数字孪生体的智能与智慧从哪里来？
2022-11-14 来源：数字孪生体实验室
物联网的采用，让数字孪生体具备了生命爆发的基础。但如果缺乏思考能力，数字孪生体就是个傀儡、僵尸或植物人形态的孪生体，正如寒武纪时代的生物，虽然物种爆发了，但智力远远没有达到现代生物的程度。具有理性思考、预测与判断能力的数字孪生体才是真正有生命力的孪生体。
人类能够称霸地球靠的是超强的大脑。正是大脑的不断进化，让人类拥有了更为高级的智慧：强大的逻辑推理能力、思考判断能力，以及丰富的想象力和创造力。数字孪生体与物理世界的互动、推理判断、以及预测能力，跟人类大脑的功能有着异曲同工之妙。数字孪生体之所以能够产生价值，在于其能够通过互动感知、数字建模、模拟仿真、数据分析等，影响并有效解决物理世界问题的能力。
我们需要提前知道数字孪生体和物理世界将要发生什么。数字孪生体的两大器官——数字模型（躯体）和互动系统（神经）——使得数字孪生体具有了初步的生命特征，可以感知和驱动物理世界。让数字孪生体更有生命力的原因，是产生能够理性思考、预测与判断能力的大脑的进化和形成。
模拟仿真
数字孪生体的“左脑”
模拟仿真是基于完整信息和明确机理计算未来，将“数化”过程建立的模型与物理机理相结合，包括材料性质、理论规律、工程规律等，根据完整和实时的边界条件和物理状态，来计算和预测数字模型的下一步状态。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动态仿真。实时边界条件和物理对象状态是被完整测量，可作为物理规律的完备输入条件。模拟仿真的输出结果必须具有确定化和无二义性的特征。
数字孪生体中的仿真与传统仿真的最大区别在于“实时”。传统仿真过程通常是提前判定未来产品可能面对的各种环境，换算为工况或边界条件，同时给出可能的初始条件，然后预测给定时间后的产品运行状况。但实时仿真则需要获得即时的环境和物理世界的当前状态，以此作为边界条件和初始条件，来预测物理世界未来的运行状况。“实时”二字依赖于“互动”过程的测量系统来保证。
另外，此处所说的仿真是广义仿真，那些具有明确物理机理的计算过程都属于广义仿真，包括物理（如流动、力学、化学等）原理确定并被实践验证，往往被作为成熟理论来使用，包含公理、定理、公式、数值计算、工程算法、经验公式等。模拟仿真采用的工具包括算法程序、各类CAE工具，譬如物理场仿真、人群仿真、交通仿真、物流仿真、组织仿真等。
通常来说，CAE有两种类型：物理场仿真和系统仿真。物理场仿真通常是三维的，计算规模大、时间长，通常无法满足数字孪生体与物理对象实时交互的需要；系统仿真通常是一维的，具有速度快的优势，通常可以达到实时交互要求。因此，在数字孪生实践中，往往需要把三维仿真过程进行降阶（ROM），抽取其中你关注的特性和参数，转换成一维模型来参与计算。
我们把模拟仿真过程称为“先知”，该过程提供了数字孪生体的“左脑”。人类的左脑专事逻辑推理和理性判断，只要具有明确规律和逻辑，不管多复杂，总是可以通过推理获得明确的结论，提前知道数字孪生体和物理对象将会发生什么。此时的数字孪生体就是一个有头脑、会思考的智能孪生体，开始具有明显的生命特征，特别是人类的理性思维特征。
我们之所以提出“无仿真，不孪生”的观点，就是因为生命体最有价值的特征是理性思考和智能判断，而仿真才能提供这样的特性。
数据分析
数字孪生体的“右脑”
数据分析过程是基于不完整信息和不明确机理来推测未来。我们的世界中，大多数现象的物理规律并不明确，大多数情况无法获得完备的边界条件和物理状态，但我们仍然不得不对未来做出预测，哪怕是再模糊的判断，仍然好于毫无判断。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。
大数据和人工智能（AI）技术是数据分析的关键技术。根据通过“互动”过程收集的数据以及“先知”过程输出的数据，利用相关性分析建立物理世界的近似模型，依据当前边界条件和物理状态进行下一步状态的预测，并且对近似模型逐步优化。当前边界条件和物理对象状态虽不完整，但也只能作为近似模型的输入条件，输出的结果当然距离物理世界的真实情况有一定偏差。
因此，数字孪生体的数据分析与传统数据分析的最大不同也在于“实时”，否则分析模型无法进化。在数字孪生体实时数据分析过程中，随着机器学习的持续，算法和模型逐步改善，近似模型会越来越逼近物理机理，预测结果也会逼近物理世界。也正是因为这个原因，业界有人将大数据及AI视为科学研究的“第四范式”，科研方法从传统的三种方法——理论、实验、计算拓展到第四种方法——大数据及AI。
我们把这个过程称为“先觉”，提供了数字孪生体的“右脑”。人类的右脑专事感性思维，利用直觉和第六感来获得对世界的判断和预测。当然这里指的直觉是那种优秀的直觉，而非普通人的直觉。优秀的直觉源于对丰富经历和有效经验的高度总结，还需要经常性的深度思考和远期瞭望。我们的社会中确有一类具有这种优秀和敏锐直觉的人，是他们引导着我们的企业、机构甚至人类的发展方向。
大脑提供了智能和智慧
智能和智慧两个词在各种文献中经常出现，但很少解释他们之间的区别，常常模糊处理。人们谈到智能的时候，包含着一种居高临下的优越感，但谈到智慧的时候，却充满着一种处下仰上的崇拜。智能是一眼看穿结局的意料之举，而智慧带来的却是结局出现后的恍然大悟。
基于数字孪生体生命体的左脑和右脑的特征，我们认为，智能是基于确定的机理、清晰的边界条件和明确的初始条件对未来的预测，智慧是基于不确定的机理、不清晰的边界条件和不明确的初始条件对未来的预测。智能是面对已知路径的气定神闲，智慧则是面对未知时空的千思万虑。
所以，智能往往是科学和技术的深化，而智慧往往是哲学和思想的升华。在中国古人的认知中，智能往往与脑联系在一起，智慧往往与心联系在一起。其实，从解剖学的角度看，智能与左脑和当下判断有关，智慧与右脑和长远韬略有关。
我们提出“数字孪生体是仿真应用新巅峰”这一论断，因为在数字孪生体成熟度进化的每个过程中，仿真都扮演着不可或缺的角色，它为数字孪生体提供了基于理性分析的智能判断。另外，我们不应局限于人类对物理世界的确定性知识，数据分析可以为数字孪生体提供基于无限直觉的智慧预测。
有观点说，人类的大脑只开发了5%，还有巨大的开发空间。从进化的角度，我一直不认可这种观点，自然界不可能进化出一点点没有用的东西，何况有95%之多。但不管怎么样，现在数字孪生体的超级大脑，可以为人脑所用，扩展人脑的智能和智慧。
业界有个说法：人工智能（AI）未来可能会颠覆人类的权利而主宰世界，主从关系互换，人类会成为AI的奴隶。如果有这一天，那必是AI从智能上升到智慧的那一天。所以，发展数字孪生体，请它来延伸我们的大脑，但也需要考虑好怎样把它的权利锁进笼子里。
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