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引用論文

Zhang, H., Li, Y., Zhang, S. et al. Artificial Intelligence-Enhanced Digital Twin Systems Engineering Towards the Industrial Metaverse in the Era of Industry 5.0. Chin. J. Mech. Eng. 38, 40 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01210-0

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研究背景及目的

數(shù)字孿生利用多物理場、多維度、多概率高保真模型，能夠精準刻畫物理世界的運行狀態(tài)與演化規(guī)律，已在智慧城市、醫(yī)療保健、能源管理、航空航天等領(lǐng)域開展研究與實踐。工業(yè)領(lǐng)域作為其重要應用場景，其研究應用已覆蓋產(chǎn)品迭代設計、狀態(tài)實時監(jiān)控、智能維護等產(chǎn)品全生命周期環(huán)節(jié)。然而，數(shù)字孿生在應對復雜系統(tǒng)時仍面臨全面性不足、系統(tǒng)化局限和集成化瓶頸等問題，難以滿足工業(yè)5.0時代對智能化、協(xié)同化和自適應性的高階需求。為此，本文系統(tǒng)探討數(shù)字孿生與系統(tǒng)工程的理論融合路徑，提出了數(shù)字孿生系統(tǒng)工程（DTSE）的概念、特點、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，本文所提出的DTSE在復雜對象、復雜過程和復雜場景中有廣闊應用前景，最后以試飛場景為例說明DTSE如何發(fā)揮作用與應用流程。

理論架構(gòu)

為了更好地理解數(shù)字孿生如何與系統(tǒng)工程結(jié)合，文章從工程以及產(chǎn)品/系統(tǒng)生命周期兩個角度提出了 DTSE 實施架構(gòu)，如圖 1所示。將整個生命周期中虛擬空間和物理空間的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和模型進行整合，有助于解決復雜系統(tǒng)性問題。為了更好地展示 DTSE 的價值，圖中深色塊代表在物理空間執(zhí)行的操作，淺色塊代表虛擬空間中的操作。通過虛實空間的交互與融合，將有效提升設計、制造、運維、回收中的問題分析、方案實施以及方案評估各環(huán)節(jié)。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)工程實施架構(gòu)與流程

應用探索

試飛工程是一個涉及諸多環(huán)節(jié)和資源的典型復雜系統(tǒng)工程。試飛工程的各環(huán)節(jié)需統(tǒng)一的技術(shù)要求，以使整個系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)運作。本文以試飛工程作為應用場景，闡述DTSE在解決一些復雜系統(tǒng)問題上的意義和價值，如圖2所示。

圖2 面向試飛工程的數(shù)字孿生系統(tǒng)工程

結(jié)論

本篇文章分析了當前數(shù)字孿生在工業(yè)5.0時代下的局限性的，進而提出了DTSE的概念、內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)，為數(shù)字孿生解決復雜系統(tǒng)問題提供了指導。此外，以試飛場景為例說明DTSE對當前復雜系統(tǒng)工程的潛在益處。盡管如此，要充分發(fā)揮DTSE的潛力，還需要進一步的進展，如數(shù)據(jù)融合和模型一致性等技術(shù)有待進一步發(fā)展，相應工業(yè)軟件有待研發(fā)以促進DTSE的實施。在未來，作者團隊將DTSE應用于更多復雜的工程場景中，以展示本文提出的方法的價值與優(yōu)勢。

關(guān)于作者

作者介紹

張賀（第一作者），北京航空航天大學國際前沿交叉科學研究院卓越百人博士后，主要研究方向為數(shù)字孿生精準建模與空天裝備數(shù)實融合試驗。在Nature Computational Science、IEEE Transactions on Industrial Informatics、RCIM、JMS等國內(nèi)外著名期刊發(fā)表論文十余篇，Google引用9000余次。曾獲2022年度中國機械工業(yè)科學技術(shù)一等獎、首都前沿學術(shù)成果獎、第七屆中國科協(xié)優(yōu)秀科技論文獎等榮譽。

陶飛（通訊作者），國家級領(lǐng)軍人才，現(xiàn)任北航國際前沿交叉科學研究院院長、國家智能制造專家委員會委員。長期從事數(shù)字孿生與數(shù)字工程、智能制造與裝備、制造工業(yè)軟件等教研工作。第一作者出版專著5部，在Nature等期刊上發(fā)表30余篇ESI高被引論文，總被引用5萬余次，連續(xù)六年入選科睿唯安全球高被引學者（2019-2024）。第一完成人帶領(lǐng)團隊獲國家科技進步二等獎2項、教育部自然科學一等獎、科學探索獎等多項獎勵。擔任《Digital Twin》和《Digital Engineering》國際期刊創(chuàng)刊主編。

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