從黑客帝國(guó)到數(shù)字孿生，安世亞太帶你歷游數(shù)字世界

近年來，數(shù)字孿生體越來越成為從工業(yè)到產(chǎn)業(yè)、從軍事到民生各個(gè)領(lǐng)域的智慧新代表。在工業(yè)界，無論智能制造還是工業(yè)4.0，這些智能化體系都需要網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化兩只輪子來支撐。在中國(guó)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已是其中一只，而數(shù)字孿生體將成為另外一只。

作為第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)和核心技術(shù)體系之一，數(shù)字孿生體也是仿真技術(shù)應(yīng)用的巔峰。為此，安世亞太作為中國(guó)最大的仿真公司設(shè)立了數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室，致力于對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究與發(fā)展，并將這些技術(shù)形成有價(jià)值的解決方案，通過工程化應(yīng)用造福人類。

安世亞太高級(jí)副總裁、數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室主任田鋒指出，數(shù)字孿生把仿真應(yīng)用推向一個(gè)新的巔峰，并撰文闡述了數(shù)字孿生如何把仿真應(yīng)用推向一個(gè)新的巔峰。

黑客帝國(guó)開創(chuàng)的仿真巔峰

時(shí)鐘撥回20年前——1999年，那是《黑客帝國(guó)》的上映年。當(dāng)時(shí)被“矩陣(Matrix)”驚到懷疑人生。時(shí)隔4年，第二集和第三集推出，雖然沒有第一集那么驚艷和震撼，但其持續(xù)的創(chuàng)新和立體化的腦洞，讓我將這三部曲定義為電影的巔峰，直到現(xiàn)在。

我癡迷于《黑客帝國(guó)》的原因應(yīng)該與仿真有關(guān)。作為一個(gè)仿真老兵，20多年的職業(yè)生涯就是20年的仿真生涯。該電影之所以讓一個(gè)仿真老兵如此癡迷的原因是，它告訴我們，世界上存在一個(gè)令人神往向往的世界，仿真可以無所不在。而這些年仿真界的新成就也證明是如此。仿真除了在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)廣泛應(yīng)用外，現(xiàn)在正在出現(xiàn)在其他工業(yè)場(chǎng)景中，譬如生產(chǎn)仿真、工廠仿真、運(yùn)維仿真、物流仿真、流程仿真、組織仿真、交通仿真、人群仿真、戰(zhàn)場(chǎng)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等。這些新型仿真技術(shù)或多或少都與人類行為甚至思維有關(guān)，表現(xiàn)出一定的社會(huì)學(xué)特征，即人工智能。在《黑客帝國(guó)》里，自然界和人類社會(huì)可以被事無巨細(xì)地建模并仿真，幾無破綻。

隨著現(xiàn)代仿真技術(shù)發(fā)展，《黑客》三部曲展現(xiàn)的奇特和科幻的場(chǎng)景將離我們?cè)絹碓浇?。在我看來，《黑客帝?guó)》是電影的巔峰，其中的世界更是仿真的巔峰。

數(shù)字孿生的仿真新巔峰

不過，這幾年，《黑客帝國(guó)》創(chuàng)立的仿真巔峰被一個(gè)新的理念刷新，那就是數(shù)字孿生體(Digital Twin)。數(shù)字孿生系統(tǒng)是由物理對(duì)象、數(shù)字鏡像及互動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)體系。數(shù)字孿生體將仿真技術(shù)發(fā)揮到極致，使得物理世界和數(shù)字世界的互動(dòng)更加直接、方便和全方位。

數(shù)字孿生體系的邏輯

相比《黑客帝國(guó)》，數(shù)字孿生體的突破在于：數(shù)字世界不滿足于展現(xiàn)一個(gè)舊的物理世界，還要模擬新的物理世界;既要實(shí)時(shí)接受物理世界信息，還要預(yù)測(cè)物理世界;既要接受物理世界的操縱，更要反過來驅(qū)動(dòng)物理世界;數(shù)字世界要進(jìn)化為物理世界的先知、先覺甚至超體。

無仿真，不孿生

我們把數(shù)字孿生體的進(jìn)化過程，稱為數(shù)字孿生體成熟度模型，即一個(gè)數(shù)字孿生體的生長(zhǎng)發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺和共智等幾個(gè)過程。在每個(gè)過程中，仿真都扮演著不可或缺的角色。

數(shù)字孿生體成熟度模型

1.數(shù)化與仿真

“數(shù)化”是對(duì)物理世界數(shù)字化的過程。這個(gè)過程需要將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的數(shù)字模型。建模技術(shù)是數(shù)字化的核心技術(shù)，譬如測(cè)繪掃描、幾何建模、網(wǎng)格剖分、系統(tǒng)建模、流程建模、組織建模等技術(shù)。建模技術(shù)被業(yè)界總是和仿真聯(lián)系在一起，甚至被視作仿真的一部分。

2.互動(dòng)與仿真

“互動(dòng)”主要是指物理對(duì)象和數(shù)字對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)互動(dòng)，當(dāng)然也隱含了物理對(duì)象之間以及數(shù)字對(duì)象之間的互動(dòng)。后兩者在物聯(lián)網(wǎng)和仿真世界中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，而前者是數(shù)字孿生體獨(dú)有的特征。這種互動(dòng)是半實(shí)物仿真中司空見慣的場(chǎng)景。

3.先知與仿真

“先知”是指對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。這需要數(shù)字對(duì)象不僅表達(dá)物理世界的幾何形狀，更需要數(shù)字模型中融入物理規(guī)律和機(jī)理，這是仿真世界的特長(zhǎng)。仿真技術(shù)不僅建立物理對(duì)象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過物理學(xué)規(guī)律和機(jī)理來計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)物理對(duì)象的未來狀態(tài)。物理對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)則通過物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字線程獲得。這種仿真不是對(duì)一個(gè)階段或一種現(xiàn)象的仿真，應(yīng)是全周期和全領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)仿真。

4.先覺與仿真

如果說“先知”是依據(jù)物理對(duì)象的確定性規(guī)律和完整機(jī)理來預(yù)測(cè)數(shù)字孿生體的未來，那“先覺”就是依據(jù)不完整的信息和不明確的機(jī)理通過工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)來來預(yù)感未來。如果要求數(shù)字孿生體越來越智能和智慧，就不應(yīng)局限于人類對(duì)物理世界確定性知識(shí)，其實(shí)人類本身就不是完全依賴確定性知識(shí)而領(lǐng)悟世界的。不過“先覺”不完全是“直覺”，總是盡其所能地將不明確的機(jī)理“確定化”，以獲得某種程度上的“推理”能力，能推理才可預(yù)測(cè)。因此，有學(xué)者將工業(yè)大數(shù)據(jù)視為一種新的仿真范式。

5.共智與仿真

“共智”是通過云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)世界上所有數(shù)字孿生體智慧的交換和共享，其隱含的前提是單個(gè)數(shù)字孿生體內(nèi)部各構(gòu)件的智慧首先是共享的。多個(gè)數(shù)字孿生單體可以通過“共智”形成更大的數(shù)字孿生體。這種“共智”不僅僅的信息和數(shù)據(jù)的交換，而是需要通過不同孿生體之間的多種學(xué)科耦合仿真才能讓思想碰撞，才能產(chǎn)生智慧的火花。

數(shù)字孿生中的仿真技術(shù)

數(shù)字孿生體的應(yīng)用十分廣泛。在我們看來，至少在四個(gè)場(chǎng)景中將發(fā)揮巨大的作用：制造、產(chǎn)業(yè)、城市和戰(zhàn)場(chǎng)，而數(shù)字孿生體也因?yàn)榉抡嬉苍谶@些場(chǎng)景中無處不在而成為智慧的源泉與核心。針對(duì)這四個(gè)關(guān)鍵場(chǎng)景，我們梳理其中所涉及到的仿真技術(shù)如下：

在制造場(chǎng)景下，可能涉及到的仿真包括產(chǎn)品仿真、制造仿真和生產(chǎn)仿真等大類;

在產(chǎn)業(yè)場(chǎng)景下，可能涉及到的仿真包括倉(cāng)儲(chǔ)仿真、物流仿真、組織仿真、業(yè)務(wù)流程仿真等;

在城市場(chǎng)景下，可能涉及到的仿真包括城市仿真、交通仿真、人群仿真、爆破仿真、氣體擴(kuò)散仿真等;

在戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景下，可能涉及到的仿真包括體系仿真、戰(zhàn)場(chǎng)仿真、爆轟仿真、毀傷仿真等。

在城市場(chǎng)景下的仿真示例

另外，虛擬現(xiàn)實(shí)(VR，含AR及MR)作為一類特殊的仿真技術(shù)，在近幾年發(fā)展迅速，而且在以上四大場(chǎng)景中都有應(yīng)用價(jià)值。人類通過屏幕與數(shù)字世界交互不僅不直觀、不真實(shí)，而且交互的深度受到巨大限制。這三種技術(shù)提供的深度沉浸技術(shù)讓人類與數(shù)字世界的交互方式與物理世界類似，使數(shù)字世界在感官和操作體驗(yàn)上更加接近物理世界，讓“孿生”一詞變得更為精妙。但在數(shù)字世界中，人類又具有超人般的特異功能，可以無限駕馭數(shù)字世界，例如穿墻而過、隔空取物、時(shí)空穿越、變換大小等，將數(shù)字孿生體的應(yīng)用推向極致。

未來，《黑客帝國(guó)》提供的駕馭數(shù)字世界的方式——人類的思維和意念通過可以以數(shù)字體的形式進(jìn)入數(shù)字世界并操縱數(shù)字世界，將讓人類將數(shù)字孿生體應(yīng)用推向一個(gè)新高度。

安世亞太與數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布了《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書(2019)》。其中，分別在工業(yè)、產(chǎn)業(yè)、民生和軍事四個(gè)領(lǐng)域選擇了最關(guān)鍵的場(chǎng)景做了實(shí)例化論述：數(shù)字孿生制造、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)、數(shù)字孿生城市和數(shù)字孿生戰(zhàn)場(chǎng)，以為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

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