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21世纪是数位双生之世纪
[作者 馮升華]   2021年01月08日 星期五 浏览人次: [1199]

若用哲学去思考数位双生技术,都说科学的尽头是哲学,数位双生的尽头当然也是哲学。首先我们要建立正确的数位双生的哲学三观。也就是建立数位双生的世界观、价值观和人生观。



图1 : 数位双生的哲学思考
图1 : 数位双生的哲学思考

首先谈到的是数位双生的世界观,我们经常听说,有什麽样的世界观,就有什麽样的人生观和价值观。让我们首先把思维,穿越到人类诞生之初,我们的古猿祖先是如何认识世界和改造世界的。



图2 : 从「脑海双生」到「数位双生」
图2 : 从「脑海双生」到「数位双生」

在旧时期时代,人类的制造业是石刀和石斧,基础建设产业是有巢氏教会我们搭建简易的树屋,生命科学产业是神农氏教会我们尝遍百草,我们的祖先在做这些事情的时候,在他们的脑海里,一定有石刀和石斧的样子,有树屋与百草的样子,正是这样的脑海双生,指导着我们祖先,打造最简单的石刀和石斧,建造最简单的树屋。


那个时候知识的承载方式是语言双生;来到青铜器时代,文字的诞生,承载知识的主要手段变成书籍双生;人类进入工业革命後,又带来照相术和摄影术,多媒体双生成为书籍双生的辅助手段。直到上个世纪末,随着电脑时代的到来,数位完全成为知识承载的重要手段。


在数位双生时代,人类认识世界和改造世界的手段发生了什麽样的变化?



图3 : 数位双生的世界观
图3 : 数位双生的世界观

当然我们人类认识世界和改造世界最原始的手段就是运用我们的五官去直接体验,比如透过视觉,人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静,获得对生物生存具有重要意义的各种资讯,至少有80%以上的外界资讯经视觉获得。当然还有听觉、??觉、味觉和触觉。


我们对客观世界感知到的部分称之为体验世界(E-World),我们可以将感知到的事物,在我们心目当中产生的印象称之为体验双生。


由於人类感官的局限性,我们所能够感知的资讯,距离越近感知越多,距离越远感知越少,我们对客观世界的体验是局部的、有限的、模糊的。


「君子性非异也,善假於物也」。为了更精确的理解世界、认识世界和改造世界,人们发明了各种各样的测量器具,来帮助我们更精准的认识世界。从古代的尺规,到今天的感测器,让我们能够更快更准确的获取客观世界的各种叁数资讯。基於这些叁数资讯建构的世界,我们称之为测量世界(M-World)。透过对这些资讯的分析,我们来预测可能产生的失效并消除风险,或提升工厂的生产效率。


由於测量设备与测量精准度的有限性,我们采用测量方式,建立的测量资料世界,必然是碎片化的、带有测量误差的、有延迟的结果。


藉由电脑建模技术,我们可以在数位世界里建立虚拟产品、虚拟工厂甚至虚拟城市。我们可以称之为真实世界或客观世界的虚拟双生。


虚拟世界(V-World)是理想化的世界,虚拟双生之上能够承载人类对客观世界已知的知识。透过测量的方式获取的外部资讯,我们通常只能做到所以然,是事物运行的结果;而虚拟双生要求我们了解事物运行的机制,能够实现知其然、知其所以然。


由於其知识承载的不完备性,我们人类建造的虚拟世界,也是局部的、有限内容的、非精确的,为客观世界的一部分。


既然三种认识世界的手段都是碎片化的、非精准的,我们通常会将三种不同的手段结合在一起使用,比如我们可以将实际工厂里的运作资讯,近??即时的显示在虚拟人生工厂的相关设备之上。


我们建立实测世界、虚拟世界和体验世界的最终目的,就是为了提升人类的体验,就是为了要获得产品的最隹体验。


接下来我们首先探讨一下,在实测世界里面,我们到底有什麽样的测量手段来获取客观世界的资讯。



图4 : 实测世界/计量学
图4 : 实测世界/计量学

度量衡学包括涉及测量理论和实用的各个方面,不论其不确定度如何,也不论其用於什麽测量技术领域。


这是国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures;BIPM),国际标准组织(International Organization for Standardization;ISO)与国际法制计量组织(International Organization of Legal Metrology;OIML)以及国际临床化学和检验医学联合会(International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine;IFCC)、国际纯化学暨应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry;IUPAC)和国际纯粹及应用物理学联合会(International Union of Pure and Applied Physics;IUPAP)等七个国际组织联合制订的《国际通用度量衡学基本术语》中,对度量衡学的定义。


若按专业把度量衡分为十大类度量衡,即几何量度量衡、热学度量衡、力学度量衡、电磁学度量衡、电子学度量衡、时间频率度量衡、电离辐射度量衡、声学度量衡、光学度量衡、化学度量衡。


几何量度量衡在习惯上又称长度度量衡。按项目分类,包括:线纹度量衡、端度度量衡、线胀系数、大长度度量衡、角度度量衡、表面粗糙度、齿轮、螺纹、面积、体积等度量衡;也包括形位叁数:直线度、平面度、圆度、垂直度、同轴度、平行度、对称度等计量;绝大部分物理量都是以几何量资讯的形式进行定量描述的,在度量衡单位中占有重要地位。



图5 : 实测世界 / 尺度与误差范围
图5 : 实测世界 / 尺度与误差范围

国际单位制(SI),源自公制或公尺制,旧称「万国公制」,是现时世界上最普遍采用的标准度量衡单位系统,采用十进位进位元系统。


在国际单位制中,将单位分成三类:基本单位、导出单位和辅助单位。7个严格定义的基本单位是:长度(米)、重量(千克)、时间(秒)、电流(安培)、热力学温度(开尔文)、物质的量(摩尔)和发光强度(坎德拉)。


测量时,要选择合适的单位和尺度(Scale),比如长度的测量,新冠病毒的平均直径为100奈米,质子的半径为0.831飞米(2019年11月测出来的结果,Nature杂志,美国维吉尼亚州汤玛斯·杰弗逊国家实验室加速器混合式量热计(HYCAL);人类迄今为止观察到最远的星系(也就是红移最大的星系),红移值达到了11.1,对应着大约134亿光年的距离。


一般说来,真值不可能确切获知。不管用任何测量手段,测量结果与真值之间总是存在误差,准确度是分析结果与真值的相符程度。准确度通常用误差来表示,误差越小,表示分析结果的准确度越高。误差可以用绝对误差和相对误差来表示。绝对误差是分析结果与真值之差,相对误差是绝对误差和真值的百分比率。


在实际应用中,我们经常使用感测器来持续不断的测量数据,或者说以某一时间间隔不断的获得测量资料。人们发明了各种各样的感测器去测量数据,建构测量世界。以达梭系统的3DEXPERIENCE MarketPlace为例,可以查询到上万种不同型号和品牌的感测器。



图6
图6

感测器的应用在现在的产品中十分常见。一台新型的自动驾驶汽车上,可能会装有数百个感测器,甚至有的手机都安装了上百个感测器。



图7 : 实测世界/ 感测器无处不在
图7 : 实测世界/ 感测器无处不在

除了用感测器来测量数据,我们也会采用摄影机来捕获人类的产业经验,透过摄影机采集的影音流和图像数据,运用人工智慧的分析,来掌握人类在生产、生活中的经验。



图8
图8

运用3D雷射扫描设备,我们可以获得大型设施,如工厂的点云图,甚至透过模型库,藉由机器识别的演算法,快速建立工厂的模型。



图9
图9

从实测世界中的生产线、设备、产品、感测器等获得的数据,汇集到云端,形成工业大数据,建构於网路上,形成工业网路(Industrial Internet)。以对工业大数据的分析为基础,达到提升效率、降低成本的目的。



图10 : 实测世界 / 工业物联网
图10 : 实测世界 / 工业物联网

以工业大数据为基础的工业网路,受限於实测世界的限制,也就是不管怎麽做都会有碎片化、有时间延迟、有误差,而工业网路的未来演进,也会围绕着如何部署更多的感测器、获取更多的资讯、提升感测器的测量精准度、提升资讯获取、资讯传输和资讯运算的速度等方向进行。



图11 : 工业物联网的未来演进
图11 : 工业物联网的未来演进

摩尔定律在工业网路的演进过程中,能够发挥一定作用,工业大数据每两年新增的速度,大致上是符合摩尔定律的。为了实现更快的资讯传输,通讯能力也每隔10年上升一代,未来10年是5G的时代,依此类推,2100年将进入13G的时代。


以上我们谈到的是如何建构实测世界。透过测量,往往我们只能够获得表面的资讯、外在的资讯。我们只能透过这些外在的资讯进行有限的内在机制的推理。比如说一些工业网路的专案,采集了一条生产线上感测器和装置的资讯进行分析,试图透过这些资料的分析,来提升产品的品质,或者生产效率,但由於是先有生产线,再有工业网路,能够改善的空间是有限的,如果生产线本身的工艺设计和工厂布局就是不合理的,透过工业网路的手段是很难发现的。通过虚拟工厂、虚拟双生的手段,则可以从根本上解决这些问题。


作为产品设计的重要手段,在电脑中建立产品的虚拟双生,应用已经十分普遍。今天我们能够见到的绝大多数产品,尤其是复杂的产品,这里产品的概念指的是广义产品的概念,涵盖了制造业,从工厂里生产制造出来的产品,以及我们建造的市政工程建设和建筑乃至城市、药物和各种化工材料,在产品的研发阶段,都多多少少地应用了虚拟双生技术。



图12 : 虚拟世界/ 虚拟双生发展的五个阶段
图12 : 虚拟世界/ 虚拟双生发展的五个阶段

在虚拟双生技术的不断演进过程中,达梭系统在过去接近40年时间里,引领了虚拟双生的五次革命性发展阶段。


从最早的几何双生(从2D向3D转化),到1989年的多学科虚拟双生(数位样机时代)、1999年的产品生命周期虚拟双生(3DPLM - 产品生命周期管理)、2012年的3D体验双生,来到2020年提出的人体虚拟双生体验(Virtual Twin Experience of Humans)。



图13 : 虚拟世界/ 基於模型的几何外观双生
图13 : 虚拟世界/ 基於模型的几何外观双生

在上个世纪80年代初,CATIA将产品设计从2D升级到3D设计,带来了所见即所得的技术。从尺寸、材质、外观上,逼真地表达产品的几何外观双生。几何外观双生承载了产品几何外观的知识。



图14 : 虚拟世界/基於模型的多学科多专业数位双生
图14 : 虚拟世界/基於模型的多学科多专业数位双生

承载产品内在知识的双生是多学科多专业虚拟双生。通过对多学科多专业虚拟双生建模,支撑产品在结构、材料、热学、流体、电磁学、系统工程、地球物理学、化学、生物学方面的知识。


除了考虑产品的最终状态,我们在增加时间维度,将产品的生命周期,完全涵盖进来,包括产品的成熟度,从0%~100%,包括产品从摇篮到坟墓的整个历程,建构产品生命周期双生。


除了考虑产品本身,我们还需要建构产品的上下文知识与产品的各种使用场景,我们就需要构造3D体验双生。



图15
图15

从原子到分子,从分子到材料,从材料到零件,从零件到部件,从部件到产品,从产品到应用场景,从基础建设到城市,从城市到国家,从国家到星球,我们最终能够建构从原子到星球的虚拟双生。



图16 : 虚拟世界/ 不同等级的复杂程度
图16 : 虚拟世界/ 不同等级的复杂程度

建构虚拟双生世界,涉及到不同等级的复杂程度。一个典型的制造业的产品:汽车,大概有3万个零件组成;人类建造的最大的单体产品:航空母舰,通常由10亿个零件组成;人类建造的城市:数百万楝建筑;麒麟990的晶片:整合了上百亿的电晶体;而生命的复杂性远远超过人造的这些产品,人体是由大约37.2万亿细胞组成,每一个细胞在一个周期要生产4200万蛋白质。


能够建构虚拟世界,就意味着人类掌握了虚拟世界的知识。将为人类的未来带来更多突破性的进展。


在未来20年里,我们将能够建立基本完整的人体虚拟双生,医学也将进入一个全新阶段。今天的医院,治疗体系还是以实测世界为基础的,透过体检的各种叁数、体温和白细胞指数等等指标,来进行诊断、制定治疗方案;而当我们能够建立人体虚拟双生的时候,根本就不会等到疾病产生的时候再去治疗,我们能够获得永续的健康,摆脱任何疾病的困扰。


我们通常讲,藉由我们的五官,我们能够认识客观世界。透过对5种感官的满足,人类能够获得丰富的体验。



图17
图17

体验可以用来分享、体验可以复制,体验甚至可以成为商品,体验已经成为一种经济模式,也就是体验经济。我们的食、衣、住、行,工作、生活和娱乐都是体验,旅游是体验、感情也是体验。



图18 : 新体验经济转型
图18 : 新体验经济转型

在体验经济的时代,各行各业的人类活动都围绕提升体验展开。产品的生命周期始於体验,终於体验,产品研发的反覆运算过程是体验不断升级的过程。在体验经济社会,产品的定义应该用体验来定义。



图19 : 体验定义产品
图19 : 体验定义产品

产品只一个,体验千千万。成千上万的商品,被成千上万的人所使用,我们每一天都在体验不同的产品,我们每一个时刻都在体验不同的场景。我们在网路和论坛里,在各种各样的社交场合去分享我们的体验,所有的人类体验,最终构成体验网路:Internet of Experience。


体验世界(体验网路)、实测世界(工业网路)和虚拟世界(从原子到星球到虚拟双生)构成了人类对客观世界认识整体范畴。接下来,让我们思考一下其他的科学技术。


Gartner公司的??总裁Jackie Fenn女士自1995年起开始每年推出新技术炒作周期曲线,在分析近千种最新技术的基础上,去发现技术创新的规律。下图是我收集的过去十六年的Gartner Emerging Technologies Hype Cycle曲线。因为这条曲线长得特别像中国的黄河,於是称之为「黄河曲线」。



图20
图20

让我们一起思考一个问题:Jackie Fenn的黄河曲线讲了如此众多的技术,哪一种技术才是最重要的?哪一种技术可以涵盖所有其他技术?


历史上最伟大的科学家之一,牛顿统一了天上的力学和地上的力学;麦克斯韦统一了电学和磁学,创造了电磁学;杨振宁开创的杨-米尔斯场统一了强力、弱力和电磁力,爱因斯坦一辈子的梦想就是把相对论和量子力学统一起来,把四种力:强力、弱力、电磁力和引力统一起来,最终也没有实现。


今天世界上有这麽多先进的技术,能不能用一句话把所有的技术都连接在一起?有没有一种技术能把所有的这些技术统一起来?这种技术就是数位双生。



图21 : 统一技术:数位双生
图21 : 统一技术:数位双生

因为我们人类认识世界和改造客观世界的手段,都可以归结为实测世界,虚拟世界和体验世界,因此认识世界和改造客观世界的技术,都可以归结为数位双生的技术,数位双生就是这个大一统的技术。感测器技术、雷射扫描技术、三座标测量仪、机器学习、扩增时、工业大数据、工业网路、ERP、MOM等等,这些技术都是建构实测世界的技术。


虚拟双生(Virtual Twin)、CAD、CAE、CAM、VR、3D列印、PLM等等,都是属於构造虚拟世界的技术;3DEXPERIENCE、数位社区、人工智慧、感测质量等等,都是属於构造体验世界的技术。


有人说21世纪是材料科学的世纪,也有人说21世纪是生命科学的世纪,但既然我们研究材料科学和生命科学,背後使用的都是数位双生的技术,21世纪当仁不让就是数位双生的世纪。


为了让人类的所有知识和技术,所有认识世界和改造世界的手段,放到一个平台里面去支撑,我们就需要一个一体化的、数据驱动的虚拟双生体验平台,将实测世界的资料和技术手段、虚拟世界的多学科多专业知识以及虚拟双生相关技术、体验世界的人类体验结合在一起,为人类、为企业和个体提供3D体验环境,帮助人们进行永续创新,实现产品、自然和生命的和谐状态。这就是达梭系统提出的3D体验平台。



图22 : 数位双生一体化平台
图22 : 数位双生一体化平台

3D体验平台秉承一个核心理念,就是要以提升产品的体验为核心。藉由工业网路、虚拟双生、体验互联网三个世界的构筑手段,以定义体验、验证体验、交付体验为主要服务内容,以不断的推出更好的体验,来驱动人类历史向前。



图23 : 体验思维提供创新架构 3D体验平台支持虚拟双生体验
图23 : 体验思维提供创新架构 3D体验平台支持虚拟双生体验

因此,我们可以总结为:21世纪是数位双生的世纪、21世纪的平台是3D体验平台。


(作者为达梭系统大中华区技术总监冯升华博士;图片来源:达梭系统)


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