數字孿生的五維模型包括物理實體、虛擬模型、孿生資料、服務和連線，可用於改進生產、操作和業務流程的方方面面。北京航空航天大學科學技術研究院副院長陶飛教授在此討論了北京航空航天大學與中國運載火箭技術研究院合作的數字孿生專案。
陶飛
北京航空航天大學科學技術研究院
副院長
能否請您介紹一下數字孿生的研究現狀？
數字孿生是涵蓋工程、計算機科學、自動化與控制等的跨學科研究領域，因其多學科性質，還涉及材料科學、通訊、執行管理、機器人、醫學等學科。一項關鍵詞分析表明，數字孿生與“智慧製造”“大資料”“網路實體系統”“數字經濟”這些領域密切相關。
目前已有80多個國家和地區的研究人員發表了與數字孿生相關的論文。根據一篇利用Scopus完成的文獻綜述，數字孿生領域在2016年前後進入了快速增長期，此後每年論文數量均翻番。由於應用範圍廣泛，我們相信未來數字孿生將吸引更多學者開展更深入的研究。
能否請您介紹一下數字孿生的工業應用現狀？
基於更精細、動態的模型以及更豐富、多源的資料驅動，數字孿生在執行監控、模擬、最佳化、維護預測和供應鏈最佳化方面發揮了十分重要的作用。以我們團隊2016年提出的數字孿生車間為例，透過深刻理解、準確推斷和精確操作物理車間和數字車間的物體，使得操作、控制和管理的效率得到了提升。
工廠生產線應用
現在，越來越多的企業開始利用數字孿生來提高效率，例如西門子、ANSYS、達索、空客、洛克希德·馬丁和通用電氣。Gartner在2019年釋出的一項調查顯示，在參與物聯網專案的機構中，75%的機構或是已經使用了數字孿生，或是計劃在一年內使用。
數字孿生的未來發展前景廣闊，已經應用於航空航天、智慧製造、智慧城市、建築、醫療、機器人、船舶、汽車、軌道交通、工業工程、農業、採礦、能源和環境等15個領域。事實上，MarketsandMarkets釋出的一份報告預測，數字孿生市場規模將在2026年達到482億美元。
數字孿生面臨著哪些科學挑戰？
北航數字孿生研究小組於2018年提出了數字孿生五維模型，包含物理實體、虛擬模型、孿生資料、連線與互動，以及服務/應用。目前，數字孿生五維模型已被十家集團企業應用於製造、衛星、車輛、船舶、飛機和智慧城市等十個領域。
物理實體維度面臨的最大挑戰包括實現多源異構物理實體的智慧感知和互聯；以及實時獲取物理實體的多維資料。
虛擬模型維度的挑戰包括構建動態多維、多時空尺度高保真模型；確保和驗證模型的一致性、有效性和可靠性；實現多源、多學科、多維模型的整合與融合。
孿生資料維度的主要問題是多源異構資料的實時採集和高效傳輸以及網路實體資料的深度融合和綜合處理。連線與互動維度的挑戰則是跨協議/跨介面/跨平臺的實時互動，以及實現資料模型應用的迭代互動與動態演化。
服務/應用維度的最大挑戰在於基於多維模型和資料，提供滿足不同領域、不同級別使用者和不同業務應用需求的服務，並實現按需使用服務的增值效率。
對於數字孿生現實瓶頸感興趣的人，不妨參閱我們2019年在《自然》發表的一篇評論文章。這篇文章探討了如何促進不同領域和學科的專家合作，以及如何透過產學研結合的方式鼓勵創新。
如何推廣數字孿生的研究與應用？
推廣方式主要是專門的期刊和國際會議。2017年，我和來自12所大學的學者發起了一項一年一度的數字孿生與智慧製造服務學術會議，該會議在同類中尚屬首次。目前會議已成功舉辦四屆，彙集了世界各地的知名學者，共同搭建高層次的國際學術交流平臺，引領數字孿生領域科技工程的創新和發展。第五屆會議定於2021年7月16日至18日在上海舉行。2021年4月，我們還與泰勒-弗朗西斯集團合作，創辦了一本國際性的綜合期刊，名為《數字孿生》（Digital Twin），內容涵蓋數字孿生的理論、技術和應用創新。
以上訪談在北京航天拓撲高科技有限責任公司支援下完成。北京航天拓撲高科技有限責任公司是一家致力於高階智慧製造和系統整合的高新技術企業。公司成立於2001年，一直專注於為能源數字化、工廠數字化等領域提供一流的產品及系統整合解決方案。
