這幾年，數(shù)字孿生體的概念炙手可熱，越來越成為從工業(yè)到產(chǎn)業(yè)、從軍事到民生各個領(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，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為其中一只，而數(shù)字孿生體將成為另外一只。

在我看來，繼《黑客帝國》開創(chuàng)仿真巔峰以來，數(shù)字孿生把仿真應(yīng)用推向一個新的巔峰。

?黑客帝國開創(chuàng)的仿真巔峰

時鐘撥回20年前——1999年，那是《黑客帝國》的上映年。當(dāng)時被“矩陣（Matrix）”驚到懷疑人生。時隔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。

癡迷于《黑客帝國》的原因應(yīng)該與仿真有關(guān)。作為一個仿真老兵，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仿真老兵如此癡迷的原因是，它告訴我們，世界上存在一個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、制造和試驗廣泛應(yīng)用外，現(xiàn)在正在出現(xiàn)在其他工業(yè)場景中，譬如生產(chǎn)仿真、工廠仿真、運維仿真、物流仿真、流程仿真、組織仿真、交通仿真、人群仿真、戰(zhàn)場仿真、虛擬現(xiàn)實（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)出一定的社會學(xué)特征，即人工智能。在《黑客帝國》里，自然界和人類社會可以被事無巨細地建模并仿真，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)的奇特和科幻的場景將離我們越來越近。在我看來，《黑客帝國》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》創(chuàng)立的仿真巔峰被一個新的理念刷新，那就是數(shù)字孿生體（Digital Twin）。數(shù)字孿生系統(tǒng)是由物理對象、數(shù)字鏡像及互動系統(tǒng)構(gòu)成的一個體系。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)字世界的互動更加直接、方便和全方位。???????????????????????????

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數(shù)字孿生體系的邏輯

相比《黑客帝國》，數(shù)字孿生體的突破在于：數(shù)字世界不滿足于展現(xiàn)一個舊的物理世界，還要模擬新的物理世界；既要實時接受物理世界信息，還要預(yù)測物理世界；既要接受物理世界的操縱，更要反過來驅(qū)動物理世界；數(shù)字世界要進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)字孿生體的進化過程，稱為數(shù)字孿生體成熟度模型，即一個數(shù)字孿生體的生長發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程。在每個過程中，仿真都扮演著不可或缺的角色。

圖2. 數(shù)字孿生體成熟度模型

1.??數(shù)化與仿真

“數(shù)化”是對物理世界數(shù)字化的過程。這個過程需要將物理對象表達為計算機和網(wǎng)絡(luò)所能識別的數(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.??互動與仿真

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

3.??先知與仿真

“先知”是指對物理世界的動態(tài)預(yù)測。這需要數(shù)字對象不僅表達物理世界的幾何形狀，更需要數(shù)字模型中融入物理規(guī)律和機理，這是仿真世界的特長。仿真技術(shù)不僅建立物理對象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過物理學(xué)規(guī)律和機理來計算、分析和預(yù)測物理對象的未來狀態(tài)。物理對象的當(dāng)前狀態(tài)則通過物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字線程獲得。這種仿真不是對一個階段或一種現(xiàn)象的仿真，應(yīng)是全周期和全領(lǐng)域的動態(tài)仿真。

4.??先覺與仿真

如果說“先知”是依據(jù)物理對象的確定性規(guī)律和完整機理來預(yù)測數(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)局限于人類對物理世界確定性知識，其實人類本身就不是完全依賴確定性知識而領(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。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”是通過云計算技術(shù)實現(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數(shù)字孿生體內(nèi)部各構(gòu)件的智慧首先是共享的。多個數(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，至少在四個場景中將發(fā)揮巨大的作用：制造、產(chǎn)業(yè)、城市和戰(zhàn)場，而數(shù)字孿生體也因為仿真也在這些場景中無處不在而成為智慧的源泉與核心。針對這四個關(guān)鍵場景，我們梳理其中所涉及到的仿真技術(shù)如下：

在制造場景下，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。其中的小類包括：

• 產(chǎn)品仿真：系統(tǒng)仿真、多體仿真、物理場仿真、虛擬試驗等；

• 制造仿真：工藝仿真、裝配仿真、數(shù)控加工仿真等；

• 生產(chǎn)仿真：離散制造工廠仿真、流程制造仿真等。

制造場景下的仿真示例

• 在產(chǎn)業(yè)場景下，可能涉及到的仿真包括倉儲仿真、物流仿真、組織仿真、業(yè)務(wù)流程仿真等；

• 在城市場景下，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、氣體擴散仿真等（圖4）；

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

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在城市場景下的仿真示例

另外，虛擬現(xiàn)實（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，而且在以上四大場景中都有應(yīng)用價值。人類通過屏幕與數(shù)字世界交互不僅不直觀、不真實，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》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)用推向一個新高度。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設(shè)計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進設(shè)計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。