一体两翼：虚实融合的真谛

　　2006 年美国国家科学基金会（The US National Science Foundation，NSF）首次提出赛博物理系统（cyber physical systems，CPS）（国内多译为信息物理系统），并将其作为重点资助的前沿技术方向。2011 年，德国在汉诺威工业展上正式对外宣布“工业 4.0” 国家战略，将赛博物理制造系统（cyber physical production systems，CPPS）作为智能制造系统的核心技术。一时间，关于 CPS 的论文、书籍，以及成功案例等，如漫天飞舞的雪花随处飘落。现如今，随着 MBSE、数字孪生、数字主线、混合现实、元宇宙等新概念如雨后春笋般地涌现，在各种交流场合已经很少有人提及 CPS 了，似乎它已风光不再，像风驰电掣的高铁一样在人们的视野中瞬间消失。真心希望这仅仅是笔者看到的表象，深信专家、学者们对 CPS 的研究、探索一天也没有停止过，恰如水面下的暗流涌动。
　　虽然 CPS 概念的提出已有十多年了，即便从 2011 年算起也十年有余，但是国内外对 CPS 这个复杂主题的研究仿佛才刚刚开始，认识的程度也远远不够。在普罗大众将目光转向更多的新概念、新技术的时候，有没有意识到，这些新概念、技术产生的原因， 恰恰是因为 CPS 构建需求的牵引，以及人们渴望在虚拟环境中对已有系统或构想中的系统进行研究、体验的强烈需求而产生的。
　　曾有专家、学者给了 CPS 一个极为通俗的解释，即所谓的鸡蛋模型。其中，蛋黄——physical 表示物理实体，蛋清——cyber 表示由信息、网络、计算机等创建的虚拟世界。将 CPS 比喻为鸡蛋充分体现了 CPS 是由虚实两个部分组合而成的统一体。笔者经过研究、思考后发现，鸡蛋模型多少有点美中不足。虽然鸡蛋模型清楚地阐述了 CPS 的直观表象，但是疏漏了虚实之间的相互作用、渗透和协调等，更突出的问题是无法阐述 CPS 是充满生命、自适应的复杂系统 / 体系。
　　关于完美体现虚实融合真谛的问题，一直在笔者的脑海中萦绕，时常思考它应该是什么样的。随着对智能制造模式 / 系统研究的深入，对 CPS 的认识不断提高，构想了多个表述虚实融合本质精髓的模型，其中包括较为接近虚实融合本质的太极图——一个阴阳交替、动态演进的模型。然而，该模型也随后被否定，其原因依旧是缺少智能的特质。几经反复，有一天终于恍然大悟，一个清晰的画面在脑海中展现：一只鸟儿在山林中自由自在地飞翔，为了适应周遭环境而不断地调整飞行速度，改变飞行姿势和线路。更令我兴奋的是，豁然开朗之际，竟然还联想到了“一体两翼”这个词，感觉十分贴切、绝妙。继而又联想到可以把生态圈企业集群的 CPS 比喻为天空中飞翔的、浑然一体的鸟群，一个去中心化的复杂系统 / 体系。
　　激动之余，遂产生了撰写此书的念头，随即花费了数月的时间，构思了本书的大纲，勾勒了骨架和脉络，并收集了大量的支撑材料。经过了一年半左右的笔耕，终于在2022 年年底完成了首稿的撰写。又几经修改和增删，撰写的工作才告一段落。虽然书稿从构思到撰写完成仅用了两年的时间，但书中饱含着我多年研究与实践积累的大量知识。更重要的是，本书充分吸收和借鉴了国家科技部的国家重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”重点专项（项目号：2021YFB1716300）的技术路线和研究成果、依托北京电子工程总体研究所在航天产品数字化研制的成果、航天云网科技发展有限责任公司工业互联网云平台（INDICS）应用实施的成功经验，以及复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室团队在智能制造领域研究与实践的成果。没有这些成果的支撑，也难成此书。笔者万分感谢单位和同志们的大力支持和无私奉献。
　　在此成书之际，心中最想表达的愿望是：一愿思考、实践后的认识，能为大家研究、理解虚实融合做些铺垫，进而能为智能制造模式/ 系统研究、开发与推广应用助力；二愿笔者的笔耕能为中国制造业的腾飞、永远不被“卡脖子”贡献些许绵薄之力；三愿祖国早日成为世界制造强国，实现中华民族的伟大复兴。

复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室总技术负责人 朱文海
2023 年 3 月于北京

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笔者从企业生存之道入手，引出制造业对虚实世界融合的需求。在研究虚拟世界的源泉、虚拟现实和元宇宙技术的基础上，创造性地提出虚实融合的“一体两翼”模型。该模型既能完美地揭示虚实融合的本质，又可充分彰显虚实融合世界的生命力和智能。通过对虚实世界连接的桥梁、构筑虚拟世界的元件、虚实世界融合的实现方法等进行论述，系统、简明地描绘了虚实世界融合的技术途径。随后，笔者对虚实融合的经典范例智能制造中的CPS进行了剖析，并为不同规模的制造企业设计了建造CPS的技术方案。最后，对智能制造系统的未来进行了构想。

朱文海，研究员。全国信息技术标准委员会委员、中国仿真学会理事、航天科工集团先进制造专家组副组长、复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室总技术负责人、《系统仿真学报》和《现代防御技术》编委。曾获国家科学进步二等奖1项、省部级奖8项。获第十一届国家级企业管理创新二等奖。出版专著3部，发表学术论文数十篇。

第1 章 企业生存才是硬道理 1
1.1 企业巨星陨落的原因：熵增定律 2
1.2 自然界中生命的启示：自然选择 5
1.3 企业追求的战略目标：永续生存 10
1.4 先进制造模式的演变：累积进化 14
1.5 CPS 的提出：瓜熟蒂落 16
1.6 小结 19

第2 章 与现实世界平行的虚拟世界 21
2.1 得天独厚的虚构能力和创造力 22
2.1.1 虚构能力 22
2.1.2 创造力 24
2.1.3 创造力与想象力、模仿力的关系 25
2.2 源自现实的虚拟世界 28
2.2.1 虚拟世界的内涵 28
2.2.2 虚拟世界的灵魂：0 和1 32
2.2.3 构建虚拟世界的语言：计算机编程语言 33
2.2.4 虚拟世界的内外部体验 35
2.3 感知体验虚拟世界的关键技术：虚拟现实技术 36
2.3.1 虚拟现实技术/ 系统概述 36
2.3.2 VR 技术的显著特点 41
2.3.3 VR 的典型应用 42
2.3.4 VR 亟待解决的问题 47
2.3.5 增强现实/ 混合现实：VR 的重要分支 48
2.3.6 VR 的发展趋势 51
2.4 小结 53

第3 章 元宇宙：虚实融合发展的阶段产物 55
3.1 元宇宙的概念 56
3.2 元宇宙的基本特征 60
3.3 没有虚拟现实就没有元宇宙 61
3.4 元宇宙的典型应用 63
3.5 元宇宙亟待解决的问题 64
3.6 元宇宙的未来 66
3.7 小结 68

第4 章 虚实世界融合的真谛 70
4.1 赛博空间 71
4.2 赛博格 77
4.3 虚拟人 79
4.4 虚拟世界与现实世界的辩证关系 82
4.5 一体两翼：虚实融合世界的释义 84
4.6 在猜想与试错中前行 88
4.7 小结 92

第5 章 连通虚拟世界与现实世界的桥梁 94
5.1 虚实世界通信的媒介：数学 95
5.1.1 什么是数学？ 95
5.1.2 微缩数学发展史 98
5.1.3 历时数千年的伟大蜕变：抽象的数字 100
5.1.4 给想象力插上了翅膀：字母符号体系 105
5.1.5 跨入高等数学的殿堂：变量的数学 107
5.1.6 数学的特点 110
5.1.7 数学的本质 115
5.2 自然科学与工程技术问题的数学表述 118
5.3 数学算法与计算机模拟 122
5.4 阅读欣赏：史上最美的等式（欧拉恒等式） 126
5.5 小结 128

第6 章 构筑虚拟世界的元件：模型 129
6.1 模型的概念 129
6.2 虚拟环境模型 132
6.3 人造系统模型 133
6.4 人的行为模型 134
6.5 小结 135

第7 章 虚实融合世界的实现方法与过程 136
7.1 从现实到虚拟的两次抽象 136
7.2 从系统工程走向体系工程 137
7.3 从简单任务的管理到大型工程项目的管理 139
7.4 从单向进化到双向协同进化 141
7.5 小结 143

第8 章 虚实融合的经典范例：智能制造中的CPS 144
8.1 CPS 是虚实融合世界的子集 145
8.2 CPS 模型的演化 147
8.3 CPS 开发与运行面临的挑战 149
8.4 CPS 安全的建模与仿真 153
8.5 小结 155

第9 章 构建CPS 的技术途径 157
9.1 CPS 的架构 157
9.2 中小企业 159
9.3 大型企业 162
9.4 生态圈企业集群 165
9.5 小结 167

第10 章 未来智能制造系统的构想 169
10.1 相关技术的发展 170
10.2 未来的智能制造系统 174
10.3 小结 175

参考文献 177

致谢 182

笔者从企业生存之道入手，引出制造业对虚实世界融合的需求。在研究虚拟世界的源泉、虚拟现实和元宇宙技术的基础上，创造性地提出虚实融合的“一体两翼”模型。该模型既能完美地揭示虚实融合的本质，又可充分彰显虚实融合世界的生命力和智能。通过对虚实世界连接的桥梁、构筑虚拟世界的元件、虚实世界融合的实现方法等进行论述，系统、简明地描绘了虚实世界融合的技术途径。随后，笔者对虚实融合的经典范例智能制造中的CPS进行了剖析，并为不同规模的制造企业设计了建造CPS的技术方案。最后，对智能制造系统的未来进行了构想。

朱文海，研究员。全国信息技术标准委员会委员、中国仿真学会理事、航天科工集团先进制造专家组副组长、复杂产品智能制造系统技术国家重点实验室总技术负责人、《系统仿真学报》和《现代防御技术》编委。曾获国家科学进步二等奖1项、省部级奖8项。获第十一届国家级企业管理创新二等奖。出版专著3部，发表学术论文数十篇。