“数字世界”基本的工作原理

导 读

概要：本系列评述性文章记录了作者近期关于数字孪生的思考结果。首先回顾并评述了数据孪生概念的起源，其次回顾并评述了各大工业软件巨头是如何定义和使用数字孪生的，之后从“数字世界”基本的工作原理角度重新审视了数字孪生，在前述工作的基础上给出了个人关于数字孪生的观点，并对想进入该领域的后来者给出了本人的忠告。本篇文章是该系列评述性文章的第三篇。

01

认识数字孪生

在本系列前两篇文章《起源的故事》、《百花齐放》之中，回顾并评述了三种关于数字孪生的起源的故事，以及工业软件巨头们关于数字孪生方面的实践。我们看到，关于什么是数字孪生，出于解决问题的不同或专业背景的不同，各方人士给出了不一样的定义。

在各种各样数字孪生的定义中，尽管存在较大的差异，但这些定义还是有一些共同点的。大多数是将数字孪生定义为，实体对象的虚拟表示或数字化表示（virtual representation或digital representation）。这种表示既可以指实体对象的属性特征，也可以指实体对象的行为，更可以理解为两者兼而有之。

另一种比较高大上的提法，叫模型（model），除了能够描述实体对象的属性特征以外，还能够描述出实体对象的行为特征。而此处的模型，既可以是空间关系模型，也可以是内在关系模型；既可以是数量关系模型，也可以是因果关系模型；既可以是物理模型，也可以是化学模型；既可以是单一模型，也可以是混合模型等等。

还有一个比较共性的描述方式是将数字孪生定义为实体对象从物理世界到数字世界的一种映射，更准确一点讲，是物理世界对象到数字世界对象的一种映射，这种映射可以是对象特征的映射，也可以是对象运行机制的映射。个人认为，映射的提法，强调了数字孪生的保真度，但映射的结果还得落地，要么用虚拟表示或数字表示，要么用模型来承接。

△ 图源：ANSYS

在赋予数字孪生上述两个基本内涵，也就是数字表示或虚拟表示，以及模型之后，数字孪生玩家们开始分道扬镳，各玩各的，换一种说法，依据其出身背景的不同、其目的不同或要解决的问题的不同，为数字孪生赋予了其它内涵。

Ansys为数字孪生赋予了仿真的内涵，并在此基础上引入的IIOT的内涵；NASA除了仿真之外，更为数字孪生赋予了系统工程的思想，进而赋予了MBSE含义；达索系统将数字孪生用作其三维体验产品及第三方产品之间进行集成的关键；西门子则用数字孪生重新诠释了其数字工厂的理念；GE digital在面向GE公司高端装备的实践基础上，将数字孪生与工业物联网应用进行了深度整合；IIC和工业4.0平台则利用数字孪生的理念更新了相关标签。当然，还有PLM语境下的数字孪生，MES语境下的数字孪生，机器人语境下的数字孪生……超出制造业，还有智慧交通语境下的数字孪生，智慧城市语境下的数字孪生……估计再过几年，只有人们不知道的数字孪生，而没有想不到的数字孪生。

所以，如果谈起数字孪生，一定要清楚地了解其在当前语境下的准确含义，更要清楚其使用数字孪生的目的。否则，将难以避免被引入歧途而不能自拔的窘境。

个人认为，要想深刻地理解数字孪生，从定义到定义，从概念到概念，意义不大。人类经过数百年甚至上千年的努力，创造出神奇的数字世界，我们必须弄清楚数字孪生本身赖以生存的这个数字世界的基本工作原理。或许在这样一个大尺度的时空背景下，才不会落入井底之蛙的窘境，有一个更为清醒的认识。 02

数字世界的诞生

我们知道，数与数学是人类的大脑对客观世界运行规律的理性认识与抽象。数与数学的发明，使得人们在真实感性的物理世界之外，创造出一个虚拟、抽象的数字世界，使得人们可以在这个数字世界中，抽象并描绘出现实物理世界中要解决的各种问题。人们能够建立起用于某个待求解问题的数学模型，在此基础上寻找到待求解问题的步骤，进而求解出该问题。随着越来越多的数学定律与数学工具的发明与创造，以及基于数学发展起来的各种学科中各式各样的科学规律、机理的不断发现，人们在数字世界中求解现实世界问题的能力越来越强大。

但数字世界并不完美，一直以来，缺少一个可以进行问题求解的自动化工程工具。定义在数字世界中的问题求解过程或者问题求解工程，还必须由人类自身手工完成，但人类在数字世界中手工进行问题求解的能力、速度和精度远远不能满足实际需求。这使得数学及依附于数学的科学或工程学解决现实世界中问题的能力大打折扣。特别是在工业革命之后，这个矛盾尤突出。

但自从1946年第一台电子数字计算机ENIAC的发明之后，计算机技术蓬勃发展弥补了已存在上千年的数字世界这一缺陷，完美地解决了这个问题。在计算机及其衍生出来的计算机通讯网络（现在合称为信息通信技术ICT）中，数据的表示、存储、加工、处理、计算以及传输工作完全是数字化的，更重要的是，求解问题的工作步骤——程序或软件编制好后，计算机的工作完全是自动化、可重复的。计算机成为数字世界进行问题求解最自然，最强大，最通用的工具。计算机也是迄今为止，人类社会唯一通用的问题求解工具，是一门真正意义上的通用技术。

在人类社会的发展史上，人类第一次在物理世界的基础上，创造出了一个崭新、完美、精确而且可以不依赖人类自身的可以自动运行的数字世界，而计算机则是这个数字世界的基石。随着计算机应用的普及和深入，这个数字世界的能力越来越强大，形式也越来越丰富多彩。所以，计算机的诞生意味着现代意义下完整数字世界的诞生。 03

数字世界的问题求解方式

虽然我们将第一台计算机ENIAC称之为“计算机”，一台能够像人一样进行科学计算的机器，事实也确实是如此。但别忘了ENIAC是基于“图灵机”这一理论模型，而图灵机是一种有限状态自动机，只要定义好一个待求解问题的初始状态，求解问题的工作步骤以及状态改变规则，这种有限状态自动机就会自动地推演出问题的最终状态，也就是问题的解，进而完成问题求解工作。或许使用过最原始的计算机机器语言编程的人能更深刻地体会到图灵机的精髓。

所以ENIAC不仅仅是一台能够“计算”的工具，更是一台能够“算计”的工具，一台通用的问题求解工具。自第一台计算机诞生至今，70多年时间过去了，计算机自身的形态、功能、性能、可靠性和价格发生了天翻地覆的变化，但在寄生于计算机之中的数字世界进行问题求解的基本原理并没有变化。即使是当前火热的AI、物联网、大数据、云计算、5G等等，究其技术实现，莫不如此。 04

数据结构与算法

数字世界进行问题求解的利器

为了降低计算机程序编写的难度与门槛，提高计算机软件的开发效率，扩大计算机的应用范围，计算专业人士研制了各具特色的、服务于各类人员的程序设计语言，以及上世纪80年之后诞生的服务于特定应用的各种中间件、平台软件、应用套件，如数据库、交易中间件、CAD、PLM、ERP、MES、工控用的SCADA和历史数据库等，更发展出面向对象的方法和面向对象的语言，以及类似XML等更易于使用的各种描述性语言。

软件技术的高速发展使得计算机使用人员，甚至计算机软件开发人员离计算机最基本的工作原理越来越远，对计算机本身的运行机制的认识越来越模糊，但离实际应用却越来越近，这一趋势是计算机应用普及深入的必然要求，也是计算机系统专业人员孜孜以求的目标与努力的方向。

无论软件开发工具叫什么，以什么形式出现，但进行软件开发的两项最基础、最核心的技术还没有太多变化，那就是 “数据结构”与“算法”。这两项技术成为了大学计算机专业学生的核心基础课程，非计算机专业学生的必修课程。“数据结构”要教会学生如何在计算机中表达要求问题的特征数据以及数据之间的关系，“算法”则要教会学生如何设计求解问题的详细步骤。

所以，自计算机诞生之日起，“数据结构”与“算法”，就成为计算机专业人员解决实际问题的两个基本手段。在以计算机专业人员为主体的计算机应用推广年代，“数据结构”与“算法”很自然地成为计算机专业人员与各行各业待求解问题人员进行沟通与相互理解，进而进行问题求解的两个基本工具。其背后深刻的原因在于，“数据结构”与“算法”对应着用图灵机进行问题求解的两项关键要素，即问题的状态描述与问题的求解步骤。如果要定义计算机应用行业的最通用技术，还能找到比“数据结构”与“算法”更通用的技术了吗？

但到了计算机应用普及深入阶段，或者说到了以非计算机专业人员为主体的计算机应用推广年代，再将“数据结构”与“算法”作为与各行各业待求解问题人员进行沟通与相互理解的工具，就远远不能满足实际工作的需要了。我们需要一个直观、生动形象、能激发人们想象力的沟通工具。 05

数字孪生出现在历史舞台

随着计算机处理能力指数级增长、成本指数级下降、可靠性不断提高、体积不断缩小，计算机应用的深度与广度不断加深加大，人类解决现实世界问题的能力出现了爆炸式增强。与此同时，人类创造出来的数字世界变得越来越丰富多彩，越来越有价值，吸引了越来越多具有丰富想象力的玩家，特别是具有非计算机专业背景、但又期望使用计算机来解决自身问题的数量庞大的人群加入。

用计算机求解现实世界问题首要的关键环节，是要让应用的决策者、用户或最终的计算机使用人员能够快速、准确地理解计算机能做什么，最好能以生动形象的比喻或手法，来展示计算机具有的问题求解能力、过程与原理。

以“图灵机”的工作原理或者其抽象表达——“数据结构”与“算法”，虽然是一种科学、严谨的表达，但却无比的冰冷、无趣、枯燥，没有给使用者留下多少想象空间，反应出计算机专业人员的理性、逻辑严密、抽象、自我为中心的思维方式，但对计算机应用人员而言，确实是难以理解、沟通，毫无吸引力。

如何寻找到一种生动、形象、有吸引力的计算机求解问题模式的描述，或者说为非计算机专业的计算机应用人士提供一种全新的应用计算机解决问题的思考方式，则成为进一步拓展计算机应用广度与深度的一个重要推手。

在这样一个大的背景之下，随着以CAD为代表的各种可视化设计技术的进展，给予了或诱发了人们充分的想象空间。终于将“数字世界”这一人类与ENIAC计算机同时发明创造出来却又沉睡了五十多年的虚拟、抽象、完美的数字世界以“数字孪生”的这样一种生动、形象、让人充满无穷想象力的全新形式，推向了可以令普通大众更为容易和接受的历史舞台中心。 06

结束语

个人认为，数字孪生是目前诠释数字世界工作原理的最好表述。而数字世界则是数字孪生之花遍地开发的技术基础及根源。

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