數字孿生體進化論

數字孿生已成為今年最炙手可熱的概念。這一概念的最大優點是具體直觀，易於理解。望文生義也好，顧名思義也罷，說者言語一出，聽者便猜出大概。與此有關的文章鋪天蓋地，講座也層出不窮，但大多數要麼停留在溯源和概念層面，要麼談論某個具體案例，缺乏系統的理論框架。很多案例是把早已存在的案例穿了數字孿生馬甲出來蹭蹭熱度。即使是套用數字孿生概念的新案例，對數字孿生的理解也似是而非。涉及到具體技術的時候，要麼比較單一，要麼多而零散，缺乏嚴密遞進的邏輯。本文希望在系統性和理論性方面前進一步，從體系框架和核心技術方面做初步釐清，從更完整全面的視角觀察數字孿生體系的全貌，以期能對業界做一些微博貢獻。

本文認為，數字孿生體是個具有社會性的生命體，其產生、進化和社會性，都符合生物進化和社會發展規律。

一、 孿生溯源

當前業界對數字孿生體起源的普遍認定是2003年Michael Grieves博士所提。筆者對此沒有異議，只是我們在數字孿生體系研究中發現，構成數字孿生體的關鍵技術遠早於2003年。本實驗室將這個時間前推至1960年代——CAD技術出現的時點，因為數字孿生體的第一個重要“器官”是“數字建模”，基於計算機圖形學的CAD技術便是該器官的核心技術。

數字孿生體的技術起源和概念提出的時點都很早，但為什麼這兩年才突然興起。本實驗室認為，數字孿生體的第二個器官——物聯網的成熟起到了重要的作用。物聯網的中國國家標準的提出時間是2016年，國際標準是2018年，這兩個標準的提出意味著物聯網進入了成熟和工程應用階段。而且，即將推出的數字孿生體標準也是在物聯網標準基礎上演變出來的，昭示著這兩個體系的緊密關聯性。物聯網作為數字孿生體的第二級成熟度（成熟度概念參見後文）的核心技術，是數字孿生體入門級或門檻級技術。沒有物聯網，數字孿生體連起步都很難，不用說進化了。2016年是數字孿生體的提速時點，2018年正是數字孿生體的爆發時點。

二、 體系框架

我們的研究選擇了國際公認的高起點——國際標準化組織（ISO）的相關標準ISO_DIS_23247（目前為公示期，年底最終發佈）。該標準提出了數字孿生製造的參考架構。由於標準尚未最終發佈，此處不便引用其架構圖。該參考架構雖然不是最終版本，但其所包含的要素全面，邏輯合理，符合我們所研究的結論。但該標準顯然是從物聯網國際標準ISO/IEC30141基礎上的演變，具體本實驗室認為對於具體應用來說過於抽象，所以我們在《數字孿生體技術白皮書（2019）》中對這個框架做了術語上的修訂和釋義，我們下面所提的理論框架是從這個架構出發而設計的。

在《數字孿生體技術白皮書（2019）》中，我們給出了數字孿生體的定義：數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過性能和狀態優化和指令發送來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命週期內的決策。

本定義既承接了國際標準參考架構，也是我們設計理論架構的基礎。下圖是我們提出的理論架構，本架構可以指導數字孿生體的建設與實施。

本圖上部是數字孿生體系框架，下部是物理對象的示意。物理對象在此圖中用於表達數字孿生世界與物理世界的關係，不是數字孿生體框架的要素。數字孿生體系架構包含以下要素：數字建模、測量與控制、模擬仿真、數據分析、數字資產和人機交互。這些要素使得數字孿生體呈現出一種生命體甚至社會性特徵，下文對此展開說明。

三、 數字建模

“數字建模”是物理對象的數字化表達，這個過程需要將物理對象表達為計算機所能識別的數字模型，在軟件中建立物理對象的結構元素和時空關係，不深入涉及物理機理和運行數據，就像我們給正在雕塑的人體打造一個軀體。這也當然是數字孿生體的基本要素，畢竟既然稱為 “體”，那這樣一個基本的、直觀的軀體是必須的。

我們通常使用三維實體來建立物理對象的結構形狀和位置關係，用系統（一維）建模工具來描述物理對象的行為模式。建模工具通常包括譬如CAD、3D動畫、BIM（Building Information Modeling，建築信息模型）、CIM（City Information Modeling，城市信息模型）或基於SysML（系統建模語言）的系統建模工具。建立的模型可以是設備、廠房、人群、運輸系統、交通、電網、城市、軍事戰場、戰鬥群體系等。

我們把這個過程稱為“數化”，提供了數字孿生體的“軀體”。不過這樣的軀體是一個沒有神經、沒有思想、與世界隔離、無生命的軀體。

四、 測量與控制

“測量與控制”用來實現數字體與物理對象之間實時互傳信息和數據。數字化模型利用測量系統，通過傳感器獲得物理對象的狀態數據：尺寸、速度、溫度、光潔度等，利用控制系統，通過致動器向物理對象發送致動指令：停止、加速、調節角度等，這就像我們給數字孿生體安裝一套神經系統。人類的神經系統有兩種，一種是感覺神經，就像這裡的測量系統，另一種是運動神經，就像這裡的控制系統。

工業物聯網（IIoT）是測量與控制要素的主要技術，不僅能提供對物理世界的感知，還能對物理世界傳遞信息，從而驅動物理世界。

我們把這個過程稱為“互動”，提供了數字孿生體的“神經”。神經系統的存在，讓數字孿生體具有了初步的生命特徵，可以感知和驅動物理世界。但由於缺乏思考能力，目前的數字孿生體還是個“傀儡”或“殭屍”孿生體。

五、 模擬仿真

模擬仿真是基於完整信息和明確機理計算未來，將“數化”過程建立的模型與物理機理相結合，包括材料性質、理論規律、工程規律等，根據完整和實時的邊界條件和物理狀態，來計算和預測數字模型的下一步狀態。這種仿真不是對一個階段或一種現象的仿真，應是全週期和全領域的動態仿真。實時邊界條件和物理對象狀態是被完整測量，可作為物理規律的完備輸入條件。模擬仿真的輸出結果必須具有確定化和無二義性的特徵。“實時”二字依賴於“互動”過程的測量系統來保證。

此處所說的仿真是廣義仿真，那些具有明確物理機理的計算過程都屬於廣義仿真，包括物理（如流動、力學、化學等）原理確定並被實踐驗證，往往被作為成熟理論來使用，包含公理、定理、公式、數值計算、工程算法、經驗公式等。模擬仿真採用的工具包括算法程序、各類CAE工具，譬如物理場仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、組織仿真等。

通常來說，CAE有兩種類型：物理場仿真和系統仿真。物理場仿真的計算規模大、時間長，通常無法滿足數字孿生體與物理對象實時交互的需要；系統仿真則具有速度快的優勢，通常可以達到實時交互要求。因此，在數字孿生實踐中，往往需要把物理仿真過程進行降階（ROM），抽取物理仿真的某些特性和參數，轉換成系統仿真模型來參與計算。

我們把模擬仿真過程稱為“先知”，該過程提供了數字孿生體的“左腦”。人類的左腦專事邏輯推理和理性判斷，只要具有明確規律和邏輯，不管多複雜，總是可以通過推理獲得明確的結論，提前知道數字孿生體和物理對象將會發生什麼。此時的數字孿生體就是一個有頭腦、有會思考的智能孿生體，開始具有明顯的生命特徵，特別是人類的理性思維特徵。

六、 數據分析

數據分析過程是基於不完整信息和不明確機理來推測未來。我們的世界中，大多數現象的物理規律並不明確，大多數情況無法獲得完備的邊界條件和物理狀態，但我們仍然不得不對未來做出預測，哪怕是在模糊的判斷，仍然好於毫無判斷。如果要求數字孿生體越來越智能和智慧，就不應侷限於人類對物理世界的確定性知識。其實人類本身就不是完全依賴確定性知識而領悟世界的。

大數據和人工智能（AI）技術是數據分析的關鍵技術。根據通過“互動”過程收集的數據以及“先知”過程輸出的數據，利用相關性分析建立物理世界的近似模型，依據當前邊界條件和物理狀態進行下一步狀態的預測，並且對近似模型逐步優化。當前邊界條件和物理對象狀態是被不完整測量的，但也只能作為近似模型的不完備輸入條件，輸出的結果當然距離物理世界的真實情況有一定偏差。但隨著機器學習的持續，算法和模型逐步改善，近似模型會越來越逼近物理機理，預測結果也會逼近物理世界。也正是因為這個原因，業界有人將大數據（及AI）視為科學研究的“第四範式”，科研方法從傳統的三種方法——理論、實驗、計算拓展到第四種方法——大數據（及AI）。

我們把這個過程稱為“先覺”，提供了數字孿生體的“右腦”。人類的右腦專事感性思維，利用直覺和第六感來獲得對世界的判斷和預測。當然這裡指的直覺那種優秀的直覺，而非普通人的直覺。優秀的直覺源於對豐富經歷和有效經驗的高度總結，還需要經常性的深度思考和遠期瞭望。我們的社會中確有一類具有這種優秀和敏銳直覺的人，是他們引導著你的企業、機構甚至人類的發展方向。

七、 數字資產

數字孿生體作為一種數字資產，其中的數據就像生命體的基因。它的積累、管理、追溯和共享既是其存在的基本特徵，又是其進步的必要手段。數字資產通過傳承、協同和進化，向歷史學習，向他人學習，從而實現持續成長。人類之所以進步，是因為我們的祖先通過將他們的思想和成果用文字的方式流了下來，使得我們可以傳承祖先的智力資產，可以向老子問道，向孔子習理，向牛頓求知，向亞里士多德討教。

數字線程和雲計算是進行數字資產處理的關鍵技術。數字線程將物理對象的全生命週期的各數字孿生體之間的數據資產進行傳遞和追溯，從而實現優秀基因遺傳。雲計算則將不同物理對象的數字孿生體之間實現共享和協同，從而實現平庸基因進化。

我們把這個過程稱為“共智”，使數字孿生體出現“社會性”特徵。同一物理對象在生命週期的不同階段有不同的數字孿生體，數字資產記錄了數字孿生體整個生命週期中的全息數據，並反映這些數據在數字孿生體整個生命週期中的演變路線，但相同對象的孿生數據必須關聯和傳承。物理世界的多樣性決定了其對應的數字孿生體的多樣性，世界的普遍聯繫決定了數字孿生體的普遍聯繫。人與人之間具有聯繫構成了人的社會，數字孿生體之間的聯繫構成了數字社會。

“共智”實現了不同數字孿生體之間的智慧交換和共享，多個數字孿生單體可以通過“共智”形成更大和更高層次的數字孿生體，這個數量和層次可以是無限的。《阿凡達》電影中的潘多拉星球是個物與物天然共智的世界，也許是人類科技所限，地球的各物件之間是否能天然共智尚不得而知，但通過數字孿生體，我們可以實現地球上物理世界的共智。

八、 人機交互

人機交互是人類與數字模型打交道的直觀可視化界面。這裡可以展示數字孿生體的數據，瞭解數字孿生體的狀態，也可以操作和干預數字孿生體，同時實現對物理對象的干預。

數據的可視化展示技術以及虛擬現實技術是人機交互的兩個重要技術。數據的可視化展示技術將數據和信息輸出為高清、直觀、可視化的、可交互的圖形圖像，通過對數據的操作可以實現與數字孿生體乃至物理對象的操縱。虛擬現實（包括VR、AR和MR）提供的深度沉浸技術讓人類與數字世界交互模式可以與物理世界類似。

我們把這種特性稱為“五官”。對人類來說，五官是人們相互認識、瞭解和溝通的界面，通過望聞問切基本可以瞭解人的身體狀況，通過眼神和語言的交流可以瞭解人的精神狀況。而數字孿生體的人機交互所提供的能力則超越了人體五官所能提供的功能。虛擬現實技術使數字化的世界在感官和操作體驗上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無限駕馭數字世界，例如變換大小、穿牆而過、隔空取物、時空穿越等，將數字孿生體的應用推向極致。

在物理世界，有一種讓社會系統或（和）技術系統（譬如機器、工廠、物流、城市、戰場）充分發揮作用和價值的高效方式——應用系統，譬如ERP、PLM、MES、SCM、MRO等系統。這種高效方式在數字孿生體世界仍然可以採納，但鑑於人在數字孿生體世界無所不能的自由特性，使得這個世界的類似系統可能不需要像物理世界那樣割裂，也許會合並一個系統。

《黑客帝國（Mtrix）》電影為我們展開了一個奇特的應用系統，可以認為該系統整合了所有我國熟知的應用系統。人類與這個世界打交道的方式是：人的意識通過網絡進入系統，與其中的各種數字孿生體進行交互。

九、 生命特徵

通過以上分析，我們認為，數字孿生體是一個具有思維能力、可持續進化的生命體。

當然，物理對象也具有天然的生命特徵，但這種生命具有的特點如下：本能、直覺、條件反射、既定式、預設化、確定性、機械性、個體化。

數字孿生體的生命特徵則有更多發展空間，使其可以進化到更加接近智慧生物：靈性、精神、思考、理性、推理、創造性、變通性、不確定性、生物性、社會性。

十、 孕育與服役

數字孿生體是物理對象的數字化表達和虛擬鏡像，這種物理對象可能是設備、產線、車間、工廠、企業、人群、城市、戰場、物流、交通、電網、營銷、流程等。這些對象都有研發、製造、供應、運維等過程。這幾個不同過程，因為物理對象的成熟度不同，導致數字孿生體的適用性也不同。

1. 孕育

物理對象的研發與製造是數字孿生體的孕育過程，其本質是通過前置數字體提前優化未來物理對象，不是終極產品的孿生體，最多是試驗對象的孿生體，是終極產品孿生體的前身或原型。從數字孿生體的成熟度要素來看，研發和製造階段的“數字孿生體”有完整的數化和非實時先知能力，缺乏互動、先覺能力，具有可以與前代產品的數字孿生體共智獲得優化設計的能力，但無法在真實運行環境中與其他數字孿生體實時共智。前置數字體往往不能作為未來運維過程的數字孿生體，但可以為運維數字孿生體的建立提供指導，也可以為物理世界的傳感器配置提供指導。

2. 服役

供應與運維過程中，物理對象已經完全具備，其數字孿生體也可以完整建造，具備所有要素和特性，並可以實現交互、先知、先覺乃至共智，實現自我進化，可以通過數字孿生體實時優化物理對象的運行。此時的數字孿生體是個全職服役的孿生體，因此，物理對象的供應和運維過程才是數字孿生體的主戰場。

十一、 成熟度

綜上所述，基於數字孿生體的生命特徵和進化規律，我們可以把數字孿生體的成熟度劃分為：數化、互動、先知、先覺和共智。

各級別關鍵特徵、核心技術和生命特徵總結如下：

總之，數字孿生體系的成熟度模型反映了生物進化、個體成長以及社會發展規律。數字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體，最終形成可以互相共享智慧的數字孿生體社會。

十二、 關鍵技術

根據數字孿生體的生命體系結構和成熟度模型，數字孿生體的第一層關鍵技術包括建模、仿真、物聯網，大數據（及AI）、雲計算，第二層關鍵技術包括數字線程、虛擬現實（VR/AR/MR）、MBSE、區塊鏈等。

除了以上基本關鍵技術，不同領域或場景（譬如製造、產業、城市或戰場）的數字孿生體，還有不同的技術。

十三、 總結

生命體是在“物競天擇，適者生存”法則之下經過長期進化而來的系統，在完備性方面往往高於人造系統，在經濟性方面優於人造系統。因此，用生命體作為一個人造系統的終極發展目標是一個合理的選擇。

進化法則讓所有生物都不會停留在簡單體，而是會越來越複雜，也會越來越精密。在數字化時代，人們身邊不停出現各種新型數字化技術，紛繁複雜，你方唱罷我登場，讓人迷失在眾多概念和技術中無法自拔。數字孿生體系的出現將終結這一迷亂困局。其實，從數字孿生生命體進化角度來看，這種現象很正常，也很好理解。任何新的或者舊的數字化技術都是構成數字孿生體的一個構件，且是階段性的。今後，不論出現何種數字化單項技術，都應該是數字孿生體這個生命體的一個器官甚至是細胞。我們需要做的事情是，將這些新出現的單項技術安放在數字孿生體生命框架的正確位置，不僅能讓這些技術更好地為我們服務，也可解決我們的困惑，讓我們平靜地與這些技術和諧相處。

當然，任何一種單項技術都會向著自成體系的方向努力發展，所以，數字孿生體所需的通常不會是某個單項技術體系的全部，應該是其核心要素。當前，數字孿生體作為新生事物，或者說是新近開始工程化應用的事物，對當前構成這個生命體的各個器官的整合方式肯定是設備級的集成。但隨著我們對它的認識越來越深入，這些器官的融合肯定會走向原子級別，只取用這些器官中對數字孿生體有用的部分而捨棄其他部分。這些有用部分之間的結合不會像現在這樣通過宏觀接口來實現，而是通過微觀茸毛來融合，使得數字孿生體的整體性和生命力都要更強！