——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，正深刻推動制造業與物流業的數字化、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“五維模型”理論體系，突破關鍵技術，研發工業軟件平臺，為復雜裝備的研發、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，系統梳理其所在團隊在數字孿生領域的理論創新、技術突破及行業應用成果，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展脈絡之中。立足國際前沿，堅持自主創新，北航既著力優秀科技創新人才的培養，更聚焦于攻克制約行業產業發展的“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、控制科學等優勢學科，在無人系統、大飛機、智能制造、人工智能、工業互聯網等重要領域，北航與行業企業、科研院所強強聯合，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新發展。

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開發等。

參與出版專著1部，發表論文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/院所項目等10余項。研制的數字孿生運維管控軟件系統及硬件裝置，已在10余家企業多條生產線、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“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；發表數字孿生首篇Nature文章；創辦首個國際期刊、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、中國機械工業科技發明一等獎、中國機械工業科技進步一等獎等。

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、閉環交互來刻畫、仿真、預測、優化和控制物理世界，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化整個制造鏈和創新產品的重要工具，將改變整個產品的設計、開發、制造和服務過程，并在供應鏈優化、預測性運維、優化流程與控制等領域發揮重要作用，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界都受到空前重視，在越來越多的行業領域及應用場景發揮出重要價值。數字孿生的學術研究發展與實踐應用，對經濟社會發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，取得了系列原創成果，如國際首創“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。

數字孿生數據監測處理：發明軟硬一體化數據“采-傳-處-用”系列關鍵技術及裝置，解決極端工況下，異常小數據監測、瞬態大數據傳輸、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：首創基于數字孿生的裝備預測性運維方法，成果發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，在國家重點研發計劃項目（2020YFB1708400）支持下，我們聯合國內數字孿生優秀團隊，共同提出并設計了數字孿生工業軟件平臺的參考架構——makeTwin，并發布《數字孿生工業軟件白皮書》。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化，從而提高車間物流產線的可靠性與作業效率，具體開展了如下工作：

三維可視化監控與交互

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，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生的任何狀態變化。同時，虛擬車間也會根據實時數據對物理車間的運行狀態進行仿真優化分析，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動融合方法，能夠洞悉和優化裝備運行過程、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、定可能發生的故障。

作業策略調度

針對車間物流立體倉庫環節的高效穩定運行，從任務提前調度、貨位分配以及任務序列優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、實時和歷史故障信息；（2）通過語音上報故障狀態、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，實現生產過程全監控、產品質量全流程分析、物流產線全流程工藝優化與調整、車間物流作業策略調度優化等。

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）、以虛優實（通過模型優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的影響，優化業務連續性計劃。只有通過技術加固、制度完善和生態協作，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，其未來發展將不僅限于技術本身的迭代，更會推動各行業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模模擬、單體/子系統/系統/復雜系統級數字孿生構建與融合、統一數據模型與協議、開源平臺普及等。

在行業應用方面：在智能制造與物流領域，未來在裝備/系統預測性維護、虛擬工廠仿真、產品質量分析與調控、生產工藝優化與智能排產等領域將繼續深度融合；此外，數字孿生將在智慧城市、災害應急救援、智慧駕駛、智慧醫療、雙碳戰略等領域發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攻關，并致力于makeTwin數字孿生國產工業軟件的研究與開發，服務我國數字化改造與智能化升級。