仿真新巅峰：数字孪生体

1.数字孪生的仿真新巅峰

这几年，《黑客帝国》创立的仿真巅峰被一个新的理念刷新，那就是数字孪生（digital twin）。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（图1-22）。数字孪生体将仿真技术发挥到极致，使得物理世界和数字世界的互动更加直接、方便和全方位。

相比《黑客帝国》，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；既要实时接收物理世界的信息，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；数字世界要进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

2.无仿真，不孪生

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（图1-23）。在每个过程中，仿真都扮演着不可或缺的角色。

（1）数化与仿真

“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。建模技术是数字化的核心技术，譬如测绘扫描、几何建模、网格剖分、系统建模、流程建模、组织建模等技术。在业界，建模技术总是与仿真联系在一起，甚至被视作仿真的一部分。

（2）互动与仿真

“互动”主要是指物理对象和数字对象之间的动态互动，当然也隐含了物理对象之间以及数字对象之间的互动。后两者在物联网和仿真世界中已经实现，而前者是数字孪生体独有的特征。这种互动是半实物仿真中司空见惯的场景。

（3）先知与仿真

“先知”是指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，这是仿真世界的特长。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动态仿真。

（4）先觉与仿真

如果说“先知”是依据物理对象的确定性规律和完整机理来预测数字孪生体的未来，那么“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。不过“先觉”不完全是“直觉”，总是尽其所能地将不明确的机理“确定化”，以获得某种程度上的“推理”能力，能推理才可预测。因此，有学者将工业大数据视为一种新的仿真范式。

（5）共智与仿真

“共智”是通过云计算技术实现世界上所有数字孪生体智慧的交换和共享，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。多个数字孪生单体可以通过“共智”形成更大的数字孪生体。这种“共智”不仅仅是信息和数据的交换，更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。

数字孪生体的应用十分广泛，在我们看来，至少在四个场景中将发挥巨大的作用，即制造、产业、城市和战场，数字孪生体也因为仿真而在这些场景中无处不在，并成为智慧的源泉与核心。