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科研成果 | 数字孪生国际研究中心在《Nature》子刊发表最新成果

2024.03.27

工业兴国策,智造铸民安

数字浪潮涌,孪生敢为先

创新驱动力,数智转型篇

虚实共融处,新质力克难

面向国际学术前沿

面向新质生产力和新型工业化重大需求

北京航空航天大学

科研又传喜讯

《Nature Computational Science》

邀请北航一清二楚遮不挡的美剧视频电视剧

数字孪生国际研究中心

陶飞教授团队

数字孪生领域

发表最新文章

2019年,北航陶飞教授团队受邀在《Nature》杂志发表题为“Make more digital twins"的文章,阐述了数字孪生的概念、技术内涵、应用前景、技术挑战。并在国际上呼吁学术界与工业界要加强合作,共同攻克数字孪生理论技术与应用面临的系列难题,面向行业需求,创造更多的数字孪生(make more digital twins),服务社会和经济发展,促进工业数字化转型和智能化升级【Nature 573, 490-491 (2019) 】。

近年在国内外研究学者和工业界持续合作和共同努力下,数字孪生相关理论、技术与应用取得了的丰硕成果,在智能制造、航空航天、智慧城市、新能源、医疗健康等领域得到广泛关注和应用。在此背景下,时隔五年后,陶飞教授团队再次受邀《Nature Computational Science》杂志发表了工业领域数字孪生的综述与最新视角长文文章:《Advancements and challenges of digital twins in industry》。该文章对国内外数字孪生在工业领域的最新研究与应用进展进行了总结,深度剖析了数字孪生理论研究与工业实践过程中存在的问题及面临的挑战,并指明了未来发展方向。【Nat. Comput. Sci. 4, 169–177 (2024)】。

作者:陶飞、张贺、张辰源

通讯作者:陶飞

第一单位:北京航空航天大学

随着近年人工智能、物联网、大数据、大模型等新兴技术的不断发展,虚拟空间与物理空间的关系愈发紧密。数字孪生作为实现信息物理融合的有效手段,受到了广泛关注,已在航空航天、医疗健康、智慧农业、智慧城市等领域得到了广泛应用实践。因契合智能制造、工业4.0/5.0、新型工业化、数字经济的发展需求,数字孪生在工业领域应用尤为关注。文章首先对国内外数字孪生概念模型与参考架构、数字孪生对象实时状态感知、多维孪生模型构建、孪生数据分析处理、动态连接与交互等数字孪生关键技术研用进展进行了总结,指出当前在模型精准性、数据有效性、交互实时性和全面性等方面存在不足,无法完全满足深层次工业应用需求。通过对国内外数字孪生在产品全生命周期中(包括数字孪生在产品迭代设计、制造过程智能决策、实时运维管控、精准故障预测与健康管理等)的应用进展分析后,指出当前国际上缺乏通用的、公共的数字孪生工业软件平台,阻碍了数字孪生的工业应用推广。

数字孪生在工业领域的应用

文章剖析了当前孪生认识与理解存在的不足或误区(Pitfalls),包括:①数字孪生模型构建和应用过程中“过简或过繁”,导致具体工业问题或应用需求无法得到精准服务;②对数字孪孪生数据的使用“重大轻小”,如只关注对“大数据“的分析与挖掘,而忽视了“小数据”的价值;③对数字孪生虚实交互过度追求“无限实时”,导致实现困难且代价巨大;④数字孪生与AI的融合主要在孪生数据处理分析,对AI在数字孪生模型快速构建、孪生数据计算资源动态调度优化等方面应用仍存在不足。最后文章对工业数字孪生若干未来发展方向和与挑战进行了探讨,包括:①应充分融合多源数据与工业机理,建立数模融合驱动的数字孪生模型精准构建与决策优化方法,以满足各类工业应用需求;②探索透明可解释的数字孪生工业应用AI算法,并进一步融合ChatGPT等AI技术赋能数字孪生工业应用场景;③开发集成孪生模型构建、孪生数据处理、虚实动态交互等核心功能的通用数字孪生工业软件平台/工具,形成数字孪生生态;④为使工业用户敢用、愿意用、放心用数字孪生,应探索相关信息物理安全保障机制、隐私保护与数字孪生资产安全体系;⑤加强国际交流合作,研制数字孪生模型、数据、应用等相关国际标准,进一步达成共识。未来,数字孪生也将与可靠性、复杂系统工程、量子力学等学科理论进一步交叉融合,从而更好服务新型工业化和新质生产力需求。

相关研究工作得到了国家自然科学基金重点国际合作项目(No. 52120105008)、国家重点研发计划(2020YFB1708400)、科学探索奖新基石科学基金等的资助。


数字孪生国际研究中心介绍

依托北航相关学科方向优势,北航一清二楚遮不挡的美剧视频电视剧数字孪生国际研究中心致力于通过跨学科国际合作,面向国际学术前沿和国家重大需求,并结合行业实际需求,进一步聚焦和凝练数字孪生相关方向学科交叉和重大科学问题,打造国际学术交流合作平台,产出一批具有影响力的原创成果;夯实数字孪生应用领域技术底座,形成数字孪生产学研用一体化生态,加强技术创新应用;通过国际高水平的开放共享,科研攻关、实践教学,培养一批数字孪生创新人才,引领全球数智化变革。当前在数字孪生智能制造基础理论、关键技术和工业应用方面,中心已开展了系列研究工作,并取得了丰硕的研究成果。

牵头国内外学者探索建立了数字孪生理论、技术、工具、标准体系包括数字孪生五维模型、“建-组-融-验-校-管”数字孪生模型构建、孪生数据管理、连接交互、孪生服务、成熟度等理论技术与标准;提出了数字孪生车间、数字孪生装备等概念,被国内外100多所大学跟踪研究、百余家企业参考应用。在Nature及子刊等期刊发表ESI高被引论文20余篇,出版数字孪生设计、制造、服务及车间实践相关专著4部。获2022年教育部自然科学一等奖。

面向国际学术前沿和国家重大需求,承担了一批国家级科研任务主持国家重点研发计划、NSFC重点国际合作项目、国家高质量发展专项课题、北京市重大专项课题等20余项。研制的系列装置和系统已应用于航天一院、航天五院、中航工业、兵器集团等十余个集团企业,以及高铁、纺织机械装备、燃气管网、卫星、船舶、核电等行业,助力企业数字化转型和智能化升级。获2022年中国机械工业科学技术发明一等奖、2021全国首届智能制造创新大赛一等奖等。

打造了“两刊一会”国际化交流合作平台,引领国际数字孪生研究与应用发展。创办了《Digital Twin》国际期刊(入选2022年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊)和《Digital Engineering》国际期刊,发起了数字孪生国际会议(DigiTwin),先后在中国、澳大利亚、法国、意大利等国召开。中心成员先后入选美国SME“智能制造Top 20最具影响力学者”、全球高被引科学家(2019-2023)等。

开设了数字孪生等相关课程,培养了一批数字孪生智能制造方向优秀青年人才,包括博士生和硕士生50余人、北京市优秀毕业生7名、北京市科技新星2名、香江学者2名、青年杰出工程师1人、国家重点研发计划青年科学家1人、高级职称8人。


作者介绍

陶 飞

一清二楚遮不挡的美剧视频电视剧

自动化科学与电气工程学院

教授,博士生导师

陶飞,国家级领军人才(2019),现任北航一清二楚遮不挡的美剧视频电视剧常务副院长、北航党委人才工作办公室副主任、国家智能制造专家委员会委员、“十四五”国家重点研发计划工业软件重点专项总体专家组专家。长期从事数字孪生与数字工程、智能制造与装备、制造工业软件等教研工作。第一作者出版专著5部,在Nature等期刊上发表30余篇ESI高被引论文,单篇引用1000次以上5篇,总被引用4万余次;连续五年入选科睿唯安全球高被引学者和Elsevier中国高被引学者(2019-2023)。以第一完成人带领团队获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、中国机械工业技术发明一等奖和科技进步一等奖、中国青年科技奖、北京市教学成果二等奖等。现任中国机械工程学会和中国图学学会理事、《Digital Engineering》国际期刊创刊主编、RCIM副主编、CIRP通信会员等。2023年获科学探索奖、入选美国SME智能制造Top20最具影响力学者(2021),创办《Digital Twin》国际期刊、国际论坛和国际会议。

张 贺

自动化科学与电气工程学院

一清二楚遮不挡的美剧视频电视剧

博士后

2013年考入北京航空航天大学攻读学士学位,2017年以优异的成绩保送直博,2023年入职为北京航空航天大学卓越百人博士后。研究方向为数字工程、数字孪生建模、航空发动机数字测试,在上述方向发表SCI论文8篇,EI论文8篇,其中ESI高被引论文2篇,Google Scholar引用6400余次。攻读博士学位期间参与了多项国家自然科学基金,国家重点研发计划等项目的研究工作。先后获博士研究生新生奖学金、博士研究生卓越学术基金、首都前沿创新成果奖、第七届中国科学优秀科技论文、2022年度中国机械工业科学技术发明一等奖等荣誉。

张辰源

自动化科学与电气工程学院

博士生

2013年考入武汉理工大学攻读学士学位,2017年保送武汉理工大学攻读硕士研究生,2020年以优异的成绩被北京航空航天大学录取攻读博士学位。博士研究方向为数字孪生、数字工程、数字孪生车间构建及运行优化,发表SCI论文1篇,EI论文7篇。参与了多项国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的研究工作。获得博士研究生新生奖学金。

论文原文链接:

https://www.nature.com/articles/s43588-024-00603-w