日前，陶飛教授團隊受邀在《Nature Computational Science》雜志發表了工業領域數字孿生的綜述與最新視角長文文章：《Advancements and challenges of digital twins in industry》。該文章對國内外數字孿生在工業領域的最新研究與應用進展進行了總結，深度剖析了數字孿生理論研究與工業實踐過程中存在的問題及面臨的挑戰，并指明了未來發展方向【Nat. Comput. Sci. 4, 169–177 (2024)】。陶飛、張賀、張辰源為該文作者，陶飛為通訊作者，北京航空航天大學為第一單位。陶飛教授團隊曾于2019年受邀在《Nature》雜志發表題為“Make more digital twins"的文章，闡述了數字孿生的概念、技術内涵、應用前景、技術挑戰【Nature 573, 490-491 (2019) 】。
随着近年人工智能、物聯網、大數據、大模型等新興技術的不斷發展，虛拟空間與物理空間的關系愈發緊密。數字孿生作為實現信息物理融合的有效手段，受到了廣泛關注，已在航空航天、醫療健康、智慧農業、智慧城市等領域得到了廣泛應用實踐。因契合智能制造、工業4.0/5.0、新型工業化、數字經濟的發展需求，數字孿生在工業領域應用尤為關注。文章首先對國内外數字孿生概念模型與參考架構、數字孿生對象實時狀态感知、多維孿生模型構建、孿生數據分析處理、動态連接與交互等數字孿生關鍵技術研用進展進行了總結，指出當前在模型精準性、數據有效性、交互實時性和全面性等方面存在不足，無法完全滿足深層次工業應用需求。通過對國内外數字孿生在産品全生命周期中（包括數字孿生在産品疊代設計、制造過程智能決策、實時運維管控、精準故障預測與健康管理等）的應用進展分析後，指出當前國際上缺乏通用的、公共的數字孿生工業軟件平台，阻礙了數字孿生的工業應用推廣。
數字孿生在工業領域的應用
文章剖析了當前孿生認識與理解存在的不足或誤區（Pitfalls），包括：①數字孿生模型構建和應用過程中“過簡或過繁”，導緻具體工業問題或應用需求無法得到精準服務；②對數字孿孿生數據的使用“重大輕小”，如隻關注對“大數據“的分析與挖掘，而忽視了“小數據”的價值；③對數字孿生虛實交互過度追求“無限實時”，導緻實現困難且代價巨大；④數字孿生與AI的融合主要在孿生數據處理分析，對AI在數字孿生模型快速構建、孿生數據計算資源動态調度優化等方面應用仍存在不足。
最後文章對工業數字孿生若幹未來發展方向和與挑戰進行了探讨，包括：①應充分融合多源數據與工業機理，建立數模融合驅動的數字孿生模型精準構建與決策優化方法，以滿足各類工業應用需求；②探索透明和可解釋的數字孿生工業應用AI算法，并進一步融合ChatGPT等AI技術賦能數字孿生工業應用場景；③開發集成孿生模型構建、孿生數據處理、虛實動态交互等核心功能的通用數字孿生工業軟件平台/工具，形成數字孿生生态；④為使工業用戶敢用、願意用、放心用數字孿生，應探索相關信息物理安全保障機制、隐私保護與數字孿生資産安全體系；⑤加強國際交流合作，研制數字孿生模型、數據、應用等相關國際标準，進一步達成共識。未來，數字孿生也将與可靠性、複雜系統工程、量子力學等學科理論進一步交叉融合，從而更好服務新型工業化和新質生産力需求。
相關研究工作得到了國家自然科學基金重點國際合作項目(No. 52120105008)、國家重點研發計劃（2020YFB1708400）、科學探索獎新基石科學基金等的資助。
論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s43588-024-00603-w
附：作者介紹
陶飛 國際交叉科學研究院、beat365英国官网网站教授、博士生導師
陶飛，國家級領軍人才（2019），現任北航國際交叉科學研究院常務副院長、北航黨委人才工作辦公室副主任、國家智能制造專家委員會委員、“十四五”國家重點研發計劃工業軟件重點專項總體專家組專家。長期從事數字孿生與數字工程、智能制造與裝備、制造工業軟件等教研工作。第一作者出版專著5部，在Nature等期刊上發表30餘篇ESI高被引論文，單篇引用1000次以上5篇，總被引用4萬餘次；連續五年入選科睿唯安全球高被引學者和Elsevier中國高被引學者（2019-2023）。以第一完成人帶領團隊獲國家科技進步二等獎、教育部自然科學一等獎、中國機械工業技術發明一等獎和科技進步一等獎、中國青年科技獎、北京市教學成果二等獎等。現任中國機械工程學會和中國圖學學會理事、《Digital Engineering》國際期刊創刊主編、RCIM副主編、CIRP通信會員等。2023年獲科學探索獎、入選美國SME智能制造Top20最具影響力學者（2021），創辦《Digital Twin》國際期刊、國際論壇和國際會議。
張賀 beat365英国官网网站、國際交叉科學研究院博士後
2013年考入北京航空航天大學攻讀學士學位，2017年以優異的成績保送直博，2023年入職為北京航空航天大學卓越百人博士後。研究方向為數字工程、數字孿生建模、航空發動機數字測試，在上述方向發表SCI論文8篇，EI論文8篇，其中ESI高被引論文2篇，Google Scholar引用6400餘次。攻讀博士學位期間參與了多項國家自然科學基金，國家重點研發計劃等項目的研究工作。先後獲博士研究生新生獎學金、博士研究生卓越學術基金、首都前沿創新成果獎、第七屆中國科學優秀科技論文、2022年度中國機械工業科學技術發明一等獎等榮譽。
張辰源 beat365英国官网网站博士生
2013年考入武漢理工大學攻讀學士學位，2017年保送武漢理工大學攻讀碩士研究生，2020年以優異的成績被北京航空航天大學錄取攻讀博士學位。博士研究方向為數字孿生、數字工程、數字孿生車間構建及運行優化，發表SCI論文1篇，EI論文7篇。參與了多項國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的研究工作。獲得博士研究生新生獎學金。
