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2022-11-15
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数字孪生与工匠精神
张靖笙
笔者第一次接触数字孪生（Digital twin）这个概念是 2017 年伊始，笔者的好朋友、北
京航空航天大学的陶飞教授给笔者发来了他和研究团队最新发表的一篇论文《数字孪生车间
------一种未来车间运行新模式》，陶教授的最新研究成果让我眼前一亮，当时有种经过漫长
的航海后看到了新大陆的感觉。
建模仿真和图形学等计算机辅助设计（CAD）方面的理论与技术笔者早年也是接触过的，
这源于本人在上世纪九十年代初期的大学本科考上的是工科华南重镇---华南理工大学，所学
的就是一个彻头彻尾的工科专业-----船舶工程，虽然我就读是一个关于大型工程和机械的专
业，而我当年对计算机产生了异乎寻常的浓厚痴迷，在华工良好的学习氛围和实习条件（华
工当时就有成体系的小型机到微机的机房供我这样的穷学生上机实习）的支持下，我这个计
算机爱好者的相关技能也在与日俱增，当时我自学计算机知识并没有转行的考虑，本来是想
结合本专业将来搞 CAD 方面的工作，在那个信息科技还很稀缺的年代，工作上能沾点电脑
的光也是很酷的事情，当然随着我在校期间考过了高级程序员的计算机水平考试，我在船海
系还真成了这方面稀缺的人，所以毕业设计也是真的搞了 CAD 的课题。回想当时我们的水
平，除了编程解算各种工程方程式外，也只是能用计算机辅助做一些制图和图形化输出的工
作，记得我当年在 AutoCad 软件里面打开一个不知道从哪里找回来的美国航天飞机的三维结
构图矢量模型，旋转不同的角度来观察这个航天飞机的结构，充满了膜拜的感觉，这恐怕也
就是当年我国工程师水平和梦想巨大差距的体现了，当然，后来我参加工作去了仿佛更热门
的银行岗位，从此也偏离了自己 CAD 工程师的想法，近些年在缘分的使然下，我能和包括
陶飞教授在内的工业界专家和朋友发生了一些合作交集，让我这个务“虚”多年的 IT 人也
重拾了当初工程师的梦想。
美国 Michael Grieves 教授指出，物理对象具有信息的等效性，所有的物理对象都包含用
于描述自身的信息，如几何性质、材料特性、功能用途等，人类智慧使我们有能力从物理对
象中找到和提取信息，以满足我们的特定需求，正是由于产品信息等效性的价值，产品信息
可以作为避免生产过程中浪费的物理资源的替代品，诸如时间、能源和材料，正是由于产品
在本质上具有双重性-----它们既是物理的，也是信息的，所以在工业制造过程中创建物理产
品的同时，可以通过有效的信息采集而同时创建与之如影随形的虚拟产品，从产品的全生命
周期的角度，我们可以通过产品的信息属性来完成很多特定的任务，这样就可以在许多情况
下显著地减少物理资源的使用，虚拟产品虽然不是物理产品的替代品，但扩大这些虚拟产品
的使用范围和程度，可以有效地减少物理资源的浪费，而虚拟产品的成本，也就是信息的成
本，虽然初期应用信息的成本也可能是巨大的，由于使用信息并不会带来信息资源的损耗，
而物理资源总是有限的，所以长期来说使用虚拟产品的信息成本肯定是会大大低于物理资源
的浪费的。数字孪生的概念最初正是 Grieves 教授于 2003 年在美国密歇根大学的产品全生
命周期管理课程上提出，并被定义为三维模型，包括实体产品、虚拟产品以及二者间的连接，
数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的
行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新
的能力。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生
命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能
的服务。
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