家航空航天局（NASA）和美国空军实验室把数字孪生运用到飞行器的健康运维中，数字孪生才真正开始应用到航空航天、军品研发中。到2015年，数字孪生技术被人们从军品引入民品和日常生活中。2020年疫情使很多工人不能到工厂去工作，甚至小朋友不能够去学校上课。这个时候我们希望通过远程数字化的方式来工作、生活和学习。应该说在2020年疫情期间，加速了数字孪生技术的发展。

我们可以通过一组数据来说明这样一个趋势，比如从学术研究的角度，我们对全球发表的数字孪生论文做了一个统计分析。在2015年之前，全世界发表的数字孪生论文总数只有24篇。而到了2018年，全球一年发表的数字孪生论文就达到了321篇。2021年已达到了2342篇。应该说数字孪生已经成为全世界一个研究热点。

截至目前，全世界已有牛津大学、剑桥大学、斯坦福大学等900多所大学，空客、西门子、GE等700多个国际著名企业，美国NASA、德国费劳霍夫研究院等400多个研究机构相继开展了数字孪生研究和探索。

数字孪生无论在理论研究方面，还是在企业应用方面都已进入了快速发展的阶段，当前已有80多个国家开展了数字孪生的研究，各国竞争也日趋激烈。

数字孪生正逐渐应用到各行各业

目前数字孪生已经在航空航天、装备制造、健康医疗、轨道交通，以及城市管理等15个大类、50多个细分领域得到了应用。

比如我们可以构建城市的数字孪生，对城市的交通红绿灯、井盖、探头等要素进行数字化管理，汇聚城市多维空间数据，从而助力实现智慧社区、智能出行、智能安防等，提升整个城市治理水平，提高居民安全和幸福指数。

当城市面临洪水侵袭，数字孪生城市能够利用降雨量、地形等信息来预测城市积水情况，并基于建筑和人口分布模拟、制定与优化疏散策略，达到避免人民生命财产遭到损失的目的。

当前，数字孪生城市被各个国家高度地重视，如新加坡政府正在打造整个数字孪生新加坡。我国也在开展数字孪生雄安新区的城市规划与建设。

可以说，当前各行各业数字化转型和智能化升级，对数字孪生需求迫切，但数字孪生目前处于研用初级阶段，要想让数字孪生造福我们的工业，服务我们的经济，助力数字经济的发展，缺少一套成熟的理论体系、技术体系、工具体系、标准体系。

我们团队近年一直坚持数字孪生研究，希望解决上述难题，助力我国制造业数字化转型和智能化升级。先后提出并建立了数字孪生五维模型，围绕五维模型提出了数字孪生车间的概念，相关工作已被中国航天科工、中航发、中船、中国兵器集团等十大集团参考应用于航空航天、船舶、高铁等十大领域产品或系统研发。

目前在纺织工业还有智慧城市方面，我们做了一些案例。如在去年疫情最严重期间，工人和技术人员不能去工厂现场工作，很多纺织企业被迫停产。为安全复工复产，企业希望对他们车间的成套装备进行数字化升级，实现远程操作、运行、监控和维护。同时希望改造和建设数字孪生纺织车间，提升纺织车间的数字化程度和智能化管控水平，以实现提质、增效、降本，复工复产。

针对纺织车间需求，我们和合作单位组建了一个联合攻关团队，吃住在现场、干在现场，克服重重困难，为一个纺织企业打造了一个1.4万平米的纺织数字孪生车间。并与合作单位共同努力，相继研发了数字孪生玻纤自动化生产线、数字孪生纺织车间立体仓库、数字孪生落卷机器人系统、数字孪生智能条桶输送系统，在纺织企业进行了应用。相关产品在2021年的上海纺织机械装备国际展览会上进行了展出。

△“超级大脑”上线——国家速滑馆“冰丝带”建成智慧场馆。图为12月26日拍摄的“国家速滑馆数字孪生操作系统”大屏幕 图片来源/新华社

数字孪生的中国声音

虽然近年我们团队和国内学者一起在数字孪生领域开展了大量研究实践工作，但国内相关工作在国际上鲜有发声、影响力不够，国际上对国内工作了解不多、认识不足。

为提升国际影响力，促进交流合作，我们和国内学者共同发起第一个数字孪生学术会议，已连续成功召开5届；成立了数字孪生国际专家委员会，包括18个国家75位专家；创办了第一个数字孪生国际期刊；发起了数字孪生国际论坛和国际会议；受邀出版英文专著3部。

相关工作和成果在国际上产生了重要积极影响，国际上也越来越认可中国在数字孪生领域的研究工作，我们团队也受邀在《自然》（Nature）发表文章。

回想我刚回国的时候，是作为人才引进的一名副教授。很多朋友说：“陶飞，你做的这个工作太前沿了，可能你写的论文投稿出去都不会被接受，有可能你10年都评不上教授！”

我的回答是，我爱这个方向，我坚定这个方向，我可以晚一点评上教授。但是这个方向，我作为一个中国的年轻人，我输得起。我一定要在这个方向上，用我的青春去在国际上博得我的一席之地，为我们中国这个领域，发出我们中国自己的声音。

未来，我们会继续地努力，瞄准世界科技前沿，争做科技自立自强的主力军和生力军。

原标题：《专家演讲 | 数字孪生：助力数字经济发展》

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