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        2016年9月，走向智能论坛面向海内外读者正式推出国内第一本研究智能科技成果、预测新工业革命趋势、探讨智能社会基本原理的未来学著作--《三体智能革命》（机械工业出版社出版），代表中国学术界和产业界，对智能制造、工业4.0、人工智能、虚拟现实、互联网+ 、物联网、CPS、大数据、认知科技等前沿现象所代表的智能科技创新浪潮与新工业革命的特征原理、内在规律以及发展趋势作出系统梳理与回答。
本公众号将连续刊发《三体智能革命》副主编赵敏先生解读《三体智能革命》原创概念“数字虚体”的系列文章，本文为系列文章中篇：
上篇：数字虚体 引领新一轮科技革命
中篇：数字虚体 深度掌控物理世界
下篇：数字虚体 推驱动软件定义世界
敬请关注九月上市的《三体智能革命》。

数字虚体：深度掌控物理世界

——《三体智能革命》原创概念“数字虚体”解读之二

在近期面世的探讨智能科技与新工业革命核心原理的新著《三体智能革命》之中，对数字世界的新型智能雏形给出了崭新的定义、热情的讴歌与前瞻的展望。数字虚体是一种用来驱动软硬件设备的高级数理逻辑系统，它能帮助操控者控制、执行、复制或创建各种应用，也可以自我优化和自主发展，最终演化出自我意识，有了自己的数字语言、自己的数字思维、自己的数字化演进规律，与人协作或平行于人类发展。数字虚体也可以简称为“数体”。
一、赛博空间，电磁主体
赛博是如何产生的？其覆盖的范围有多大？到底如何准确解读维纳的《控制论（也有人译为“赛博学”）》？是不是从机器到动物都可以含括在赛博的范畴之内？这些都是学术界仍然有争议的问题。在《三体智能革命》一书中，笔者对此进行了讨论。
笔者个人以为，赛博无处不在，皆因电磁缘起。首先要了解的，应该是电。
3000多年前的殷商时期，中国甲骨文中就有了“雷”及“电”的形声字。2000年前，古罗马的医生就知道触摸电鳐（一种可发出电击的鱼）可以治疗痛风和头疼。直到1752年，美国的本杰明•富兰克林用一个极其危险的风筝实验，证明了天空的闪电和地面上的电是一回事。电存在于所有的物体之中。1831年英国的迈克尔•法拉第发现磁场和电场可以相互产生与转换。由此，人类踏上了探索使用电磁的伟大征程。
1887年德国物理学家赫兹发现了电磁波的存在，意大利人马可尼在1894年第一次在家里用无线电波打响了10米以外的电铃，并在1898年验证了诸如无线电、光等都是不同形式的电磁波。同年，特斯拉已经可以用无线电波操纵自己发明的遥控船了。
赛博并不神秘，早期的赛博就是基于电磁的远程控制，具体的实现手段以雷达和天线为主，从遥控水雷到遥控宇宙飞船。现在人类用电磁信号控制一个宇航器的最远距离是170亿公里——2012年NASA（美国国家航空航天局）对快飞出太阳系的“旅行者1号”发出了遥控指令，让它的照相机对地球做了最后一次“自拍”。这道以光速飞驰的控制指令要16个小时才能到达。这恐怕是人类使用电磁波对一个人造系统所做的最遥远的控制了！
当然，人类对赛博的应用远不止此。进入新世纪以来，赛博在军事领域得到了高度重视，赛博空间（Cyberspace）一词大行其道。2009年4月，在美国国防部的倡导下出版了《赛博力量和国家安全》一书中，对赛博空间做了定义与全面介绍，认为赛博空间是一个可操作的领域，由电磁频谱、电子系统及网络化基础设施三部分组成，人类通过电子技术和电磁频谱进入该领域，进行信息的创建、存储、修改、交换和利用。该定义强调了赛博空间包含以下三个基本部分：
电磁频谱——主要指远程控制与信息承载能力；电子系统——主要指计算机等设备所形成的传感、计算与运行能力；网络设施——主要指基于网络的互联互通能力。
2013年美国国防部进一步将赛博空间阐述为：“信息环境中的一个全球域，由相互依赖的信息基础设施及其内部数据构成，这些网络包括互联网、电信网、计算机系统及嵌入式处理器与控制器”。赛博空间不完全等于计算机网络或因特网空间，其含义更宽泛，既指既包括网络空间、电磁空间及其扩展延伸的虚拟空间，也包括使用各种电磁能量的相关基础设施的物理空间和有人参与的虚拟环境，因为人类需要用电磁来实现必要的无线控制动作。例如，卫星导航网络、交通指控网、军事指控网、电视网等所有以传输、处理、存储数字信号为特征的同构和异构网络，以及数不尽的无线遥控致动器。
由上所述，从任何的电子系统、网络设施的内部到外部，任何的空间内，都可以充斥着各种用途、各种频谱、搭载了各种信号的电磁波——例如广播、电视、CDMA、GSM、WCDMA、WiFi、蓝牙、红外乃至NFC等。人们每天都离不开电磁波。藉由建立在电磁波上的互联网和各种网络，可以跨越任何时空限制来实现无限延伸的赛博空间中的远程控制，例如在地球上某一点来建设、修改、控制甚至破坏另外半球的设备已经不是难事。
由电磁，而赛博。电磁，是赛博空间的造就者、主导者和传承者。没有电磁，就没有赛博空间。当然，如果没有电，也就没有电磁。因此，任何的赛博设备，都离不开一个最基本的要素——电。
二、赛博设备，电磁造数
类似于二进制的数理逻辑系统——八卦符号系统，发明于七千多年前无文字时代，属于中国人的一个创举。在八卦符号系统中，阴为0，阳为1，阴阳的不同组合，既表示不同层级的卦象（如两仪、四象、八卦等），也表示了数理——二进制数字0/1的排列与组合，可惜国人数千年间都没有认识到这一点。首先提出二进制运算规则，并且认识到八卦符号系统是最早的二进制符号系统，是德国数学家莱布尼茨。他的演算结果如图1所示。

图1 二进制对应十进制的演算（笔者拍摄于柏林技术博物馆）
除了太极拳里面用人的肢体所表示的阴、阳（0和1）之外，实现二进制数理逻辑的人造系统非常多。可以用笔划，可以用灯光，可以用穿孔纸带，可以用晶体管……。
作为一种数字信息，二进制（0和1）在展示上必须依靠特定物理载体来实现，无法抽象地、无介质地独立存在。不管是用笔划表示的“—，- -”（阳，阴），还是用灯光表示的“亮，暗”，或者是用穿孔纸带表示的“有孔，无孔”，亦或是用晶体管中的电流表示的“通，断”，它们都需要物理介质作为基本支撑。参照原工信部副部长杨学山教授撰写的“论信息”一书中“信息是由载体与/或外壳承载并表达的一起客观存在的含义”，可以认为，信息必须有自己的“载体”与/或“外壳”，在这里笔画、灯光、纸孔、电流就是上述举例的载体。
显然，在上面列举的实现“0和1”方式中，用传统的笔划书写表示是最慢的；用灯光表示比较快，但是灯泡占用空间较大；用穿孔纸带表示占空间不大，而且处理速度较快，但是无法持续提高运算速度和打孔密度；而用晶体管来表示不仅速度快、占空间小，而且可以持续提高运算速度和晶体管的密度。因此，以电磁造数——用晶体管构建逻辑门电路来实现逻辑运算，形成了集成电路。高度密集化的超大规模集成电路造就了今天最常见的一种赛博设备——芯片。
由赛博，而数字。从实现原理上说，电场构成了芯片中计算和传导的物理场，磁场构成了芯片中存储的物理场，电/磁场构成了无线网络的物理场。因此，没有稳定的物质（半导体PN结），就没有稳定的电/磁场，也就没有稳定的二进制“0和1”，当然也就没有稳定的数字空间的存在。“数字-电磁-物质”就是这样和谐地统一到了芯片——这个最基本的物理介质上。
三、硬件软件，虚实合体
仅仅有了由芯片组成的计算机等赛博设备还是远远不够的。计算机要想正常工作，必须由人赋予基本的运行指令（程序），在人和计算机之间能够彼此顺畅地传递和交换信息。因此，人与计算机之间传递信息的媒介（通讯的语言）——计算机语言就诞生了。为了使计算机进行各种工作，就需要有一套用来编写计算机程序的字符和语法规则，由这些字符和语法规则组成计算机各种指令（语句），赋予各种数据，就形成了计算机能够识别和接受的语言，形成了软件程序。
计算机（芯片）中的每一个动作，一个步骤，都是按照已经用计算机语言编好的程序来驱动芯片的底层功能来执行的。程序就是计算机要执行的指令的集合。程序身兼二任，相当于一个“同声翻译”，面向人的界面上，都是用人类语言来编写的；面向芯片的界面上，都是用最基本的机器语言来编写的。因此在人机交互过程中，所有的信息都能够彼此互通互懂。而在芯片的底层，所有的程序都是用“0和1”（晶体管电流的通/断）来表示的。因此，无论多么复杂的程序，都是一系列的二进制数字“0和1”组成的。
由数字，而软件。这一系列的二进制数字“0和1”构成了我们常说的“软件”。如果没有软件，所有的计算机都是摆设。形形色色、大大小小、不同用途的软件，定义了数据，定义了模型，定义了功能，定义了机器，定义了过程，定义了规则，定义了网络，定义了虚拟的数字世界，定义了制造业，定义了可以定义的一切。
软件和硬件，数字和物理，在肉眼不可见的纳米级别的芯片空间中、在电/磁场的波谷与波峰上，历史性地相遇、相知、相伴与合体。在软件的驱使下，“0和1”的数字波谷与波峰，构成了汹涌的数字江河与数据海洋，占据每一条可能的数据通道，充斥了每一个数字空间，塑造了每一个鲜活的数字虚体。如图2所示。

图2 芯片造就的数字空间及数字虚体（该图来自网络图片）
由软件，而数体。如果没有软件、硬件、网络的合体，没有井然有序的计算机指令程序和可用的数据资源，就没有可以通过计算机来表达事物的功能，也就没有今天日益崛起的数字虚体——世间造物的第三体。
四、防聋治哑，依赖CPS
早期的物理设备，经常被称作哑设备，专指那些没有入网、不能自动汇报、不能透明化管理的物理设备。“哑”，往往是因为“聋”、“瞎”所致，即哑设备没有信息的输入，当然也就没有信息的输出。没有任何信息输入与输出的设备，其实就是愚设备、笨设备、不智能的设备。
要想让设备从愚变聪、从笨变灵、从哑变智，必须借助数字虚体的强大功能来实现。
怎样让数字虚体进入物理实体，并且让他们彼此能够相互作用呢？答案是给物理设备嵌入计算内核，即借助智能化的使能技术CPS（赛博物理系统）来实现。
美国国家科学基金会（NSF）专家海伦·吉尔指出：“CPS是那些由计算内核所集成、监控和/或控制其运行的物理、生物和工程系统。组件在任意级别上联网。计算被深深嵌入到每一个物理组件中，甚至可能进入材料内部。计算内核是一个嵌入式系统，一般需要实时响应并且常常是分布式的。”由该定义可见，计算内核是实现CPS的基本要素，通常由芯片之类的硬件以及预装和运行在芯片中的软件所组成。
笔者在《三体智能革命》一书中，特别提到了实现CPS的基本逻辑：把人的思想提炼为知识和算法，把知识和算法嵌入软件，把软件嵌入硬件，把硬件嵌入物理系统，由此而组成形式多样但逻辑一致的CPS系统。在C（赛博空间）中运行的数字虚体，通过电磁场和数字指令，驱动致动器，由此而驱动和控制物理实体P（物理空间）。
在数字虚体中，可以完美地呈现物理产品的数字镜像——数字孪生，由此而实现物理实体和数字虚体的精确映射。其中，虚（C）指的是赛博中的数字虚体，实（P）指的是物理实体。CPS可以实现传感、计算、通信、网络、控制等（并不止“3C”），多位一体，软件和算法以认知的形式体现了人的意识和智慧，最终以智能行为方式实现了对物理实体的精确控制。因此，一个具有CPS结构的系统，一定是一个具有某种人造智能的系统。
由数体，而智能。在这一轮以智能化为标识的新科技革命浪潮中，CPS是实现智能制造系统的关键技术之一，所有恒定智能系统和开放智能系统都需要CPS在其中扮演重要的角色。由前所述，智能具有丰富的内涵和多途径的实现方式，而CPS不过把人的智能以数字化知识的形式应用在制造领域中的一种重要的实现载体。它的出现，是人类智能的革命与外化。
五、虚实映射，数字孪生
（在《三体智能革命》一书部分章节组稿过程中，限于篇幅，笔者删掉了以下内容。借本文重现该部分内容。）
如果把“工业化+信息化”称作是“宏观两化融合”。笔者认为，“微观两化融合”正在随时、随地发生，即：实体数字化，数字实体化。也有外国专家将其称之为：实体赛博化，赛博实体化。如果忽略电磁介质，大家说的是同一个意思。
“微观两化融合”的结果是，物理世界的大多数物理实体产品将会在数字世界中有一个自己的“镜像”式数字产品，尽管二者实质不同，并非同一种体，但是由于二者极其相像，近乎于镜像关系，也将其称作“数字孪生”或者叫做“数字映像”。如图3所示。

图3 虚实映射产生“数字孪生”（该图根据西门子公司图片制作）
在具体是虚实映射方式上，数字世界的产品可以与物理世界的产品进行关联和叠加，双向互动，由此而产生非常新颖的应用。例如，可以从数字侧可以感知、控制物理侧，即在物理产品上进行试验，而在数字产品上直接显现出来实时的试验结果，如物理设备的移动、转动、振动、转速、受力等各种工况情况。这样的虚实结合的关联实验，甚至可以替代过去必须做的CAE仿真计算，直接得到最精确的实况结果。
如果从物理侧可以随时叠加数字侧，调用数字侧的任何设计数据。例如，现在的技术可以做到，用定制开发的诸如手机或iPad等手持设备的摄像头，来拍摄某个物理设备的二维码，即可通过移动互联网，以增强现实（AR）的方式把该设备的数字虚体设备在屏幕上显示出来，且标明各个零部件的在数字产品中的多种设计信息，如零部件编号、设计商、生产商、使用年限、本次维修期限、使用条件等，极大地方便了维保服务。如图4所示。

图4 数字虚体设备与物理实体设备叠加（该图来自PTC公司视频截图）
数字孪生，其实是形成、发展和应用CPS技术的一个必然结果。应用CPS技术最大的益处是，可以通过数字虚体世界来精确控制、智能驱动物理实体世界中的任何设备。通过状态感知、分析计算、自我决策、精准执行、学习提升来实现人造技术系统的人造智能。
六、小结
数字虚体是一个不断发展中的新生事物。对数字虚体的认识，是一个需要集成资料、深入研究、仔细辨识、耐心解读的过程。本文是笔者经过两年的研究之后，比较详细地解读数字虚体和CPS的文章之一。
从时序和逻辑上来说，笔者所认识到的是：由电磁，而赛博；由赛博，而数字；由数字，而软件；由软件，而数体；由数体，而智能。这是一个渐进发展、逐渐完善并且不断丰富其技术内涵的过程。
形成今天的数字革命和智能化潮流的源头和基本要素，是我们平时再熟悉不过的电磁。电磁造就了计算机硬件、软件、网络和一切需要无线遥控的电子装置，导致了数字虚体的出现与崛起，深度而精确地掌控着物理世界，引领了近几十年科技革命的发展，并且为以智能化为标识的科技革命和未来的新工业革命打下了坚实的基础。
作者简介：
赵敏：中国发明协会常务理事，发明方法研究分会会长，英诺维盛公司总经理。国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家。高级工程师。34年来一直致力于企业如何实现创新、转型的研究与实践，对TRIZ发明方法学、CAI、PLM、KE/KM、精益研发、智能制造、工业4.0等企业技术创新、管理创新和企业信息化专题有着深入的研究和独到的见解，在国内外媒体和国际国内学术会议发表文章和论文百余篇，为企业解决众多技术难题。著有《创新的方法》、《TRIZ入门及实践》、《知识工程与创新》、《TRIZ进阶及实战》、《三体智能革命》等专著、合著。
声  明
 本文部分摘编自即将出版的新书《三体智能革命》（胡虎、赵敏、宁振波、郭朝晖、陈志成、朱铎先、颜强、张驰、苏明灯著），作者赵敏，由原作者享有著作权。本文授权《走向智能论坛》微信原创首发。欢迎原文原版转载，并注明原作者姓名以及“来源：《走向智能论坛》微信订阅号”。

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ISBN： 
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新工业革命，信息经济，智能制造，三体，数体，智能化，人工智能，互联网+，认知科技，人造智能，大知识，智能社会
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作   者
主   编：胡虎

《人民邮电》报社要闻部副主任，工业4.0北京研究会秘书长，工信、智能化转型领域产业和政策专家
副主编：赵敏
中国发明协会发明方法研究分会会长，两化融合、智能制造与创新方法论专家
编委：宁振波
中航工业集团信息技术中心首席顾问，航空与国防领域信息化、智能制造专家
编委：郭朝晖
宝钢中央研究院首席研究员、教授级高工，冶金自动化、智能制造专家
编委：陈志成
计算机、大数据领域专家，人工智能创业家，北京格分维科技有限公司总经理
编委：朱铎先
智能工厂领域专家、学者型企业家、北京兰光创新科技有限公司总经理
编委 ：颜强 
企业架构咨询师、软件架构实战专家
编委 ：张驰
工业设计专家、创新型企业家、大驰工业设计创始人、德国BHA建筑设计董事
编委：苏明灯
信息化专家、TMT领域创业者、北京合众联恒科技有限公司总经理，兼本书品牌推广负责人
简要目录

序     走向智能时代
前言  怎样为我们的时代命名
第一章.....................三体智能
第二章.....................电脑崛起
第三章.....................数字移民
第四章.....................数据淘金
第五章.....................机器革命
第六章.....................赛博统军
第七章.....................互联创新
第八章.....................设计未来  
第九章.....................智能溯源
第十章....眺望智能社会的黎明
跋..与这些人一起，倾听时代的跫音
侧记.......从组织到自组织

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