从《黑客帝国》看数字孪生

为了解数字孪生的终态，重新看了《黑客帝国》三部曲，剧中介绍在21XX年后当机器文明战胜人类文明后，机器文明为了获得人类进化的不确定性，创造了母体Matrix这个完全的数字世界，让现实世界的人精神数字化，数字化世界与真实世界中人的大脑连通，让人们认为自己生活在真实世界中。用舰长墨菲斯与救世主尼尔说的一段话来介绍数字世界Matrix:

“

这是一个建造物，我们的寄存程序

我们可以寄存衣服、设备、武器、模拟训练

样样都可以（模拟）

你一直生活在数字模拟世界

Matrix是一种控制，是电脑模拟的梦世界”

也就是说母体Matrix是机器文明布设的一盘大棋，人类自认为在现实世界独立选择，其实这一切是在反映机器的意志，从这个视角看，黑客旁国对数字化世界终态作了这样的描绘：数字化一切，将一切需要人去介入的环境或事物用数字化手段模拟，以一个数字化大脑驱动人类的发展。

电影里还有一些有趣的点与当前热门的数字化话题有点对应，比如尼尔在被崔妮蒂激活后看到整个世界就是数据，这与数字化的本质是将物理实体通过数据模拟对应；再比如真实世界的人与数字世界采用电话的方式建立连接，与移动社交通讯作为数字化连接手段类似；另外，还有母体的设计与运作依靠先知与建造师相当于IT程序员，母体的运作依靠一套完整的数学算法与当前“数据+算法”的系统思维类似，母体上的警察和反叛军、生活场景即代表一系列的软件定义。

用数字化的视角来看这部经典电影，整部剧中的现实世界与母体的数字世界的关系类似于数字孪生的关系，下面就数字孪生做一些小结。

1、数字孪生的起源

数字孪生（DigitalTwin），简称DT，业界并没有一个很明确的定义，百度百科中的定义是：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。我觉得这个定义将数字孪生圈定在了制造业，不能全面反映数字孪生给数字化带来的意义，尤其是像我们金融或IT领域的数字化。所以，我们有必要从数字孪生的起源来重新看看这个词（以下资料从互联网上摘录，因为比较分散，这里不一一列明出处）。

• 1992年，著名的计算机和人工智能思想家，耶鲁大学David Gelernter教授出版《Mirror Worlds》一书，虽然没有明确提出Digital Twin这一名词，但他描述了一个软件定义虚拟现实世界，和数字孪生的概念内涵基本一致。
• 2002年12月，Michigan大学Michael Grieves博士首次提出了Digital Twin这个词（有趣的是黑客帝国是1999年上映，不得不佩服美帝电影编剧的脑洞），当时的定义是“与物理产品等价的虚拟数字化表达”。
• 2012年，NASA发表了航空航天器数字孪生的理想模型，以及美国空军研究实验室AFRL提出了利用数字孪生来解决战斗机机体维护问题。
• 德勤（Deloitte）也于2017年发布了“工业4.0与数字孪生”中对DigitalTwin的架构进行了清晰的描述，德勤认为通过数字孪生企业可以实现产品快速面市、改善运营、创新的业务模式以及降低生产缺陷。
• Gartner则从2016年开始，每年都将数字孪生列为未来十年的重要技术，在2018年底的介绍中，gartner提到了数字孪生也将逐步应用于组织管理中，以创建组织流程模型，以实现实时的监控来提高流程效率，这对于数字化运营有方向性的引导意义。

总的来说，数字孪生可以认为是现实世界的实体或系统的数字化表现，数字孪生集成了人工智能(AI)和机器学习(ML)等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立物理实体的数字化模拟，在业务领域则通过数字化模拟模型、关联数据、算法来辅助业务决策与业务创新；在内部运营过程中可以实现前中后的持续优化，即问题发生前的预测，问题发生中更快的监控、诊断、处理与异常分析，问题发生后对全部留痕的数据进行复盘分析与优化。随着数字化程度越来越高，算法应用能力越来越深入，将极大的提升企业解决复杂问题的能力。

2、关于“Digital Twin”的翻译

“DigitalTwin”的翻译，有人说是数字孪生，也有人说是数字镜像、数字映射、数字双胞胎、数据孪生体、数字双生，国内数字孪生专家赵敏教授曾对上述几个词进行了介绍：

• 数字镜像——几何镜像：在二维空间里，一个物体（或二维图形）在某平面镜中反射出来的虚像。镜像与原实物同样大小，但不尽相同。磁盘镜像：在数据管理中指保留数据完整特征的复制品。如果将二者的意思结合起来，是可以大致说明DT内涵的，但是有一点值得注意：镜像是左右或上下相反的对应关系。而DT并不完全是镜像的意思。
• 数字映射——作为动词，映射一词既有照射的含义，也指“形成对应关系”的动作。作为名词，在数学上，映射指两个元素集之间具有元素相互“对应”的关系。PTC中国区技术总监纪丰伟博士说：“我们翻译Digital Twin的时候，感觉和照镜子类似，但也考虑到不可能完全一样。DT是要把关键的行为和形态映射出来，所以用了映射。”取其“形成对应关系”的“行为和形态”的意思，这个翻译结果是可用的。
• 数字双胞胎——这是一个来自英文“Twins”的翻译结果。其实，无论是DT的创始人Michael Grieves 教授，还是三大工业软件公司，都是使用了“DigitalTwin”而不是“Digital Twins”。从英文原意来看，似乎不应该把“Digital Twin”翻译成“数字双胞胎”。“双胞胎”是指同一母亲一胞所生的两个孩子，无论其相同或相像，都是指两个实体之间的对应关系。显然，DT并非是两个实体之间的比较，而是虚/实之间所具有的相像、相通与互动关系。
• 数字孪生体——意思基本正确，数字孪生体就是物理实体在数字虚体中的精确映射结果。但如多一个“体”字，一是在翻译上略显不精简，二是有可能把人们最关注的虚实映射关系引导到了这个数字孪生体上，容易弱化虚实对应的关系。
• 数字双生——基本意思类同“数字孪生”，较少使用。但是孪生与双生，毕竟有所不同。双生就具化到只有“两个”了。而孪生，则语义上更宽泛，未必是两个（例如一个实体事物对应两个或更多的虚拟事物）。这样为以后的词义拓展留下了空间。
• 数字孪生——目前看来比较恰当的翻译结果。取Twin的“两个相像的人或物之一”以及“使耦合”的含义，本意就是在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。但需要指出的是，相像归相像，甚至虚拟事物看着就像真的实体事物一样，但是一实一虚，彼此在本质上不是一回事。这是理解该术语的关键点。

同时，赵敏教授还对数字孪生的关键点做了以下总结：“数字孪生不是指在数字虚体空间中的两个一模一样的虚拟事物，那是数字拷贝或镜像。数字孪生是指在数字虚体空间中所构建的虚拟事物，与物理实体空间中的实体事物所对应的、在形态和举止上都相像的虚实精确映射关系。但需要指出的是，相像归相像，甚至虚拟事物看着就像真的实体事物一样，但是一实一虚，彼此在本质上不是一回事。”

3、数字孪生的主要应用及技术特点

数字孪生己经用于汽车、航空、工厂、智能家居等制造业，以汽车为例，通过汽车模型，我们可以看到汽车在运行过程中，发动机内部的每一个零部件、线路、各种接头的每一个数字化的变化，从而可以对产品进行预防性维护。以下列举一些在数字化运营方向上接触到的数字孪生应用场景：

1）医疗行业：

去年初去广医牙科数字化中心补牙时和医疗的教授聊到了牙科中心“数字化”命名的意义，他当时举了一个换牙的流程：通过设备对每个人口腔进行扫描，形成一个数字口腔，建立数字化的牙齿，再通过3D打印方式将数字化的牙齿落地为物理的牙齿，最后再借助设备将物理牙齿装入真实的口腔，医生主要提供诊断、局部调整等工作，通过这种数字孪生的手段整个工作流程更加的高效、准确。

另外，在医院的运营流程管理上通过创建医院的数字孪生模型，医院管理员、医生和护士可以实时获取到患者的健康状况，比如使用传感器监控患者病情变化，提供了一种更好的方法来分析、处理病情，也许未来某一天，我们可以在家里就能通过传感器将身体情况的数据传输到医院的数字孪生模型，对于轻一点的病在线上就可以解决，疏散医院患者的流量。

2）楼宇管理：

同样的是去年，一位朋友提到他们在腾讯大楼的一个智慧楼宇的项目，腾讯提供了标准的数据采集SDK，大楼的硬件厂商通过自身的传感器将设备的运行情况发送到SDK，存储在大楼的大数据平台，并通过3D可视化模拟出整个大楼的实时运营情况，比方说各个设备的运行情况，各个区域的人员情况，通过这个线上的数据的关联可以优化楼宇的管理与用户体验。以用户体验为例（我自己想的），一个重要客户在楼下登记了进入大楼，便会预设一个客户拜访的数字孪生场景来引导整个拜访过程的高效率与高体验：当客户进入大楼时就得到了客户的人脸信息，客户进入电梯时，电梯自动选择客户楼层，到了指定楼层时客户根据人脸信息到达前台，前台接待人员提前做好了接待准备，或通过电子设备引导客户到达指定的会议室或办公室。

3）智慧城市：

今年初到华为参观学习华为数字化，当时在华为展厅上看到一个深圳龙岗区的一个“城市大脑—智能运营中心”的展区，如下图：

龙岗区政府将楼宇、交通、消防、报警等数据整合在一起，构建了一个数字孪生的数字城市，即可对城市的运行状况全局可视，又能针对某一类事件或某一个区域进行具体的管控。

3）其它应用：

远程或模拟操控：数字孪生不仅可以模拟物理事物进行监控，更重要的是还可以进行控制，比如我们IT运维工作过程中的演练、测试、灾备切换等场景，以及我们日常远程操作、远程紧急命令执行等。

无人驾驶：实际上，无人驾驶汽车就是通过数字孪生模拟了司机开车。

3、数字孪生的思考

上面提到例子主要反映的是传统制造业，的确目前数字孪生技术也以传统行业的应用为主，比如传统制造业工厂的数字化孪生，从物联网实时监测获得设备运行数据，采用可视化设计数字化工厂，利用仿真技术仿真工厂。作为金融行业的IT从业者，金融业或IT业的数字化水平天生就会相对高一些，或者说这两个行业本身所运营的产品或服务就是数字化形态的，如果只是将实体世界定义为金融业务运营里的实体网点或我们IT里机器设施等那作用会打折扣，所以在金融及IT业里的实体世界的定义需要区别于其它制造业。至于这个定义是什么是我接下来要去梳理，清晰的定义某些场景下实体世界与数字世界的边界点将有助于引导数字孪生的持续应用。

虽然对现实世界与数字世界的边界还无法清晰的区分，但我还是想尝试从别的角度对工作中的数字孪生做一些分解。我们知道，现实世界是由无数具体事物及其联系构成的有机整体，我们对世界的认识是从具体的、个别的、有限的事物开始，通过学习、探索不断的挖掘事物背后的关系，形成由点及面的视角。数字孪生也可以考虑这样的思路，即将现实世界划分多个不同的视角，根据不同的视角构建多个不同视角的数字孪生世界，再对不同的数字孪生世界不断的整合在一起，就像你是儿子，也同样可以是父亲；是领导，也同样可以是下属等多重的身份。

另外，虽然金融及IT的数字化程度相比制造业高，但企业在数字化过程中存在两类问题：一是传统金融企业有一定的历史沉淀，比如“物”上的实体网点及自助设备的运营模式，“组织”上的各个渠道分管部门利益关系，以及“人”上的不同知识背景与不同年龄段的人对于数字化手段的认识及接受度不同，这些都将影响企业的数字化进程；二是企业内的信息系统通常会有烟囱式建设带来的信息孤岛，也可能会因为不重视数据治理导致数据无法有效关联，当数据无法关联时数据带来的价值便大打折扣。

总的来说，对数字孪生、金融业务知识还需要补习，以分阶段、分场景、分视角的思路构建好数字孪生体，一方面以现实世界为主推动数字孪生体的构建，另一方面基于数字孪生体的运营分析促进现实世界更好的发展。