數(shù)字-智能時代的物理產品——物理生命體，其生命力的表現(xiàn)首先在于其感知環(huán)境的能力。一個掃地機器人就能夠感知房間的障礙物。應該說，對環(huán)境的感知能力還只是物理生命體的必要條件，而非充分條件?，F(xiàn)在很多掃地機器人雖冠以“智能”，還不是真正意義上的“物理生命體”。物理生命體的生命力呈現(xiàn)也在于對自身狀態(tài)的自感知能力，一個智能機床能夠感知自身的某些狀態(tài)，如振動、熱變形等。智能裝備應該通過自身的某些狀態(tài)數(shù)據(jù)（如振動、位移、溫度等）而感知自身的工作狀態(tài)是否正常，是否需要運行維護。

數(shù)字-智能時代的智能裝備（物理生命體）應該具有自適應能力，它能夠動態(tài)地適應環(huán)境的變化。有的智能機床能夠自動補償因部件運動產生的熱量和室內環(huán)境溫度變化而產生的定位誤差。如Mazak的“智能熱屏障”技術，對主軸熱位移進行精確的預報，實現(xiàn)高精度主軸的膨脹和收縮補償。一些風力發(fā)電設備的俯仰系統(tǒng)能夠迅速調整葉片角度，容許不同的轉速。風速較低的時候可以得到更高的能量，根據(jù)現(xiàn)有風況不斷調整至最佳角度，必要時也可快速停止轉動。

生命力也表現(xiàn)在與“伙伴”互聯(lián)協(xié)同的能力。農田中工作的不同類型的農業(yè)機械（如拖拉機、聯(lián)合收割機……）之間能夠有信息交流；工地上不同類型的工程機械（如裝載機、挖掘機……）之間存在信息互聯(lián)，以使裝備工作在整體或系統(tǒng)優(yōu)化的環(huán)境。

自學習能力也是物理生命體的典型能力。一個智能注塑機在其加工實踐中能夠不斷總結經驗，通過對不同類型零件的工藝參數(shù)及其相應效果的加工大數(shù)據(jù)進行分析，使其自身變得越來越聰明。

到底物理生命體因何而生命？傳感器、自動執(zhí)行器雖然是必不可少的，但真正使一個物理實體具有“生命力”的，乃“數(shù)字孿生體”所致。某種意義上數(shù)字孿生體即物理生命體的魂之所在。

數(shù)字孿生體又具有哪些主要功能——因之使物理實體而“生命”？

數(shù)字孿生模型當然包括物理生命體的三維結構模型，但它顯然不是物理生命體的要點。下面是賦予物理實體“生命”的幾個要素。

多領域物理建模。孿生模型應該反映物理產品內在的運行規(guī)律。對自身全生命周期內的狀態(tài)和“生命”運動規(guī)律的的認識，也就是物理生命體“自我意識”的表現(xiàn)。復雜機電系統(tǒng)往往是多領域物理（機-電-液-熱-磁-控等）綜合集成系統(tǒng)，傳統(tǒng)的產品開發(fā)方式是各領域設計者分別設計其相對獨立的部分，然后綜合。設計過程中雖有總體考慮，且相互討論協(xié)商，但終究難以掌握系統(tǒng)各部分耦合的復雜情況。因此，需要基于多領域知識、面向多學科協(xié)同優(yōu)化的新一代數(shù)字化設計方法與技術以及面向復雜機電系統(tǒng)產品的多領域建模與仿真軟件和工具。產品的數(shù)字孿生模型中可能含有反映產品不同物理特性的模型，如計算流體動力學模型、結構動力學模型、熱力學模型、應力分析模型、疲勞損傷模型以及材料狀態(tài)演化模型（如材料的剛度、強度、疲勞強度演化）等。如何將這些基于不同物理屬性的模型關聯(lián)在一起，是建立數(shù)字孿生，繼而充分發(fā)揮數(shù)字孿生模擬、診斷、預測和控制作用的關鍵。如構建激光加工裝備的數(shù)字孿生模型，就應該深入到光與物質相互作用的機理。如果孿生模型具有包含功率/光譜/力/熱分布等耦合物理量的全過程仿真能力，這樣的激光加工裝備自然具備很強的“自我意識”，也就能保證更好的加工性能。

仿真。數(shù)字化模型的仿真技術是創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對應物理實體實現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術。仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來模擬物理世界的一種技術。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。

優(yōu)化。數(shù)字孿生模型的優(yōu)化能力是物理產品的智能之重要表現(xiàn)。如一條流程工業(yè)中的生產線，在其生產過程中實現(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行，包括生產過程中參數(shù)的最優(yōu)控制等。其優(yōu)化手段不僅包括經典和現(xiàn)代的優(yōu)化控制技術，甚至還可以融入大數(shù)據(jù)和人工智能技術。

設計過程中往往更需要優(yōu)化技術，應用于產品開發(fā)設計過程中的數(shù)字孿生模型自然應該具有優(yōu)化能力。拓撲優(yōu)化設計（topology optimization design）的基本思想是利用有限元技術、數(shù)值計算和優(yōu)化算法，在給定的設計空間內，尋求滿足各種約束條件（如應力、位移、頻率和重量等），使目標函數(shù)（剛度、重量等）達到最優(yōu)的孔洞連通形式或材料布局，即最優(yōu)結構拓撲；多學科優(yōu)化設計（multidisciplinary design optimization，MDO）旨在解決大規(guī)模復雜工程系統(tǒng)設計過程中多個學科耦合和權衡問題的一種新的設計方法。它充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制，考慮各個學科之間的相互作用，從整個系統(tǒng)的角度優(yōu)化設計復雜的工程系統(tǒng)。

基于數(shù)據(jù)和案例的學習能力。物理生命體的智能應該具有學習能力。有的學習方式建立在基于案例的推理（case-based reasoning）能力，如前面提到的智能注塑機的自學習能力。數(shù)字-智能時代最好的學習方式還體現(xiàn)在從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛藏的規(guī)律。一個復雜的機電系統(tǒng)中很多相互關聯(lián)的因素往往連領域專家們也難以意識到，基于大數(shù)據(jù)的深度學習方法能夠發(fā)現(xiàn)那些潛藏的關聯(lián)?？傊?，具有學習能力的孿生模型能夠使物理裝備變得越來越聰明，也是物理生命體最重要的“自我意識”。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）。孿生模型的構建當然需要從系統(tǒng)出發(fā)，其構建過程應該是基于模型的系統(tǒng)工程。模型特指描述待研究對象的一種形象化的表達方法：把對象特性抽取出來，使用標準化的表達方式進行描述，從而能夠進行進一步研究。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是“基于文本的系統(tǒng)工程”（text-based systems engineering，TSE），而MBSE是建模方法的形式化應用，以使建模方法支持設計開發(fā)乃至全生命周期階段，或曰在產品的孕育及服役的全生命周期。在具體實現(xiàn)上，INCOSE（International Council on Systems Engineering,國際系統(tǒng)工程協(xié)會）聯(lián)合對象管理組織（OMG）在統(tǒng)一建模語言（unified modeling language，UML）的基礎上，開發(fā)出了適宜于描述工程系統(tǒng)的系統(tǒng)建模語言（system modeling language，SysML），軟件提供商也開發(fā)了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業(yè)分析軟件如FEA、CAD等進行了集成，提出了MBSE的整體解決方案。MBSE下系統(tǒng)模型成為各專業(yè)學科模型的集線器。各專業(yè)學科的模型已經被大量應用于工程設計的各個方面，但模型缺乏統(tǒng)一的編碼，也無法共享。建模工作仍處于“煙囪式”的信息傳遞模式，形成了一個個的“模型孤島”，沒有與系統(tǒng)工程工作流良好結合。在MBSE下，系統(tǒng)模型成了各學科模型的“集線器”，各方人員圍繞系統(tǒng)模型開展需求分析、系統(tǒng)設計、仿真等工作，便于工程團隊的協(xié)同工作。這就使整個設計團隊可以更好地利用各專業(yè)學科在模型、軟件工具上的先進成果。^【1】可以想見，在MBSE方法和工具下開發(fā)的物理裝備更具“生命力”。

一個裝備在其運行過程中的動態(tài)無疑決定了它的性能與質量。通常工程師們只能憑對動態(tài)的有限認知在設計開發(fā)階段有所考慮，但更多地其實是用靜態(tài)的知性實體思維去考察裝備的存在。哲學家們早已認識到普通人思維的弊端。黑格爾把世界理解為一種未完成的流動性存在，沒有任何不變的本質，一切都處于永恒的變化過程中；海德格爾認為，傳統(tǒng)哲學思維方式就是將一切“存在”都對象化為固定的、僵死的東西，所以他看待存在的本真面目，則從靜態(tài)視角轉向動態(tài)。^【2】裝備的設計與使用非常需要這種思維。過去，裝備的設計者和使用者即使有這種意識，但苦于手段的限制也難有作為。在數(shù)字-智能時代，數(shù)字孿生使人們有可能從動態(tài)的視角透視裝備的全生命周期。

物理生命體的數(shù)字孿生，其“孿生”意義主要在于“生命”的孿生，也即“生命”過程的孿生，而幾何及運動學意義上的數(shù)字孿生是次要的。正如從醫(yī)學角度看，人體的數(shù)字孿生主要不是一個人的外貌和身體動作的孿生，而是反映人的健康體征的各種指標（如血壓、血糖、血脂、呼吸、心跳……）變化過程的孿生。對于一個物理裝備而言，數(shù)字孿生模型對裝備“生命”過程的呈現(xiàn)一般發(fā)生在裝備的孕育（產品設計開發(fā)）或服役階段。

好的裝備設計應該是基于對其工藝過程深刻認識的基礎上。因此，為了設計高性能的裝備，往往需要對裝備運行的物理過程進行仿真。如激光加工設備的設計，就可以考慮建立激光與材料相互作用過程的數(shù)字孿生模型，通過仿真對激光材料加工過程有更深刻的認識，如此“孕育”出的裝備一定有更好的性能。裝備的此種數(shù)字孿生本質上是裝備運行物理過程的數(shù)字孿生。

裝備服役過程中通過實時采集運行過程中的數(shù)據(jù)（孿生數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)）而建立的數(shù)字孿生模型是裝備這一“物理生命體”自我意識、自適應環(huán)境變化的關鍵。對運行過程中孿生數(shù)據(jù)的處理和分析使裝備系統(tǒng)能感知自身工作狀態(tài)和健康狀態(tài)，進而進行相應的控制或運行維護。

“生命”的過程總是在特定的環(huán)境中存在的。如風電裝備的運行過程與風場環(huán)境緊密相關，因此風電設備的孿生數(shù)據(jù)理應包括風場的數(shù)據(jù)；車間裝備的節(jié)能和加工精度顯然與溫度環(huán)境有關，因此車間裝備的孿生數(shù)據(jù)理應包括車間溫度環(huán)境乃至天氣的相關數(shù)據(jù)。

“生命”的過程往往與伙伴聯(lián)系在一起，如一個拖拉機的運行可能同時與其他的拖拉機以及收割機、旋耕機等聯(lián)系在一起，那么拖拉機的孿生數(shù)據(jù)就應該包括反映與伙伴設備工作聯(lián)系的某些數(shù)據(jù)。

“生命”的過程與裝備服務的對象聯(lián)系在一起，如一個手術機器人，其孿生數(shù)據(jù)理應包括病人在手術過程中的相關數(shù)據(jù)。

“生命”的過程與裝備的操作者或使用者的行為聯(lián)系在一起。如在一臺挖掘機的運行中，其孿生數(shù)據(jù)包括挖掘機操作者的操作數(shù)據(jù)，通過孿生模型進行仿真，可告知操作者如何改進操作有可能提高工作效率或節(jié)能；手術機器人的孿生數(shù)據(jù)收集應該包括醫(yī)生的操作數(shù)據(jù)，同樣通過孿生模型的仿真使醫(yī)生優(yōu)化其操作機器的過程。有些情況下（如運行操作、維護維修）記錄使用者的操作數(shù)據(jù)，對其操作進行軌跡跟蹤，藉此建立的數(shù)字孿生模型還有特別的用途。通過對同類型的物理裝備但不同操作者的孿生數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，能夠發(fā)現(xiàn)，怎樣的操作才是最優(yōu)的？從而進一步規(guī)范操作。好的數(shù)字孿生模型不僅能夠沉淀人的經驗，而且有可能衍生、演化出最優(yōu)的路徑。

“生命”的過程數(shù)據(jù)不僅包括裝備運行過程的數(shù)據(jù)，還包括在“孕育”過程（設計、制造以及裝配過程）中的數(shù)據(jù)，它為物理裝備“生命”的過程留下了痕跡。“孕育”過程中的歷史數(shù)據(jù)使人們有可能追溯產品的質量問題。

通過對裝備全生命周期過程歷史數(shù)據(jù)的分析，有可能發(fā)現(xiàn)某些人們原來并未意識到的關聯(lián)，從而可指導裝備的改進設計甚至創(chuàng)新。

既然數(shù)字孿生的意義在于“生命”過程的孿生，“數(shù)字孿生體” 就被時間規(guī)定，這是以前的數(shù)字樣機或虛擬樣機等數(shù)字模型完全不具備的特性。物理生命體所有的活動和“存在”都具有時間性，猶如海德格爾言“此在”的時間性。海德格爾還認為存在的本性是“去存在”（to be）。^【2】數(shù)字孿生作為一種數(shù)字存在，它是物理生命體的魂，它自然會關注裝備下一刻的狀態(tài)，未來的狀態(tài)演化。這也是物理生命體的“思”之所在。

總之，數(shù)字孿生的意義本來就不是基于處理靜態(tài)問題。裝備的運行過程都是動態(tài)的，只有在對動態(tài)過程更深刻認識的基礎上并施與相應控制或維護，其“生命”的意義才更美好。這才是物理裝備真正需要的。4．“生命”的語言

今天的數(shù)字孿生模型大多停留在對物理生命體自身狀態(tài)的認識和簡單的控制，人們完全可以期待未來的融入某種智能工具之數(shù)字孿生模型可能具有創(chuàng)造能力。

美國MIT的科學家Allan Zhao等為機器人的設計提出了機器人語法RoboGrammar，被稱為25年來的最高成就！

RoboGrammar的操作分為三個順序：定義問題；制定可能的機器人解決方案；選擇最佳模型，如下圖所示。通過這些步驟，RoboGrammar可以設計數(shù)十萬個潛在的機器人結構?？梢钥吹剑皇浅Ｒ?guī)的輔助設計，而是輔助甚至提供創(chuàng)意。只要人提出需求，它便會提供最完美合適的機器人形狀。

 

RoboGrammar操作的三順序【6】

RoboGrammar中包含的“圖形語法（GraphGrammar）”是對機器人組件排列的一系列約束。例如，相鄰的支腿應該用一個關節(jié)連接，而不是用另一個支腿相連。這樣的規(guī)則確保至少設計是在初級水平上，每個計算機生成的設計作品都是可以工作的。圖形語法規(guī)則基于節(jié)肢動物的啟發(fā)，例如昆蟲、蜘蛛和龍蝦等。

Zhao聲稱，“啟發(fā)式功能會隨著時間的推移而提高，并且將搜索收斂到最佳機器人?！?/span>

由Zhao等人的工作可以聯(lián)想，未來含有智能工具的數(shù)字孿生模型不僅能夠為產品的開發(fā)提供創(chuàng)意，也將使物理產品或裝備在其運行中真正能夠自主地做出創(chuàng)造性的工作，即可能做出超越人類期望值的工作。

顯然，RoboGrammar或GraphGrammar就是一種語言，一種真正體現(xiàn)智能的、一種真正“聚集著存在”（聚集著潛在的最優(yōu)機器人形狀的存在）的語言。

構建數(shù)字孿生體，就應該使數(shù)字孿生真正成為一種語言，一種決定物理裝備真正“存在”的語言，一種使物理裝備具有自我意識的語言，一種真正使物理裝備成為物理“生命體”的語言。既把它視為“語言”，就需要進一步的規(guī)范定義，從而方便數(shù)字孿生體的構建。