这几年，数字孪生体的概念炙手可热，越来越成为从工业到产业、从军事到民生各个领域的智慧新代表。在工业界，无论智能制造还是工业4.0，这些智能化体系都需要网络化和数字化两只轮子来支撑。在中国，工业互联网已成为其中一只，而数字孪生体将成为另外一只。

在我看来，继《黑客帝国》开创仿真巅峰以来，数字孪生把仿真应用推向一个新的巅峰。

 黑客帝国开创的仿真巅峰

时钟拨回20年前——1999年，那是《黑客帝国》的上映年。当时被“矩阵（Matrix）”惊到怀疑人生。时隔4年，第二集和第三集推出，虽然没有第一集那么惊艳和震撼，但其持续的创新和立体化的脑洞，让我将这三部曲定义为电影的巅峰，直到现在。

痴迷于《黑客帝国》的原因应该与仿真有关。作为一个仿真老兵，20多年的职业生涯就是20年的仿真生涯。该电影之所以让一个仿真老兵如此痴迷的原因是，它告诉我们，世界上存在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是如此。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、虚拟现实（VR）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。在我看来，《黑客帝国》是电影的巅峰，其中的世界更是仿真的巅峰。

数字孪生的仿真新巅峰

不过，这几年，《黑客帝国》创立的仿真巅峰被一个新的理念刷新，那就是数字孪生体（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。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。                           

 

数字孪生体系的逻辑

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；既要实时接受物理世界信息，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；数字世界要进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

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。在每个过程中，仿真都扮演着不可或缺的角色。

图2. 数字孪生体成熟度模型

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。建模技术被业界总是和仿真联系在一起，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。物理对象的当前状态则通过物联网和数字线程获得。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“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”不仅仅的信息和数据的交换，而是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。

数字孪生中的仿真技术

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：制造、产业、城市和战场，而数字孪生体也因为仿真也在这些场景中无处不在而成为智慧的源泉与核心。针对这四个关键场景，我们梳理其中所涉及到的仿真技术如下：

在制造场景下，可能涉及到的仿真包括产品仿真、制造仿真和生产仿真等大类。其中的小类包括：

• 产品仿真：系统仿真、多体仿真、物理场仿真、虚拟试验等；

• 制造仿真：工艺仿真、装配仿真、数控加工仿真等；

• 生产仿真：离散制造工厂仿真、流程制造仿真等。

制造场景下的仿真示例

• 在产业场景下，可能涉及到的仿真包括仓储仿真、物流仿真、组织仿真、业务流程仿真等；

• 在城市场景下，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、气体扩散仿真等（图4）；

• 在战场场景下，可能涉及到的仿真包括体系仿真、战场仿真、爆轰仿真、毁伤仿真等。

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在城市场景下的仿真示例

另外，虚拟现实（VR，含AR及MR）作为一类特殊的仿真技术，在近几年发展迅速，而且在以上四大场景中都有应用价值。人类通过屏幕与数字世界交互不仅不直观、不真实，而且交互的深度受到巨大限制。这三种技术提供的深度沉浸技术让人类与数字世界的交互方式与物理世界类似，使数字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，例如穿墙而过、隔空取物、时空穿越、变换大小等，将数字孪生体的应用推向极致。

未来，《黑客帝国》提供的驾驭数字世界的方式——人类的思维和意念通过可以以数字体的形式进入数字世界并操纵数字世界，将让人类将数字孪生体应用推向一个新高度。

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