我們的衣食住行離不開物理世界，但處于網(wǎng)絡(luò)和信息時(shí)代的我們，同樣也離不開數(shù)字世界或虛擬世界。那么物理世界和數(shù)字世界是如何關(guān)聯(lián)？又是如何交互共生的呢？今天我就跟大家一起聊聊數(shù)字孿生，一種實(shí)現(xiàn)物理世界在數(shù)字世界的克隆、鏡像、孿生和共生的技術(shù)。
物理復(fù)制與數(shù)字復(fù)制
說起孿生或雙胞胎，大家第一感覺或印象就是兩個(gè)對(duì)象非常“像”或非常“相似”。如一對(duì)雙胞胎通常特別像，甚至一模一樣。又如秦始皇兵馬俑，和秦朝的士兵非常像。這只是“外形像”，只是簡單的“物理復(fù)制”，存在著一定的時(shí)間和空間的局限。
隨著計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的普及和推廣應(yīng)用，為突破這種“物理復(fù)制”的局限，人們開始使用數(shù)字化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的“數(shù)字化復(fù)制”。如可通過全息影像技術(shù)在線“復(fù)活”一個(gè)和已故歌手一模一樣的數(shù)字化、虛擬的歌手。這個(gè)歌手不僅和真的歌手長得一樣，在舞臺(tái)上的演唱表演神態(tài)也是一模一樣。
又如可采用數(shù)字化技術(shù)，在虛擬世界打造一個(gè)和現(xiàn)實(shí)世界的故宮一模一樣的數(shù)字故宮。這樣的話，我們就可以通過電腦、手機(jī)去全景游覽故宮，在數(shù)字故宮中去穿格格或者阿哥的宮廷服飾，體驗(yàn)歷史生活。
交互與共生
隨著技術(shù)不斷的進(jìn)步和人類的發(fā)展，僅僅是數(shù)字化復(fù)制、數(shù)字化展示功能，已不能滿足人們對(duì)未知世界的好奇心和探索欲。我們還想知道，在不同時(shí)空尺度的物理世界，比如極端世界、極微觀世界，正在發(fā)生什么，未來還可能發(fā)生什么，如何去提前預(yù)測未來一些危險(xiǎn)的事情，并提前干預(yù)。
如我們希望通過在地面的數(shù)字孿生體，來洞悉在遙遠(yuǎn)太空翱翔的天問一號(hào)、在萬里海底作業(yè)的潛航器，以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)在極端高溫、15000轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行狀況，并對(duì)其遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操控，預(yù)測未來可能發(fā)生的故障，從而提前制定規(guī)避措施。
數(shù)字孿生，從被忽視到研究熱點(diǎn)
數(shù)字孿生概念在此背景下于2002年應(yīng)運(yùn)而生。由于當(dāng)時(shí)使用數(shù)字孿生成本非常昂貴，而且IT技術(shù)如儲(chǔ)存能力、通信能力、CPU計(jì)算能力等，無法滿足其落地應(yīng)用需求，因此數(shù)字孿生概念在被提出后的近10年中沒有受到太多關(guān)注。
到2011年，美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍實(shí)驗(yàn)室把數(shù)字孿生運(yùn)用到飛行器的健康運(yùn)維中，數(shù)字孿生才真正開始應(yīng)用到航空航天、軍品研發(fā)中。到2015年，數(shù)字孿生技術(shù)被人們從軍品引入民品和日常生活中。2020年疫情使很多工人不能到工廠去工作，甚至小朋友不能夠去學(xué)校上課。這個(gè)時(shí)候我們希望通過遠(yuǎn)程數(shù)字化的方式來工作、生活和學(xué)習(xí)。應(yīng)該說在2020年疫情期間，加速了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展。
我們可以通過一組數(shù)據(jù)來說明這樣一個(gè)趨勢，比如從學(xué)術(shù)研究的角度，我們對(duì)全球發(fā)表的數(shù)字孿生論文做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析。在2015年之前，全世界發(fā)表的數(shù)字孿生論文總數(shù)只有24篇。而到了2018年，全球一年發(fā)表的數(shù)字孿生論文就達(dá)到了321篇。2021年已達(dá)到了2342篇。應(yīng)該說數(shù)字孿生已經(jīng)成為全世界一個(gè)研究熱點(diǎn)。
截至目前，全世界已有牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)、斯坦福大學(xué)等900多所大學(xué)，空客、西門子、GE等700多個(gè)國際著名企業(yè)，美國NASA、德國費(fèi)勞霍夫研究院等400多個(gè)研究機(jī)構(gòu)相繼開展了數(shù)字孿生研究和探索。
數(shù)字孿生無論在理論研究方面，還是在企業(yè)應(yīng)用方面都已進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，當(dāng)前已有80多個(gè)國家開展了數(shù)字孿生的研究，各國競爭也日趨激烈。
數(shù)字孿生正逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)
目前數(shù)字孿生已經(jīng)在航空航天、裝備制造、健康醫(yī)療、軌道交通，以及城市管理等15個(gè)大類、50多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
比如我們可以構(gòu)建城市的數(shù)字孿生，對(duì)城市的交通紅綠燈、井蓋、探頭等要素進(jìn)行數(shù)字化管理，匯聚城市多維空間數(shù)據(jù)，從而助力實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)、智能出行、智能安防等，提升整個(gè)城市治理水平，提高居民安全和幸福指數(shù)。
當(dāng)城市面臨洪水侵襲，數(shù)字孿生城市能夠利用降雨量、地形等信息來預(yù)測城市積水情況，并基于建筑和人口分布模擬、制定與優(yōu)化疏散策略，達(dá)到避免人民生命財(cái)產(chǎn)遭到損失的目的。
當(dāng)前，數(shù)字孿生城市被各個(gè)國家高度地重視，如新加坡政府正在打造整個(gè)數(shù)字孿生新加坡。我國也在開展數(shù)字孿生雄安新區(qū)的城市規(guī)劃與建設(shè)。
可以說，當(dāng)前各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)，對(duì)數(shù)字孿生需求迫切，但數(shù)字孿生目前處于研用初級(jí)階段，要想讓數(shù)字孿生造福我們的工業(yè)，服務(wù)我們的經(jīng)濟(jì)，助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，缺少一套成熟的理論體系、技術(shù)體系、工具體系、標(biāo)準(zhǔn)體系。
我們團(tuán)隊(duì)近年一直堅(jiān)持?jǐn)?shù)字孿生研究，希望解決上述難題，助力我國制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)。先后提出并建立了數(shù)字孿生五維模型，圍繞五維模型提出了數(shù)字孿生車間的概念，相關(guān)工作已被中國航天科工、中航發(fā)、中船、中國兵器集團(tuán)等十大集團(tuán)參考應(yīng)用于航空航天、船舶、高鐵等十大領(lǐng)域產(chǎn)品或系統(tǒng)研發(fā)。
目前在紡織工業(yè)還有智慧城市方面，我們做了一些案例。如在去年疫情最嚴(yán)重期間，工人和技術(shù)人員不能去工廠現(xiàn)場工作，很多紡織企業(yè)被迫停產(chǎn)。為安全復(fù)工復(fù)產(chǎn)，企業(yè)希望對(duì)他們車間的成套裝備進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、運(yùn)行、監(jiān)控和維護(hù)。同時(shí)希望改造和建設(shè)數(shù)字孿生紡織車間，提升紡織車間的數(shù)字化程度和智能化管控水平，以實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、增效、降本，復(fù)工復(fù)產(chǎn)。
針對(duì)紡織車間需求，我們和合作單位組建了一個(gè)聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，吃住在現(xiàn)場、干在現(xiàn)場，克服重重困難，為一個(gè)紡織企業(yè)打造了一個(gè)1.4萬平米的紡織數(shù)字孿生車間。并與合作單位共同努力，相繼研發(fā)了數(shù)字孿生玻纖自動(dòng)化生產(chǎn)線、數(shù)字孿生紡織車間立體倉庫、數(shù)字孿生落卷機(jī)器人系統(tǒng)、數(shù)字孿生智能條桶輸送系統(tǒng)，在紡織企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用。相關(guān)產(chǎn)品在2021年的上海紡織機(jī)械裝備國際展覽會(huì)上進(jìn)行了展出。
數(shù)字孿生的中國聲音
雖然近年我們團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)學(xué)者一起在數(shù)字孿生領(lǐng)域開展了大量研究實(shí)踐工作，但國內(nèi)相關(guān)工作在國際上鮮有發(fā)聲、影響力不夠，國際上對(duì)國內(nèi)工作了解不多、認(rèn)識(shí)不足。
為提升國際影響力，促進(jìn)交流合作，我們和國內(nèi)學(xué)者共同發(fā)起第一個(gè)數(shù)字孿生學(xué)術(shù)會(huì)議，已連續(xù)成功召開5屆；成立了數(shù)字孿生國際專家委員會(huì)，包括18個(gè)國家75位專家；創(chuàng)辦了第一個(gè)數(shù)字孿生國際期刊；發(fā)起了數(shù)字孿生國際論壇和國際會(huì)議；受邀出版英文專著3部。
相關(guān)工作和成果在國際上產(chǎn)生了重要積極影響，國際上也越來越認(rèn)可中國在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研究工作，我們團(tuán)隊(duì)也受邀在《自然》（Nature）發(fā)表文章。
回想我剛回國的時(shí)候，是作為人才引進(jìn)的一名副教授。很多朋友說：“陶飛，你做的這個(gè)工作太前沿了，可能你寫的論文投稿出去都不會(huì)被接受，有可能你10年都評(píng)不上教授！”
我的回答是，我愛這個(gè)方向，我堅(jiān)定這個(gè)方向，我可以晚一點(diǎn)評(píng)上教授。但是這個(gè)方向，我作為一個(gè)中國的年輕人，我輸?shù)闷?。我一定要在這個(gè)方向上，用我的青春去在國際上博得我的一席之地，為我們中國這個(gè)領(lǐng)域，發(fā)出我們中國自己的聲音。
未來，我們會(huì)繼續(xù)地努力，瞄準(zhǔn)世界科技前沿，爭做科技自立自強(qiáng)的主力軍和生力軍。
