环境偶双极的数字孪生及其应用

程祖国　罗敏

摘  要：之所以有“环境”一说，是因为宇宙存在人这一因素。人将所处的时空划分为内外，形成内环境和外环境-环境偶。数字孪生技术将物理性的内外环境提取成数字信息，并深入挖掘，以数字模型的方式分析内外环境各自运转、相互转化信息形式的规律，缔结成各种学科。信息（宇宙第三层面物质）是物理世界数字孪生的产物统称，是具有特定内容的时空结构。覆盖广域时空的万物信息是基本时空信息按一定规则组合后的构造结果。识别最简时空结构，并进行现代科学研究，人类科技将进入新时代。

关键词：环境偶;时空结构;数字孪生;三层物质理论;科技开拓方向

中图分类号：TP18 文献标志码：A         文章编号：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

“环境”是有所属的，这就是“人”。这是公理，所以研究环境的人很少涉及自己——环境主人“我”，仅研究了环境偶的一方，从系统论、系统科学高度讲，欠完整。如能补充环境偶的另一方，环境科学研究进行革命性创新，精准反应大自然，则自然科学走向根本性完美。

1 数字孪生产物的本相

数字孪生（Digital Twin，简称DT）是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体物的全生命周期過程。DT是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的系统的数字映射系统。

1.1 数字孪生技术简介

美国国防部为了航空航天飞行器的健康维护与保障，最早提出并利用了DT技术。专家们在数字空间建立真实飞机的模型，并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。

数字孪生，有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线，在没有建造之前，就完成数字化模型，继而在虚拟空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设（从这层应用上讲，数字孪生功效类似国内提出的半实物仿真技术）。而工房和生产线建成后的日常运维中二者继续进行信息交互，贯穿产品全生命周期的全时空。

1.2 数字孪生产物的本质推测

数字孪生反映相对应的实体物的全生命周期过程，所以，有专家解释说，物理空间的背后存在虚拟空间，与现实空间互为表里，一阴一阳。如果物理世界的万千变化，星球、宇宙演变，都能进行数字孪生，或数字孪生的记录介质、记录载体大到足够，则不妨把专家的这种解释说法提炼为：阳世界背后存在与之一一对应的阴世界。

上述说法显然有可能导向“阴阳学说”，而超越本文研究范畴，故本文不延续该观点，而是引发对数字孪生产物的属性思考。

数字孪生的产物本质、属性该怎样描述？实现DT的许多关键技术都已经开发出来，比如多物理尺度和多物理量建模、结构化的健康管理、高性能计算等，但实现DT需要集成和融合这些跨领域、跨专业的多项技术，从而对装备的健康状况进行有效评估，这与单个技术发展的愿景有着显著的区别。虚拟实体与物理实体间的差距，攻克后可以完整地透视物理世界机器实际运行情况，实现数字世界与实体世界的融合。引导人们穿越那虚实界墙，在物理与数字模型之间自由交互与行走。

数字孪生产物，即信息，实际是一种时空结构复合模型，既有空间性又有时间性，时间和空间耦合在一起，成为一体化的时空“耦合子”。如果空间足够小、时间足够短，则描述这种时空的信息则足够简单。最小空间与最短时间缔结的最小时空“耦合子”-信息-如果存在，則她将是贯通物理空间和虚拟空间的桥梁，或者用数学语言讲，她就是能遍历正与负数字的最基本单元——无穷小——“O（X）”。

1.3 数字孪生期待新理论

《天工开物》、《自然哲学的数学原理》可谓宇宙转化规律的数字孪生。由此诞生众多学科。当代哲学与科学的宇宙观有很大的不同。辩证唯物主义宇宙观认为，空间是长宽高三维的延展，是无限的;时间是古往今来的延续，也是无限的。没有离开时间的空间，没有离开空间的时间，时间、空间耦合在一起。

中国著名科学家庞鹤鸣教授在其原创的“宇宙三层物质理论”中指出，任何物质都是质量、能量、信息的混元体，能量属性、信息属性隐藏时展示为实体物质;质量属性、信息属性隐藏时展示为能量物质;质量属性、能量属性隐藏时展示为信息物质。信息能独立存在，信息的本质是时空混元耦合子，将当代哲学中“时间、空间耦合”自然科学化、技术化。

庞教授的“宇宙三层物质理论”能使人对数字孪生的认识进入科技新天地。

2 环境研究应包容研究者成偶地加以研究

“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核后认为，“人类生存的空间及其中可以直接或间接影响人类生活和发展的各种自然因素称为环境”。又认为，“对人的心理发生实际影响的整个生活环境也称为环境，更多称为心理环境”。人有这样、那样的心理，对其本人而言，这些心理是真实的、存在的，这些心理影响、甚至决定了对各种自然因素的接纳、评判、应对。如果研究“自然因素”时，不研究其被研究者心理因素的影响，则对“自然因素”研究的结果很可能欠“精准”或“不正确”。哥白尼的学生当年被教会烧死，可谓例证。

2.1 人和人的心理想法是自然界中的真实存在

自然环境中包括人，人是自然界中的真实存在。人很复杂，人的内部还存有很多，与人一起存在着。这种人内的、蕴藏的“存在”的属性、特质如何，不一定被研究透彻，但对每个人而言，这种存在是真实的;言及他人，自己也明白他人实实在在地存在着这类“存在”。

2.2 轨道交通列车驾驶疲劳受轨道交通装备和自身双重影响

截止2018年12月31日，中国内地累计有37个城市建成投运城轨线路5539公里。“人因”对城市轨道交通运营安全的重要性，随着迅速而持续增强的运营压力越加明显。上海地铁集团内部统计数据表明，2018 年 1～11 月，某运营分公司14起有责运营事件中，7起为“人因”事故。唯一的一起重大事故就是由于当值司机疲劳驾驶精神不振，违章、违规作业所致，对乘客人身安全构成严重威胁。

如何持续保障城市轨道交通运营安全，除了加强装备的安全技术开发外，切实管控“人因”风险事故，成为我国城市轨道交通运营管理者的关注焦点和现实需要。而装备的安全技术开发的指导思想还是源自人，存在于躯体型物理性的人脑内的安全理念。这些理念是安全技术、安全装备之母。尽管现代技术手段还不能直接捕捉到“她”，但毫无疑问，“她”在每个人的大脑中客观地存在着。

2.3 数字孪生应把研发和使用装备的人的因素都直接映射进来

数字孪生的想法来自自然界，诞生于人的大脑。数字孪生技术首次提出者提出的可能不是现在的样子，受制于既有技术，只得以现在的面貌呈现，而把数字孪生的原始形象——“初心”记录进“数字孪生技术发展史”中。

事实上，研发者大脑中的内容就是研发出来的具体装备，从某种意义上讲，数字孪生在一定程度上表征、记录了研发者大脑中的部分内容。规定装备的使用方法后，使用者将按规范进行操作，即通过装备这样媒介，研发者大脑中的“东西”变成了使用者大脑中的“东西”了。数字孪生把研发和使用装备两方面的人的因素都予以映射，但不是直接。数字孪生技术有待“双向化”、直接化。

能否不通过装备，不借助“媒介”，直接从研发者传递给使用者呢？现代科学之父，尼古拉·特斯拉，给予准确、肯定回答：完全可以！在大脑中直接加工、优化信息，与外部的通过装备的物理层面的加工、优化，结果一样（参见尼古拉·特斯拉传记）！

3 现代科学研究方向刍议

3.1 研究环境应双向成偶地研究

研究环境的专家很多，作品、成果也很多，如仔细阅读，发现这些成果间存在矛盾。为什么？粗以为，研究者大脑中存在的“东西”干扰、束缚了自己，没能准确地反映自然。阅读环境专家的著作还得追溯作者，作者大脑中的“东西”，类似具有检波函数作用的滤波器件，所述自然界是被滤波器件“过滤”过的自然，而不是自然“原貌”，自然的很大一部分被“过滤”、“排除”在著作成果之外了。研究环境应双向成偶地研究。

3.2 数字孪生产物极小值的识别与开发

数字孪生产物，从本质上讲，是装备的时空结构，简称“信息”。庞教授在其宇宙三层物质理论中专门论述了“信息”的体、性、用。信息有简繁，最简信息，暂以“信息极小值”记述，如能挖掘、识别出，并能付诸应用，则“双向化、直接化了的”数字孪生技术将使人们对自然界的认识焕然一新。

3.3 现代科学研究方法论亟需升级

现代科学研究分成人文科学、自然科学，活生生把“人”分成 “两瓣”。这种分类注定着西方主导的现代科学不能认知宇宙本质。

人与环境合一研究，环境呈偶出现，科学理论、研究方法这样地革命，人类科技文化将越上新台阶。

参考文献：

[1]庞鹤鸣.宇宙物质结构三层面理论[M].“气-意识与生命科学”国际学术研讨会，江西中医药大学，2018.

[2]程祖国，甄领恩.宇宙三层物质理论假说及其验证[M].东方文化出版社，2016.

[3][EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/数字孪生/22197545？fr=aladdin.

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