我們的衣食住行離不開物理世界，但處于網(wǎng)絡和信息時代的我們，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。
物理復制與數(shù)字復制
說起孿生或雙胞胎，大家第一感覺或印象就是兩個對象非常“像”或非常“相似”。如一對雙胞胎通常特別像，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“物理復制”，存在著一定的時間和空間的局限。
隨著計算機、信息、網(wǎng)絡等技術的普及和推廣應用，為突破這種“物理復制”的局限，人們開始使用數(shù)字化技術來實現(xiàn)對物理世界的“數(shù)字化復制”。如可通過全息影像技術在線“復活”一個和已故歌手一模一樣的數(shù)字化、虛擬的歌手。這個歌手不僅和真的歌手長得一樣，在舞臺上的演唱表演神態(tài)也是一模一樣。
又如可采用數(shù)字化技術，在虛擬世界打造一個和現(xiàn)實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，體驗歷史生活。
交互與共生
隨著技術不斷的進步和人類的發(fā)展，僅僅是數(shù)字化復制、數(shù)字化展示功能，已不能滿足人們對未知世界的好奇心和探索欲。我們還想知道，在不同時空尺度的物理世界，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，如何去提前預測未來一些危險的事情，并提前干預。
如我們希望通過在地面的數(shù)字孿生體，來洞悉在遙遠太空翱翔的天問一號、在萬里海底作業(yè)的潛航器，以及航空發(fā)動機在極端高溫、15000轉速下的運行狀況，并對其遠程精準操控，預測未來可能發(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
數(shù)字孿生概念在此背景下于2002年應運而生。由于當時使用數(shù)字孿生成本非常昂貴，而且IT技術如儲存能力、通信能力、CPU計算能力等，無法滿足其落地應用需求，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注。
到2011年，美國國家航空航天局（NASA）和美國空軍實驗室把數(shù)字孿生運用到飛行器的健康運維中，數(shù)字孿生才真正開始應用到航空航天、軍品研發(fā)中。到2015年，數(shù)字孿生技術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校上課。這個時候我們希望通過遠程數(shù)字化的方式來工作、生活和學習。應該說在2020年疫情期間，加速了數(shù)字孿生技術的發(fā)展。
我們可以通過一組數(shù)據(jù)來說明這樣一個趨勢，比如從學術研究的角度，我們對全球發(fā)表的數(shù)字孿生論文做了一個統(tǒng)計分析。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)字孿生論文就達到了321篇。2021年已達到了2342篇。應該說數(shù)字孿生已經(jīng)成為全世界一個研究熱點。
截至目前，全世界已有牛津大學、劍橋大學、斯坦福大學等900多所大學，空客、西門子、GE等700多個國際著名企業(yè)，美國NASA、德國費勞霍夫研究院等400多個研究機構相繼開展了數(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)應用方面都已進入了快速發(fā)展的階段，當前已有80多個國家開展了數(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個大類、50多個細分領域得到了應用。
比如我們可以構建城市的數(shù)字孿生，對城市的交通紅綠燈、井蓋、探頭等要素進行數(shù)字化管理，匯聚城市多維空間數(shù)據(jù)，從而助力實現(xiàn)智慧社區(qū)、智能出行、智能安防等，提升整個城市治理水平，提高居民安全和幸福指數(shù)。
當城市面臨洪水侵襲，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，達到避免人民生命財產(chǎn)遭到損失的目的。
當前，數(shù)字孿生城市被各個國家高度地重視，如新加坡政府正在打造整個數(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。
可以說，當前各行各業(yè)數(shù)字化轉型和智能化升級，對數(shù)字孿生需求迫切，但數(shù)字孿生目前處于研用初級階段，要想讓數(shù)字孿生造福我們的工業(yè)，服務我們的經(jīng)濟，助力數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，缺少一套成熟的理論體系、技術體系、工具體系、標準體系。
我們團隊近年一直堅持數(shù)字孿生研究，希望解決上述難題，助力我國制造業(yè)數(shù)字化轉型和智能化升級。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，相關工作已被中國航天科工、中航發(fā)、中船、中國兵器集團等十大集團參考應用于航空航天、船舶、高鐵等十大領域產(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。如在去年疫情最嚴重期間，工人和技術人員不能去工廠現(xiàn)場工作，很多紡織企業(yè)被迫停產(chǎn)。為安全復工復產(chǎn)，企業(yè)希望對他們車間的成套裝備進行數(shù)字化升級，實現(xiàn)遠程操作、運行、監(jiān)控和維護。同時希望改造和建設數(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，以實現(xiàn)提質、增效、降本，復工復產(chǎn)。
針對紡織車間需求，我們和合作單位組建了一個聯(lián)合攻關團隊，吃住在現(xiàn)場、干在現(xiàn)場，克服重重困難，為一個紡織企業(yè)打造了一個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)進行了應用。相關產(chǎn)品在2021年的上海紡織機械裝備國際展覽會上進行了展出。
數(shù)字孿生的中國聲音
雖然近年我們團隊和國內學者一起在數(shù)字孿生領域開展了大量研究實踐工作，但國內相關工作在國際上鮮有發(fā)聲、影響力不夠，國際上對國內工作了解不多、認識不足。
為提升國際影響力，促進交流合作，我們和國內學者共同發(fā)起第一個數(shù)字孿生學術會議，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，包括18個國家75位專家；創(chuàng)辦了第一個數(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議；受邀出版英文專著3部。
相關工作和成果在國際上產(chǎn)生了重要積極影響，國際上也越來越認可中國在數(shù)字孿生領域的研究工作，我們團隊也受邀在《自然》（Nature）發(fā)表文章。
回想我剛回國的時候，是作為人才引進的一名副教授。很多朋友說：“陶飛，你做的這個工作太前沿了，可能你寫的論文投稿出去都不會被接受，有可能你10年都評不上教授！”
我的回答是，我愛這個方向，我堅定這個方向，我可以晚一點評上教授。但是這個方向，我作為一個中國的年輕人，我輸?shù)闷稹Ｎ乙欢ㄒ谶@個方向上，用我的青春去在國際上博得我的一席之地，為我們中國這個領域，發(fā)出我們中國自己的聲音。
未來，我們會繼續(xù)地努力，瞄準世界科技前沿，爭做科技自立自強的主力軍和生力軍。
