環(huán)境偶雙極的數(shù)字孿生及其應(yīng)用

程祖國　羅敏

摘? 要：之所以有“環(huán)境”一說，是因?yàn)橛钪娲嬖谌诉@一因素。人將所處的時(shí)空劃分為內(nèi)外，形成內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境-環(huán)境偶。數(shù)字孿生技術(shù)將物理性的內(nèi)外環(huán)境提取成數(shù)字信息，并深入挖掘，以數(shù)字模型的方式分析內(nèi)外環(huán)境各自運(yùn)轉(zhuǎn)、相互轉(zhuǎn)化信息形式的規(guī)律，締結(jié)成各種學(xué)科。信息（宇宙第三層面物質(zhì)）是物理世界數(shù)字孿生的產(chǎn)物統(tǒng)稱，是具有特定內(nèi)容的時(shí)空結(jié)構(gòu)。覆蓋廣域時(shí)空的萬物信息是基本時(shí)空信息按一定規(guī)則組合后的構(gòu)造結(jié)果。識(shí)別最簡時(shí)空結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)研究，人類科技將進(jìn)入新時(shí)代。

關(guān)鍵詞：環(huán)境偶;時(shí)空結(jié)構(gòu);數(shù)字孿生;三層物質(zhì)理論;科技開拓方向

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0170-02

Abstract： The reason for the "environment" is that there is a human being in the universe. People divide the time and space into internal and external environment， forming internal environment and external environment-environment couple. Digital twin technology extracts the physical internal and external environment into digital information， and deeply excavates it， analyzes the law of internal and external environment operation and mutual transformation of information form in the way of digital model， and concludes into various disciplines. Information （matter on the third layer of the universe） is the product of digital twins in the physical world， and it is a space-time structure with specific content. The information of everything covering wide space-time is the result of the combination of basic space-time information according to certain rules. Identify the simplest space-time structure， and carry out modern scientific research， human science and technology will enter a new era.

Keywords： environmental couple; space-time structure; digital twin; Three-layer Matter Theory; development direction of science and technology

“環(huán)境”是有所屬的，這就是“人”。這是公理，所以研究環(huán)境的人很少涉及自己——環(huán)境主人“我”，僅研究了環(huán)境偶的一方，從系統(tǒng)論、系統(tǒng)科學(xué)高度講，欠完整。如能補(bǔ)充環(huán)境偶的另一方，環(huán)境科學(xué)研究進(jìn)行革命性創(chuàng)新，精準(zhǔn)反應(yīng)大自然，則自然科學(xué)走向根本性完美。

1 數(shù)字孿生產(chǎn)物的本相

數(shù)字孿生（Digital Twin，簡稱DT）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體物的全生命周期過程。DT是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)簡介

美國國防部為了航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，最早提出并利用了DT技術(shù)。專家們?cè)跀?shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。

數(shù)字孿生，有時(shí)候也用來指代將一個(gè)工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒有建造之前，就完成數(shù)字化模型，繼而在虛擬空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)（從這層應(yīng)用上講，數(shù)字孿生功效類似國內(nèi)提出的半實(shí)物仿真技術(shù)）。而工房和生產(chǎn)線建成后的日常運(yùn)維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互，貫穿產(chǎn)品全生命周期的全時(shí)空。

1.2 數(shù)字孿生產(chǎn)物的本質(zhì)推測

數(shù)字孿生反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體物的全生命周期過程，所以，有專家解釋說，物理空間的背后存在虛擬空間，與現(xiàn)實(shí)空間互為表里，一陰一陽。如果物理世界的萬千變化，星球、宇宙演變，都能進(jìn)行數(shù)字孿生，或數(shù)字孿生的記錄介質(zhì)、記錄載體大到足夠，則不妨把專家的這種解釋說法提煉為：陽世界背后存在與之一一對(duì)應(yīng)的陰世界。

上述說法顯然有可能導(dǎo)向“陰陽學(xué)說”，而超越本文研究范疇，故本文不延續(xù)該觀點(diǎn)，而是引發(fā)對(duì)數(shù)字孿生產(chǎn)物的屬性思考。

數(shù)字孿生的產(chǎn)物本質(zhì)、屬性該怎樣描述？實(shí)現(xiàn)DT的許多關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)開發(fā)出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的健康管理、高性能計(jì)算等，但實(shí)現(xiàn)DT需要集成和融合這些跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)，從而對(duì)裝備的健康狀況進(jìn)行有效評(píng)估，這與單個(gè)技術(shù)發(fā)展的愿景有著顯著的區(qū)別。虛擬實(shí)體與物理實(shí)體間的差距，攻克后可以完整地透視物理世界機(jī)器實(shí)際運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與實(shí)體世界的融合。引導(dǎo)人們穿越那虛實(shí)界墻，在物理與數(shù)字模型之間自由交互與行走。

數(shù)字孿生產(chǎn)物，即信息，實(shí)際是一種時(shí)空結(jié)構(gòu)復(fù)合模型，既有空間性又有時(shí)間性，時(shí)間和空間耦合在一起，成為一體化的時(shí)空“耦合子”。如果空間足夠小、時(shí)間足夠短，則描述這種時(shí)空的信息則足夠簡單。最小空間與最短時(shí)間締結(jié)的最小時(shí)空“耦合子”-信息-如果存在，則她將是貫通物理空間和虛擬空間的橋梁，或者用數(shù)學(xué)語言講，她就是能遍歷正與負(fù)數(shù)字的最基本單元——無窮小——“O（X）”。

1.3 數(shù)字孿生期待新理論

《天工開物》、《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》可謂宇宙轉(zhuǎn)化規(guī)律的數(shù)字孿生。由此誕生眾多學(xué)科。當(dāng)代哲學(xué)與科學(xué)的宇宙觀有很大的不同。辯證唯物主義宇宙觀認(rèn)為，空間是長寬高三維的延展，是無限的;時(shí)間是古往今來的延續(xù)，也是無限的。沒有離開時(shí)間的空間，沒有離開空間的時(shí)間，時(shí)間、空間耦合在一起。

中國著名科學(xué)家龐鶴鳴教授在其原創(chuàng)的“宇宙三層物質(zhì)理論”中指出，任何物質(zhì)都是質(zhì)量、能量、信息的混元體，能量屬性、信息屬性隱藏時(shí)展示為實(shí)體物質(zhì);質(zhì)量屬性、信息屬性隱藏時(shí)展示為能量物質(zhì);質(zhì)量屬性、能量屬性隱藏時(shí)展示為信息物質(zhì)。信息能獨(dú)立存在，信息的本質(zhì)是時(shí)空混元耦合子，將當(dāng)代哲學(xué)中“時(shí)間、空間耦合”自然科學(xué)化、技術(shù)化。

龐教授的“宇宙三層物質(zhì)理論”能使人對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)進(jìn)入科技新天地。

2 環(huán)境研究應(yīng)包容研究者成偶地加以研究

“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項(xiàng)目審核后認(rèn)為，“人類生存的空間及其中可以直接或間接影響人類生活和發(fā)展的各種自然因素稱為環(huán)境”。又認(rèn)為，“對(duì)人的心理發(fā)生實(shí)際影響的整個(gè)生活環(huán)境也稱為環(huán)境，更多稱為心理環(huán)境”。人有這樣、那樣的心理，對(duì)其本人而言，這些心理是真實(shí)的、存在的，這些心理影響、甚至決定了對(duì)各種自然因素的接納、評(píng)判、應(yīng)對(duì)。如果研究“自然因素”時(shí)，不研究其被研究者心理因素的影響，則對(duì)“自然因素”研究的結(jié)果很可能欠“精準(zhǔn)”或“不正確”。哥白尼的學(xué)生當(dāng)年被教會(huì)燒死，可謂例證。

2.1 人和人的心理想法是自然界中的真實(shí)存在

自然環(huán)境中包括人，人是自然界中的真實(shí)存在。人很復(fù)雜，人的內(nèi)部還存有很多，與人一起存在著。這種人內(nèi)的、蘊(yùn)藏的“存在”的屬性、特質(zhì)如何，不一定被研究透徹，但對(duì)每個(gè)人而言，這種存在是真實(shí)的;言及他人，自己也明白他人實(shí)實(shí)在在地存在著這類“存在”。

2.2 軌道交通列車駕駛疲勞受軌道交通裝備和自身雙重影響

截止2018年12月31日，中國內(nèi)地累計(jì)有37個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路5539公里?！叭艘颉睂?duì)城市軌道交通運(yùn)營安全的重要性，隨著迅速而持續(xù)增強(qiáng)的運(yùn)營壓力越加明顯。上海地鐵集團(tuán)內(nèi)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2018 年 1～11 月，某運(yùn)營分公司14起有責(zé)運(yùn)營事件中，7起為“人因”事故。唯一的一起重大事故就是由于當(dāng)值司機(jī)疲勞駕駛精神不振，違章、違規(guī)作業(yè)所致，對(duì)乘客人身安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

如何持續(xù)保障城市軌道交通運(yùn)營安全，除了加強(qiáng)裝備的安全技術(shù)開發(fā)外，切實(shí)管控“人因”風(fēng)險(xiǎn)事故，成為我國城市軌道交通運(yùn)營管理者的關(guān)注焦點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)需要。而裝備的安全技術(shù)開發(fā)的指導(dǎo)思想還是源自人，存在于軀體型物理性的人腦內(nèi)的安全理念。這些理念是安全技術(shù)、安全裝備之母。盡管現(xiàn)代技術(shù)手段還不能直接捕捉到“她”，但毫無疑問，“她”在每個(gè)人的大腦中客觀地存在著。

2.3 數(shù)字孿生應(yīng)把研發(fā)和使用裝備的人的因素都直接映射進(jìn)來

數(shù)字孿生的想法來自自然界，誕生于人的大腦。數(shù)字孿生技術(shù)首次提出者提出的可能不是現(xiàn)在的樣子，受制于既有技術(shù)，只得以現(xiàn)在的面貌呈現(xiàn)，而把數(shù)字孿生的原始形象——“初心”記錄進(jìn)“數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展史”中。

事實(shí)上，研發(fā)者大腦中的內(nèi)容就是研發(fā)出來的具體裝備，從某種意義上講，數(shù)字孿生在一定程度上表征、記錄了研發(fā)者大腦中的部分內(nèi)容。規(guī)定裝備的使用方法后，使用者將按規(guī)范進(jìn)行操作，即通過裝備這樣媒介，研發(fā)者大腦中的“東西”變成了使用者大腦中的“東西”了。數(shù)字孿生把研發(fā)和使用裝備兩方面的人的因素都予以映射，但不是直接。數(shù)字孿生技術(shù)有待“雙向化”、直接化。

能否不通過裝備，不借助“媒介”，直接從研發(fā)者傳遞給使用者呢？現(xiàn)代科學(xué)之父，尼古拉·特斯拉，給予準(zhǔn)確、肯定回答：完全可以！在大腦中直接加工、優(yōu)化信息，與外部的通過裝備的物理層面的加工、優(yōu)化，結(jié)果一樣（參見尼古拉·特斯拉傳記）！

3 現(xiàn)代科學(xué)研究方向芻議

3.1 研究環(huán)境應(yīng)雙向成偶地研究

研究環(huán)境的專家很多，作品、成果也很多，如仔細(xì)閱讀，發(fā)現(xiàn)這些成果間存在矛盾。為什么？粗以為，研究者大腦中存在的“東西”干擾、束縛了自己，沒能準(zhǔn)確地反映自然。閱讀環(huán)境專家的著作還得追溯作者，作者大腦中的“東西”，類似具有檢波函數(shù)作用的濾波器件，所述自然界是被濾波器件“過濾”過的自然，而不是自然“原貌”，自然的很大一部分被“過濾”、“排除”在著作成果之外了。研究環(huán)境應(yīng)雙向成偶地研究。

3.2 數(shù)字孿生產(chǎn)物極小值的識(shí)別與開發(fā)

數(shù)字孿生產(chǎn)物，從本質(zhì)上講，是裝備的時(shí)空結(jié)構(gòu)，簡稱“信息”。龐教授在其宇宙三層物質(zhì)理論中專門論述了“信息”的體、性、用。信息有簡繁，最簡信息，暫以“信息極小值”記述，如能挖掘、識(shí)別出，并能付諸應(yīng)用，則“雙向化、直接化了的”數(shù)字孿生技術(shù)將使人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)煥然一新。

3.3 現(xiàn)代科學(xué)研究方法論亟需升級(jí)

現(xiàn)代科學(xué)研究分成人文科學(xué)、自然科學(xué)，活生生把“人”分成 “兩瓣”。這種分類注定著西方主導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)不能認(rèn)知宇宙本質(zhì)。

人與環(huán)境合一研究，環(huán)境呈偶出現(xiàn)，科學(xué)理論、研究方法這樣地革命，人類科技文化將越上新臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐鶴鳴.宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)三層面理論[M].“氣-意識(shí)與生命科學(xué)”國際學(xué)術(shù)研討會(huì)，江西中醫(yī)藥大學(xué)，2018.

[2]程祖國，甄領(lǐng)恩.宇宙三層物質(zhì)理論假說及其驗(yàn)證[M].東方文化出版社，2016.

[3][EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/數(shù)字孿生/22197545？fr=aladdin.

[4][EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/環(huán)境/277567.