導讀：重磅系列文章《數字孿生——一半是火焰，一半是海水》第三篇之「數字世界」基本的工作原理。
文/ 中國科學院瀋陽自動化研究所 彭慧 研究員
概要：本系列評述性文章記錄了作者近期關於數字孿生的思考結果。首先回顧並評述了數據孿生概念的起源，其次回顧並評述了各大工業軟體巨頭是如何定義和使用數字孿生的，之後從「數字世界」基本的工作原理角度重新審視了數字孿生，在前述工作的基礎上給出了個人關於數字孿生的觀點，並對想進入該領域的後來者給出了本人的忠告。本系列文章的寫作，得到了e-works數位化企業網總編黃培博士的鼓勵，並給出了寶貴的意見，在此表示衷心的感謝！。
本篇文章是該系列評述性文章的第三篇。
01
認識數字孿生
在本系列前兩篇文章《起源的故事》、《百花齊放》之中，回顧並評述了三種關於數字孿生的起源的故事，以及工業軟體巨頭們關於數字孿生方面的實踐。我們看到，關於什麼是數字孿生，出於解決問題的不同或專業背景的不同，各方人士給出了不一樣的定義。
在各種各樣數字孿生的定義中，儘管存在較大的差異，但這些定義還是有一些共同點的。大多數是將數字孿生定義為，實體對象的虛擬表示或數位化表示（virtual representation或digital representation）。這種表示既可以指實體對象的屬性特徵，也可以指實體對象的行為，更可以理解為兩者兼而有之。
另一種比較高大上的提法，叫模型（model），除了能夠描述實體對象的屬性特徵以外，還能夠描述出實體對象的行為特徵。而此處的模型，既可以是空間關係模型，也可以是內在關係模型；既可以是數量關係模型，也可以是因果關係模型；既可以是物理模型，也可以是化學模型；既可以是單一模型，也可以是混合模型等等。
還有一個比較共性的描述方式是將數字孿生定義為實體對象從物理世界到數字世界的一種映射，更準確一點講，是物理世界對象到數字世界對象的一種映射，這種映射可以是對象特徵的映射，也可以是對象運行機制的映射。個人認為，映射的提法，強調了數字孿生的保真度，但映射的結果還得落地，要麼用虛擬表示或數字表示，要麼用模型來承接。
△ 圖源：ANSYS
在賦予數字孿生上述兩個基本內涵，也就是數字表示或虛擬表示，以及模型之後，數字孿生玩家們開始分道揚鑣，各玩各的，換一種說法，依據其出身背景的不同、其目的不同或要解決的問題的不同，為數字孿生賦予了其它內涵。
Ansys為數字孿生賦予了仿真的內涵，並在此基礎上引入的IIOT的內涵；NASA除了仿真之外，更為數字孿生賦予了系統工程的思想，進而賦予了MBSE含義；達索系統將數字孿生用作其三維體驗產品及第三方產品之間進行集成的關鍵；西門子則用數字孿生重新詮釋了其數字工廠的理念；GE digital在面向GE公司高端裝備的實踐基礎上，將數字孿生與工業物聯網應用進行了深度整合；IIC和工業4.0平臺則利用數字孿生的理念更新了相關標籤。當然，還有PLM語境下的數字孿生，MES語境下的數字孿生，機器人語境下的數字孿生……超出製造業，還有智慧交通語境下的數字孿生，智慧城市語境下的數字孿生……估計再過幾年，只有人們不知道的數字孿生，而沒有想不到的數字孿生。
所以，如果談起數字孿生，一定要清楚地了解其在當前語境下的準確含義，更要清楚其使用數字孿生的目的。否則，將難以避免被引入歧途而不能自拔的窘境。
個人認為，要想深刻地理解數字孿生，從定義到定義，從概念到概念，意義不大。人類經過數百年甚至上千年的努力，創造出神奇的數字世界，我們必須弄清楚數字孿生本身賴以生存的這個數字世界的基本工作原理。或許在這樣一個大尺度的時空背景下，才不會落入井底之蛙的窘境，有一個更為清醒的認識。
02
數字世界的誕生
我們知道，數與數學是人類的大腦對客觀世界運行規律的理性認識與抽象。數與數學的發明，使得人們在真實感性的物理世界之外，創造出一個虛擬、抽象的數字世界，使得人們可以在這個數字世界中，抽象並描繪出現實物理世界中要解決的各種問題。人們能夠建立起用於某個待求解問題的數學模型，在此基礎上尋找到待求解問題的步驟，進而求解出該問題。隨著越來越多的數學定律與數學工具的發明與創造，以及基於數學發展起來的各種學科中各式各樣的科學規律、機理的不斷發現，人們在數字世界中求解現實世界問題的能力越來越強大。
但數字世界並不完美，一直以來，缺少一個可以進行問題求解的自動化工程工具。定義在數字世界中的問題求解過程或者問題求解工程，還必須由人類自身手工完成，但人類在數字世界中手工進行問題求解的能力、速度和精度遠遠不能滿足實際需求。這使得數學及依附於數學的科學或工程學解決現實世界中問題的能力大打折扣。特別是在工業革命之後，這個矛盾尤突出。
但自從1946年第一臺電子數字計算機ENIAC的發明之後，計算機技術蓬勃發展彌補了已存在上千年的數字世界這一缺陷，完美地解決了這個問題。在計算機及其衍生出來的計算機通訊網絡（現在合稱為信息通信技術ICT）中，數據的表示、存儲、加工、處理、計算以及傳輸工作完全是數位化的，更重要的是，求解問題的工作步驟——程序或軟體編制好後，計算機的工作完全是自動化、可重複的。計算機成為數字世界進行問題求解最自然，最強大，最通用的工具。計算機也是迄今為止，人類社會唯一通用的問題求解工具，是一門真正意義上的通用技術。
在人類社會的發展史上，人類第一次在物理世界的基礎上，創造出了一個嶄新、完美、精確而且可以不依賴人類自身的可以自動運行的數字世界，而計算機則是這個數字世界的基石。隨著計算機應用的普及和深入，這個數字世界的能力越來越強大，形式也越來越豐富多彩。所以，計算機的誕生意味著現代意義下完整數字世界的誕生。
03
數字世界的問題求解方式
雖然我們將第一臺計算機ENIAC稱之為「計算機」，一臺能夠像人一樣進行科學計算的機器，事實也確實是如此。但別忘了ENIAC是基於「圖靈機」這一理論模型，而圖靈機是一種有限狀態自動機，只要定義好一個待求解問題的初始狀態，求解問題的工作步驟以及狀態改變規則，這種有限狀態自動機就會自動地推演出問題的最終狀態，也就是問題的解，進而完成問題求解工作。或許使用過最原始的計算機機器語言編程的人能更深刻地體會到圖靈機的精髓。
所以ENIAC不僅僅是一臺能夠「計算」的工具，更是一臺能夠「算計」的工具，一臺通用的問題求解工具。自第一臺計算機誕生至今，70多年時間過去了，計算機自身的形態、功能、性能、可靠性和價格發生了天翻地覆的變化，但在寄生於計算機之中的數字世界進行問題求解的基本原理並沒有變化。即使是當前火熱的AI、物聯網、大數據、雲計算、5G等等，究其技術實現，莫不如此。
04
數據結構與算法
數字世界進行問題求解的利器
為了降低電腦程式編寫的難度與門檻，提高計算機軟體的開發效率，擴大計算機的應用範圍，計算專業人士研製了各具特色的、服務於各類人員的程序設計語言，以及上世紀80年之後誕生的服務於特定應用的各種中間件、平臺軟體、應用套件，如資料庫、交易中間件、CAD、PLM、ERP、MES、工控用的SCADA和歷史資料庫等，更發展出面向對象的方法和面向對象的語言，以及類似XML等更易於使用的各種描述性語言。
軟體技術的高速發展使得計算機使用人員，甚至計算機軟體開發人員離計算機最基本的工作原理越來越遠，對計算機本身的運行機制的認識越來越模糊，但離實際應用卻越來越近，這一趨勢是計算機應用普及深入的必然要求，也是計算機系統專業人員孜孜以求的目標與努力的方向。
無論軟體開發工具叫什麼，以什麼形式出現，但進行軟體開發的兩項最基礎、最核心的技術還沒有太多變化，那就是 「數據結構」與「算法」。這兩項技術成為了大學計算機專業學生的核心基礎課程，非計算機專業學生的必修課程。「數據結構」要教會學生如何在計算機中表達要求問題的特徵數據以及數據之間的關係，「算法」則要教會學生如何設計求解問題的詳細步驟。
所以，自計算機誕生之日起，「數據結構」與「算法」，就成為計算機專業人員解決實際問題的兩個基本手段。在以計算機專業人員為主體的計算機應用推廣年代，「數據結構」與「算法」很自然地成為計算機專業人員與各行各業待求解問題人員進行溝通與相互理解，進而進行問題求解的兩個基本工具。其背後深刻的原因在於，「數據結構」與「算法」對應著用圖靈機進行問題求解的兩項關鍵要素，即問題的狀態描述與問題的求解步驟。如果要定義計算機應用行業的最通用技術，還能找到比「數據結構」與「算法」更通用的技術了嗎？
但到了計算機應用普及深入階段，或者說到了以非計算機專業人員為主體的計算機應用推廣年代，再將「數據結構」與「算法」作為與各行各業待求解問題人員進行溝通與相互理解的工具，就遠遠不能滿足實際工作的需要了。我們需要一個直觀、生動形象、能激發人們想像力的溝通工具。
05
數字孿生出現在歷史舞臺
隨著計算機處理能力指數級增長、成本指數級下降、可靠性不斷提高、體積不斷縮小，計算機應用的深度與廣度不斷加深加大，人類解決現實世界問題的能力出現了爆炸式增強。與此同時，人類創造出來的數字世界變得越來越豐富多彩，越來越有價值，吸引了越來越多具有豐富想像力的玩家，特別是具有非計算機專業背景、但又期望使用計算機來解決自身問題的數量龐大的人群加入。
用計算機求解現實世界問題首要的關鍵環節，是要讓應用的決策者、用戶或最終的計算機使用人員能夠快速、準確地理解計算機能做什麼，最好能以生動形象的比喻或手法，來展示計算機具有的問題求解能力、過程與原理。
以「圖靈機」的工作原理或者其抽象表達——「數據結構」與「算法」，雖然是一種科學、嚴謹的表達，但卻無比的冰冷、無趣、枯燥，沒有給使用者留下多少想像空間，反應出計算機專業人員的理性、邏輯嚴密、抽象、自我為中心的思維方式，但對計算機應用人員而言，確實是難以理解、溝通，毫無吸引力。
如何尋找到一種生動、形象、有吸引力的計算機求解問題模式的描述，或者說為非計算機專業的計算機應用人士提供一種全新的應用計算機解決問題的思考方式，則成為進一步拓展計算機應用廣度與深度的一個重要推手。
在這樣一個大的背景之下，隨著以CAD為代表的各種可視化設計技術的進展，給予了或誘發了人們充分的想像空間。終於將「數字世界」這一人類與ENIAC計算機同時發明創造出來卻又沉睡了五十多年的虛擬、抽象、完美的數字世界以「數字孿生」的這樣一種生動、形象、讓人充滿無窮想像力的全新形式，推向了可以令普通大眾更為容易和接受的歷史舞臺中心。
06
結束語
個人認為，數字孿生是目前詮釋數字世界工作原理的最好表述。而數字世界則是數字孿生之花遍地開發的技術基礎及根源。
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