世界上真的會(huì)有另一個(gè)“我”嗎？數(shù)字孿生：我就是

你聽過“扁鵲三兄弟”的故事嗎？
據(jù)說，魏文王曾經(jīng)求教于名醫(yī)扁鵲：“你們家兄弟三人，都精于醫(yī)術(shù)，誰是醫(yī)術(shù)最好的呢？”扁鵲說：“大哥最好，二哥差些，我是三人中最差的一個(gè)。”魏文王表示不解，扁鵲說到：“大哥治病是在病情未發(fā)作前就下藥鏟除病根；二哥是在病情剛顯現(xiàn)之前就解決癥狀；我是在病情十分嚴(yán)重之時(shí)，用大手術(shù)或者以毒攻毒使病人病情得到緩解或者很快治愈，所以我名聞天下，但其實(shí)我的醫(yī)術(shù)是最差的?！?br /> 這個(gè)道理在工業(yè)界也是通用的，即在事故未發(fā)生之前排除隱患，能夠最大程度保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。
工業(yè)界有一個(gè)著名的海因里希法則，工業(yè)安全工程師海因里希在他的《工業(yè)事故預(yù)防》一書里提到：在1件重大的安全事故背后，必有29件輕度的事故，還有300件潛在的隱患。如果在事故發(fā)生之前，抓住時(shí)機(jī)，及時(shí)消除不安全因素，就能夠避免許多重大的傷亡事故。
那么誰能在事故出現(xiàn)前解決隱患呢？數(shù)字孿生。
什么是數(shù)字孿生？
數(shù)字孿生（digital twin）技術(shù)出現(xiàn)的目的之一就是為了防患于未然，在事故發(fā)生之前就解決掉事故隱患。
2012年，NASA給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。
這個(gè)概念看起來復(fù)雜難懂，但我們看看它的應(yīng)用就能明白了。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)上的重要器件，它的穩(wěn)定和正常運(yùn)行，對(duì)于確保飛行安全極為重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商們，為了有效地檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為其創(chuàng)建了數(shù)字孿生。
工程師首先會(huì)在電腦里創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)的精確虛擬副本。然后，他們?cè)谡鎸?shí)世界中為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝各種傳感器以收集數(shù)據(jù)，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)中的數(shù)字孿生。
這時(shí)只要在虛擬世界中運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，就能模擬在真實(shí)世界中的情況。經(jīng)過長時(shí)間的虛擬運(yùn)行，工作人員就能收集發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式并了解其在什么時(shí)候需要維護(hù)。

正在測(cè)試中的發(fā)動(dòng)機(jī)，真實(shí)世界中無法模擬所有情況，在電腦中卻不成問題
（圖片來源：The U.S. National Archives）
這樣，在現(xiàn)實(shí)中我們也就能預(yù)防性地對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，從而大大減少飛機(jī)常規(guī)的停機(jī)維護(hù)時(shí)間。
不僅如此，在計(jì)算機(jī)中的運(yùn)行中，工程師還能測(cè)試各種極端、突發(fā)條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，這些條件在真實(shí)世界中可能很難模擬。這樣就能加深對(duì)機(jī)器的理解，并提高其在各種條件下的可靠性。
數(shù)字孿生從何而來？
數(shù)字孿生之前，在計(jì)算機(jī)里對(duì)真實(shí)世界的物體進(jìn)行建模和分析的技術(shù)早就存在了，并且發(fā)展的非常成熟，在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字孿生在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，圖中為海上石油平臺(tái)的數(shù)字孿生
（圖片來源：Wikipedia-SumitAwinash）
比如在工程領(lǐng)域，如果要修一座橋，這座橋要怎么設(shè)計(jì)才能夠達(dá)到最強(qiáng)的承重效果呢？先在仿真軟件里建立模型，不斷優(yōu)化模型，然后根據(jù)優(yōu)化好的模型在現(xiàn)實(shí)中修建橋梁。
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生和仿真模型的區(qū)別在于數(shù)字孿生具有演化性。數(shù)字孿生會(huì)不斷接收實(shí)際物體的各類信息，實(shí)時(shí)調(diào)整狀態(tài)，努力達(dá)到與實(shí)際物體實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

根據(jù)數(shù)字孿生提供的信息，電腦發(fā)出指令，實(shí)時(shí)調(diào)整物理世界機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到最佳運(yùn)作狀態(tài)
（圖片來源：德勒大學(xué)出版社）
再舉一個(gè)與我們生活更相關(guān)一點(diǎn)的例子。每臺(tái)汽車儀表盤上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表有一個(gè)紅區(qū)，它表示如果發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到這個(gè)區(qū)間，很可能會(huì)出問題，這個(gè)紅區(qū)在汽車的整個(gè)生命期間是不變的。
但實(shí)際情況是，每輛汽車的使用情況不同，有的汽車保養(yǎng)良好，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到紅區(qū)也沒問題；有的汽車使用情況比較糟糕，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還沒達(dá)到紅區(qū)就已經(jīng)出故障了。
如果汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有一個(gè)數(shù)字孿生，在虛擬世界和發(fā)動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的紅區(qū)就能根據(jù)數(shù)字孿生運(yùn)行的情況來實(shí)時(shí)做出改變，大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)出故障的可能性。
David Gelernter在1991年的著作Mirror worlds(《鏡像世界》)預(yù)見了數(shù)字孿生這一概念。2011年，美國空軍研究室首次明確提到了數(shù)字孿生，他們希望把戰(zhàn)斗機(jī)的維護(hù)工作進(jìn)行數(shù)字化，而數(shù)字孿生就是他們提出的解決方案。
美國空軍在F35戰(zhàn)斗機(jī)上布置大量的傳感器，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳輸給預(yù)先建立的數(shù)字模型，模型將隨著數(shù)據(jù)而實(shí)時(shí)的產(chǎn)生變化，精確的模擬出戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)際狀態(tài)。

F35是現(xiàn)在世界使用廣泛的新一代戰(zhàn)機(jī)
（圖片來源：Israeli Air Force）
美國通用電氣公司在幫助空軍研制F35戰(zhàn)機(jī)的數(shù)字孿生時(shí)，也對(duì)這一概念產(chǎn)生了極大的興趣，并在后續(xù)不斷投入資金進(jìn)行研究。截至2018年，通用公司宣稱他們已經(jīng)為自己生產(chǎn)的每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振都創(chuàng)造了對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生。
計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，使得我們有能力去處理來自物理實(shí)體的海量數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)、AI的涌現(xiàn)使得建立極其復(fù)雜的虛擬模型從天方夜譚變?yōu)榭赡堋鞲衅鞯暮Ａ繎?yīng)用、高精度數(shù)字模型的建立、物理實(shí)體與虛擬模型的數(shù)據(jù)交互是數(shù)字孿生的存在基礎(chǔ)。
我們會(huì)擁有自己的數(shù)字孿生嗎？
每個(gè)人都是獨(dú)一無二的，不同于現(xiàn)代制造業(yè)流水線生產(chǎn)的產(chǎn)品，人類是極其復(fù)雜的。隨著技術(shù)的發(fā)展，智慧醫(yī)療的概念被提出并受到了越來越多的關(guān)注。
最近幾年，智能手表出現(xiàn)在了人們的手腕上，這些手表能夠檢測(cè)人的心率、血液中的氧氣含量等基礎(chǔ)信息。我們坐太久手表會(huì)提醒自己起來走動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)候心跳太快手表也會(huì)發(fā)出預(yù)警。
現(xiàn)在借助機(jī)器學(xué)習(xí)，電腦能夠通過人臉的圖片判斷我們的心情怎么樣；在減肥過程中，拿手機(jī)拍照能知道食物有多少卡路里；智能手表會(huì)記錄我們前一晚的睡眠數(shù)據(jù)。
從某種意義上來說，這算是人體數(shù)字孿生的最初級(jí)版本。

智能手表等可穿戴智能設(shè)備能收集到人體的許多數(shù)據(jù)
（圖片來源：pixabay）
但是對(duì)于龐大且復(fù)雜的人體系統(tǒng)而言，僅采用上述的些許數(shù)據(jù)是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體狀況準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的。想要得到一個(gè)更加準(zhǔn)確的數(shù)字孿生，需要收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中包括人體所處環(huán)境的空氣質(zhì)量、光照條件、人體接種的疫苗、腦電圖、心電圖、攝入食物的種類數(shù)量等等。
創(chuàng)建一個(gè)能夠和現(xiàn)實(shí)中的人同步成長的數(shù)字孿生，到今天依然是不可能的任務(wù)。
盡管如此，人們對(duì)數(shù)字孿生在醫(yī)療健康領(lǐng)域的美好前景仍然滿懷信心。2014年，人們啟動(dòng)了名為“活心臟計(jì)劃（LHP: live heart Project）”的數(shù)字孿生開發(fā)項(xiàng)目，來自各行各業(yè)的專家以及醫(yī)學(xué)從業(yè)者希望創(chuàng)建一個(gè)人類心臟的數(shù)字孿生。
幾年后，這個(gè)項(xiàng)目交付了第一個(gè)參考模型，在這個(gè)模型中，醫(yī)生能夠復(fù)現(xiàn)任何心血管疾病并安全地測(cè)試治療方案，一些醫(yī)院的醫(yī)生會(huì)利用它來為不同的患者規(guī)劃個(gè)性化的心臟手術(shù)程序。
某些新出現(xiàn)的醫(yī)療手段，在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可能會(huì)造成巨大的損害，在數(shù)字孿生里則可以避免。

先建立一個(gè)通用的一般模型，在此模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同患者的信息建立對(duì)應(yīng)的個(gè)性化模型

(圖片來源：作者自制)
隨著新冠肺炎席卷全球，研究人員啟動(dòng)了一項(xiàng)新的數(shù)字孿生計(jì)劃——活肺計(jì)劃（LLP : Living Lung Project），用來了解病毒對(duì)人體肺器官的長期影響。在虛擬的時(shí)空中，我們可以加速時(shí)間的流動(dòng)速度，分析疾病的長期影響。

（圖片來源：Wikipedia）
曾經(jīng)人們認(rèn)為不可能建造一架完整客機(jī)的數(shù)字孿生，現(xiàn)在已經(jīng)是飛機(jī)制造商的家常便飯。人體數(shù)字孿生的搭建工作，在今天看來還存在許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，人們相信科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的速度會(huì)碾平這些挑戰(zhàn)。
數(shù)字孿生是一個(gè)多學(xué)科交叉的復(fù)雜領(lǐng)域，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)都是必不可少的學(xué)科。越來越多的研究人員進(jìn)入了數(shù)字孿生的研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生也開始出現(xiàn)在城市規(guī)劃、智能工廠、生物制藥等領(lǐng)域。另一個(gè)“我”，或許就在不遠(yuǎn)的未來。
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作者：海里的咸魚