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21世紀是數位雙生之世紀

若用哲學去思考數位雙生技術,都說科學的盡頭是哲學,數位雙生的盡頭當然也是哲學。首先我們要建立正確的數位雙生的哲學三觀。也就是建立數位雙生的世界觀、價值觀和人生觀。

圖1 : 數位雙生的哲學思考
圖1 : 數位雙生的哲學思考

首先談到的是數位雙生的世界觀,我們經常聽說,有什麼樣的世界觀,就有什麼樣的人生觀和價值觀。讓我們首先把思維,穿越到人類誕生之初,我們的古猿祖先是如何認識世界和改造世界的。

圖2 : 從「腦海雙生」到「數位雙生」
圖2 : 從「腦海雙生」到「數位雙生」

在舊時期時代,人類的製造業是石刀和石斧,基礎建設產業是有巢氏教會我們搭建簡易的樹屋,生命科學產業是神農氏教會我們嘗遍百草,我們的祖先在做這些事情的時候,在他們的腦海裡,一定有石刀和石斧的樣子,有樹屋與百草的樣子,正是這樣的腦海雙生,指導著我們祖先,打造最簡單的石刀和石斧,建造最簡單的樹屋。

那個時候知識的承載方式是語言雙生;來到青銅器時代,文字的誕生,承載知識的主要手段變成書籍雙生;人類進入工業革命後,又帶來照相術和攝影術,多媒體雙生成為書籍雙生的輔助手段。直到上個世紀末,隨著電腦時代的到來,數位完全成為知識承載的重要手段。

在數位雙生時代,人類認識世界和改造世界的手段發生了什麼樣的變化?

圖3 : 數位雙生的世界觀
圖3 : 數位雙生的世界觀

當然我們人類認識世界和改造世界最原始的手段就是運用我們的五官去直接體驗,比如透過視覺,人和動物感知外界物體的大小、明暗、顏色、動靜,獲得對生物生存具有重要意義的各種資訊,至少有80%以上的外界資訊經視覺獲得。當然還有聽覺、嗅覺、味覺和觸覺。

我們對客觀世界感知到的部分稱之為體驗世界(E-World),我們可以將感知到的事物,在我們心目當中產生的印象稱之為體驗雙生。

由於人類感官的侷限性,我們所能夠感知的資訊,距離越近感知越多,距離越遠感知越少,我們對客觀世界的體驗是局部的、有限的、模糊的。

「君子性非異也,善假於物也」。為了更精確的理解世界、認識世界和改造世界,人們發明了各種各樣的測量器具,來幫助我們更精準的認識世界。從古代的尺規,到今天的感測器,讓我們能夠更快更準確的獲取客觀世界的各種參數資訊。基於這些參數資訊建構的世界,我們稱之為測量世界(M-World)。透過對這些資訊的分析,我們來預測可能產生的失效並消除風險,或提升工廠的生產效率。

由於測量設備與測量精準度的有限性,我們採用測量方式,建立的測量資料世界,必然是碎片化的、帶有測量誤差的、有延遲的結果。

藉由電腦建模技術,我們可以在數位世界裡建立虛擬產品、虛擬工廠甚至虛擬城市。我們可以稱之為真實世界或客觀世界的虛擬雙生。

虛擬世界(V-World)是理想化的世界,虛擬雙生之上能夠承載人類對客觀世界已知的知識。透過測量的方式獲取的外部資訊,我們通常只能做到所以然,是事物運行的結果;而虛擬雙生要求我們瞭解事物運行的機制,能夠實現知其然、知其所以然。

由於其知識承載的不完備性,我們人類建造的虛擬世界,也是局部的、有限內容的、非精確的,為客觀世界的一部分。

既然三種認識世界的手段都是碎片化的、非精準的,我們通常會將三種不同的手段結合在一起使用,比如我們可以將實際工廠裡的運作資訊,近乎即時的顯示在虛擬人生工廠的相關設備之上。

我們建立實測世界、虛擬世界和體驗世界的最終目的,就是為了提升人類的體驗,就是為了要獲得產品的最佳體驗。

接下來我們首先探討一下,在實測世界裡面,我們到底有什麼樣的測量手段來獲取客觀世界的資訊。

圖4 : 實測世界/計量學
圖4 : 實測世界/計量學

度量衡學包括涉及測量理論和實用的各個方面,不論其不確定度如何,也不論其用於什麼測量技術領域。

這是國際度量衡局(International Bureau of Weights and Measures;BIPM),國際標準組織(International Organization for Standardization;ISO)與國際法制計量組織(International Organization of Legal Metrology;OIML)以及國際臨床化學和檢驗醫學聯合會(International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine;IFCC)、國際純化學暨應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry;IUPAC)和國際純粹及應用物理學聯合會(International Union of Pure and Applied Physics;IUPAP)等七個國際組織聯合制訂的《國際通用度量衡學基本術語》中,對度量衡學的定義。

若按專業把度量衡分為十大類度量衡,即幾何量度量衡、熱學度量衡、力學度量衡、電磁學度量衡、電子學度量衡、時間頻率度量衡、電離輻射度量衡、聲學度量衡、光學度量衡、化學度量衡。

幾何量度量衡在習慣上又稱長度度量衡。按項目分類,包括:線紋度量衡、端度度量衡、線脹係數、大長度度量衡、角度度量衡、表面粗糙度、齒輪、螺紋、面積、體積等度量衡;也包括形位參數:直線度、平面度、圓度、垂直度、同軸度、平行度、對稱度等計量;絕大部分物理量都是以幾何量資訊的形式進行定量描述的,在度量衡單位中佔有重要地位。

圖5 : 實測世界 / 尺度與誤差範圍
圖5 : 實測世界 / 尺度與誤差範圍

國際單位制(SI),源自公制或公尺制,舊稱「萬國公制」,是現時世界上最普遍採用的標準度量衡單位系統,採用十進位進位元系統。

在國際單位制中,將單位分成三類:基本單位、導出單位和輔助單位。7個嚴格定義的基本單位是:長度(米)、重量(千克)、時間(秒)、電流(安培)、熱力學溫度(開爾文)、物質的量(摩爾)和發光強度(坎德拉)。

測量時,要選擇合適的單位和尺度(Scale),比如長度的測量,新冠病毒的平均直徑為100奈米,質子的半徑為0.831飛米(2019年11月測出來的結果,Nature雜誌,美國維吉尼亞州湯瑪斯·傑弗遜國家實驗室加速器混合式量熱計(HYCAL);人類迄今為止觀察到最遠的星系(也就是紅移最大的星系),紅移值達到了11.1,對應著大約134億光年的距離。

一般說來,真值不可能確切獲知。不管用任何測量手段,測量結果與真值之間總是存在誤差,準確度是分析結果與真值的相符程度。準確度通常用誤差來表示,誤差越小,表示分析結果的準確度越高。誤差可以用絕對誤差和相對誤差來表示。絕對誤差是分析結果與真值之差,相對誤差是絕對誤差和真值的百分比率。

在實際應用中,我們經常使用感測器來持續不斷的測量數據,或者說以某一時間間隔不斷的獲得測量資料。人們發明了各種各樣的感測器去測量數據,建構測量世界。以達梭系統的3DEXPERIENCE MarketPlace為例,可以查詢到上萬種不同型號和品牌的感測器

圖6
圖6

感測器的應用在現在的產品中十分常見。一台新型的自動駕駛汽車上,可能會裝有數百個感測器,甚至有的手機都安裝了上百個感測器

圖7 : 實測世界/ 感測器無處不在
圖7 : 實測世界/ 感測器無處不在

除了用感測器來測量數據,我們也會採用攝影機來捕獲人類的產業經驗,透過攝影機採集的影音流和圖像數據,運用人工智慧的分析,來掌握人類在生產、生活中的經驗。

圖8
圖8

運用3D雷射掃描設備,我們可以獲得大型設施,如工廠的點雲圖,甚至透過模型庫,藉由機器識別的演算法,快速建立工廠的模型。

圖9
圖9

從實測世界中的生產線、設備、產品、感測器等獲得的數據,彙集到雲端,形成工業大數據,建構於網路上,形成工業網路(Industrial Internet)。以對工業大數據的分析為基礎,達到提升效率、降低成本的目的。

圖10 : 實測世界 / 工業物聯網
圖10 : 實測世界 / 工業物聯網

以工業大數據為基礎的工業網路,受限於實測世界的限制,也就是不管怎麼做都會有碎片化、有時間延遲、有誤差,而工業網路的未來演進,也會圍繞著如何部署更多的感測器、獲取更多的資訊、提升感測器的測量精準度、提升資訊獲取、資訊傳輸和資訊運算的速度等方向進行。

圖11 : 工業物聯網的未來演進
圖11 : 工業物聯網的未來演進

摩爾定律在工業網路的演進過程中,能夠發揮一定作用,工業大數據每兩年新增的速度,大致上是符合摩爾定律的。為了實現更快的資訊傳輸,通訊能力也每隔10年上升一代,未來10年是5G的時代,依此類推,2100年將進入13G的時代。

以上我們談到的是如何建構實測世界。透過測量,往往我們只能夠獲得表面的資訊、外在的資訊。我們只能透過這些外在的資訊進行有限的內在機制的推理。比如說一些工業網路的專案,採集了一條生產線上感測器和裝置的資訊進行分析,試圖透過這些資料的分析,來提升產品的品質,或者生產效率,但由於是先有生產線,再有工業網路,能夠改善的空間是有限的,如果生產線本身的工藝設計和工廠佈局就是不合理的,透過工業網路的手段是很難發現的。通過虛擬工廠、虛擬雙生的手段,則可以從根本上解決這些問題。

作為產品設計的重要手段,在電腦中建立產品的虛擬雙生,應用已經十分普遍。今天我們能夠見到的絕大多數產品,尤其是複雜的產品,這裡產品的概念指的是廣義產品的概念,涵蓋了製造業,從工廠裡生產製造出來的產品,以及我們建造的市政工程建設和建築乃至城市、藥物和各種化工材料,在產品的研發階段,都多多少少地應用了虛擬雙生技術。

圖12 : 虛擬世界/ 虛擬雙生發展的五個階段
圖12 : 虛擬世界/ 虛擬雙生發展的五個階段

在虛擬雙生技術的不斷演進過程中,達梭系統在過去接近40年時間裡,引領了虛擬雙生的五次革命性發展階段。

從最早的幾何雙生(從2D向3D轉化),到1989年的多學科虛擬雙生(數位樣機時代)、1999年的產品生命週期虛擬雙生(3DPLM - 產品生命週期管理)、2012年的3D體驗雙生,來到2020年提出的人體虛擬雙生體驗(Virtual Twin Experience of Humans)。

圖13 : 虛擬世界/ 基於模型的幾何外觀雙生
圖13 : 虛擬世界/ 基於模型的幾何外觀雙生

在上個世紀80年代初,CATIA將產品設計從2D升級到3D設計,帶來了所見即所得的技術。從尺寸、材質、外觀上,逼真地表達產品的幾何外觀雙生。幾何外觀雙生承載了產品幾何外觀的知識。

圖14 : 虛擬世界/基於模型的多學科多專業數位雙生
圖14 : 虛擬世界/基於模型的多學科多專業數位雙生

承載產品內在知識的雙生是多學科多專業虛擬雙生。通過對多學科多專業虛擬雙生建模,支撐產品在結構、材料、熱學、流體、電磁學、系統工程、地球物理學、化學、生物學方面的知識。

除了考慮產品的最終狀態,我們在增加時間維度,將產品的生命週期,完全涵蓋進來,包括產品的成熟度,從0%~100%,包括產品從搖籃到墳墓的整個歷程,建構產品生命週期雙生。

除了考慮產品本身,我們還需要建構產品的上下文知識與產品的各種使用場景,我們就需要構造3D體驗雙生。

圖15
圖15

從原子到分子,從分子到材料,從材料到零件,從零件到部件,從部件到產品,從產品到應用場景,從基礎建設到城市,從城市到國家,從國家到星球,我們最終能夠建構從原子到星球的虛擬雙生。

圖16 : 虛擬世界/ 不同等級的複雜程度
圖16 : 虛擬世界/ 不同等級的複雜程度

建構虛擬雙生世界,涉及到不同等級的複雜程度。一個典型的製造業的產品:汽車,大概有3萬個零件組成;人類建造的最大的單體產品:航空母艦,通常由10億個零件組成;人類建造的城市:數百萬棟建築;麒麟990的晶片:整合了上百億的電晶體;而生命的複雜性遠遠超過人造的這些產品,人體是由大約37.2萬億細胞組成,每一個細胞在一個週期要生產4200萬蛋白質。

能夠建構虛擬世界,就意味著人類掌握了虛擬世界的知識。將為人類的未來帶來更多突破性的進展。

在未來20年裡,我們將能夠建立基本完整的人體虛擬雙生,醫學也將進入一個全新階段。今天的醫院,治療體系還是以實測世界為基礎的,透過體檢的各種參數、體溫和白細胞指數等等指標,來進行診斷、制定治療方案;而當我們能夠建立人體虛擬雙生的時候,根本就不會等到疾病產生的時候再去治療,我們能夠獲得永續的健康,擺脫任何疾病的困擾。

我們通常講,藉由我們的五官,我們能夠認識客觀世界。透過對5種感官的滿足,人類能夠獲得豐富的體驗。

圖17
圖17

體驗可以用來分享、體驗可以複製,體驗甚至可以成為商品,體驗已經成為一種經濟模式,也就是體驗經濟。我們的食、衣、住、行,工作、生活和娛樂都是體驗,旅遊是體驗、感情也是體驗。

圖18 : 新體驗經濟轉型
圖18 : 新體驗經濟轉型

在體驗經濟的時代,各行各業的人類活動都圍繞提升體驗展開。產品的生命週期始於體驗,終於體驗,產品研發的反覆運算過程是體驗不斷升級的過程。在體驗經濟社會,產品的定義應該用體驗來定義。

圖19 : 體驗定義產品
圖19 : 體驗定義產品

產品只一個,體驗千千萬。成千上萬的商品,被成千上萬的人所使用,我們每一天都在體驗不同的產品,我們每一個時刻都在體驗不同的場景。我們在網路和論壇裡,在各種各樣的社交場合去分享我們的體驗,所有的人類體驗,最終構成體驗網路:Internet of Experience。

體驗世界(體驗網路)、實測世界(工業網路)和虛擬世界(從原子到星球到虛擬雙生)構成了人類對客觀世界認識整體範疇。接下來,讓我們思考一下其他的科學技術。

Gartner公司的副總裁Jackie Fenn女士自1995年起開始每年推出新技術炒作週期曲線,在分析近千種最新技術的基礎上,去發現技術創新的規律。下圖是我收集的過去十六年的Gartner Emerging Technologies Hype Cycle曲線。因為這條曲線長得特別像中國的黃河,於是稱之為「黃河曲線」。

圖20
圖20

讓我們一起思考一個問題:Jackie Fenn的黃河曲線講了如此眾多的技術,哪一種技術才是最重要的?哪一種技術可以涵蓋所有其他技術?

歷史上最偉大的科學家之一,牛頓統一了天上的力學和地上的力學;麥克斯韋統一了電學和磁學,創造了電磁學;楊振寧開創的楊-米爾斯場統一了強力、弱力和電磁力,愛因斯坦一輩子的夢想就是把相對論和量子力學統一起來,把四種力:強力、弱力、電磁力和引力統一起來,最終也沒有實現。

今天世界上有這麼多先進的技術,能不能用一句話把所有的技術都連接在一起?有沒有一種技術能把所有的這些技術統一起來?這種技術就是數位雙生。

圖21 : 統一技術:數位雙生
圖21 : 統一技術:數位雙生

因為我們人類認識世界和改造客觀世界的手段,都可以歸結為實測世界,虛擬世界和體驗世界,因此認識世界和改造客觀世界的技術,都可以歸結為數位雙生的技術,數位雙生就是這個大一統的技術。感測器技術、雷射掃描技術、三座標測量儀、機器學習、擴增時、工業大數據、工業網路、ERP、MOM等等,這些技術都是建構實測世界的技術。

虛擬雙生(Virtual Twin)、CAD、CAE、CAM、VR、3D列印、PLM等等,都是屬於構造虛擬世界的技術;3DEXPERIENCE、數位社區、人工智慧、感測質量等等,都是屬於構造體驗世界的技術。

有人說21世紀是材料科學的世紀,也有人說21世紀是生命科學的世紀,但既然我們研究材料科學和生命科學,背後使用的都是數位雙生的技術,21世紀當仁不讓就是數位雙生的世紀。

為了讓人類的所有知識和技術,所有認識世界和改造世界的手段,放到一個平台裡面去支撐,我們就需要一個一體化的、數據驅動的虛擬雙生體驗平台,將實測世界的資料和技術手段、虛擬世界的多學科多專業知識以及虛擬雙生相關技術、體驗世界的人類體驗結合在一起,為人類、為企業和個體提供3D體驗環境,幫助人們進行永續創新,實現產品、自然和生命的和諧狀態。這就是達梭系統提出的3D體驗平台。

圖22 : 數位雙生一體化平台
圖22 : 數位雙生一體化平台

3D體驗平台秉承一個核心理念,就是要以提升產品的體驗為核心。藉由工業網路、虛擬雙生、體驗互聯網三個世界的構築手段,以定義體驗、驗證體驗、交付體驗為主要服務內容,以不斷的推出更好的體驗,來驅動人類歷史向前。

圖23 : 體驗思維提供創新架構 3D體驗平台支持虛擬雙生體驗
圖23 : 體驗思維提供創新架構 3D體驗平台支持虛擬雙生體驗

因此,我們可以總結為:21世紀是數位雙生的世紀、21世紀的平台是3D體驗平台。

(作者為達梭系統大中華區技術總監馮升華博士;圖片來源:達梭系統)

 

CTIMES / 文章 /【作者: 馮升華】   2021年01月08日 星期五