從《黑客帝國》看數字孿生

• 2020 年 3 月 6 日
• 筆記

為了解數字孿生的終態，重新看了《黑客帝國》三部曲，劇中介紹在21XX年後當機器文明戰勝人類文明後，機器文明為了獲得人類進化的不確定性，創造了母體Matrix這個完全的數字世界，讓現實世界的人精神數字化，數字化世界與真實世界中人的大腦連通，讓人們認為自己生活在真實世界中。用艦長墨菲斯與救世主尼爾說的一段話來介紹數字世界Matrix:

「

這是一個建造物，我們的寄存程式

我們可以寄存衣服、設備、武器、模擬訓練

樣樣都可以（模擬）

你一直生活在數字模擬世界

Matrix是一種控制，是電腦模擬的夢世界」

也就是說母體Matrix是機器文明布設的一盤大棋，人類自認為在現實世界獨立選擇，其實這一切是在反映機器的意志，從這個視角看，黑客旁國對數字化世界終態作了這樣的描繪：數字化一切，將一切需要人去介入的環境或事物用數字化手段模擬，以一個數字化大腦驅動人類的發展。

電影里還有一些有趣的點與當前熱門的數字化話題有點對應，比如尼爾在被崔妮蒂激活後看到整個世界就是數據，這與數字化的本質是將物理實體通過數據模擬對應；再比如真實世界的人與數字世界採用電話的方式建立連接，與移動社交通訊作為數字化連接手段類似；另外，還有母體的設計與運作依靠先知與建造師相當於IT程式設計師，母體的運作依靠一套完整的數學演算法與當前「數據+演算法」的系統思維類似，母體上的警察和反叛軍、生活場景即代表一系列的軟體定義。

用數字化的視角來看這部經典電影，整部劇中的現實世界與母體的數字世界的關係類似於數字孿生的關係，下面就數字孿生做一些小結。

1、數字孿生的起源

數字孿生（DigitalTwin），簡稱DT，業界並沒有一個很明確的定義，百度百科中的定義是：充分利用物理模型、感測器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的模擬過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。我覺得這個定義將數字孿生圈定在了製造業，不能全面反映數字孿生給數字化帶來的意義，尤其是像我們金融或IT領域的數字化。所以，我們有必要從數字孿生的起源來重新看看這個詞（以下資料從互聯網上摘錄，因為比較分散，這裡不一一列明出處）。

• 1992年，著名的電腦和人工智慧思想家，耶魯大學David Gelernter教授出版《Mirror Worlds》一書，雖然沒有明確提出Digital Twin這一名詞，但他描述了一個軟體定義虛擬現實世界，和數字孿生的概念內涵基本一致。
• 2002年12月，Michigan大學Michael Grieves博士首次提出了Digital Twin這個詞（有趣的是黑客帝國是1999年上映，不得不佩服美帝電影編劇的腦洞），當時的定義是「與物理產品等價的虛擬數字化表達」。
• 2012年，NASA發表了航空航天器數字孿生的理想模型，以及美國空軍研究實驗室AFRL提出了利用數字孿生來解決戰鬥機機體維護問題。
• 德勤（Deloitte）也於2017年發布了「工業4.0與數字孿生」中對DigitalTwin的架構進行了清晰的描述，德勤認為通過數字孿生企業可以實現產品速食麵市、改善運營、創新的業務模式以及降低生產缺陷。
• Gartner則從2016年開始，每年都將數字孿生列為未來十年的重要技術，在2018年底的介紹中，gartner提到了數字孿生也將逐步應用於組織管理中，以創建組織流程模型，以實現實時的監控來提高流程效率，這對於數字化運營有方向性的引導意義。

總的來說，數字孿生可以認為是現實世界的實體或系統的數字化表現，數字孿生集成了人工智慧(AI)和機器學習(ML)等技術，將數據、演算法和決策分析結合在一起，建立物理實體的數字化模擬，在業務領域則通過數字化模擬模型、關聯數據、演算法來輔助業務決策與業務創新；在內部運營過程中可以實現前中後的持續優化，即問題發生前的預測，問題發生中更快的監控、診斷、處理與異常分析，問題發生後對全部留痕的數據進行復盤分析與優化。隨著數字化程度越來越高，演算法應用能力越來越深入，將極大的提升企業解決複雜問題的能力。

2、關於「Digital Twin」的翻譯

「DigitalTwin」的翻譯，有人說是數字孿生，也有人說是數字鏡像、數字映射、數字雙胞胎、數據孿生體、數字雙生，中國數字孿生專家趙敏教授曾對上述幾個詞進行了介紹：

• 數字鏡像——幾何鏡像：在二維空間里，一個物體（或二維圖形）在某平面鏡中反射出來的虛像。鏡像與原實物同樣大小，但不盡相同。磁碟鏡像：在數據管理中指保留數據完整特徵的複製品。如果將二者的意思結合起來，是可以大致說明DT內涵的，但是有一點值得注意：鏡像是左右或上下相反的對應關係。而DT並不完全是鏡像的意思。
• 數字映射——作為動詞，映射一詞既有照射的含義，也指「形成對應關係」的動作。作為名詞，在數學上，映射指兩個元素集之間具有元素相互「對應」的關係。PTC中國區技術總監紀豐偉博士說：「我們翻譯Digital Twin的時候，感覺和照鏡子類似，但也考慮到不可能完全一樣。DT是要把關鍵的行為和形態映射出來，所以用了映射。」取其「形成對應關係」的「行為和形態」的意思，這個翻譯結果是可用的。
• 數字雙胞胎——這是一個來自英文「Twins」的翻譯結果。其實，無論是DT的創始人Michael Grieves 教授，還是三大工業軟體公司，都是使用了「DigitalTwin」而不是「Digital Twins」。從英文原意來看，似乎不應該把「Digital Twin」翻譯成「數字雙胞胎」。「雙胞胎」是指同一母親一胞所生的兩個孩子，無論其相同或相像，都是指兩個實體之間的對應關係。顯然，DT並非是兩個實體之間的比較，而是虛/實之間所具有的相像、相通與互動關係。
• 數字孿生體——意思基本正確，數字孿生體就是物理實體在數字虛體中的精確映射結果。但如多一個「體」字，一是在翻譯上略顯不精簡，二是有可能把人們最關注的虛實映射關係引導到了這個數字孿生體上，容易弱化虛實對應的關係。
• 數字雙生——基本意思類同「數字孿生」，較少使用。但是孿生與雙生，畢竟有所不同。雙生就具化到只有「兩個」了。而孿生，則語義上更寬泛，未必是兩個（例如一個實體事物對應兩個或更多的虛擬事物）。這樣為以後的詞義拓展留下了空間。
• 數字孿生——目前看來比較恰當的翻譯結果。取Twin的「兩個相像的人或物之一」以及「使耦合」的含義，本意就是在數字虛體空間中所構建的虛擬事物，與物理實體空間中的實體事物所對應的、在形態和舉止上都相像的虛實精確映射關係。但需要指出的是，相像歸相像，甚至虛擬事物看著就像真的實體事物一樣，但是一實一虛，彼此在本質上不是一回事。這是理解該術語的關鍵點。

同時，趙敏教授還對數字孿生的關鍵點做了以下總結：「數字孿生不是指在數字虛體空間中的兩個一模一樣的虛擬事物，那是數字拷貝或鏡像。數字孿生是指在數字虛體空間中所構建的虛擬事物，與物理實體空間中的實體事物所對應的、在形態和舉止上都相像的虛實精確映射關係。但需要指出的是，相像歸相像，甚至虛擬事物看著就像真的實體事物一樣，但是一實一虛，彼此在本質上不是一回事。」

3、數字孿生的主要應用及技術特點

數字孿生己經用於汽車、航空、工廠、智慧家居等製造業，以汽車為例，通過汽車模型，我們可以看到汽車在運行過程中，發動機內部的每一個零部件、線路、各種接頭的每一個數字化的變化，從而可以對產品進行預防性維護。以下列舉一些在數字化運營方向上接觸到的數字孿生應用場景：

1）醫療行業：

去年初去廣醫牙科數字化中心補牙時和醫療的教授聊到了牙科中心「數字化」命名的意義，他當時舉了一個換牙的流程：通過設備對每個人口腔進行掃描，形成一個數字口腔，建立數字化的牙齒，再通過3D列印方式將數字化的牙齒落地為物理的牙齒，最後再藉助設備將物理牙齒裝入真實的口腔，醫生主要提供診斷、局部調整等工作，通過這種數字孿生的手段整個工作流程更加的高效、準確。

另外，在醫院的運營流程管理上通過創建醫院的數字孿生模型，醫院管理員、醫生和護士可以實時獲取到患者的健康狀況，比如使用感測器監控患者病情變化，提供了一種更好的方法來分析、處理病情，也許未來某一天，我們可以在家裡就能通過感測器將身體情況的數據傳輸到醫院的數字孿生模型，對於輕一點的病在線上就可以解決，疏散醫院患者的流量。

2）樓宇管理：

同樣的是去年，一位朋友提到他們在騰訊大樓的一個智慧樓宇的項目，騰訊提供了標準的數據採集SDK，大樓的硬體廠商通過自身的感測器將設備的運行情況發送到SDK，存儲在大樓的大數據平台，並通過3D可視化模擬出整個大樓的實時運營情況，比方說各個設備的運行情況，各個區域的人員情況，通過這個線上的數據的關聯可以優化樓宇的管理與用戶體驗。以用戶體驗為例（我自己想的），一個重要客戶在樓下登記了進入大樓，便會預設一個客戶拜訪的數字孿生場景來引導整個拜訪過程的高效率與高體驗：當客戶進入大樓時就得到了客戶的人臉資訊，客戶進入電梯時，電梯自動選擇客戶樓層，到了指定樓層時客戶根據人臉資訊到達前台，前台接待人員提前做好了接待準備，或通過電子設備引導客戶到達指定的會議室或辦公室。

3）智慧城市：

今年初到華為參觀學習華為數字化，當時在華為展廳上看到一個深圳龍崗區的一個「城市大腦—智慧運營中心」的展區，如下圖：

龍崗區政府將樓宇、交通、消防、報警等數據整合在一起，構建了一個數字孿生的數字城市，即可對城市的運行狀況全局可視，又能針對某一類事件或某一個區域進行具體的管控。

3）其它應用：

遠程或模擬操控：數字孿生不僅可以模擬物理事物進行監控，更重要的是還可以進行控制，比如我們IT運維工作過程中的演練、測試、災備切換等場景，以及我們日常遠程操作、遠程緊急命令執行等。

無人駕駛：實際上，無人駕駛汽車就是通過數字孿生模擬了司機開車。

3、數字孿生的思考

上面提到例子主要反映的是傳統製造業，的確目前數字孿生技術也以傳統行業的應用為主，比如傳統製造業工廠的數字化孿生，從物聯網實時監測獲得設備運行數據，採用可視化設計數字化工廠，利用模擬技術模擬工廠。作為金融行業的IT從業者，金融業或IT業的數字化水平天生就會相對高一些，或者說這兩個行業本身所運營的產品或服務就是數字化形態的，如果只是將實體世界定義為金融業務運營里的實體網點或我們IT里機器設施等那作用會打折扣，所以在金融及IT業里的實體世界的定義需要區別於其它製造業。至於這個定義是什麼是我接下來要去梳理，清晰的定義某些場景下實體世界與數字世界的邊界點將有助於引導數字孿生的持續應用。

雖然對現實世界與數字世界的邊界還無法清晰的區分，但我還是想嘗試從別的角度對工作中的數字孿生做一些分解。我們知道，現實世界是由無數具體事物及其聯繫構成的有機整體，我們對世界的認識是從具體的、個別的、有限的事物開始，通過學習、探索不斷的挖掘事物背後的關係，形成由點及面的視角。數字孿生也可以考慮這樣的思路，即將現實世界劃分多個不同的視角，根據不同的視角構建多個不同視角的數字孿生世界，再對不同的數字孿生世界不斷的整合在一起，就像你是兒子，也同樣可以是父親；是領導，也同樣可以是下屬等多重的身份。

另外，雖然金融及IT的數字化程度相比製造業高，但企業在數字化過程中存在兩類問題：一是傳統金融企業有一定的歷史沉澱，比如「物」上的實體網點及自助設備的運營模式，「組織」上的各個渠道分管部門利益關係，以及「人」上的不同知識背景與不同年齡段的人對於數字化手段的認識及接受度不同，這些都將影響企業的數字化進程；二是企業內的資訊系統通常會有煙囪式建設帶來的資訊孤島，也可能會因為不重視數據治理導致數據無法有效關聯，當數據無法關聯時數據帶來的價值便大打折扣。

總的來說，對數字孿生、金融業務知識還需要補習，以分階段、分場景、分視角的思路構建好數字孿生體，一方面以現實世界為主推動數字孿生體的構建，另一方面基於數字孿生體的運營分析促進現實世界更好的發展。