引用論文

Zhang, H., Li, Y., Zhang, S. et al. Artificial Intelligence-Enhanced Digital Twin Systems Engineering Towards the Industrial Metaverse in the Era of Industry 5.0. Chin. J. Mech. Eng. 38, 40 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01210-0

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研究背景及目的

數(shù)字孿生利用多物理場(chǎng)、多維度、多概率高保真模型，能夠精準(zhǔn)刻畫(huà)物理世界的運(yùn)行狀態(tài)與演化規(guī)律，已在智慧城市、醫(yī)療保健、能源管理、航空航天等領(lǐng)域開(kāi)展研究與實(shí)踐。工業(yè)領(lǐng)域作為其重要應(yīng)用場(chǎng)景，其研究應(yīng)用已覆蓋產(chǎn)品迭代設(shè)計(jì)、狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能維護(hù)等產(chǎn)品全生命周期環(huán)節(jié)。然而，數(shù)字孿生在應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)仍面臨全面性不足、系統(tǒng)化局限和集成化瓶頸等問(wèn)題，難以滿足工業(yè)5.0時(shí)代對(duì)智能化、協(xié)同化和自適應(yīng)性的高階需求。為此，本文系統(tǒng)探討數(shù)字孿生與系統(tǒng)工程的理論融合路徑，提出了數(shù)字孿生系統(tǒng)工程（DTSE）的概念、特點(diǎn)、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，本文所提出的DTSE在復(fù)雜對(duì)象、復(fù)雜過(guò)程和復(fù)雜場(chǎng)景中有廣闊應(yīng)用前景，最后以試飛場(chǎng)景為例說(shuō)明DTSE如何發(fā)揮作用與應(yīng)用流程。

02

理論架構(gòu)

為了更好地理解數(shù)字孿生如何與系統(tǒng)工程結(jié)合，文章從工程以及產(chǎn)品/系統(tǒng)生命周期兩個(gè)角度提出了 DTSE 實(shí)施架構(gòu)，如圖 1所示。將整個(gè)生命周期中虛擬空間和物理空間的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行整合，有助于解決復(fù)雜系統(tǒng)性問(wèn)題。為了更好地展示 DTSE 的價(jià)值，圖中深色塊代表在物理空間執(zhí)行的操作，淺色塊代表虛擬空間中的操作。通過(guò)虛實(shí)空間的交互與融合，將有效提升設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維、回收中的問(wèn)題分析、方案實(shí)施以及方案評(píng)估各環(huán)節(jié)。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)工程實(shí)施架構(gòu)與流程

03

應(yīng)用探索

試飛工程是一個(gè)涉及諸多環(huán)節(jié)和資源的典型復(fù)雜系統(tǒng)工程。試飛工程的各環(huán)節(jié)需統(tǒng)一的技術(shù)要求，以使整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)運(yùn)作。本文以試飛工程作為應(yīng)用場(chǎng)景，闡述DTSE在解決一些復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題上的意義和價(jià)值，如圖2所示。

圖2 面向試飛工程的數(shù)字孿生系統(tǒng)工程

04

結(jié)論

本篇文章分析了當(dāng)前數(shù)字孿生在工業(yè)5.0時(shí)代下的局限性的，進(jìn)而提出了DTSE的概念、內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字孿生解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題提供了指導(dǎo)。此外，以試飛場(chǎng)景為例說(shuō)明DTSE對(duì)當(dāng)前復(fù)雜系統(tǒng)工程的潛在益處。盡管如此，要充分發(fā)揮DTSE的潛力，還需要進(jìn)一步的進(jìn)展，如數(shù)據(jù)融合和模型一致性等技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展，相應(yīng)工業(yè)軟件有待研發(fā)以促進(jìn)DTSE的實(shí)施。在未來(lái)，作者團(tuán)隊(duì)將DTSE應(yīng)用于更多復(fù)雜的工程場(chǎng)景中，以展示本文提出的方法的價(jià)值與優(yōu)勢(shì)。

關(guān)于作者

01

作者介紹

張賀（第一作者），北京航空航天大學(xué)國(guó)際前沿交叉科學(xué)研究院卓越百人博士后，主要研究方向?yàn)閿?shù)字孿生精準(zhǔn)建模與空天裝備數(shù)實(shí)融合試驗(yàn)。在Nature Computational Science、IEEE Transactions on Industrial Informatics、RCIM、JMS等國(guó)內(nèi)外著名期刊發(fā)表論文十余篇，Google引用9000余次。曾獲2022年度中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、首都前沿學(xué)術(shù)成果獎(jiǎng)、第七屆中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀科技論文獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

陶飛（通訊作者），國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才，現(xiàn)任北航國(guó)際前沿交叉科學(xué)研究院院長(zhǎng)、國(guó)家智能制造專家委員會(huì)委員。長(zhǎng)期從事數(shù)字孿生與數(shù)字工程、智能制造與裝備、制造工業(yè)軟件等教研工作。第一作者出版專著5部，在Nature等期刊上發(fā)表30余篇ESI高被引論文，總被引用5萬(wàn)余次，連續(xù)六年入選科睿唯安全球高被引學(xué)者（2019-2024）。第一完成人帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、科學(xué)探索獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任《Digital Twin》和《Digital Engineering》國(guó)際期刊創(chuàng)刊主編。

02

近年團(tuán)隊(duì)代表性文章

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作 者：張 賀

責(zé)任編輯：謝雅潔

責(zé)任校對(duì)： 向映姣

審 核：張 強(qiáng)

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