——访北京航空航天大学副教授程江峰
数字孪生作为物理世界与数字空间融合的核心技术，正深刻推动制造业与物流业的数字化、智能化转型。作为国际上最早开始数字孪生研究的团队之一，北航makeTwin团队首创“五维模型”理论体系，突破关键技术，研发工业软件平台，为复杂装备的研发、制造与运维提供全生命周期解决方案。本文通过对话程江峰副教授，系统梳理其所在团队在数字孪生领域的理论创新、技术突破及行业应用成果，为智能制造与智慧物流的探索实践提供参考。
国内高等教育界熠熠生辉的北京航空航天大学（以下简称“北航”），作为顶尖的研究型学府，70余年来始终将服务国家重大需求铭刻于发展脉络之中。立足国际前沿，坚持自主创新，北航既着力优秀科技创新人才的培养，更聚焦于攻克制约行业产业发展的“卡脖子”难题。如今的北航已建立起空天技术、信息技术、材料制造、仪器科学、控制科学等优势学科，在无人系统、大飞机、智能制造、人工智能、工业互联网等重要领域，北航与行业企业、科研院所强强联合，有组织地承担重大任务、孕育重大成果，以坚实的科研力量支撑着国家的创新发展。
秉承着这一服务大局的科研精神，北航敏锐捕捉国家加快形成新质生产力的迫切需求。北航makeTwin数字孪生团队以勇毅探索之姿，围绕数字孪生与数字工程开展了一系列开创性研究与实践应用，深刻影响着国际数字孪生理论与技术的发展走向。近期，本刊记者有幸采访到北航makeTwin数字孪生团队核心成员、北京航空航天大学副教授程江峰，在他的精彩讲述中，为我们揭开数字孪生技术的神秘面纱。
北京航空航天大学程江峰副教授
程江峰及团队简介
程江峰，北京航空航天大学副教授，主要从事数字孪生理论与关键技术、数字孪生复杂装备运维、数字孪生车间管控研究，擅长数字孪生数模融合技术、复杂设备故障诊断、复杂装备寿命预测、数字孪生运维管控系统开发等。
参与出版专著1部，发表论文20余篇，4篇入选ESI高被引论文，单篇最高他引3200余次，是数字孪生领域引用次数最高的论文。
主持NSFC面上项目、青年基金、中国博士后科学基金、企业/院所项目等10余项。研制的数字孪生运维管控软件系统及硬件装置，已在10余家企业多条生产线、多个复杂装备开展应用实践。
程江峰所在的北航makeTwin团队首创“物理－模型－数据－连接－服务”数字孪生五维模型，被航天科技、航天科工、空客、罗罗等应用于火箭、导弹、飞机等的数字孪生模型构建；围绕五维模型持续10余年带领10多个国家学者建立数字孪生模型构建、孪生数据管理、连接交互、服务应用等理论和技术体系；研制makeTwin数字孪生工业软件系列工具；支撑制定多项数字孪生概念、术语、参考架构等ISO/IEC国际标准；发表数字孪生首篇Nature文章；创办首个国际期刊、首个国内会议、国际会议等。北航makeTwin团队近年来主持国家级、省部级与企业院所项目80余项，在航空、航天、物流、武器、轨道交通、3C等装备的生产制造与运维管控中应用并效果显著，获国家科学技术进步二等奖2项，以及教育部自然科学一等奖、中国机械工业科技发明一等奖、中国机械工业科技进步一等奖等。
北航makeTwin团队合影
记者：首先请您简单介绍一下，数字孪生是一种什么样的技术？当前我国的理论研究和应用实践现状是怎样的？
程江峰：数字孪生是以多维模型和融合数据为驱动，通过实时连接、映射、分析、闭环交互来刻画、仿真、预测、优化和控制物理世界，从而使物理世界的全要素、全过程、全价值链达到最大限度的优化。数字孪生为观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段。比如在制造领域，数字孪生逐渐成为优化整个制造链和创新产品的重要工具，将改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并在供应链优化、预测性运维、优化流程与控制等领域发挥重要作用，为实现智能制造提供了一种有效途径。
在数字孪生理论与关键技术研究方面，我们首创了数字孪生五维模型，建立了数字孪生模型构建、数字孪生模型评价、数字孪生成熟度、孪生数据管理、连接交互、服务应用理论方法，并首次提出了数字孪生车间、数字孪生装备、数字孪生卫星工程等概念。
在经历了数字孪生概念探索、理论技术攻关，以及国家科技部、国家自然科学基金委员会、工信部、军科委等一系列数字孪生相关科技计划的支持下，数字孪生已经在各行各业开展大量的实践应用探索，如航空航天、武器装备等军品的设计、测试、制造、运维全过程，以及轨道交通、船舶、汽车、纺织等国计民生各个行业的设计、车间制造、物流与供应链管理、运维管控、报废回收等全过程。
总体来看，我国各大高校、研究所、企业等都在纷纷开展数字孪生的研究与应用探索，数字孪生当前在学术界和企业界都受到空前重视，在越来越多的行业领域及应用场景发挥出重要价值。数字孪生的学术研究发展与实践应用，对经济社会发展的影响也日益深刻。
记者：具体到北航的数字孪生研究团队，在产学研用方面主要聚焦在哪些领域和方向？取得了哪些成果？
程江峰：我所在的北航makeTwin团队是国际上最早开始数字孪生研究的团队之一，通过持续开展数字孪生理论-技术-工具-标准-应用研究，取得了系列原创成果，如国际首创“物理－模型－数据－连接－服务”数字孪生五维模型等。
围绕国家智能制造与复杂装备研制运维重大需求，北航makeTwin团队在数字孪生理论创新与技术突破的基础上，攻克了数字孪生车间理论与关键技术、复杂装备运维管控关键技术，探索了数字孪生在不同领域的落地实践，加快新质生产力的培育和形成。
数字孪生车间：首次提出数字孪生车间概念、运行机制及应用架构，探索构建数字孪生车间模型融合、数据融合、数模融合理论方法与关键技术。
数字孪生数据监测处理：发明软硬一体化数据“采-传-处-用”系列关键技术及装置，解决极端工况下，异常小数据监测、瞬态大数据传输、高效实时数据处理难题。
北航makeTwin团队研究工作
数字孪生复杂装备：首创基于数字孪生的装备预测性运维方法，成果发表于制造领域全球最权威的顶级期刊国际生产工程学会（CIRP），是国际首篇复杂装备数字孪生预测性运维文章，研制了一体化装置。
基于上述技术突破，在国家重点研发计划项目（2020YFB1708400）支持下，我们联合国内数字孪生优秀团队，共同提出并设计了数字孪生工业软件平台的参考架构——makeTwin，并发布《数字孪生工业软件白皮书》。在makeTwin的指导下，构建的数字孪生车间理论方法与技术成功应用于卫星总装车间、运载装备车间、3C装配车间、纺织车间等，为车间生产提质增效降本；发明的软硬一体化数据“采-传-处-用”关键技术及装置以及基于数字孪生的装备预测性运维方法，应用于空天装备、武器装备、工程装备、物流装备、轨道交通装备等复杂装备运维管控，促进我国装备运维管控水平的提升。
makeTwin数字孪生工业软件
两刊一会一中心
记者：请您结合有代表性的智能制造或智慧物流项目，谈一谈数字孪生技术的具体应用场景以及重要价值。
程江峰：北航makeTwin团队近年来与合作伙伴北自所（北京）科技发展股份有限公司开展了大量的数字孪生产学研用项目，以化纤车间数字孪生制造与车间物流为例，基于数字孪生高保真虚拟模型刻画与仿真、数据感知与融合、虚实交互、模型与数据混合驱动的决策分析、虚拟调试等能力与特性，开展车间物流装备及产线的三维可视化监控与虚实交互，装备及产线故障诊断、预测与健康管理，以及物流产线虚拟仿真调试与自适应优化，从而提高车间物流产线的可靠性与作业效率，具体开展了如下工作：
三维可视化监控与交互
化纤车间的所有数据会被实时感知并传送给虚拟车间，虚拟车间实时更新状态，始终保持与物理车间的一致，以三维可视化方式高度逼真地还原物理车间发生的任何状态变化。同时，虚拟车间也会根据实时数据对物理车间的运行状态进行仿真优化分析，并对物理车间进行实时调控。
故障诊断与预测
攻克数字孪生机理模型引导数据模型特征选择过程、数字孪生机理模型与数据模型输出结果融合、数据模型对数字孪生机理模型补偿修正三种数模联动融合方法，能够洞悉和优化装备运行过程、性能和健康状况，最终实现定故障位置、定故障原因、定维修方案、定剩余寿命、定可能发生的故障。
作业策略调度
针对车间物流立体仓库环节的高效稳定运行，从任务提前调度、货位分配以及任务序列优化三方面提出一套立体仓库调度方法，通过实际应用对比分析，表明所提方法可有效提升立体仓库调度效率。
AR远程运维
通过VR/AR的形式，以更强的实时性、更强的交互性、更强的实用性，解决以下三个问题：（1）可以在车间内任何地方实时查看设备的实时运行状态、实时和历史故障信息；（2）通过语音上报故障状态、现场处理情况、维修人员等信息；（3）佩戴AR眼镜，可以与设备供应商实现实时远程沟通与交互，视频、音频、AR界面均实现双向传输与交互，供应商可以实时指导车间人员进行故障排除。
虚拟培训
为现场施工人员、调试人员、车间操作工人提供数字化的培训，包括装备结构培训、装备安装调试培训、装备检查维护培训、装备安全事项培训、装备故障排查培训等。
记者：随着人工智能技术发展，您认为数字孪生技术和物流装备领域还有哪些潜在的结合点？
程江峰：物流装备未来必然是向着越来越智能的方向发展。我们认为，数字孪生技术将进一步和各种人工智能技术一起，在物流装备设计、测试、运行、运维等各个阶段发挥重要作用。
设计阶段：快速搭建物流装备本身几何模型、机理模型、运行工艺模型，从而实现物流装备设计的快速数字孪生仿真与验证，比如装备性能仿真、车间物理产线虚拟运行效能分析等。
测试阶段：在物流装备、物流产线实际推广应用之前，基于数字孪生虚拟化的物流装备及产线，实现电气、机械、工艺、产品等多维度全流程的虚拟测试。
运行阶段：物流装备及物流产线在实际运行过程中，基于数字孪生，实现生产过程全监控、产品质量全流程分析、物流产线全流程工艺优化与调整、车间物流作业策略调度优化等。
运维阶段：物流装备故障诊断与预测、物流装备健康管理与剩余寿命预测等。
记者：请您结合我国当前的数字孪生技术应用阶段，谈一谈目前主要存在哪些瓶颈和痛点？对于其背后的安全问题，您是如何看待的？
程江峰：结合我们团队的研究来看，我们认为数字孪生的应用可以分为六个阶段：以虚仿实（类似仿真，非典型数字孪生）、以虚映实&以虚控实（实现物理对象的虚拟映射与交互，是当前主流应用）、以虚预实（通过数字化虚拟的数字孪生模型推演预测物理对象）、以虚优实（通过模型优化物理对象参数与性能）、虚实共生（模型与物理对象共同迭代演进，模型能不断修正，完美真实地刻画、优化和控制物理对象，目前尚未实现）。
数字孪生研究与应用的瓶颈和痛点表现在，目前普遍存在多学科/多尺度高保真数字孪生机理模型构建难题，全流程全业务数字孪生数据管理与挖掘使用难题，机理模型清晰/不清晰、数据充分/不充分情况下数字孪生模型和数据融合难题。
数字孪生技术的安全风险，主要源于数据的全生命周期管理（采集、传输、存储、使用）以及系统的复杂性，包括敏感数据暴露、数据传输劫持、存储数据泄露、模型污染攻击、反向控制威胁、边缘计算节点漏洞、数据主权争议、算法偏见与问责等问题。对此我们认为，数字孪生的安全建设不应仅停留在“防御”层面，更需将其转化为竞争力。比如将安全能力嵌入数字孪生平台，作为增值功能输出（如提供隐私保护认证的孪生模型）；利用数字孪生预演网络攻击对物理系统的影响，优化业务连续性计划。只有通过技术加固、制度完善和生态协作，才能让数字孪生在安全可信的基石上释放其变革性潜力。
记者：最后您如何看待数字孪生技术的未来发展方向和应用前景？对此，北航makeTwin团队还有哪些研究目标？
程江峰：数字孪生作为物理世界与数字世界深度融合的桥梁，其未来发展将不仅限于技术本身的迭代，更会推动各行业的数字化转型和智能化升级。
在技术演进维度：包括但不限于AI与数字孪生的深度结合、边缘计算与实时性提升、量子计算赋能超大规模模拟、单体/子系统/系统/复杂系统级数字孪生构建与融合、统一数据模型与协议、开源平台普及等。
在行业应用方面：在智能制造与物流领域，未来在装备/系统预测性维护、虚拟工厂仿真、产品质量分析与调控、生产工艺优化与智能排产等领域将继续深度融合；此外，数字孪生将在智慧城市、灾害应急救援、智慧驾驶、智慧医疗、双碳战略等领域发挥越来越重要的作用。
北航makeTwin团队将在前期数字孪生理论技术研究与实践应用的基础上，进一步攻关数字孪生模型构建与融合、数字孪生数据挖掘与分析、数字孪生模型和数据融合等相关核心关键科学问题持续攻关，并致力于makeTwin数字孪生国产工业软件的研究与开发，服务我国数字化改造与智能化升级。
(审核编辑: 光光)
