北航王理教授：数字孪生与工业元宇宙

 

2022年12月19日，中共中央、国务院发布了《关于构建数据基础制度更好发挥数据要素作用的意见》（简称“数据二十条”），其中提出了二十条政策举措，旨在建立保障权益、合规使用的数据产权制度，并建立合规高效、场内外结合的数据要素流通和交易制度。根据该意见，数据被划分为公共数据、企业数据和个人数据三类。随后，2023年8月21日，财政部会计司公布了《企业数据资源相关会计处理暂行规定》（财会〔2023〕11号），这一规定被称为“数据资产入表”新规，明确要求自2024年1月1日起，企业数据资产需按照规定纳入财务报表。这一系列政策表明了国家对于数据要素的重视，同时也为企业提供了数据资产管理和创新应用的新思路。

在这个过程中，需要深入思考数字孪生、Web3.0、元宇宙等新兴概念与数据和物理世界之间的联系。关于原生数据的权属问题、质量评估、价值评估、入表以及披露等问题，引发了广泛关注。

元宇宙作为一个独特的数字空间，它是一个虚拟的、沉浸式的平台，其规模和内容由开发者或用户共同创造。这个虚拟世界中产生了许多与物理世界截然不同的元素，这给实体经济带来了深远的影响。元宇宙对中国的经济格局和未来发展有着诸多值得探讨和研究的地方。

在元宇宙、VR和AR等领域，技术的成熟度和普及速度无疑是推动其发展的关键因素。回顾2022年，VR和AR等技术的演进虽然存在一定的滞后，但随着技术的不断创新，如ChatGPT等大型语言模型的涌现，这些技术正在逐渐克服其局限性，为元宇宙的发展注入新的活力。

ChatGPT在短短一年内迅速获得了全球范围内的广泛关注和应用，并且正在以前所未有的速度改变我们工作、生活方式。中国在某些领域可能稍显落后，例如大型语言模型（如ChatGPT）在智能手机等设备中的普及程度尚待提高。这些滞后可能会影响中国在某些方面赶超欧美等发达国家。值得庆幸的是，当前国家和有关部委以及各级地方政府都在政策层面给予了大力支持。“数据二十条”和数据资产入表等政策也将推动数据的共享和高质量数据的大量产生，这其中蕴含着巨大的机会。

在数字中国建设的过程中，如果不能将数据转化为资产，那么推动数字经济发展将面临一定的困难。近期，香港举办了大量关于Web3.0和虚拟货币的会议，这反映出该地区对新兴技术和金融创新的重视与追求。

技术方面，苹果公司在2023年的WWDC开发者大会上发布了其首款头显设备——Vision Pro。这款设备被定位为空间计算设备，其核心特点是结合数字世界与现实世界，开启了一个全新的空间计算时代。与传统的VR或AR设备不同，Vision Pro不仅仅局限于游戏领域，而是一个具有跨界应用潜力的平台。除了游戏领域外，它还可以用于治疗焦虑症状等医疗应用。

此外，眼动仪也值得一提。十几年前我们学院从欧洲引进了一套价值48万的眼动仪设备，该设备主要用于捕捉飞行员在虚拟驾驶过程中的眼动情况。三星公司就提出了将眼动功能植入手机的想法，而现在我们已经可以看到一些新的元宇宙接入设备为人们带来更加逼真的沉浸式体验。这种身临其境的感觉不仅是视觉上的融入，更是心理上的融入。一些研究机构还披露了一些关于元宇宙与ChatGPT结合后所带来应用的新变化。这些新的入口技术和跨界结合不仅弥补了元宇宙的缺陷，而且使得生态建设更加完善。

在青岛举行的元宇宙大赛中， “气味王国”推出的远程操作的气味合成产品引人注目，该产品可以合成各种香味，通过一个小巧的装置挂在脖子上，人们可以随时感受到各种气味，例如玫瑰花香。在元宇宙或虚拟现实（VR）领域，多模态交互技术正逐渐成为现实，它不仅限于视觉和听觉，还可以涵盖触觉、味觉等多感官体验。

这种技术的应用不仅局限于游戏娱乐领域，它在军事、工业、医疗、教育等多个领域都有巨大的潜力。其中，军事和工业领域的应用尤为突出。随着大模型的推出，谷歌的多模态技术得到了军方的高度重视。这种技术可能会比ChatGPT更加震撼，例如通过模拟战场环境，士兵可以在安全的环境中进行战术演练，同时体验到接近真实的视觉、听觉甚至嗅觉刺激，从而提高他们的反应速度和决策能力。

多模态交互技术的不断发展，将为元宇宙和虚拟现实领域带来更加丰富和真实的沉浸式体验。除了游戏娱乐领域外，其在军事、工业、医疗、教育等领域的应用也将进一步拓展和深化。随着技术的不断创新和普及，我们有望在未来看到更多令人惊叹的应用和突破。

数字孪生技术与传统建模技术的核心差异在于其实现实时同步数据传输的能力。通过以虚拟控制现实的方式，数字孪生使现实世界能够驱动数字世界的变化，这是其独特的过程和特点。这一过程起始于美国的NASA，并可在最著名的电影《阿波罗13号》中得到体现。在1970年的阿波罗13号任务中，服务舱的氧气罐发生爆炸，导致多个管线破裂。面对这样的情况，地面控制中心的NASA工程师构建了一个与阿波罗13号太空舱相似的地面训练舱，宇航员们在此进行模拟实验，并在地面团队的指导下成功地解决了问题。这一技术至今仍应用于火星车的建模。在地球上的模拟中，我们可以预测火星车应采取的角度和速度，这与火星上的实际情况完全对应。因此，数字孪生技术在航空航天领域的应用可以追溯到早期阶段。

如今，随着技术的进步，数字孪生技术在工业和军事领域也得到了广泛应用。在航天部门组装火箭的过程中，通过戴上AR眼镜，工作人员可以清晰地看到密密麻麻的管道线路，大大提高了工作效率。

简而言之，数字孪生技术通过实时同步数据传输，实现了物理实体与虚拟模型的双向映射和同步。这一技术在航空航天、智能制造、智慧城市和医疗健康等领域具有广泛的应用前景，为企业和社会的发展带来了巨大的价值。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，数字孪生技术将在更多领域得到应用和推广。

数字孪生在工业、军事和社会治理方面带来了更为便捷和创新的特性。随着摩尔定律的影响，传感器体积逐渐缩小，精度和测量范围不断提升，多模态传感器的集成也为我们提供了以前所未有的细节和频率来捕捉和记录世界。这些技术进步为数字世界的建模提供了全新的方法和可能性。

建立数字孪生或打造数字世界的核心目标是为物理世界的精确运行提供服务。在工业领域，数字孪生可以实现降本增效和绿色环保。通过将传感器技术与数字孪生模型相结合，企业可以更精确地预测未来的运行状态和性能，从而实现更高效的生产和更低的成本。

在社会治理领域，数字孪生技术也展现出其重要作用。利用数字孪生模型，城市管理者能够更有效地规划和管理工作城市的资源和设施，从而提高城市运行的效率和可持续性。

在工业领域，数字孪生技术的应用主要集中在故障诊断、健康管理和预防性维修等方面。这种技术在航空航天领域的应用尤为广泛，后来也逐渐扩展到民用领域。如今，大型生产设备的维修工作很少需要企业的专家亲自前往现场进行维修。相反，这些设备在企业内部的“大脑”的指挥下运行，都可以被实时监控和建模。

回顾本溪钢铁厂的相关经历，一台价值1200万元的沃尔沃挖掘机出现故障，缘由是未按时更换润滑油。尽管生产商事先发出了检修警示，但由于工人期望通过加班获得额外奖金，未予以足够重视，继续操作该设备，最终导致机械故障。通过数字孪生技术，企业现在能够更准确地了解设备的状况，并提供前瞻性的维修保养服务，避免类似问题的发生。

这些技术最初应用于军事和航空航天领域的复杂环境中，但随着时间的推移，它们逐渐被广泛应用于普通工程领域。以特斯拉的车型为例，由于其先进的传感器和摄像头系统，可能不允许进入某些涉及保密的单位。这是因为这些车辆配备了多个摄像头和毫米波探测雷达，能够感知周边的所有物体。不仅是特斯拉，许多智能汽车也具备类似的功能。

从智能制造的角度来看，智能数据采集主要包括三类数据：设备本身的运行数据、使用者和乘客的信息以及周边环境的情报。如今，在智能汽车中，一旦车辆启动，这些数据就会被自动收集。这些数据对于智能设备来说是必要的，它们需要了解设备本身的状态、用户的信息以及环境的变化。

从工业角度来看，这些技术的应用非常广泛，但在军事领域的应用却更加敏感。例如，美国海豹突击队在内部训练中早就使用了这些技术，这帮助他们成功地抓捕了本拉登。在执行任务时，队员们需要花费一个小时来调整状态，最后达到心流状态，即全神贯注于任务中，感到时间感丧失、自我意识减弱，同时体验到高度的专注和满足感。

随着工业的发展，我们经历了从单一产品制造到整个产品生命周期管理的转变。这种转变使得工业活动的影响和范围不断扩大，逐渐渗透到城市和社区的各个角落。在中国“十四五”规划中，从智能制造开始，将虚拟实现实、VR、AR、MR和区块链等技术结合起来，为实体经济提供支持。实体经济是未来几十年的立国之本，也是我国应用范围较广的领域之一。叶毓睿老师在《元宇宙十大技术》中也提到了很多应用的案例。只要在工业方面做得很好，其他方面都可以轻松应对。

与工业界专家打交道时，你会发现那些人都很朴实，而与互联网公司的人交往时，他们个个鲜衣怒马。这是因为工业界对精度要求非常高，如果差错达到一毫米，部件就可能报废。因此，工业界人士都是非常务实的。当遇到故障时，他们需要尽快排除，而不是吹牛。在飞机发动机领域，故障排除是非常困难的。所以数字孪生技术从物理孪生开始，通过创建与物理实体完全一致的模型来进行模拟和测试。在大型制造业企业中，例如日本的马自达，早期他们会使用木头等便宜的材料来制造1：1的车模，然后再进行装配检查。虽然这种方法的制造耗时较多，但它仍然不能被丢弃。在火星计划中，也有1：1实体的物体用于测试和验证。

在航天发射任务中，为了确保安全，通常会设计两枚完全一样的火箭，以确保其中一枚出现问题时，另一枚仍然可用。这说明了航天领域的投入是非常大的，而且是以完成任务为主要目的，不惜花费巨资。然而，民用航天的发展却相对滞后，这是因为民用航天领域的投资与国家航天领域的投资是不同的。对于民用航天来说，投资者可能会对高风险感到担忧，因为一旦失败，他们的投资可能会化为乌有。相比之下，马斯克等人在航天领域的投资是巨大的，他们有更多的机会去尝试和探索，因为他们的资金基础更为雄厚。

数字孪生技术的出现为高风险项目提供了很好的降低风险的手段。通过数字孪生模型，可以对项目进行更精确的模拟和预测，从而提前发现问题和潜在的风险，并采取相应的措施来降低风险。在航天领域，数字孪生技术已经得到了广泛应用，帮助科学家和工程师更好地理解和控制航天器的设计和运行。随着技术的不断进步和应用范围的扩大，数字孪生技术有望为更多高风险项目提供更好的安全保障。

数字孪生技术最初起源于航空领域。陈钟老师提出的先进理念值得我们学习，而要了解数字孪生技术的领先水平，可以参考美军和欧洲的应用案例。众所周知，美军每年参与多场战争，他们需要采取各种方法来降低伤亡率。因此，数字孪生技术成为他们打仗的一种方式。在俄乌冲突中，技术手段的应用对战争结果产生了意想不到的影响。作为科技界和工业界的一员，我们必须关注这些技术发展，并思考如何将这些创新应用于我们的领域中，以提高生产效率、降低成本、增强安全性等。同时，我们也要意识到技术发展的双刃剑性质，并在应用新技术时权衡利弊，确保技术的合理应用和可控性。

产品全生命周期的实时双向管理被称为“数字孪生”。从阿波罗13号的半数字孪生模拟系统到美国空军在飞行器健康管理中的应用实验，数字孪生技术逐渐展现出其重要性。航空航天领域由于距离遥远，试错成本极高，且系统复杂庞大，因此数字孪生技术的应用显得尤为重要。现在，随着通信技术的发展、大数据的涌现以及传输技术的进步，我们能够通过手机等设备实时了解远距离对象的状态，仿佛近在咫尺。这种技术的应用不仅降低了试错成本，还提高了系统的可靠性和效率。

随着设备变得越来越复杂，智能汽车和无人机等先进技术的维护成本也在不断上升。数字孪生技术的应用为解决这些问题提供了有效途径。通过数字孪生技术，我们可以实时监测设备的运行状态，及时发现并解决问题，确保设备的可靠性和安全性。同时，数字孪生技术还可以帮助我们更好地管理和控制设备，提高设备的运行效率和生产效益。因此，数字孪生技术的应用将为未来的智能制造和工业自动化提供更强大的支持。

数字孪生技术的应用已经不仅仅局限于军事领域，而是广泛应用于各种场景。虚实交融和元宇宙的概念与数字孪生技术有着天然的联系。在元宇宙和Web3.0中，区块链技术是不可或缺的一部分，而数字孪生技术也扮演着重要的角色。如果忽略了数字孪生和区块链技术，那么元宇宙的发展可能会面临很大的挑战。因此，我们需要将数字孪生、区块链技术与元宇宙、Web3.0等新兴概念紧密结合，共同推动数字经济的发展和创新。

数字孪生技术在各个领域都有广泛的应用，包括卫星、数字孪生车辆等。国家重点专项也在积极推动数字孪生技术的应用和发展。同时，国外的一些大公司如西门子等也对数字孪生技术进行了广泛应用。在工业和部委领域，数字孪生技术的应用也越来越频繁。这些应用不仅有助于提高生产效率、降低成本，还可以提高设备的安全性和可靠性，为未来的智能制造和工业自动化提供更强大的支持。

数字孪生技术的发展确实经历了从单一物理实体的模拟到包含人和流程的全面组织模型的转变。在这个过程中，数字孪生逐渐成为组织的孪生，这是一个融合变化的过程。随着人的参与和管理层的参与，数字孪生将会发生很大的变化。这种变化不仅有助于提高生产效率、降低成本，还可以提高设备的安全性和可靠性，为未来的智能制造和工业自动化提供更强大的支持。

数字孪生的定义确实有一些经典的说法，而从数字孪生到工业元宇宙的跃升是一个不断发展的过程。无论是预测、描述、诊断还是洞察，都需要从可靠性能和材料方面进行考虑。可靠性一直是大型设备领域，尤其是军事领域中备受关注的重点。学院中的可靠性学院专门研究如何提高各种工程设备的可靠性，并将军用标准应用于民用领域。因此，随着技术的发展和应用的拓展，数字孪生和可靠性将成为未来工业发展的关键因素。

为了更好地理解元宇宙的概念，可以参考以下三部具有代表性的科幻电影：《雪崩》、《头号玩家》和《源代码》。在元宇宙中，我们可以实现梦中梦的体验，并拥有重启源代码的能力。这些科幻电影为我们提供了对元宇宙概念的启示和想象，让我们思考如何创造一个更加丰富、多元的虚拟世界。

谢谢大家！

 

王理教授是北京航空航天大学经济管理学院信息系教授、博士生导师，深圳北航新兴产业技术研究院副院长兼大数据实验室主任，北京市重点实验室副主任，管理与信息系统研发中心主任。主要研究人工智能、大数据、Web3、区块链、电子商务、智能制造、智慧城市、数字经济、数据资产、知识管理、供应链管理、双碳。

（以上根据王理教授在2023中国数据与存储峰会元宇宙与数字经济论坛的演讲录音整理）