環境偶雙極的數字孿生及其應用

程祖國　羅敏

摘? 要：之所以有“環境”一說，是因為宇宙存在人這一因素。人將所處的時空劃分為內外，形成內環境和外環境-環境偶。數字孿生技術將物理性的內外環境提取成數字信息，并深入挖掘，以數字模型的方式分析內外環境各自運轉、相互轉化信息形式的規律，締結成各種學科。信息（宇宙第三層面物質）是物理世界數字孿生的產物統稱，是具有特定內容的時空結構。覆蓋廣域時空的萬物信息是基本時空信息按一定規則組合后的構造結果。識別最簡時空結構，并進行現代科學研究，人類科技將進入新時代。

關鍵詞：環境偶;時空結構;數字孿生;三層物質理論;科技開拓方向

中圖分類號：TP18 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

“環境”是有所屬的，這就是“人”。這是公理，所以研究環境的人很少涉及自己——環境主人“我”，僅研究了環境偶的一方，從系統論、系統科學高度講，欠完整。如能補充環境偶的另一方，環境科學研究進行革命性創新，精準反應大自然，則自然科學走向根本性完美。

1 數字孿生產物的本相

數字孿生（Digital Twin，簡稱DT）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體物的全生命周期過程。DT是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的系統的數字映射系統。

1.1 數字孿生技術簡介

美國國防部為了航空航天飛行器的健康維護與保障，最早提出并利用了DT技術。專家們在數字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現與飛機真實狀態完全同步，這樣每次飛行后，根據結構現有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。

數字孿生，有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產線，在沒有建造之前，就完成數字化模型，繼而在虛擬空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數傳給實際的工廠建設（從這層應用上講，數字孿生功效類似國內提出的半實物仿真技術）。而工房和生產線建成后的日常運維中二者繼續進行信息交互，貫穿產品全生命周期的全時空。

1.2 數字孿生產物的本質推測

數字孿生反映相對應的實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，與現實空間互為表里，一陰一陽。如果物理世界的萬千變化，星球、宇宙演變，都能進行數字孿生，或數字孿生的記錄介質、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應的陰世界。

上述說法顯然有可能導向“陰陽學說”，而超越本文研究范疇，故本文不延續該觀點，而是引發對數字孿生產物的屬性思考。

數字孿生的產物本質、屬性該怎樣描述？實現DT的許多關鍵技術都已經開發出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結構化的健康管理、高性能計算等，但實現DT需要集成和融合這些跨領域、跨專業的多項技術，從而對裝備的健康狀況進行有效評估，這與單個技術發展的愿景有著顯著的區別。虛擬實體與物理實體間的差距，攻克后可以完整地透視物理世界機器實際運行情況，實現數字世界與實體世界的融合。引導人們穿越那虛實界墻，在物理與數字模型之間自由交互與行走。

數字孿生產物，即信息，實際是一種時空結構復合模型，既有空間性又有時間性，時間和空間耦合在一起，成為一體化的時空“耦合子”。如果空間足夠小、時間足夠短，則描述這種時空的信息則足夠簡單。最小空間與最短時間締結的最小時空“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，或者用數學語言講，她就是能遍歷正與負數字的最基本單元——無窮小——“O（X）”。

1.3 數字孿生期待新理論

《天工開物》、《自然哲學的數學原理》可謂宇宙轉化規律的數字孿生。由此誕生眾多學科。當代哲學與科學的宇宙觀有很大的不同。辯證唯物主義宇宙觀認為，空間是長寬高三維的延展，是無限的;時間是古往今來的延續，也是無限的。沒有離開時間的空間，沒有離開空間的時間，時間、空間耦合在一起。

中國著名科學家龐鶴鳴教授在其原創的“宇宙三層物質理論”中指出，任何物質都是質量、能量、信息的混元體，能量屬性、信息屬性隱藏時展示為實體物質;質量屬性、信息屬性隱藏時展示為能量物質;質量屬性、能量屬性隱藏時展示為信息物質。信息能獨立存在，信息的本質是時空混元耦合子，將當代哲學中“時間、空間耦合”自然科學化、技術化。

龐教授的“宇宙三層物質理論”能使人對數字孿生的認識進入科技新天地。

2 環境研究應包容研究者成偶地加以研究

“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目審核后認為，“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展的各種自然因素稱為環境”。又認為，“對人的心理發生實際影響的整個生活環境也稱為環境，更多稱為心理環境”。人有這樣、那樣的心理，對其本人而言，這些心理是真實的、存在的，這些心理影響、甚至決定了對各種自然因素的接納、評判、應對。如果研究“自然因素”時，不研究其被研究者心理因素的影響，則對“自然因素”研究的結果很可能欠“精準”或“不正確”。哥白尼的學生當年被教會燒死，可謂例證。

2.1 人和人的心理想法是自然界中的真實存在

自然環境中包括人，人是自然界中的真實存在。人很復雜，人的內部還存有很多，與人一起存在著。這種人內的、蘊藏的“存在”的屬性、特質如何，不一定被研究透徹，但對每個人而言，這種存在是真實的;言及他人，自己也明白他人實實在在地存在著這類“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，中國內地累計有37個城市建成投運城軌線路5539公里。“人因”對城市軌道交通運營安全的重要性，隨著迅速而持續增強的運營壓力越加明顯。上海地鐵集團內部統計數據表明，2018 年 1～11 月，某運營分公司14起有責運營事件中，7起為“人因”事故。唯一的一起重大事故就是由于當值司機疲勞駕駛精神不振，違章、違規作業所致，對乘客人身安全構成嚴重威脅。

如何持續保障城市軌道交通運營安全，除了加強裝備的安全技術開發外，切實管控“人因”風險事故，成為我國城市軌道交通運營管理者的關注焦點和現實需要。而裝備的安全技術開發的指導思想還是源自人，存在于軀體型物理性的人腦內的安全理念。這些理念是安全技術、安全裝備之母。盡管現代技術手段還不能直接捕捉到“她”，但毫無疑問，“她”在每個人的大腦中客觀地存在著。

2.3 數字孿生應把研發和使用裝備的人的因素都直接映射進來

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

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

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

3 現代科學研究方向芻議

3.1 研究環境應雙向成偶地研究

研究環境的專家很多，作品、成果也很多，如仔細閱讀，發現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，沒能準確地反映自然。閱讀環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。研究環境應雙向成偶地研究。

3.2 數字孿生產物極小值的識別與開發

數字孿生產物，從本質上講，是裝備的時空結構，簡稱“信息”。龐教授在其宇宙三層物質理論中專門論述了“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、識別出，并能付諸應用，則“雙向化、直接化了的”數字孿生技術將使人們對自然界的認識煥然一新。

3.3 現代科學研究方法論亟需升級

現代科學研究分成人文科學、自然科學，活生生把“人”分成 “兩瓣”。這種分類注定著西方主導的現代科學不能認知宇宙本質。

人與環境合一研究，環境呈偶出現，科學理論、研究方法這樣地革命，人類科技文化將越上新臺階。

參考文獻：

[1]龐鶴鳴.宇宙物質結構三層面理論[M].“氣-意識與生命科學”國際學術研討會，江西中醫藥大學，2018.

[2]程祖國，甄領恩.宇宙三層物質理論假說及其驗證[M].東方文化出版社，2016.

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

[4][EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/環境/277567.