数字孪生体进化论

作者：田锋

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。

我们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。

1.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，使得物理世界和数字世界的互动更加直接、方便和全方位。    

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。      

2.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。

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。

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。      

3.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：

图4.数字孪生生命体模型

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。就像感觉神经一样，接受物理世界的信息和数据，据此来诊断物理世界的健康状态。这里使用的技术就是物联网技术。

数字孪生体还具有思考能力，不仅可以左脑一样理性思考，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。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）。

图5.具有强大生命力、聪明、智能的数字孪生体

4.数字孪生对黑客帝国的超越    

说起数字孪生，很多人拿《黑客帝国》做类比。《黑客帝国》展现了一个令人神往向往的世界，仿真可以无所不在，而这些年仿真界的新成就也证明确实如此。仿真除了在产品研发设计、制造和试验广泛应用外，现在正在出现在其他工业场景中，譬如生产仿真、工厂仿真、运维仿真、物流仿真、流程仿真、组织仿真、交通仿真、人群仿真、战场仿真等。这些新型仿真技术或多或少都与人类行为甚至思维有关，表现出一定的社会学特征，即人工智能。在《黑客帝国》里，自然界和人类社会可以被事无巨细地建模并仿真，几无破绽。

随着现代仿真技术发展，《黑客》三部曲展现的奇特和科幻的场景将离我们越来越近。《黑客帝国》的确是电影的巅峰，其中的世界更是仿真的巅峰，但其描绘的场景并不能与数字孪生相提并论。相比《黑客帝国》，数字孪生体作为一个生命体，其突破在于：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；既要实时接收物理世界信息，还要预测物理世界；既要接受物理世界的操纵，更要反过来驱动物理世界。《黑客帝国》中模拟的1990年代的世界，不论仿得多么真，相比于充满了实时仿真的数字孪生体世界，都已经“过气”了。

数字孪生体既然是一个具有思维能力的生命体，那TA应该具备生命的一个基本特征，那就是进化。图4展示的完整生命体模型不应该是一步到位，而应逐步进化而成。

我们把数字孪生体的进化过程，称为数字孪生体成熟度模型，即一个数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个过程，如图6所示。

图6.数字孪生体成熟度模型

数化  

“数化”是对物理世界数字化的过程。这个过程需要将物理对象表达为计算机和网络所能识别的数字模型。建模技术是“数化”的核心技术，譬如测绘扫描、几何建模、网格建模、系统建模、流程建模、组织建模等技术。

互动

“互动”主要是指物理对象和数字对象之间的实时动态互动。物联网是实现虚实之间互动的核心技术。利用物联网，物理世界的状态可以被计算机和网络所能感知、识别和分析，这些状态包括位置、属性和性能等。数字世界的责任之一是预测和优化，同时根据优化结果干预物理世界，所以需要将指令传递到物理世界。物理世界的新状态需要实时传导到数字世界，作为数字世界的新初始值和新边界条件。

先知

“先知”是指利用仿真技术对物理世界的动态预测。这需要数字对象不仅表达物理世界的几何形状，更需要在数字模型中融入物理规律和机理。仿真技术不仅建立物理对象的数字化模型，还要根据当前状态，通过物理学规律和机理来计算、分析和预测物理对象的未来状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿真，应是全周期和全领域的实时仿真。

先觉

如果说“先知”是依据物理对象的确定规律和完整机理来预测数字孪生体的未来，那“先觉”就是依据不完整的信息和不明确的机理通过工业大数据和人工智能技术来预感未来。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。

共智

“共智”是通过云计算技术实现不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，其隐含的前提是单个数字孪生体内部各构件的智慧首先是共享的。所谓单个数字孪生体是人为定义的范围，多个数字孪生单体可以通过“共智”形成更大和更高层次的数字孪生体，这个数量和层次可以是无限的。数字线程技术是共智的另一项核心技术。物理对象在生命周期的不同阶段具有不同的数字化模型，这些模型之间的关联需要通过数字线程来实现。

总之，数字孪生体系的成熟度模型反映了生物进化、个体成长以及社会发展规律。数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，也要接受物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，最终形成可以互相共享智慧的数字孪生体社会。

数字孪生体成熟各级别关键特征、核心技术和生命特征总结如表1所示。

表-1 数字孪生体成熟度特征、核心技术和生命体特征

2.数字孪生体的孕育与服役

数字孪生体是物理对象的数字化表达和虚拟镜像，这种物理对象可能是设备、产线、车间、工厂、企业、人群、城市、战场、物流、交通、电网、商业、流程等。这些对象都包含研发、制造、供应、运维等过程。这几个过程中，因为物理对象的完备度不同，导致数字孪生体的适用性也不同。

孕育

物理对象的研发与制造是数字孪生体的孕育过程，其本质是通过前置数字体提前优化未来物理对象，不是终极产品的孪生体，最多是试验对象的孪生体，是终极产品孪生体的前身或原型（图7）。从数字孪生体的成熟度要素来看，研发和制造阶段的“数字孪生体”有完整的数化和非实时先知能力，缺乏互动、先觉能力，具有可以与前代产品的数字孪生体共智获得优化设计的能力，但无法在真实运行环境中与其他数字孪生体实时共智。前置数字体往往不能作为未来运维过程的数字孪生体，但可以为运维数字孪生体的建立提供指导，也可以为物理世界的传感器配置提供指导。

图7.数字孪生制造示意图

供应与运维过程中，物理对象已经完全具备，其数字孪生体也可以完整建造，具备数字孪生体的所有要素和特性，并可以实现交互、先知、先觉乃至共智，并可自我进化，还可通过数字孪生体实时优化物理对象的运行（图8）。此时的数字孪生体是个全职服役的孪生体，因此，物理对象的供应和运维过程才是数字孪生体的主战场。

图8.数字孪生运维示意图

3. 生命体将持续进化

生命体是在“物竞天择，适者生存”法则之下经过长期进化而来的系统，在完备性方面往往高于人造系统，在经济性方面优于人造系统。因此，用生命体作为一个人造系统的终极发展目标是一个合理的选择。

进化法则让所有生物都不会停留在简单体，而是会越来越复杂，也会越来越精密。在数字化时代，人们身边不停出现各种新型数字化技术，纷繁复杂，你方唱罢我登场，让人迷失在众多概念和技术中。面对如此之多的数字化技术，如果盲目引入，企业会变成数字化世界的令狐冲。但让他们很好地理清这些数字化技术并协同起来，又实在是要求太高了。

数字孪生生命体的出现将终结这一乱局，提供了解决这一问题的方案，是协调各个组织和器官的最高级形态。任何新的或者旧的数字化技术都是构成数字孪生体的一个构件，且是阶段性的。今后，不论出现何种数字化单项技术，都应该是数字孪生体这个生命体的一个器官甚至是细胞。我们需要做的事情是，将这些新出现的单项技术安放在数字孪生体生命框架的正确位置，不仅能让这些技术更好地为我们服务，也可解决我们的困惑，让我们平静地与这些技术和谐相处。

当然，任何一种单项技术都会向着自成体系的方向努力发展，所以，数字孪生体所需的通常不会是某个单项技术体系的全部，应该是其核心要素。当前，数字孪生体作为新生事物，新近开始工程化应用，对当前构成这个生命体的各个器官的整合方式是设备级的集成。但随着我们对它的认识越来越深入，这些器官的融合肯定会走向原子级别，只取用这些器官中对数字孪生体有用的部分。这些有用部分之间的结合不会像现在这样通过宏观接口来实现，而是通过微观茸毛来融合，使得数字孪生体的整体性和生命力都要更强！

数字孪生的核心技术是数字孪生体的生命之源。水是生命之源，氧气是生命之本，但地球生命在进化历程中经历的两次大灭绝，都与氧气的快速增加有关，称为“大氧化”事件！这两次“大氧化”事件，一次是蓝藻的快速进化导致的，另一次是植被的繁茂导致的。

现在，生物学家得到的结论是：生物个体的演化速度越快，生态不稳定性越高，越不允许更高级智能体的形成。稳定智能体之间有规则的相互作用才能形成更高级的智能体，复杂的高等生物的DNA在保障整体稳定的基础上进行的差异性才能带来进化。现在地球生物之所以稳定进化到出现人类这样高级的智慧生命体，一定是生态协调的结果。

数字孪生看似是Michael Grieves博士聪明大脑中的灵光一现，但其实该概念的出现是数字化技术发展的必然事件。数字化技术发展到现在，确实需要数字孪生体这样一个系统化的概念来协调其间的关系和进化规则。否则，任其各自发展，最终也许会发生类似“大氧化”事件。所以，数字孪生是数字化发展的理想形态。

我们提出数字孪生体的生长发育将经历数化、互动、先知、先觉和共智等几个成熟度过程，各成熟度分别有各自最核心的技术。其核心层的关键技术为数字线程，第一层关键技术包括建模、仿真、物联网，大数据（或AI），第二层关键技术包括云计算、超现实（XR：VR/AR/MR）、MBSE、区块链等。这些关键技术构成了数字孪生体的生命之源，如图9和表2所示。

图9.数字孪生体核心技术

表2.数字孪生体核心技术

除了以上关键技术，不同领域或场景（譬如制造、产业、城市或战场）的数字孪生体，还有更多不同的技术（图10）。

图10.数字孪生体在不同场景下的技术

核心技术1：数字化建模

建模的目的是对物理世界进行模型化。数字建模提供了数字孪生体的躯体，是数字孪生体的第一个重要器官。

数字模型是物理对象的数字化表达，这个过程需要将物理对象表达为计算机所能识别的模型，在软件中建立物理对象的结构元素和时空关系，不涉及物理机理和运行数据，就像我们给正在雕塑的人体打造一个躯体。这也当然是数字孪生体的基本要素，毕竟，既然称为“体”，那这样一个直观的躯体是必须的。

我们通常使用三维实体来建立物理对象的结构形状和位置关系，用系统（一维）建模工具来描述物理对象的行为模式。建模工具通常包括譬如CAD软件、3D动画软件、BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）系统、CIM（City Information Modeling，城市信息模型）系统或基于SysML（系统建模语言）的系统建模工具。建立的模型可以是设备、厂房、人群、运输系统、交通、电网、城市、军事战场、战斗群体系等，如图11所示。不过这样的躯体是一个没有神经、没有思想、与世界隔离、无生命的躯体。

图11.数字孪生体的数字模型

核心技术2：模拟仿真

从技术角度看，建模和仿真是一对伴生体：建模过程是我们对物理世界或问题的理解，仿真是验证和确认这种理解的正确性和有效性。

仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就可以基本正确地反映物理世界的特性和参数（图12）。

数字孪生体是仿真应用新巅峰。在数字孪生体成熟度的每个阶段，仿真都在扮演着不可或缺的角色：“数化”的核心技术——建模总是和仿真联系在一起，或是仿真的一部分；“互动”是半实物仿真中司空见惯的场景；“先知”的核心技术本身就是仿真；很多学者将“先觉”中的核心技术——工业大数据视为一种新的仿真范式；“共智”需要通过不同孪生体之间的多种学科耦合仿真才能让思想碰撞，才能产生智慧的火花。

图12.数字孪生体中的三维仿真与系统仿真

核心技术3：数据分析

数据分析包括大数据技术和人工智能技术。大数据是大量、高速及多变的信息资产，利用新型的数据处理方式可促成更强的洞察力和决策能力。

人工智能的核心技术——机器学习是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、计算复杂性理论等多门学科。机器学习从海量数据中自动分析获得规律，并利用规律对未知数据进行预测。因此，它总是和大数据相伴而生。

图13.数字孪生体的数据分析

数字孪生体应用物理世界数据的一种模式就是通过人工智能技术，在物理机理不明确、输入数据不完备的情况下对数字孪生体的未来状态和行为进行预测（图13），尽管这种预测未必准确。但相比一无所知，这种预测仍富有价值。而且随着数字孪生体的进化，这种预测会越来越逼近真实世界，使得数字孪生体拥有“先觉”能力。

核心技术4：物联网

物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络，如图14所示。

图14.物联网参考架构

物联网通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程中的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

在数字孪生体中，物联网的一项重要作用就是收集来自物理世界的数据。必要时，数字孪生体还可通过物联网驱动物理世界。

核心技术5：数字线程

数字线程是数字孪生体实现共智的关键技术。数字线程是指可扩展、可配置和组件化的企业级分析通信框架。基于该框架可以构建覆盖系统生命周期与价值链全部环节的跨层次、跨尺度、多模型的集成视图，进而以统一模型驱动系统全生命周期的活动。数字线程将物理对象的全生命周期的各数字孪生体之间的数据资产进行传递和追溯，从而实现优秀基因传承，如图15所示。

图15.数字线程实现数字孪生体基因的跨代传递和追溯

数字线程是某个或某类物理实体对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁，这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面或不同生命阶段的模型视图。跨阶段的不同孪生体的数据必须连贯和传承，数字线程则记录了孪生体整个生命周期中的全息数据，反映数据在孪生体全生命周期的演变。数字线程基于统一数据标准PLCS来实现数据融合与共享，其底层数据模型是一项关键技术。

四、数字孪生体神经系统

当前业界对数字孪生体起源的普遍认定是2003年Michael Grieves博士所提。我们对此没有异议，只是我们在数字孪生体系研究中发现，构成数字孪生体的关键技术远早于2003年。我们将这个时点前推至1960年代——CAD技术出现的时点（图16），因为数字孪生体的第一个重要器官是“数字模型”，基于计算机图形学的CAD技术便是该器官的核心技术。

图16.数字孪生体的技术发展历程

数字孪生体相关技术发展有60年历史，概念的提出也15年历史，但直到2018年才爆发，这两三年才突然兴起。是什么导致了数字孪生体的爆发？

地球上的生命诞生后，长达30亿年的时间基本处于单细胞状态（水生细菌和藻类）。距今5.4年前后的寒武纪，地球上的生命突然爆发，类水母的多细胞生物的出现，表征着生物进化瓶颈的突破。是什么导致地球生物的大爆发？

对这两个相似的爆发之谜的研究过程令人着迷，这两个谜题答案的一致性也让人欣喜，本结论对于“数字孪生体是个生命体”这一论断提供强有力的支撑。

仔细观察，我们发现，2018年前后，有两个重要标准发布：中国物联网标准GB/T33474和国际物联网标准ISO/IEC39141，如图16所示。

如前文所言，工业物联网（IIoT）（图17）为数字孪生体提供了“测量与控制”技术，用来实现数字体与物理对象之间实时互传信息和数据。数字模型利用测量系统，通过传感器获得物理对象的状态数据，譬如尺寸、速度、温度、光洁度等；利用控制系统，数字模型通过致动器向物理对象发送致动指令，譬如停止、加速、调节角度等。这种测量和控制过程就像给数字孪生体安装一套神经系统，恰似人类的神经系统。人的神经系统有两种，一种是感觉神经，就像这里的测量系统，另一种是运动神经，就像这里的控制系统。神经系统的存在，让数字孪生体具有了初步的生命特征，可以感知和驱动物理世界。

图17.数字孪生体中的物联网（IOT）技术

寒武纪生物大爆发的最令人信服的解释是：5.4亿年前，寒武纪的尽前纪——埃迪卡拉纪的生物突然变异产生了神经细胞，逐步形成神经系统。神经（特别是视觉神经）让生物可以实时与外界交互，获得食物和避开风险所需的能量大为减少，增加了生机，直接导致了生物的大爆发，最终进化出现代智慧生命。

数字孪生体爆发的时点是2018年，数字孪生体的神经——物联网的中国国家标准的提出时间是2016年，国际标准是2018年，这两个标准的提出意味着物联网进入了成熟和工程应用阶段。2016年是数字孪生体的提速时点，2018年正是数字孪生体的爆发时点。

因此，数字孪生体的爆发与生命大爆发具有相同的原因：神经系统的出现。其实，现在看，突然发现这个结论很好理解：数字孪生体的最主要特征就是数字世界和物理世界的关联互动，否则就无法成为孪生体。数字模型、虚拟仿真、人工智能、虚拟现实这样的数字体早已有之，但在能与物理体互动之前，都不能称为数字孪生体。

五、数字孪生体的超级大脑

物联网的采用，让数字孪生体具备了生命爆发的基础，但如果缺乏思考能力，数字孪生体就是个傀儡、僵尸或植物人形态的孪生体，正如寒武纪时代的生物，虽然物种爆发了，但智力远远没有达到现代生物的程度。具有理性思考、预测与判断能力的数字孪生体才是真正有生命力的孪生体。

人类能够称霸地球靠的是超强的大脑。正是大脑的不断进化，让人类拥有了更为高级的智慧，强大的逻辑推理能力、思考判断能力，以及丰富的想象力和创造力。数字孪生体与物理世界的互动，推理判断，以及预测能力，跟人类大脑的功能有着异曲同工之妙。数字孪生体之所以能够产生价值，在于其能够通过互动感知、数字建模、模拟仿真、数据分析等，影响并有效解决物理世界问题的能力。

我们需要提前知道数字孪生体和物理世界将要发生什么。数字孪生体的两大器官——数字模型（躯体）和互动系统（神经）——使得数字孪生体具有了初步的生命特征，可以感知和驱动物理世界。让数字孪生体更有生命力的原因，是产生能够理性思考、预测与判断能力的大脑的进化和形成。

模拟仿真是基于完整信息和明确机理计算未来，将“数化”过程建立的模型与物理机理相结合，包括材料性质、理论规律、工程规律等，根据完整和实时的边界条件和物理状态，来计算和预测数字模型的下一步状态。这种仿真不是对一个阶段或一种现象的仿真，应是全周期和全领域的动态仿真。实时边界条件和物理对象状态是被完整测量，可作为物理规律的完备输入条件。模拟仿真的输出结果必须具有确定化和无二义性的特征。

数字孪生体中的仿真与传统仿真的最大区别在于“实时”。传统仿真过程通常是提前判定未来产品可能面对的各种环境，换算为工况或边界条件，同时给出可能的初始条件，然后预测给定时间后的产品运行状况。但实时仿真则需要获得即时的环境和物理世界的当前状态，以此作为边界条件和初始条件，来预测物理世界未来的运行状况。“实时”二字依赖于“互动”过程的测量系统来保证。

另外，此处所说的仿真是广义仿真，那些具有明确物理机理的计算过程都属于广义仿真，包括物理（如流动、力学、化学等）原理确定并被实践验证，往往被作为成熟理论来使用，包含公理、定理、公式、数值计算、工程算法、经验公式等。模拟仿真采用的工具包括算法程序、各类CAE工具，譬如物理场仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、组织仿真等，如图18所示。

图18.各种类型的仿真提供数字孪生体左脑

通常来说，CAE有两种类型：物理场仿真和系统仿真。物理场仿真通常是三维的，计算规模大、时间长，通常无法满足数字孪生体与物理对象实时交互的需要；系统仿真通常是一维的，具有速度快的优势，通常可以达到实时交互要求。因此，在数字孪生实践中，往往需要把三维仿真过程进行降阶（ROM），抽取其中你关注的特性和参数，转换成一维模型来参与计算，如图19所示。

图19.三维仿真降阶参与系统仿真

我们把模拟仿真过程称为“先知”，该过程提供了数字孪生体的“左脑”。人类的左脑专事逻辑推理和理性判断，只要具有明确规律和逻辑，不管多复杂，总是可以通过推理获得明确的结论，提前知道数字孪生体和物理对象将会发生什么。此时的数字孪生体就是一个有头脑、会思考的智能孪生体，开始具有明显的生命特征，特别是人类的理性思维特征。

我们曾提出“无仿真，不孪生”的观点，就是因为生命体的最有价值的特征是理性思考和智能判断，而仿真才能提供这样的特性。

数据分析过程是基于不完整信息和不明确机理来推测未来。我们的世界中，大多数现象的物理规律并不明确，大多数情况无法获得完备的边界条件和物理状态，但我们仍然不得不对未来做出预测，哪怕是再模糊的判断，仍然好于毫无判断。如果要求数字孪生体越来越智能和智慧，就不应局限于人类对物理世界的确定性知识。其实人类本身就不是完全依赖确定性知识而领悟世界的。

大数据和人工智能（AI）技术是数据分析的关键技术。根据通过“互动”过程收集的数据以及“先知”过程输出的数据，利用相关性分析建立物理世界的近似模型，依据当前边界条件和物理状态进行下一步状态的预测，并且对近似模型逐步优化。当前边界条件和物理对象状态虽不完整，但也只能作为近似模型的输入条件，输出的结果当然距离物理世界的真实情况有一定偏差。

因此，数字孪生体的数据分析与传统数据分析的最大不同也在于“实时”，否则分析模型无法进化。在数字孪生体实时数据分析过程中，随着机器学习的持续，算法和模型逐步改善，近似模型会越来越逼近物理机理，预测结果也会逼近物理世界（图20）。也正是因为这个原因，业界有人将大数据及AI视为科学研究的“第四范式”，科研方法从传统的三种方法——理论、实验、计算拓展到第四种方法——大数据及AI。

图20.大数据和AI为数字孪生体提供右脑

我们把这个过程称为“先觉”，提供了数字孪生体的“右脑”。人类的右脑专事感性思维，利用直觉和第六感来获得对世界的判断和预测。当然这里指的直觉那种优秀的直觉，而非普通人的直觉。优秀的直觉源于对丰富经历和有效经验的高度总结，还需要经常性的深度思考和远期瞭望。我们的社会中确有一类具有这种优秀和敏锐直觉的人，是他们引导着我们的企业、机构甚至人类的发展方向。

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。

人们谈到智能的时候，包含着一种居高临下的优越感，但谈到智慧的时候，却充满着一种处下仰上的崇拜。智能是一眼看穿结局的意料之举，而智慧带来的却是结局出现后的恍然大悟。

基于数字孪生体生命体的左脑和右脑的特征，我们认为，智能是基于确定的机理、清晰的边界条件和明确的初始条件对未来的预测，智慧是基于不确定的机理、不清晰的边界条件和不明确的初始条件对未来的预测。智能是面对已知路径的气定神闲，智慧则是面对未知时空的千思万虑。

所以，智能往往是科学和技术的深化，而智慧往往是哲学和思想的升华。在中国古人的认知中，智能往往与脑联系在一起，智慧往往与心联系在一起。其实，从解剖学的角度看，智能与左脑和当下判断有关，智慧与右脑和长远韬略有关。

我们提出“数字孪生体是仿真应用新巅峰”这一论断，因为在数字孪生体成熟度进化的每个过程中，仿真都扮演着不可或缺的角色，它为数字孪生体提供了基于理性分析的智能判断。另外，我们不应局限于人类对物理世界的确定性知识，数据分析可以为数字孪生体提供基于无限直觉的智慧预测。

有观点说，人类的大脑只开发了5%，还有巨大的开发空间。从进化的角度，我一直不认可这种观点，自然界不可能进化出一点点没有用的东西，何况有95%之多。但不管怎么样，现在数字孪生体的超级大脑，可以为人脑所用，扩展人脑的智慧。

六、数字孪生超体与元宇宙

电影《超体》提出一个猜想：如果人的大脑被充分激发，会发生什么？电影末尾给出答案——羽化为超体。该超体无所不能，法力无边，可以通过网络蔓延，最终无所不在。《超验骇客》提出同样的猜想，不过跳过大脑激发，人的思想直接进入网络，从而成为超体（图21）。

图21.电影中的数字孪生体

今天，人的大脑能否被100%激发不得而知，人的思想何时能直接进入网络，也还是未知数。但通过驾驭进化为超体的数字孪生体，人可以成为物理世界的超体。这个驾驭的媒介就是数字孪生体的人机交互界面。

前文分别介绍了数字孪生体的躯体、神经系统、超级大脑、基因和社会性。这些特性使得数字孪生体获得了感知、思考、推理、判断、预测等等能力，具有了生命体的特征。数字孪生生命体终究还是为人服务的，所以人机交互必然也是数字孪生系统应用的重要组成部分。人机交互更像是数字孪生体的“五官”（图22），但又超越五官所能提供的功能，将数字孪生体的应用推向极致。

图22.数字孪生体的五官

人机交互是人类与数字模型打交道的直观可视化界面。这里可以展示数字孪生体的数据，了解数字孪生体的状态，也可以操作和干预数字孪生体，同时实现对物理对象的干预。

数据的可视化展示技术以及超现实（XR，包括VR、AR和MR）技术是人机交互的两个重要技术。数据的可视化展示技术将数据和信息输出为高清、直观、可视化、可交互的图形图像，通过对数据的操作可以实现与数字孪生体乃至物理对象的操纵。超现实技术提供的深度沉浸技术让人类与数字世界交互模式可以与物理世界类似。

超现实（XR）技术是虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等技术的总称，在近几年发展迅速。

1)虚拟现实

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，这些现象可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们肉眼所看不到的物质，通过三维模型表现出来。因为这些现象不是我们直接所能看到的，而是通过计算机技术模拟出来的现实中的世界，故称为虚拟现实。

虚拟现实技术是20世纪末逐渐兴起的一项综合性信息技术，融合了数字图像处理、计算机图形学、人工智能、多媒体、传感器、网络以及并行处理等多种信息技术的最新发展成果。虚拟现实利用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂运算，将精确的3D世界影像传回，从而产生临场感。

根据VR所倾向的特征的不同，目前虚拟现实系统主要划分为四个层次：即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实。VR技术的实质是构建一种人能够与之进行自由交互的“世界”，在这个“世界”中参与者可以实时地探索或移动其中的对象。

虚拟现实的用户可以在虚拟现实世界体验到最真实的感受，其模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，让人有种身临其境的感觉。同时，虚拟现实具有一切人类所拥有的感知功能，比如听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉等感知系统。最后，它具有超强的仿真系统，真正实现了人机交互，使人在操作过程中，可以随意操作并且得到环境最真实的反馈。正是虚拟现实技术的存在性、多感知性、交互性等特征使它受到了许多人的喜爱。

2)增强现实

增强现实（Augmented Reality，简称AR），也被称为扩增现实，是虚拟现实技术的发展，它能促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起。其将原本在现实世界的空间范围中比较难以进行体验的实体信息在电脑等科学技术的基础上，实施模拟仿真处理，将虚拟信息内容叠加在真实世界中，并且能够被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验。真实环境和虚拟物体之间叠加之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。用户需要利用头盔显示器或眼镜，使真实世界和电脑图形重合在一起，在重合之后可以充分看到真实的世界围绕着它。

3)混合现实

混合现实技术（Mixed Reality，简称MR）是也虚拟现实技术的发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。混合现实是一组技术组合，不仅提供新的观看方法，还提供新的输入方法，而且所有方法相互结合，从而推动创新。

无论是虚拟现实、增强现实还是混合现实，在数字孪生体的各个场景中都有巨大的应用潜力。人类通过屏幕与数字世界交互不仅不直观、不真实，而且交互深度受到巨大限制。这三种技术提供的深度沉浸的交互方式让人类与数字世界的交互方式与物理世界交互方式类似。

我们把超现实技术实现的特性称为“五官”。对人类来说，五官是人们相互认识、了解和沟通的界面，通过望闻问切基本可以了解人的身体状况，通过眼神和语言的交流可以了解人的精神状况。而数字孪生体的人机交互所提供的能力则超越了人体五官所能提供的功能。超现实技术使数字化的世界在感官和操作体验上更加接近物理世界，让“孪生”一词变得更为精妙。但在数字世界中，人类又具有超人般的特异功能，可以无限驾驭数字世界，例如变换大小、穿墙而过、隔空取物、时空穿越等。此时，人通过数字孪生体，开始获得超体的体验。

数字孪生体以更加生动、充满想象力的方式，推动了人们与物理世界以及数字世界不断地互动交互，以达到增强自身、优化和改进现实世界的目的。

在物理世界，有一种让社会系统或（和）技术系统（譬如机器、工厂、物流、城市、战场）充分发挥作用和价值的高效方式，这就是应用系统，譬如ERP、PLM、MES、SCM、MRO等系统。这种高效方式在数字孪生体世界仍然可以采纳，但鉴于人在数字孪生体世界无所不能的自由特性，使得这个世界的类似系统可能不需要像物理世界那样割裂，也许会合并一个超级系统，如图23所示。

图23.数字孪生体的应用系统将归一

如果说，利用超现实技术，人类实现对物理个体的超体般驾驭，那通过应用系统，人可以实现对一个物理群体的超体驾驭。通过超级系统，也许对整个物理世界的超体驾驭亦不是不可能。

说起超级应用系统，不知您想到什么？我想到了《黑客帝国》，该电影为我们展开了一个奇特的应用系统Matrix，可以认为该系统整合了所有我们熟知的应用系统。人类与这个世界打交道的方式是：人的意识通过网络进入系统，与其中的各种数字孪生体进行交互。

不知你是否能想到另一个炙手可热的概念——元宇宙。这里所谓的超级应用系统或Matrix，其实就是一个典型的元宇宙。而且，元宇宙的支点技术就是超现实（XR）技术，该技术的典型应用场景提供了元宇宙最核心的运转场景。其实人们对元宇宙这个名字有争论，特别是“元”字。很多人分析认为，“元”是直译，“超”才是本意。“元宇宙”一词的英文是Mateverse，首次出现该词的《雪崩》一书的中译本将该词翻译成“超元域。”“超体”恰恰就是本节所憧憬的数字孪生体的未来。

数字孪生体和元宇宙来源于物理世界，又高于物理世界，就有机会将现实世界的不可能变成可能。最终，人类会释放怎样的超能力，就需要更大的脑洞来想象了。接下来，也许我们该考虑如何将数字孪生体和元宇宙赋予我们的超能力关进笼子里了。

七、共智、社会性和元宇宙

前文谈到，多种技术要素使得数字孪生体具有生命特征，但谈生命体怎能不说基因？数字孪生体有基因吗？我想对于这个问题的答案，很多人已经猜到了！是的，答案就是——数据！

数字孪生体是物理世界的数字化表达，通过与物理世界进行数据交换来实现对物理世界的调控和优化。数字孪生体在工作过程中输入、输出和过程处理对象都是数据，数据在数字孪生体中的作用就像基因之于生命体，并且其传承和进化对于走向更高级别的孪生体具有重要意义。更重要的意义是，这种特征可以产生数字孪生体的社会性，进而形成元宇宙。

基因决定了地球上一切具有细胞结构的生命的共同点和差异点。整部地球生命史被篆刻在每一种生物的DNA中，生命之书由DNA密码书写的基因构成。基因保存着我们的过去，也预示着我们的将来。在漫漫进化之路上，基因的千变万化让地球生命得以多姿多彩。

根据生物学上的定义，基因是产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。基因支持着生命的基本构造和性能，控制遗传性状的表达和活性调节，机体可以通过基因调节系统使生物个体在发育过程中表现出不同功能的性状，组成完整而协调的生物体。基因储存着生命的种族、血型、孕育、生长、凋亡等过程的全部信息。

数字孪生体作为一种数字资产，其中的数据就像生命体的基因。它的积累、管理、追溯和共享既是其存在的基本特征，又是其进步的必要手段。数字资产通过传承、协同和进化，向历史学习，向他人学习，从而实现持续成长。人类之所以进步，是因为我们的祖先通过将他们的思想和成果用文字的方式留了下来，使得我们可以传承祖先的智力资产，可以向老子问道，向孔子习理，向牛顿求知，向亚里士多德讨教。

同一物理对象在生命周期的不同阶段有不同的数字孪生体。数字资产记录了数字孪生体整个生命周期中的全息数据，并反映这些数据在数字孪生体整个生命周期中的演变路线，但相同物理对象的孪生数据必须关联和传承。所以，在这路演变中，不仅是基因在延续，其思想和智慧也在传承。这就是为什么数字孪生体成熟度体系中有个“共智”这一级别。

共智实现了不同数字孪生体之间的智慧交换和共享，多个数字孪生单体可以通过共智形成更大和更高层次的数字孪生体，这个数量和层次可以是无限的。《阿凡达》电影中的潘多拉星球是个物与物天然共智的世界，也许是人类科技所限，地球的各物件之间是否能天然共智尚不得而知，但通过数字孪生体，我们可以实现地球上物理世界的共智。

数字线程和云计算是数字孪生体实现共智的关键技术。数字线程将物理对象的全生命周期的各数字孪生体之间的数据资产进行传递和追溯，从而实现优秀基因的遗传。云计算则让不同物理对象的数字孪生体之间实现共享和协同，从而实现平庸基因进化。

数字线程是指可扩展、可配置和组件化的企业级分析通信框架。基于该框架可以构建覆盖系统生命周期与价值链全部环节的跨层次、跨尺度、多模型的集成视图，进而以统一模型驱动系统生存期活动，为决策者提供支持（图24）。

图24.数字线程实例

数字线程的目标就是要在系统全生命期内实现在正确的时间、正确的地点，把正确的信息传递给正确的对象。这一目标和上世纪九十年代PDM/PLM技术和理念出现时的目标完全一致，只不过数字线程是要在数字孪生环境下实现这一目标。

数字线程是与某个或某类物理实体对应的若干数字孪生体之间的沟通桥梁，这些数字孪生体反映了该物理实体不同侧面的模型视图。

云计算是体系级数字孪生体运行的理想技术，为数字孪生体内部和之间进行智慧共享提供了可能。云计算体系结构有利于大量连接设备的组织和管理，以及企业内部和外部数据的组合和集成。在云计算体系结构中，各种不同类型的存储设备可以通过应用软件一起工作，共同为企业提供数据存储和业务访问。

在大型数字孪生体，譬如数字孪生城市的建设中，需要建设多种数字孪生体，譬如孪生交通、孪生安防、孪生环保等，这些孪生体之间必须可以交换数据，共享智慧，才能使其成为一个和谐的城市，如图25所示。类似大湾区、京津冀、长三角之类的经济区，需要多个相关城市的孪生体之间交换数据和共享智慧，否则无法成为协同发展的经济区。

图25.多个（种）数字孪生体之间通过云进行智慧交换

数字孪生体中的数据其实不仅是基因的载体，也是其思想和智慧的载体。也正因为有了载体，才是我们具有相互共享的基础，于是就有了社会性。

物理世界的多样性决定了其对应的数字孪生体的多样性，世界的普遍联系决定了数字孪生体的普遍联系。人与人之间具有联系构成了人的社会，数字孪生体之间的联系构成了数字社会。各数字孪生体之间的数据传递和不同数字孪生体之间的智慧共享，使数字孪生体出现“社会性”特征。

既然将数字孪生体的这种特征称为“社会性”，就绝不仅仅只有智慧共享特征，人类社会的所有特征都会存在与数字孪生社会，特别是区块链和数字货币等去中心化的具有经济属性的元素和技术引入之后数字孪生社会之后，譬如社交、家庭、文化、教育、工作、生产、建设、贸易、金融、国家、政治、经济、军事甚至战争等，只是表现形式会大不相同，完全的数字化和虚拟化特征，但又和物理社会和真实世界形成耦合与交互。元宇宙就是这种社会性的具体场景，是数字孪生社会发展的必然结果。可以说，没有社会性，也不会有真正的元宇宙。相互没有关联的数字孪生单体再多，也构不成宇宙。

结合前文提到的数字孪生超体的概念，无穷多个数字孪生超体通过“共智”和“社会性”连接在一起的时候，就形成一个元宇宙。但这个数字宇宙外面，还有一个与之孪生的真实宇宙。在所有人都在质疑元宇宙所陈述的价值过于虚无和牵强时，数字孪生超体与真实宇宙互动产生的真实价值，或许可以拯救元宇宙。

我们之所以提出“无仿真，不孪生”的观点，就是因为生命体的最有价值的特征是理性思考和智能预测，而仿真才能提供这样的特性。同时，数字孪生体中的仿真具有实时特征，使数字世界与物理世界之间实时互动。如果没有实时仿真，数字孪生跟《黑客帝国》相比，也只能是各有千秋，难分伯仲。

当然，没有仿真，Matrix这个元宇宙中的人们大概每天都生活在极不真实的困惑中，从Matrix中觉醒的人何止锡安那么一点人。所以，“不仿真，无孪生”后面，还要加个“宇宙不元”。

八、数字孪生体的终极形态

数字孪生体似乎刚刚诞生，又似乎一直在那儿！即像是赤子与智者的合体，又似乎是柔韧与刚毅的化身，充满了神秘气息。

150年前，一位人所共知大师提出：生物在进化，包括人。25年前，一位被誉为“新科技预测大师”的人说：人造物在进化，恰似人。所以，我们提出“数字孪生体是生命体”这一论断，并非空穴来风。

瞎子摸象，是一则印度寓言，意在讽刺以偏概全。而这一幕，就在中国数字孪生产业天天上演。也许，只有用生命体的慧眼，才能看清这个迷雾中的数字孪生。只有沿进化论的脉络，才能理清这个被瞎子摸乱的麻。

今天的人类，也许就是数字孪生体的终极形态；而生命进化的历程，则为数字孪生体的进化指明了路。物竞天择，适者生存，生物一出生就面对猎杀，逼迫自己不断进化。人造物一出生就开始贬值，逼迫其不得不持续升级。

数模－躯体、物联－神经、仿真－左脑、右脑－分析、数据－社会性、五官－人机交互，也许，只有让这些科技词汇和生命词汇交汇与碰撞，才能表达对达尔文和凯文·凯利的尊重和致敬。

地球上，生命经历过大爆发，也经历过大灭绝，然后起死回生，最后进化出智慧。这些，不知道会不会是数字孪生体的宿命，但作为智人的我们，有责任看破数字孪生体的红尘。

数化、互动、先知、先觉、共智，是数字孪生体的进化规律。数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，也要接受物理世界的实时信息，更要反过来驱动物理世界，进而进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

《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。

一切的一切，让数字孪生既纷扰莫测，又迷光四射，也让数字孪生体进化论扛起不能卸载的时代使命。我期待你、你们，和我们，一起揭开生命进化的千古谜团，开启数字孪生的无限未知。