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Geega关注丨数字孪生体是个生命体

2022-08-18 18:09:22

数字孪生已成为最炙手可热的概念。这一概念的最大优点是具体直观,易于理解。望文生义也好,顾名思义也罢,说者言语一出,听者便猜出大概。

 

与此有关的文章铺天盖地,讲座也层出不穷,但大多数要么停留在溯源和概念层面,要么谈论某个具体案例,缺乏系统的理论框架。很多案例是把早已存在的普通数字化案例穿了数字孪生马甲出来蹭蹭热度。即使是套用数字孪生概念的新案例,对数字孪生的理解也似是而非。涉及到具体技术的时候,要么比较单一,要么多而零散,缺乏严密递进的逻辑。

 

本文希望在系统性和理论性方面前进一步,从体系框架上做一个厘清,从更完整全面的视角观察数字孪生体系的全貌。

数字孪生体概念

数字孪生系统是由物理对象、数字镜像及互动系统构成的一个体系,如图1所示。数字孪生体将数字技术发挥到极致,使得理世界和数字世界的互动更加直接、方便和全方位。

 

数字孪生

图1.数字孪生体系的概念 

 

基于以上概念,我们给出数字孪生体的定义如下:数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模型,通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态,通过性能和状态优化和指令发送来调控物理实体对象的行为,通过相关数字模型间的相互学习来进化自身,同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策。

体系框架

我们的研究选择了国际公认的高起点——国际标准化组织(ISO)的相关标准ISO_DIS_23247,该标准提出了数字孪生制造的参考架构。该参考架构所包含的要素全面,逻辑合理,符合我们所研究的结论。但我们认为该标准对于具体应用来说过于抽象,所以对本框架做了术语上的修订和释义,形成如图2所示的参考架构。本文所提的应用架构是从该参考架构出发而设计的。

 

数字孪生

图2.数字孪生系统的通用参考架构 

 

我们提出应用架构如图3所示,本架构可指导数字孪生体的建设与实施。

 

数字孪生

图3.数字孪生体系框架

图3上部分是数字孪生体框架,下部分是物理对象的示意。物理对象在此图中用于表达数字孪生世界与物理世界的关系,并不是数字孪生体框架的要素。数字孪生体架构包含以下要素:数字模型、测量与控制、模拟仿真、数据分析、数字资产和人机界面。

生命特征

数字孪生体框架的要素使得数字孪生体呈现出一种生命体特征,如图4所示,拥有躯体、神经、左脑、右脑和五官 。不仅如此,数字孪生体甚至还具有社会性特征:

 

01
数字模型提供了数字孪生体的躯体,使数字孪生体具有数化特征
02
测量与控制提供了数字孪生体的神经系统,使数字孪生体具有互动特征
03
仿真提供了数字孪生体的左脑,使数字孪生体具有先知特征
04
数据分析提供了数字孪生体的右脑,使数字孪生体具有先觉特征
05
数字资产提供了数字孪生体的基因,使其具有社会性,使数字孪生体具有共智特征
06
人机界面则提供了数字孪生体的五官,使其具有与人的交互能力

 

数字孪生

图4.数字孪生生命体模型

 

数字孪生体将撑起数字化之轮,但又不止于数字化。数字孪生体并不停留在物理世界的数字化表达上,而是与物理世界实时互动。所以,数字孪生体的突破在于:数字世界不满足于展现一个旧的物理世界,还要模拟新的物理世界;既要实时接受物理世界信息,还要预测物理世界;既要接受物理世界的数据,更要反过来驱动物理世界。

 

数字孪生体还具有思考能力,不仅可以像左脑一样理性思考,还可以像右脑一样感性思考。左脑采用的技术是仿真,可以基于明确的机理计算未来;右脑采用的技术是数据分析,可以基于不明确的机理预测未来。

 

当数字孪生体具有思考能力时,就可以比物理对象更聪明,提出更为优化的运行模式,通过由物联网技术提供的互动系统,就像运动神经一样,将优化模式传递给物理对象,甚至直接控制物理对象,使之运行得更为卓越。

 

人类可以通过计算机屏幕与数字孪生体交互,通过超现实(XR)设备,身临其境地进入数字孪生体世界,像跟物理世界打交道一样的方式和数字孪生体世界打交道。不仅如此,人类此时似乎拥有了特异功能,可以随意变化大小,可以隔空取物,可以时空穿越。现在,脑机技术正在快速发展,也许在未来,人类可以像黑客帝国那样,意识或思维通过网络进入数字孪生体世界,自己的孪生体和数字孪生体世界的人与物打交道。

 

当然,物理体也具有天然的生命特征,但这种生命特征缺少灵性:本能、直觉、条件反射、既定式、预设化、确定性、机械化、个体化。数字孪生体的生命特征则有更多发展空间,可以进化到更加接近智慧生物:精神、思考、理性、推理、创造性、变通性、不确定性、生物性、社会性。

 

物理体一经产生,就很难升级进化,但数字孪生体却可以不停升级进化。通过互动系统,数字孪生体的升级进化可以在很大程度上弥补物理对象难以升级进化的缺陷,甚至可以替代物理对象的升级进化。

 

通过数字线程和云计算技术,数字孪生体拥有了社会性,符合社会发展规律。物理世界是普遍联系的,数字孪生体的世界也必然是普遍联系的。人与人之间的相互联系构成人类社会,数字孪生体之间的相互联系构成数字社会。人类可相互交流和相互学习,数字孪生体之间也可以相互共享智慧。人类的先哲传递下来知识和智慧,数字孪生体的数据和智慧也可以传递到下一代。

 

可以想象,无论是创建一个产品、一套生产体系,还是一座城市的数字孪生体,都将使其聚合各类数字化技术优点,形成具有强大的生命力、聪明、智能的生命体单。如果对产品群、生产线群和城市群建立数字孪生体群,将形成一个可智慧交换的、快速进化的数字社会(图5)。

 

数字孪生

图5.具有强大生命力、聪明、智能的数字孪生体 

 

《黑客帝国》展现了一个数字孪生巅峰世界。这儿,人通过意识和数字孪生世界打交道,也让人们开始怀疑今日世界的真实性!

 

《千星之城》展现了一个数字孪生巅峰城市。这儿,看似虚空,却藏着万千星球,看似荒漠,却藏着无穷城市。这不禁让人发问:历史还是不是时间的产物,结构还是不是需要在空间存在。

 

《安德的游戏》展现了一个数字孪生巅峰战场。未来战场,凯旋的将军,也许是一个孩童。这实在令人揪心,但又自怜于我辈在进化天规下的无能为力。

 

《阿凡达》为我们展现了一个天然共智的神秘星球,这或许是星球的最高形态。我们蓝色星球能否如此尚不得而知,但数字孪生体已经让共智上路

 

来源:踏雪当歌