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數(shù)字孿生賦能制造與物流升級：

北航makeTwin團隊的技術(shù)探索與實踐

——訪北京航空航天大學副教授程江峰

數(shù)字孿生作為物理世界與數(shù)字空間融合的核心技術(shù)，正深刻推動制造業(yè)與物流業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。作為國際上最早開始數(shù)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(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)工業(yè)軟件平臺，為復(fù)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(shù)字孿生領(lǐng)域的理論創(chuàng)新、技術(shù)突破及行業(yè)應(yīng)用成果，為智能制造與智慧物流的探索實踐提供參考。

作者： 任芳

前言

國內(nèi)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(wù)國家重大需求銘刻于發(fā)展脈絡(luò)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”難題。如今的北航已建立起空天技術(shù)、信息技術(shù)、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(wǎng)等重要領(lǐng)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(wù)、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(wù)大局的科研精神，北航敏銳捕捉國家加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力的迫切需求。北航makeTwin數(shù)字孿生團隊以勇毅探索之姿，圍繞數(shù)字孿生與數(shù)字工程開展了一系列開創(chuàng)性研究與實踐應(yīng)用，深刻影響著國際數(shù)字孿生理論與技術(shù)的發(fā)展走向。近期，本刊記者有幸采訪到北航makeTwin數(shù)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(shù)字孿生技術(shù)的神秘面紗。

INTERVIEW

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(shù)字孿生理論與關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字孿生復(fù)雜裝備運維、數(shù)字孿生車間管控研究，擅長數(shù)字孿生數(shù)模融合技術(shù)、復(fù)雜設(shè)備故障診斷、復(fù)雜裝備壽命預(yù)測、數(shù)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(shù)字孿生領(lǐng)域引用次數(shù)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(shù)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(chǎn)線、多個復(fù)雜裝備開展應(yīng)用實踐。

北航makeTwin團隊合影

程江峰所在的北航makeTwin團隊首創(chuàng)“物理－模型－數(shù)據(jù)－連接－服務(wù)”數(shù)字孿生五維模型，被航天科技、航天科工、空客、羅羅等應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、飛機等的數(shù)字孿生模型構(gòu)建；圍繞五維模型持續(xù)10余年帶領(lǐng)10多個國家學者建立數(shù)字孿生模型構(gòu)建、孿生數(shù)據(jù)管理、連接交互、服務(wù)應(yīng)用等理論和技術(shù)體系；研制makeTwin數(shù)字孿生工業(yè)軟件系列工具；支撐制定多項數(shù)字孿生概念、術(shù)語、參考架構(gòu)等ISO/IEC國際標準；發(fā)表數(shù)字孿生首篇Nature文章；創(chuàng)辦首個國際期刊、首個國內(nèi)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(chǎn)制造與運維管控中應(yīng)用并效果顯著，獲國家科學技術(shù)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。

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

程江峰：數(shù)字孿生是以多維模型和融合數(shù)據(jù)為驅(qū)動，通過實時連接、映射、分析、閉環(huán)交互來刻畫、仿真、預(yù)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(shù)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(lǐng)域，數(shù)字孿生逐漸成為優(yōu)化整個制造鏈和創(chuàng)新產(chǎn)品的重要工具，將改變整個產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造和服務(wù)過程，并在供應(yīng)鏈優(yōu)化、預(yù)測性運維、優(yōu)化流程與控制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)智能制造提供了一種有效途徑。

在數(shù)字孿生理論與關(guān)鍵技術(shù)研究方面，我們首創(chuàng)了數(shù)字孿生五維模型，建立了數(shù)字孿生模型構(gòu)建、數(shù)字孿生模型評價、數(shù)字孿生成熟度、孿生數(shù)據(jù)管理、連接交互、服務(wù)應(yīng)用理論方法，并首次提出了數(shù)字孿生車間、數(shù)字孿生裝備、數(shù)字孿生衛(wèi)星工程等概念。

在經(jīng)歷了數(shù)字孿生概念探索、理論技術(shù)攻關(guān)，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(shù)字孿生相關(guān)科技計劃的支持下，數(shù)字孿生已經(jīng)在各行各業(yè)開展大量的實踐應(yīng)用探索，如航空航天、武器裝備等軍品的設(shè)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(shè)計、車間制造、物流與供應(yīng)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(shù)字孿生的研究與應(yīng)用探索，數(shù)字孿生當前在學術(shù)界和企業(yè)界都受到空前重視，在越來越多的行業(yè)領(lǐng)域及應(yīng)用場景發(fā)揮出重要價值。數(shù)字孿生的學術(shù)研究發(fā)展與實踐應(yīng)用，對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響也日益深刻。

記者：具體到北航的數(shù)字孿生研究團隊，在產(chǎn)學研用方面主要聚焦在哪些領(lǐng)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(shù)字孿生研究的團隊之一，通過持續(xù)開展數(shù)字孿生理論-技術(shù)-工具-標準-應(yīng)用研究，取得了系列原創(chuàng)成果，如國際首創(chuàng)“物理－模型－數(shù)據(jù)－連接－服務(wù)”數(shù)字孿生五維模型等。

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

1.數(shù)字孿生車間：首次提出數(shù)字孿生車間概念、運行機制及應(yīng)用架構(gòu)，探索構(gòu)建數(shù)字孿生車間模型融合、數(shù)據(jù)融合、數(shù)模融合理論方法與關(guān)鍵技術(shù)。

2.數(shù)字孿生數(shù)據(jù)監(jiān)測處理：發(fā)明軟硬一體化數(shù)據(jù)“采-傳-處-用”系列關(guān)鍵技術(shù)及裝置，解決極端工況下，異常小數(shù)據(jù)監(jiān)測、瞬態(tài)大數(shù)據(jù)傳輸、高效實時數(shù)據(jù)處理難題。

北航makeTwin團隊研究工作

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

基于上述技術(shù)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(nèi)數(shù)字孿生優(yōu)秀團隊，共同提出并設(shè)計了數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺的參考架構(gòu)——makeTwin，并發(fā)布《數(shù)字孿生工業(yè)軟件白皮書》。在makeTwin的指導(dǎo)下，構(gòu)建的數(shù)字孿生車間理論方法與技術(shù)成功應(yīng)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(chǎn)提質(zhì)增效降本；發(fā)明的軟硬一體化數(shù)據(jù)“采-傳-處-用”關(guān)鍵技術(shù)及裝置以及基于數(shù)字孿生的裝備預(yù)測性運維方法，應(yīng)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(fù)雜裝備運維管控，促進我國裝備運維管控水平的提升。

makeTwin數(shù)字孿生工業(yè)軟件

兩刊一會一中心

記者：請您結(jié)合有代表性的智能制造或智慧物流項目，談一談數(shù)字孿生技術(shù)的具體應(yīng)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(shù)字孿生產(chǎn)學研用項目，以化纖車間數(shù)字孿生制造與車間物流為例，基于數(shù)字孿生高保真虛擬模型刻畫與仿真、數(shù)據(jù)感知與融合、虛實交互、模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的決策分析、虛擬調(diào)試等能力與特性，開展車間物流裝備及產(chǎn)線的三維可視化監(jiān)控與虛實交互，裝備及產(chǎn)線故障診斷、預(yù)測與健康管理，以及物流產(chǎn)線虛擬仿真調(diào)試與自適應(yīng)優(yōu)化，從而提高車間物流產(chǎn)線的可靠性與作業(yè)效率，具體開展了如下工作：

1.三維可視化監(jiān)控與交互

化纖車間的所有數(shù)據(jù)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(jù)實時數(shù)據(jù)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(diào)控。

2.故障診斷與預(yù)測

攻克數(shù)字孿生機理模型引導(dǎo)數(shù)據(jù)模型特征選擇過程、數(shù)字孿生機理模型與數(shù)據(jù)模型輸出結(jié)果融合、數(shù)據(jù)模型對數(shù)字孿生機理模型補償修正三種數(shù)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(xiàn)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。

3.作業(yè)策略調(diào)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(wù)提前調(diào)度、貨位分配以及任務(wù)序列優(yōu)化三方面提出一套立體倉庫調(diào)度方法，通過實際應(yīng)用對比分析，表明所提方法可有效提升立體倉庫調(diào)度效率。

4.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(nèi)任何地方實時查看設(shè)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(xiàn)場處理情況、維修人員等信息；（3）佩戴AR眼鏡，可以與設(shè)備供應(yīng)商實現(xiàn)實時遠程溝通與交互，視頻、音頻、AR界面均實現(xiàn)雙向傳輸與交互，供應(yīng)商可以實時指導(dǎo)車間人員進行故障排除。

5.虛擬培訓(xùn)

為現(xiàn)場施工人員、調(diào)試人員、車間操作工人提供數(shù)字化的培訓(xùn)，包括裝備結(jié)構(gòu)培訓(xùn)、裝備安裝調(diào)試培訓(xùn)、裝備檢查維護培訓(xùn)、裝備安全事項培訓(xùn)、裝備故障排查培訓(xùn)等。

記者：隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，您認為數(shù)字孿生技術(shù)和物流裝備領(lǐng)域還有哪些潛在的結(jié)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(shù)字孿生技術(shù)將進一步和各種人工智能技術(shù)一起，在物流裝備設(shè)計、測試、運行、運維等各個階段發(fā)揮重要作用。

1.設(shè)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(xiàn)物流裝備設(shè)計的快速數(shù)字孿生仿真與驗證，比如裝備性能仿真、車間物理產(chǎn)線虛擬運行效能分析等。

2.測試階段：在物流裝備、物流產(chǎn)線實際推廣應(yīng)用之前，基于數(shù)字孿生虛擬化的物流裝備及

產(chǎn)線，實現(xiàn)電氣、機械、工藝、產(chǎn)品等多維度全流程的虛擬測試。

3.運行階段：物流裝備及物流產(chǎn)線在實際運行過程中，基于數(shù)字孿生，實現(xiàn)生產(chǎn)過程全監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量全流程分析、物流產(chǎn)線全流程工藝優(yōu)化與調(diào)整、車間物流作業(yè)策略調(diào)度優(yōu)化等。

4.運維階段：物流裝備故障診斷與預(yù)測、物流裝備健康管理與剩余壽命預(yù)測等。

記者：請您結(jié)合我國當前的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)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(jié)合我們團隊的研究來看，我們認為數(shù)字孿生的應(yīng)用可以分為六個階段：以虛仿實（類似仿真，非典型數(shù)字孿生）、以虛映實&以虛控實（實現(xiàn)物理對象的虛擬映射與交互，是當前主流應(yīng)用）、以虛預(yù)實（通過數(shù)字化虛擬的數(shù)字孿生模型推演預(yù)測物理對象）、以虛優(yōu)實（通過模型優(yōu)化物理對象參數(shù)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(xiàn)）。

數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的瓶頸和痛點表現(xiàn)在，目前普遍存在多學科/多尺度高保真數(shù)字孿生機理模型構(gòu)建難題，全流程全業(yè)務(wù)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)管理與挖掘使用難題，機理模型清晰/不清晰、數(shù)據(jù)充分/不充分情況下數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)融合難題。

數(shù)字孿生技術(shù)的安全風險，主要源于數(shù)據(jù)的全生命周期管理（采集、傳輸、存儲、使用）以及系統(tǒng)的復(fù)雜性，包括敏感數(shù)據(jù)暴露、數(shù)據(jù)傳輸劫持、存儲數(shù)據(jù)泄露、模型污染攻擊、反向控制威脅、邊緣計算節(jié)點漏洞、數(shù)據(jù)主權(quán)爭議、算法偏見與問責等問題。對此我們認為，數(shù)字孿生的安全建設(shè)不應(yīng)僅停留在“防御”層面，更需將其轉(zhuǎn)化為競爭力。比如將安全能力嵌入數(shù)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(shù)字孿生預(yù)演網(wǎng)絡(luò)攻擊對物理系統(tǒng)的影響，優(yōu)化業(yè)務(wù)連續(xù)性計劃。只有通過技術(shù)加固、制度完善和生態(tài)協(xié)作，才能讓數(shù)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(shù)字孿生技術(shù)的未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景？對此，北航makeTwin團隊還有哪些研究目標？

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

在技術(shù)演進維度：包括但不限于AI與數(shù)字孿生的深度結(jié)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(fù)雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生構(gòu)建與融合、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型與協(xié)議、開源平臺普及等。

在行業(yè)應(yīng)用方面：在智能制造與物流領(lǐng)域，未來在裝備/系統(tǒng)預(yù)測性維護、虛擬工廠仿真、產(chǎn)品質(zhì)量分析與調(diào)控、生產(chǎn)工藝優(yōu)化與智能排產(chǎn)等領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)深度融合；此外，數(shù)字孿生將在智慧城市、災(zāi)害應(yīng)急救援、智慧駕駛、智慧醫(yī)療、雙碳戰(zhàn)略等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

北航makeTwin團隊將在前期數(shù)字孿生理論技術(shù)研究與實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進一步攻關(guān)數(shù)字孿生模型構(gòu)建與融合、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)挖掘與分析、數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)融合等相關(guān)核心關(guān)鍵科學問題持續(xù)攻關(guān)，并致力于makeTwin數(shù)字孿生國產(chǎn)工業(yè)軟件的研究與開發(fā)，服務(wù)我國數(shù)字化改造與智能化升級。

———— 物流技術(shù)與應(yīng)用 ————

編輯、排版：王茜

本文內(nèi)容源自，有刪改。

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