數字孿生：打造福建設計產學研新生態

吳晶晶 孫祥遠 劉平

摘要：文章旨在破除現有的區域思維和專業局限，促進福建數字孿生的發展，并建立有效的人才支持體系。通過將設計教育和技術產業進行多元互通和深度融合，進一步加強數字孿生技術的教學和應用。在傳統的產學研設計教育平臺基礎上，以協同創新和多學科互融為基礎，運用高速發展的人工智能技術，培養新一代人才。通過上述方法，能夠更好地滿足新時代對設計人才的需求。通過打造產學研新生態，可以促進福建數字孿生的發展，建立起有效的人才支持體系。

關鍵詞：數字孿生 設計教育 多學科互融 新生態 人工智能

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）19-0081-03

Abstract：The article aims to break the existing regional thinking and professional limitations，promote the development of Fujians digital twin，and establish an effective talent support system. Through the multi-communication and deep integration of design education and technology industry，the teaching and application of digital twin technology will be further strengthened. On the basis of the traditional industry-university-research design education platform，based on collaborative innovation and multi-disciplinary integration，it uses the rapidly developing artificial intelligence technology to cultivate a new generation of talents. Through the above methods，the demand for design talents in the new era can be better met. By creating a new ecology of industry-university-research，the development of digital twins in Fujian can be promoted and an effective talent support system can be established.

Keywords：Digital twin Design education Multidisciplinary integration New ecology Artificial intelligence

引言

福建數字孿生產學研設計教育及技術產業的多元互通與深度融合，是培養新時代人才的關鍵一步。2021年，福建省“十四五”科技創新發展專項規劃明確提出要推動產學研深度融合[1]。新時代、新要求對制造型企業的數字化轉型提出了新的任務、新的目標、新的挑戰。2022年數字福建工作要點中指出，要打造數字新基建，培育一批多層次工業互聯網服務平臺[2]。其中，在技術變革的大背景下，建立融通創新的產學研機制，是實現未來數字化企業轉型的關鍵所在。同時，“十三五”期間的研發投入，使得福建高新技術產業化、科技促進經濟社會發展指數、科技創新環境指數和公民具備科學素質比例位居全國前列，這為產學研創新平臺提供了環境和技術條件。

本文基于福建省現有的制造業數字化轉型發展現狀和發展優勢，聯系數字孿生技術，分析在“十四五”規劃下，建立產學研融通創新機制，以探索“福建式”數字孿生產學研設計教育平臺的新道路，從而使得制造產業加速演進數字化、智能化的科技革命和產業變革。

一、探索數字孿生：科技與設計產學研的融合之路

產學研合作的本質是科技、教育與經濟的有機結合。這種合作模式已經成為推動國家科技創新和產業升級的重要手段。我國的產學研合作發展經歷了從“產學研聯合”到“產學研結合”，再到“產學研用緊密結合”的三個發展階段。2016年，國務院印發了《促進科技成果轉化法》和《促進科技成果轉移轉化行動方案》，明確了加強產學研合作的重要性，提出了鼓勵產學研合作的政策措施，包括鼓勵企業與高校、科研機構建立合作機制，支持科技成果的轉移轉化和推廣等[3]。2018年，國家印發了《高技術產業產學研合作專項行動計劃》，提出了加強產學研合作的具體措施，包括支持高校和科研機構與企業開展聯合攻關，鼓勵企業與高校、科研機構共建研發機構等[4]。以上政策的出臺和實施，為產學研合作的發展提供了政策支持和保障，促進了科技創新和產業升級，也為福建省工業設計產學研合作提供了更廣闊的發展空間和政策基礎。

在國家政策的支持下，福建省政府出臺了一系列政策措施，積極推動產學研合作。2019年，福建省印發了《福建省產學研合作促進條例》，明確了福建省對產學研合作的支持和推動。該條例提出了產學研合作的目標和原則，明確了各方的權利和義務，為福建省工業設計產學研合作提供了法律保障和政策指導[5]。這既鼓勵了企業與高校、科研機構建立合作機制，也鼓勵了企業投入更多的研發經費，支持科技成果轉化和推廣。

在政策的支持下，福建省一批優秀的高校和科研機構，包括福州大學、廈門大學、福建師范大學等，在材料科學、機械工程、電子信息等領域取得了一定的科研優勢。福建省的工業發展也取得了較快的進展，機械、電子信息等產業逐漸壯大，為福建工業設計產學研合作提供了廣闊的市場和應用空間，推動數字孿生技術與智能制造、云計算等技術的融合，形成數字化、網絡化、智能化的生產模式，推動福建省制造業向高質量發展。

而隨著數字孿生技術的不斷進步和應用范圍的不斷擴大，越來越多的企業開始應用數字孿生技術來優化生產流程、提高產品質量和效率。這就需要有足夠的數字孿生技術人才來支撐這一發展。適應新時代的數字孿生產學研新生態，可以提供更加專業和系統化的數字孿生技術人才培養體系，以滿足企業和產業對數字孿生技術人才的需求，提高福建省制造業的核心競爭力和創新能力，為福建省經濟發展注入新的動力。

二、新技術新需求：福建數字孿生產學研發展的優勢與問題

數字孿生，是一種物理實體的虛擬映射，能夠實現物理實體或流程的實時數字化鏡像。它通過結合數據分析，利用信息化手段提高工業制造效率，實現工業運行優化，高效管理物理實體[6]。而對于福建來講，在數字孿生學習、研究和生產的發展上，是具有一定優勢的。

第一，地理優勢。福建地理位置優越，可通往廈門、福州和泉州等重要港口。這促進了貨物的進出口并促進了國際貿易。而在新經濟時代，信息化技術的應用使供應鏈管理發生了巨大變化，流程需要以消費者為導向且具有高度靈活性[7]。

第二，經濟優勢。福建擁有多元化的工業基礎，制造業穩健，在電子、紡織、機械、石化等行業具有優勢。這為在制造過程中實施數字孿生技術提供了機會，以優化生產、提高效率并降低成本。福建還建立了福建自貿區、高新技術產業開發區等多個經濟開發區。這些區域為從事研發的公司提供激勵、基礎設施和支持，為數字孿生相關的研究和項目提供有利的環境[8]。

第三，技術優勢。福建在信息和通信技術（ICT）基礎設施方面進行了大量投資。這包括高速互聯網連接、先進的電信網絡和廣泛的寬帶覆蓋，這對于數字孿生技術的實施和使用至關重要。 福建也一直在積極推廣人工智能（AI）、物聯網（IoT）、大數據分析等新興技術。這些技術與數字孿生應用密切相關，為該領域的研發提供了技術優勢[9]。

第四，產業結構優勢。福建擁有電子、鞋類、食品加工、旅游等產業集群。這些集群促進了協作、知識共享和創新，為不同行業的數字孿生應用創造了一個有利的生態系統。與此同時，福建當地政府一直支持產業轉型升級。它們提供政策、資金和資源，推動數字技術與傳統產業融合，進一步增強數字孿生產學的產業結構優勢。

第五，學科優勢。福建擁有多家研究機構、大學和技術學院。這些機構提供計算機科學、工程和信息技術等領域的專業課程，為數字孿生研究和開發提供人才庫和學術專業知識。 這些特點共同增強了福建作為數字孿生生產、學習和研究中心的潛力，促進了該地區的創新、經濟增長和技術進步。

然而，福建省想要基于這些優勢有效地發展數字孿生，需要應對許多挑戰。其中包括定義清晰的藍圖、建立靈活的數據庫以及數字孿生人才教育。數字孿生藍圖應該明確數字孿生的類型、順序、能力、所有權和治理結構，以確保與業務目標和戰略保持一致。數字孿生數據庫的建立，需要明確動態數據的建模目標，結合產品動態數據的結構、屬性和規模特征[10]。數字孿生人才不僅要具備數據、算法和模型的技術知識，還要具備跨領域、跨界的思維和溝通能力，能夠應用數字孿生解決真正的問題和創造價值[11]。這就要求福建數字孿生要緊緊依憑福建省所特有的產業結構，合理運用數據資源與實際場景。

目前在工業設計人才教育方面，福建高校缺乏有效的培養和考核，人才從“0”到“1”的過程，需要企業花費大量時間和金錢成本。要解決這個問題，政策是首要。面對新的數字革命特點，必須依托自主創新體系的建立，以及教育體系的高質量重構培養創新型人才來完善落實科教興國戰略的實施路徑 [12]。為了建立一個適應時代的數字孿生產學研新生態，需要國家和地方在政策上提供支持和建立長期機制以促進產學研密切合作。具體來說，需要實現技術與設計思維兼并的人才培養的全面融合，打破學科間的壁壘，構建共同的課程大綱，并增加平臺實踐項目的比例。因此，產業界、學術界和研究機構應該繼續加強溝通和協商，以消除深化數字孿生產學研人才培養體系中的障礙，保證設計人才的持續學習和創新，并結合技術知識支持數字孿生的發展。

三、設計智慧連通：數字技術賦能產學研新生態

2023年，人工智能在全球風靡，生活生產方式正在發生著悄然巨變。人工智能時代下，設計與技術結合的必要性日益凸顯。從目前的趨勢來看，人工智能將在設計行業的工作流程方面發揮重要作用。

在此背景下，福建數字孿生產業需要高素質的設計人才，以滿足產業發展的需求和挑戰。而傳統高等教育的培養模式已經無法滿足這些需求。因此，需要探索更具實效性、針對性和靈活性的全新產學研生態，以打破現行人才培養思路的局限性。在新時代的設計發展情況下，依舊存在著許多新生問題，如先進技術同步率差、缺少社會商業視野、忽略技術對設計的支持以及產學研項目的實踐過程不完整、不徹底等。

為了更好地培養助力科技產業發展的設計人才，和具有商業思維和大局事業的未來改革者，福建需要打造一個有利于高素質設計人才培養和發展的產學研新生態。打造產學研新生態應該更加注重實踐操作，強調數字孿生產學研三方協同創新，以更好地滿足智能制造業和企業實際需求。打造產學研新生態應該注重多元化發展，根據不同的行業需求和人才特點，重視學科交叉和創新創業，培養跨界人才和創新能力，引入多學科的教學資源，打破學科壁壘，建立工業4.0時代的人才溫室。同時注重智能時代下的新教育方式，注重先進技術的教育實踐。在新時代新技術新的發展方向到來之際，不僅要“從上往下”學習先進院校教學經驗，更要“從下往上”走出符合福建省自己的，設計發展的新道路。

第一，互通互動——數字孿生產學研三方協同創新

數字孿生產學研新生態在校企聯合的設計教育中扮演著重要橋接作用，是雙方相互學習與借鑒的一種有效途徑。福建省產學研一般運行模式是由產業界、學術界和研究機構通過共同的項目合作，將各自的資源和優勢進行整合，實現相互之間的優勢互補，以達到更好的研究成果和產業轉化。產業界提出需求和問題，在產品設計、制造、維護等環節引入數字孿生技術，并提供數據支持；學術界開展基礎理論和關鍵技術的研究，在教育教學中培養數字孿生相關人才，并提供人才支持；科研機構開展前沿探索和應用示范，在項目合作中推進數字孿生技術轉移轉化，并提供專家支持。學術界和研究機構通過將研究成果進行技術轉移，將技術轉化為實際應用；產業界可以與學術界和研究機構合作，為企業引進高素質的人才，同時也可以提供產業界實踐的機會和資源；產業界、學術界和研究機構可以共享各自的資源，包括人才、設備、技術和資金等，以便更好地完成研究和項目任務，為學生和研究人員提供實踐經驗，為產業界提供技術支持和解決方案。從而為數字孿生產學研新生態打下需求基礎、技術基礎、資源基礎和項目基礎，進一步促進人才溫室的建立。

第二，科技映射——工業4.0時代的人才溫室

設計創新不但需要設計思維和設計技能，對未來的時代科技發展也有一定的了解。這意味著掌握大量的理論知識和實踐經驗，是信息技術設計創新的重要保證。數字孿生產學研新生態在協同創新打下的堅實基礎下，建立福建數字孿生特有的多學科融合的工業4.0時代的人才溫室。人才溫室將數字孿生技術的應用需要與傳統的實際產業場景相結合，與各學科研究領域相結合，通過數據采集、模型構建、模擬計算、優化分析等步驟，致力于對不同領域的產業應用場景進行深入研究，如基于福建地域優勢的物流供應鏈，多元化工業制造等，探索數字孿生技術在這些領域的應用場景，以實現數字孿生技術在工業制造、建筑設計、農業化工、物流供應等不同領域的應用。在實踐探索的同時，可以幫助設計人才聚焦數字孿生技術的前沿研究，讓設計者更好地了解技術，設計未來。

人才溫室將提供全方位的數字孿生技術培訓，如基礎知識、行業中的應用案例分析、應用中的問題解決方法和技巧、數字孿生技術的最新發展動態和前沿技術。從構建數字孿生模型，到產品設計、流程優化，再到生產周期跟蹤、故障診斷和預測等實際應用，為人才提供真實的應用場景和多樣化的學習機會。這樣的實踐環境推動了多學科交叉和數字孿生技術與產業的深度融合。在這個過程中，不同學科的人才能相互了解數字孿生技術在不同行業、領域和應用場景中的作用，更好地理解數字孿生技術的原理和應用，掌握數字孿生技術的操作技能。

同時，在新生態的帶動下建立產學研數據庫，并根據多學科交叉和項目實踐不斷更新。該數據庫開放了與數字孿生技術相關的視頻影像、開發資源、實驗環境、模型庫、代碼庫等，涵蓋了數字孿生技術從研究到教學、再到實踐的各個方面。數據庫以開源、共享、開放式課程、實驗室開放等多種方式滿足不同用戶的需求。學生和教師可以免費獲取課程和實驗環境，而研究人員和開發者可以獲取開源代碼和模型庫。不僅如此，數據庫還是一個匯聚各類人才的、開放共享、互動合作的數字孿生技術社區。社區通過舉辦講座、研討會和競賽等多樣化的活動形式，吸引國外知名高校和企業和不同學科的人才參與其中，從而提供國際化的學習和交流機會。在此基礎上建立獎勵機制，激勵用戶進行數字孿生技術的應用探索和技術方法上的創新。

與此同時，與官方機構合作，共同推動數字孿生技術標準化和規范化，建立數字孿生技術標準和評估體系，為數字孿生技術的推廣和應用提供參考，提高數字孿生技術在行業內的普及程度和應用效果。

第三，智領未來——人工智能技術引領福建數字孿生發展

在人工智能的浪潮下，“技術+設計”是數字孿生產學研生態打造目標人才的核心理念，旨在實現技術和設計之間的深度融合，共同提升彼此的能力水平。這種融合不只是技術知識和設計思維的交叉，同時也是一種創新的教學模式，它不再只關注單一的項目研究，而是充分利用現代技術，將技術和設計緊密結合起來。人工智能能夠在不斷探索和研究的過程中，將實際項目跟隨時代變化及時作出改變，避免缺乏縱向研究等缺陷。

具體來講，人工智能技術（AI）可以被廣泛應用于數字孿生項目相關的參與人員的思維培養與技術提升，提高人員綜合素質，節省培養成本并帶有可持續性、及時性、協同性等多種優點。

第一，在人工智能的時代下，通過自動機器學習（AutoML），利用AI技術向參與人員傳授機器學習基本原理和方法的工具，包括數據準備、特征工程、模型選擇、超參數調整和模型評估等。參與人員可以利用AutoML工具為各種任務和領域創建和部署機器學習模型，例如分類、回歸、聚類或推薦，并且可以學習如何解釋和評估他們的模型結果和性能，以及如何使用反饋和迭代來改進它們的功能。

第二，使用AI的概念設計也可以被用來向參與人員傳授概念設計的過程和技術，例如構思、生成、評估和優化。AI的概念設計工具可以用來創建和探索滿足其要求和約束的最佳設計方案。參與人員還可以學習如何使用各種標準和指標，來評估和優化設計解決方案。使用AI的概念設計可以幫助參與人員使用生成AI開發他們的創造力和創新技能。

第三，利用多模態學習，向參與人員傳授多模態數據集成和分析的概念和方法，例如數據融合、特征提取、表示學習和跨模態對齊。參與人員可以使用多模式學習工具，利用多干收集到的豐富且互補的信息，還可以學習如何將多模態的各種技術和應用運用到實踐中去。

第四，自然語言處理的AI可用于向參與人員講授自然語言處理和生成的原理和應用，例如標記化、嵌入、注意機制、轉換器架構和預訓練。參與人員也可以使用改進的語言建模工具，為各種目的和領域生成自然語言文本，例如市場調查、演示文稿或營銷活動。參與人員還可以學習如何使用自然語言處理技術來理解和分析大量文本數據。當然，自然語言處理功能還可以作為一個對話對象，幫助參與人員拓展各方向的知識與能力。

人工智能提供了向參與人員傳授新技能和知識的機會。參與人員可以通過合理使用AI工具來解決各種任務和挑戰，并在一定程度上提高他們的創造性和創新能力，拓展他們的思維和理解能力。從突破學科界限的角度來看，AI作為一個跨學科的領域，吸收了計算機科學、數學、統計學、心理學等多個學科的知識，通過合理地使用AI，使得信息和知識交流的成本不斷降低，這讓參與者們在交流學習中了更多的機會和便利。

總的來說，基于相互協同、多學科融合和人工智能時代下的產學研新生態，要把培養適應人工智能時代的科學技術型設計人才作為最終目的。時代的發展離不開人的努力和進步，而新生態的建立正為時代所需求的人才提供了機會和成長空間，能夠幫助人們更好地理解和掌握這些新興技術，幫助人們提高效率、創造力和理解力，從而更好地適應并引領時代的技術進步，推動了智慧產業的發展，為長遠經濟利益謀求契機，產生積極的經濟和社會效益。

結語

在數字時代下，培養技術與設計兼并的人才是滿足數字孿生技術發展需求的重要任務。而面對時代發展浪潮下帶來的人才培養新要求新問題，我們需要從以下幾個方面入手：

第一，結合福建省實施的《福建省產學研合作促進條例》和福建產學研的現狀，以及國務院鼓勵企業與高校、科研機構建立合作機制的政策，分析福建數字孿生產學研平臺的發展狀況。第二，分析新時代下數字孿生技術的價值與對設計人才的新要求和相關企業也學校合作的案例，總結福建省發展數字孿生優勢，探索福建“技術+設計”人才培養體系和創新設計體系的有效實施方案，共同摸索出培養技術與設計兼并的人才策略。第三，分析數字孿生企業、學校和研究機構的運行模式，思考“技術+設計”人才培養的實施策略，結合人工智能時代先進技術，打破學科壁壘，建立起福建數字孿生產學研密切合作的技術溝通與設計思維培養平臺，為福建制造產業及創新型企業培養技術知識與設計思維兼并的人才，為促進福建智慧產業發展奠定基礎。▃

基金項目：本論文為福建省科技廳創新戰略研究項目：構建產學研深度融合的數字孿生智能制造創新平臺體系研究（項目編號：2022R0017）；福建省專業學位研究生優秀教學案例（專業學位研究生教學案例庫項目）：集思廣益存匠心：數字孿生助力XXX 集團智能設計升級（項目編號：00489054）；福建省社會科學基金基礎研究項目：設計介入的閩域非物質文化遺產創新生態研究（項目編號：FJ2022B104）階段性成果之一；中國民間藝術研究院個人項目課題：基于創新設計的民族圖案移動端交互式進化設計方法與應用研究（項目編號：22MJYSG05）

參考文獻

[1]福建省人民政府辦公廳. 福建省“十四五”科技創新發展專項規劃的通知[EB/OL].（2021-10-06）[2023-05-29]. http：//www.fujian.gov.cn/zwgk/ghjh/ghxx/202111/t20211105_5768034.htm.

[2]福建省人民政府辦公廳. 福建省“十四五” 數字福建專項規劃的通知[EB/OL].（2021-11-30）[2023-05-29]. http：//www.fjis.cn/home/posts/8072.

[3]中華人民共和國促進科技成果轉化法[EB/OL].（2015-08-29）[2023-05-29]. https：//www.ncsti.gov.cn/zcfg/flfg/202104/t20210402_29490.html.

[4]國務院關于深化科技體制改革加快建設創新型國家的意見[EB/OL].（2015-08-08）[2023-05-29]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-08/08/content_10102.htm.

[5]國務院辦公廳關于印發高技術產業產學研合作專項行動計劃的通知[EB/OL].（2017-12-26）[2023-05-29]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-12/26/content_5249290.htm.

[6]王櫟淇，范維，陳傳軍等.基于實時數據驅動的車間輸送線數字孿生系統研究與實現[J].制造業自動化，2023，45（08）：171-177.

[7]楊洋.數字孿生技術在供應鏈管理中的應用與挑戰[J].中國流通經濟，2019，33（06）：58-65.

[8]Melesse T Y，Di Pasquale V，Riemma S. Digital Twin models in industrial operations：State‐of‐the‐art and future research directions[J]. IET Collaborative Intelligent Manufacturing，2021，3（1）：37-47.

[9]Fuller A，Fan Z，Day C，et al. Digital twin：Enabling technologies，challenges and open research[J]. IEEE access，2020，8：108952-108971.

[10]鄭孟蕾，田凌.基于時序數據庫的產品數字孿生模型海量動態數據建模方法[J].清華大學學報（自然科學版），2021，61（11）：1281-1288.

[11]Jones D，Snider C，Nassehi A，et al. Characterising the Digital Twin：A systematic literature review[J]. CIRP journal of manufacturing science and technology，2020，29：36-52.

[12]杜育紅，趙冉.新時代科教興國戰略：內在邏輯、現實證據與實現路徑[J].教育與經濟，2023，39（02）：3-8+19.

[13]劉晨光，張凌浩，張順峰.數字化背景下家電線上消費個性化體驗設計研究[J].設計，2023，36（3）：42-45.

[14]胡子崟，唐昌喬.新時代下人工智能技術融合設計學科的思考與展望[J].設計，2022，35（4）：84-86.