進(jìn)化是生命的基本特征

在《數(shù)字孿生體是個(gè)生命體》一文中指出，數(shù)字孿生體是一個(gè)具有思維能力的生命體。生命的一個(gè)基本特征就是進(jìn)化，圖1展示的完整生命體模型不應(yīng)該是一步到位，而應(yīng)逐步進(jìn)化而成。

圖1.數(shù)字孿生體系框架

數(shù)字孿生體進(jìn)化規(guī)律

我們把數(shù)字孿生體的進(jìn)化過(guò)程，稱(chēng)為數(shù)字孿生體成熟度模型，即一個(gè)數(shù)字孿生體的生長(zhǎng)發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智等幾個(gè)過(guò)程，如圖2所示。

圖2.數(shù)字孿生體成熟度模型

1. 數(shù)化

“數(shù)化”是對(duì)物理世界數(shù)字化的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程需要將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的數(shù)字模型。建模技術(shù)是數(shù)化的核心技術(shù)，譬如測(cè)繪掃描、幾何建模、網(wǎng)格建模、系統(tǒng)建模、流程建模、組織建模等技術(shù)。

2. 互動(dòng)

“互動(dòng)”主要是指物理對(duì)象和數(shù)字對(duì)象之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間互動(dòng)的核心技術(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)，物理世界的狀態(tài)可以被計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所感知、識(shí)別和分析，這些狀態(tài)包括位置、屬性和性能等。數(shù)字世界的責(zé)任之一是預(yù)測(cè)和優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果干預(yù)物理世界，所以需要將指令傳遞到物理世界。物理世界的新?tīng)顟B(tài)需要實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到數(shù)字世界，作為數(shù)字世界的新初始值和新邊界條件。

3. 先知

“先知”是指利用仿真技術(shù)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。這需要數(shù)字對(duì)象不僅表達(dá)物理世界的幾何形狀，更需要在數(shù)字模型中融入物理規(guī)律和機(jī)理。仿真技術(shù)不僅建立物理對(duì)象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)物理學(xué)規(guī)律和機(jī)理來(lái)計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)物理對(duì)象的未來(lái)狀態(tài)。這種仿真不是對(duì)一個(gè)階段或一種現(xiàn)象的仿真，應(yīng)是全周期和全領(lǐng)域的實(shí)時(shí)仿真。

4. 先覺(jué)

如果說(shuō)“先知”是依據(jù)物理對(duì)象的確定規(guī)律和完整機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生體的未來(lái)，那“先覺(jué)”就是依據(jù)不完整的信息和不明確的機(jī)理通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)來(lái)預(yù)感未來(lái)。如果要求數(shù)字孿生體越來(lái)越智能和智慧，就不應(yīng)局限于人類(lèi)對(duì)物理世界的確定性知識(shí)。其實(shí)人類(lèi)本身就不是完全依賴(lài)確定性知識(shí)而領(lǐng)悟世界的。

5. 共智

“共智”是通過(guò)云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字孿生體之間的智慧交換和共享，其隱含的前提是單個(gè)數(shù)字孿生體內(nèi)部各構(gòu)件的智慧首先是共享的。所謂單個(gè)數(shù)字孿生體是人為定義的范圍，多個(gè)數(shù)字孿生單體可以通過(guò)“共智”形成更大和更高層次的數(shù)字孿生體，這個(gè)數(shù)量和層次可以是無(wú)限的。數(shù)字線(xiàn)程技術(shù)是共智的另一項(xiàng)核心技術(shù)。物理對(duì)象在生命周期的不同階段具有不同的數(shù)字化模型，這些模型之間的關(guān)聯(lián)需要通過(guò)數(shù)字線(xiàn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

總之，數(shù)字孿生體系的成熟度模型反映了生物進(jìn)化、個(gè)體成長(zhǎng)以及社會(huì)發(fā)展規(guī)律。數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過(guò)來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，最終形成可以互相共享智慧的數(shù)字孿生體社會(huì)。

數(shù)字孿生體成熟各級(jí)別關(guān)鍵特征、核心技術(shù)和生命特征總結(jié)如表1所示。

表1. 數(shù)字孿生體成熟度特征、核心技術(shù)和生命體特征

生命孕育與服役成長(zhǎng)

數(shù)字孿生體是物理對(duì)象的數(shù)字化表達(dá)和虛擬鏡像，這種物理對(duì)象可能是設(shè)備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間、工廠(chǎng)、企業(yè)、人群、城市、戰(zhàn)場(chǎng)、物流、交通、電網(wǎng)、商業(yè)、流程等。這些對(duì)象都包含研發(fā)、制造、供應(yīng)、運(yùn)維等過(guò)程。這幾個(gè)過(guò)程中，因?yàn)槲锢韺?duì)象的完備度不同，導(dǎo)致數(shù)字孿生體的適用性也不同。

1、孕育形成生命

物理對(duì)象的研發(fā)與制造是數(shù)字孿生體的孕育過(guò)程，其本質(zhì)是通過(guò)前置數(shù)字體提前優(yōu)化未來(lái)物理對(duì)象，不是終極產(chǎn)品的孿生體，最多是試驗(yàn)對(duì)象的孿生體，是終極產(chǎn)品孿生體的前身或原型。從數(shù)字孿生體的成熟度要素來(lái)看，研發(fā)和制造階段的“數(shù)字孿生體”有完整的數(shù)化和非實(shí)時(shí)先知能力，缺乏互動(dòng)、先覺(jué)能力，具有可以與前代產(chǎn)品的數(shù)字孿生體共智獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力，但無(wú)法在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中與其他數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)共智。前置數(shù)字體往往不能作為未來(lái)運(yùn)維過(guò)程的數(shù)字孿生體，但可以為運(yùn)維數(shù)字孿生體的建立提供指導(dǎo)，也可以為物理世界的傳感器配置提供指導(dǎo)。

2、服役實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)

供應(yīng)與運(yùn)維過(guò)程中，物理對(duì)象已經(jīng)完全具備，其數(shù)字孿生體也可以完整建造，具備數(shù)字孿生體的所有要素和特性，并可以實(shí)現(xiàn)交互、先知、先覺(jué)乃至共智，并可自我進(jìn)化，還可通過(guò)數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)優(yōu)化物理對(duì)象的運(yùn)行（圖4）。此時(shí)的數(shù)字孿生體是個(gè)全職服役的孿生體，因此，物理對(duì)象的供應(yīng)和運(yùn)維過(guò)程才是數(shù)字孿生體的主戰(zhàn)場(chǎng)。孿生體也在服役過(guò)程實(shí)現(xiàn)持續(xù)成長(zhǎng)：在實(shí)時(shí)仿真中修正機(jī)理，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)新規(guī)律。

圖4.數(shù)字孿生運(yùn)維示意圖

生命體將持續(xù)進(jìn)化

生命體是在“物競(jìng)天擇，適者生存”法則之下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而來(lái)的系統(tǒng)，在完備性方面往往高于人造系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于人造系統(tǒng)。因此，用生命體作為一個(gè)人造系統(tǒng)的終極發(fā)展目標(biāo)是一個(gè)合理的選擇。

進(jìn)化法則讓所有生物都不會(huì)停留在簡(jiǎn)單體，而是會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，也會(huì)越來(lái)越精密。在數(shù)字化時(shí)代，人們身邊不停出現(xiàn)各種新型數(shù)字化技術(shù)，紛繁復(fù)雜，你方唱罷我登場(chǎng)，讓人迷失在眾多概念和技術(shù)中。面對(duì)如此之多的數(shù)字化技術(shù)，如果盲目引入，企業(yè)會(huì)變成數(shù)字化世界的令狐沖。但讓他們很好地理清這些數(shù)字化技術(shù)并協(xié)同起來(lái)，又實(shí)在是要求太高了。

數(shù)字孿生生命體的出現(xiàn)將終結(jié)這一亂局，提供了解決這一問(wèn)題的方案，是協(xié)調(diào)各個(gè)組織和器官的最高級(jí)形態(tài)。任何新的或者舊的數(shù)字化技術(shù)都是構(gòu)成數(shù)字孿生體的一個(gè)構(gòu)件，且是階段性的。今后，不論出現(xiàn)何種數(shù)字化單項(xiàng)技術(shù)，都應(yīng)該是數(shù)字孿生體這個(gè)生命體的一個(gè)器官甚至是細(xì)胞。我們需要做的事情是，將這些新出現(xiàn)的單項(xiàng)技術(shù)安放在數(shù)字孿生體生命框架的正確位置，不僅能讓這些技術(shù)更好地為我們服務(wù)，也可解決我們的困惑，讓我們平靜地與這些技術(shù)和諧相處。

當(dāng)然，任何一種單項(xiàng)技術(shù)都會(huì)向著自成體系的方向努力發(fā)展，所以，數(shù)字孿生體所需的通常不會(huì)是某個(gè)單項(xiàng)技術(shù)體系的全部，應(yīng)該是其核心要素。當(dāng)前，數(shù)字孿生體作為新生事物，新近開(kāi)始工程化應(yīng)用，對(duì)當(dāng)前構(gòu)成這個(gè)生命體的各個(gè)器官的整合方式是設(shè)備級(jí)的集成。但隨著我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，這些器官的融合肯定會(huì)走向原子級(jí)別，只取用這些器官中對(duì)數(shù)字孿生體有用的部分。這些有用部分之間的結(jié)合不會(huì)像現(xiàn)在這樣通過(guò)宏觀接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)微觀茸毛來(lái)融合，使得數(shù)字孿生體的整體性和生命力都要更強(qiáng)！

審核編輯 ：李倩