物理復制與數字復制
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，人們開始使用數字化技術來實現對物理世界的“數字化復制”。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也是一模一樣。
又如可采用數字化技術，在虛擬世界打造一個和現實世界的故宮一模一樣的數字故宮。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展，僅僅是數字化復制、數字化展示功能，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，正在發生什么，未來還可能發生什么，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、在萬里海底作業的潛航器，以及航空發動機在極端高溫、15000轉速下的運行狀況，并對其遠程精準操控，預測未來可能發生的故障，從而提前制定規避措施。
數字孿生，從被忽視到研究熱點
數字孿生概念在此背景下于2002年應運而生。由于當時使用數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字孿生運用到飛行器的健康運維中，數字孿生才真正開始應用到航空航天、軍品研發中。到2015年，數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，加速了數字孿生技術的發展。
我們可以通過一組數據來說明這樣一個趨勢，比如從學術研究的角度，我們對全球發表的數字孿生論文做了一個統計分析。在2015年之前，全世界發表的數字孿生論文總數只有24篇。而到了2018年，全球一年發表的數字孿生論文就達到了321篇。2021年已達到了2342篇。應該說數字孿生已經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，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字孿生研究和探索。
數字孿生無論在理論研究方面，還是在企業應用方面都已進入了快速發展的階段，當前已有80多個國家開展了數字孿生的研究，各國競爭也日趨激烈。
數字孿生正逐漸應用到各行各業
目前數字孿生已經在航空航天、裝備制造、健康醫療、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字孿生，對城市的交通紅綠燈、井蓋、探頭等要素進行數字化管理，匯聚城市多維空間數據，從而助力實現智慧社區、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。
當城市面臨洪水侵襲，數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、制定與優化疏散策略，達到避免人民生命財產遭到損失的目的。
當前，數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字孿生新加坡。我國也在開展數字孿生雄安新區的城市規劃與建設。
可以說，當前各行各業數字化轉型和智能化升級，對數字孿生需求迫切，但數字孿生目前處于研用初級階段，要想讓數字孿生造福我們的工業，服務我們的經濟，助力數字經濟的發展，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字孿生研究，希望解決上述難題，助力我國制造業數字化轉型和智能化升級。先后提出并建立了數字孿生五維模型，圍繞五維模型提出了數字孿生車間的概念，相關工作已被中國航天科工、中航發、中船、中國兵器集團等十大集團參考應用于航空航天、船舶、高鐵等十大領域產品或系統研發。
目前在紡織工業還有智慧城市方面，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場工作，很多紡織企業被迫停產。為安全復工復產，企業希望對他們車間的成套裝備進行數字化升級，實現遠程操作、運行、監控和維護。同時希望改造和建設數字孿生紡織車間，提升紡織車間的數字化程度和智能化管控水平，以實現提質、增效、降本，復工復產。
針對紡織車間需求，我們和合作單位組建了一個聯合攻關團隊，吃住在現場、干在現場，克服重重困難，為一個紡織企業打造了一個1.4萬平米的紡織數字孿生車間。并與合作單位共同努力，相繼研發了數字孿生玻纖自動化生產線、數字孿生紡織車間立體倉庫、數字孿生落卷機器人系統、數字孿生智能條桶輸送系統，在紡織企業進行了應用。相關產品在2021年的上海紡織機械裝備國際展覽會上進行了展出。
△“超級大腦”上線——國家速滑館“冰絲帶”建成智慧場館。圖為12月26日拍攝的“國家速滑館數字孿生操作系統”大屏幕 圖片來源/新華社數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起第一個數字孿生學術會議，已連續成功召開5屆；成立了數字孿生國際專家委員會，包括18個國家75位專家；創辦了第一個數字孿生國際期刊；發起了數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生了重要積極影響，國際上也越來越認可中國在數字孿生領域的研究工作，我們團隊也受邀在《自然》（Nature）發表文章。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，我輸得起。我一定要在這個方向上，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，發出我們中國自己的聲音。未來，我們會繼續地努力，瞄準世界科技前沿，爭做科技自立自強的主力軍和生力軍。本文鏈接：http://www.800xyz.com/industry/636.html
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