进化是生命的基本特征

       数字孪生体是一个具有思维能力的生命体。生命的一个基本特征就是进化，图1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。

图1.数字孪生体系框架

 

数字孪生体进化规律

       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2所示。

图2.数字孪生体成熟度模型

 

       1. 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。

 

       2. 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。

 

       3. 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。

 

       4. 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。

 

       5. 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

 

生命孕育与服役成长

       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。

        1、孕育形成生命

       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。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3.数字孪生制造示意图

 

       2、 服役实现成长

       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4）。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。孪生体也在服役过程实现持续成长：在实时仿真中修正机理，在实时数据中发现新规律。

图4.数字孪生运维示意图

 

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！

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