数字孪生体的智能与智慧从哪里来?

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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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