——訪北京航空航天大學副教授程江峰

數字孿生作為物理世界與數字空間融合的核心技術，正深刻推動制造業(yè)與物流業(yè)的數字化、智能化轉型。作為國際上最早開始數字孿生研究的團隊之一，北航makeTwin團隊首創(chuàng)“五維模型”理論體系，突破關鍵技術，研發(fā)工業(yè)軟件平臺，為復雜裝備的研發(fā)、制造與運維提供全生命周期解決方案。本文通過對話程江峰副教授，系統(tǒng)梳理其所在團隊在數字孿生領域的理論創(chuàng)新、技術突破及行業(yè)應用成果，為智能制造與智慧物流的探索實踐提供參考。

國內高等教育界熠熠生輝的北京航空航天大學（以下簡稱“北航”），作為頂尖的研究型學府，70余年來始終將服務國家重大需求銘刻于發(fā)展脈絡之中。立足國際前沿，堅持自主創(chuàng)新，北航既著力優(yōu)秀科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，更聚焦于攻克制約行業(yè)產業(yè)發(fā)展的“卡脖子”難題。如今的北航已建立起空天技術、信息技術、材料制造、儀器科學、控制科學等優(yōu)勢學科，在無人系統(tǒng)、大飛機、智能制造、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網等重要領域，北航與行業(yè)企業(yè)、科研院所強強聯(lián)合，有組織地承擔重大任務、孕育重大成果，以堅實的科研力量支撐著國家的創(chuàng)新發(fā)展。

秉承著這一服務大局的科研精神，北航敏銳捕捉國家加快形成新質生產力的迫切需求。北航makeTwin數字孿生團隊以勇毅探索之姿，圍繞數字孿生與數字工程開展了一系列開創(chuàng)性研究與實踐應用，深刻影響著國際數字孿生理論與技術的發(fā)展走向。近期，本刊記者有幸采訪到北航makeTwin數字孿生團隊核心成員、北京航空航天大學副教授程江峰，在他的精彩講述中，為我們揭開數字孿生技術的神秘面紗。

北京航空航天大學程江峰副教授

程江峰及團隊簡介

程江峰，北京航空航天大學副教授，主要從事數字孿生理論與關鍵技術、數字孿生復雜裝備運維、數字孿生車間管控研究，擅長數字孿生數模融合技術、復雜設備故障診斷、復雜裝備壽命預測、數字孿生運維管控系統(tǒng)開發(fā)等。

參與出版專著1部，發(fā)表論文20余篇，4篇入選ESI高被引論文，單篇最高他引3200余次，是數字孿生領域引用次數最高的論文。

主持NSFC面上項目、青年基金、中國博士后科學基金、企業(yè)/院所項目等10余項。研制的數字孿生運維管控軟件系統(tǒng)及硬件裝置，已在10余家企業(yè)多條生產線、多個復雜裝備開展應用實踐。

程江峰所在的北航makeTwin團隊首創(chuàng)“物理－模型－數據－連接－服務”數字孿生五維模型，被航天科技、航天科工、空客、羅羅等應用于火箭、導彈、飛機等的數字孿生模型構建；圍繞五維模型持續(xù)10余年帶領10多個國家學者建立數字孿生模型構建、孿生數據管理、連接交互、服務應用等理論和技術體系；研制makeTwin數字孿生工業(yè)軟件系列工具；支撐制定多項數字孿生概念、術語、參考架構等ISO/IEC國際標準；發(fā)表數字孿生首篇Nature文章；創(chuàng)辦首個國際期刊、首個國內會議、國際會議等。北航makeTwin團隊近年來主持國家級、省部級與企業(yè)院所項目80余項，在航空、航天、物流、武器、軌道交通、3C等裝備的生產制造與運維管控中應用并效果顯著，獲國家科學技術進步二等獎2項，以及教育部自然科學一等獎、中國機械工業(yè)科技發(fā)明一等獎、中國機械工業(yè)科技進步一等獎等。

北航makeTwin團隊合影

記者：首先請您簡單介紹一下，數字孿生是一種什么樣的技術？當前我國的理論研究和應用實踐現狀是怎樣的？

程江峰：數字孿生是以多維模型和融合數據為驅動，通過實時連接、映射、分析、閉環(huán)交互來刻畫、仿真、預測、優(yōu)化和控制物理世界，從而使物理世界的全要素、全過程、全價值鏈達到最大限度的優(yōu)化。數字孿生為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。比如在制造領域，數字孿生逐漸成為優(yōu)化整個制造鏈和創(chuàng)新產品的重要工具，將改變整個產品的設計、開發(fā)、制造和服務過程，并在供應鏈優(yōu)化、預測性運維、優(yōu)化流程與控制等領域發(fā)揮重要作用，為實現智能制造提供了一種有效途徑。

在數字孿生理論與關鍵技術研究方面，我們首創(chuàng)了數字孿生五維模型，建立了數字孿生模型構建、數字孿生模型評價、數字孿生成熟度、孿生數據管理、連接交互、服務應用理論方法，并首次提出了數字孿生車間、數字孿生裝備、數字孿生衛(wèi)星工程等概念。

在經歷了數字孿生概念探索、理論技術攻關，以及國家科技部、國家自然科學基金委員會、工信部、軍科委等一系列數字孿生相關科技計劃的支持下，數字孿生已經在各行各業(yè)開展大量的實踐應用探索，如航空航天、武器裝備等軍品的設計、測試、制造、運維全過程，以及軌道交通、船舶、汽車、紡織等國計民生各個行業(yè)的設計、車間制造、物流與供應鏈管理、運維管控、報廢回收等全過程。

總體來看，我國各大高校、研究所、企業(yè)等都在紛紛開展數字孿生的研究與應用探索，數字孿生當前在學術界和企業(yè)界都受到空前重視，在越來越多的行業(yè)領域及應用場景發(fā)揮出重要價值。數字孿生的學術研究發(fā)展與實踐應用，對經濟社會發(fā)展的影響也日益深刻。

記者：具體到北航的數字孿生研究團隊，在產學研用方面主要聚焦在哪些領域和方向？取得了哪些成果？

程江峰：我所在的北航makeTwin團隊是國際上最早開始數字孿生研究的團隊之一，通過持續(xù)開展數字孿生理論-技術-工具-標準-應用研究，取得了系列原創(chuàng)成果，如國際首創(chuàng)“物理－模型－數據－連接－服務”數字孿生五維模型等。

圍繞國家智能制造與復雜裝備研制運維重大需求，北航makeTwin團隊在數字孿生理論創(chuàng)新與技術突破的基礎上，攻克了數字孿生車間理論與關鍵技術、復雜裝備運維管控關鍵技術，探索了數字孿生在不同領域的落地實踐，加快新質生產力的培育和形成。

數字孿生車間：首次提出數字孿生車間概念、運行機制及應用架構，探索構建數字孿生車間模型融合、數據融合、數模融合理論方法與關鍵技術。

數字孿生數據監(jiān)測處理：發(fā)明軟硬一體化數據“采-傳-處-用”系列關鍵技術及裝置，解決極端工況下，異常小數據監(jiān)測、瞬態(tài)大數據傳輸、高效實時數據處理難題。

北航makeTwin團隊研究工作

數字孿生復雜裝備：首創(chuàng)基于數字孿生的裝備預測性運維方法，成果發(fā)表于制造領域全球最權威的頂級期刊國際生產工程學會（CIRP），是國際首篇復雜裝備數字孿生預測性運維文章，研制了一體化裝置。

基于上述技術突破，在國家重點研發(fā)計劃項目（2020YFB1708400）支持下，我們聯(lián)合國內數字孿生優(yōu)秀團隊，共同提出并設計了數字孿生工業(yè)軟件平臺的參考架構——makeTwin，并發(fā)布《數字孿生工業(yè)軟件白皮書》。在makeTwin的指導下，構建的數字孿生車間理論方法與技術成功應用于衛(wèi)星總裝車間、運載裝備車間、3C裝配車間、紡織車間等，為車間生產提質增效降本；發(fā)明的軟硬一體化數據“采-傳-處-用”關鍵技術及裝置以及基于數字孿生的裝備預測性運維方法，應用于空天裝備、武器裝備、工程裝備、物流裝備、軌道交通裝備等復雜裝備運維管控，促進我國裝備運維管控水平的提升。

makeTwin數字孿生工業(yè)軟件

兩刊一會一中心

記者：請您結合有代表性的智能制造或智慧物流項目，談一談數字孿生技術的具體應用場景以及重要價值。

程江峰：北航makeTwin團隊近年來與合作伙伴北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司開展了大量的數字孿生產學研用項目，以化纖車間數字孿生制造與車間物流為例，基于數字孿生高保真虛擬模型刻畫與仿真、數據感知與融合、虛實交互、模型與數據混合驅動的決策分析、虛擬調試等能力與特性，開展車間物流裝備及產線的三維可視化監(jiān)控與虛實交互，裝備及產線故障診斷、預測與健康管理，以及物流產線虛擬仿真調試與自適應優(yōu)化，從而提高車間物流產線的可靠性與作業(yè)效率，具體開展了如下工作：

三維可視化監(jiān)控與交互

化纖車間的所有數據會被實時感知并傳送給虛擬車間，虛擬車間實時更新狀態(tài)，始終保持與物理車間的一致，以三維可視化方式高度逼真地還原物理車間發(fā)生的任何狀態(tài)變化。同時，虛擬車間也會根據實時數據對物理車間的運行狀態(tài)進行仿真優(yōu)化分析，并對物理車間進行實時調控。

故障診斷與預測

攻克數字孿生機理模型引導數據模型特征選擇過程、數字孿生機理模型與數據模型輸出結果融合、數據模型對數字孿生機理模型補償修正三種數模聯(lián)動融合方法，能夠洞悉和優(yōu)化裝備運行過程、性能和健康狀況，最終實現定故障位置、定故障原因、定維修方案、定剩余壽命、定可能發(fā)生的故障。

作業(yè)策略調度

針對車間物流立體倉庫環(huán)節(jié)的高效穩(wěn)定運行，從任務提前調度、貨位分配以及任務序列優(yōu)化三方面提出一套立體倉庫調度方法，通過實際應用對比分析，表明所提方法可有效提升立體倉庫調度效率。

AR遠程運維

通過VR/AR的形式，以更強的實時性、更強的交互性、更強的實用性，解決以下三個問題：（1）可以在車間內任何地方實時查看設備的實時運行狀態(tài)、實時和歷史故障信息；（2）通過語音上報故障狀態(tài)、現場處理情況、維修人員等信息；（3）佩戴AR眼鏡，可以與設備供應商實現實時遠程溝通與交互，視頻、音頻、AR界面均實現雙向傳輸與交互，供應商可以實時指導車間人員進行故障排除。

虛擬培訓

為現場施工人員、調試人員、車間操作工人提供數字化的培訓，包括裝備結構培訓、裝備安裝調試培訓、裝備檢查維護培訓、裝備安全事項培訓、裝備故障排查培訓等。

記者：隨著人工智能技術發(fā)展，您認為數字孿生技術和物流裝備領域還有哪些潛在的結合點？

程江峰：物流裝備未來必然是向著越來越智能的方向發(fā)展。我們認為，數字孿生技術將進一步和各種人工智能技術一起，在物流裝備設計、測試、運行、運維等各個階段發(fā)揮重要作用。

設計階段：快速搭建物流裝備本身幾何模型、機理模型、運行工藝模型，從而實現物流裝備設計的快速數字孿生仿真與驗證，比如裝備性能仿真、車間物理產線虛擬運行效能分析等。

測試階段：在物流裝備、物流產線實際推廣應用之前，基于數字孿生虛擬化的物流裝備及產線，實現電氣、機械、工藝、產品等多維度全流程的虛擬測試。

運行階段：物流裝備及物流產線在實際運行過程中，基于數字孿生，實現生產過程全監(jiān)控、產品質量全流程分析、物流產線全流程工藝優(yōu)化與調整、車間物流作業(yè)策略調度優(yōu)化等。

運維階段：物流裝備故障診斷與預測、物流裝備健康管理與剩余壽命預測等。

記者：請您結合我國當前的數字孿生技術應用階段，談一談目前主要存在哪些瓶頸和痛點？對于其背后的安全問題，您是如何看待的？

程江峰：結合我們團隊的研究來看，我們認為數字孿生的應用可以分為六個階段：以虛仿實（類似仿真，非典型數字孿生）、以虛映實&以虛控實（實現物理對象的虛擬映射與交互，是當前主流應用）、以虛預實（通過數字化虛擬的數字孿生模型推演預測物理對象）、以虛優(yōu)實（通過模型優(yōu)化物理對象參數與性能）、虛實共生（模型與物理對象共同迭代演進，模型能不斷修正，完美真實地刻畫、優(yōu)化和控制物理對象，目前尚未實現）。

數字孿生研究與應用的瓶頸和痛點表現在，目前普遍存在多學科/多尺度高保真數字孿生機理模型構建難題，全流程全業(yè)務數字孿生數據管理與挖掘使用難題，機理模型清晰/不清晰、數據充分/不充分情況下數字孿生模型和數據融合難題。

數字孿生技術的安全風險，主要源于數據的全生命周期管理（采集、傳輸、存儲、使用）以及系統(tǒng)的復雜性，包括敏感數據暴露、數據傳輸劫持、存儲數據泄露、模型污染攻擊、反向控制威脅、邊緣計算節(jié)點漏洞、數據主權爭議、算法偏見與問責等問題。對此我們認為，數字孿生的安全建設不應僅停留在“防御”層面，更需將其轉化為競爭力。比如將安全能力嵌入數字孿生平臺，作為增值功能輸出（如提供隱私保護認證的孿生模型）；利用數字孿生預演網絡攻擊對物理系統(tǒng)的影響，優(yōu)化業(yè)務連續(xù)性計劃。只有通過技術加固、制度完善和生態(tài)協(xié)作，才能讓數字孿生在安全可信的基石上釋放其變革性潛力。

記者：最后您如何看待數字孿生技術的未來發(fā)展方向和應用前景？對此，北航makeTwin團隊還有哪些研究目標？

程江峰：數字孿生作為物理世界與數字世界深度融合的橋梁，其未來發(fā)展將不僅限于技術本身的迭代，更會推動各行業(yè)的數字化轉型和智能化升級。

在技術演進維度：包括但不限于AI與數字孿生的深度結合、邊緣計算與實時性提升、量子計算賦能超大規(guī)模模擬、單體/子系統(tǒng)/系統(tǒng)/復雜系統(tǒng)級數字孿生構建與融合、統(tǒng)一數據模型與協(xié)議、開源平臺普及等。

在行業(yè)應用方面：在智能制造與物流領域，未來在裝備/系統(tǒng)預測性維護、虛擬工廠仿真、產品質量分析與調控、生產工藝優(yōu)化與智能排產等領域將繼續(xù)深度融合；此外，數字孿生將在智慧城市、災害應急救援、智慧駕駛、智慧醫(yī)療、雙碳戰(zhàn)略等領域發(fā)揮越來越重要的作用。

北航makeTwin團隊將在前期數字孿生理論技術研究與實踐應用的基礎上，進一步攻關數字孿生模型構建與融合、數字孿生數據挖掘與分析、數字孿生模型和數據融合等相關核心關鍵科學問題持續(xù)攻關，并致力于makeTwin數字孿生國產工業(yè)軟件的研究與開發(fā)，服務我國數字化改造與智能化升級。