数字虚体，智能革命的助推器——解读《三体智能革命》

赵 敏

走向智能研究院，北京，100028

关于不同类型的世界的划分，论述不同，见解各异。早期有卡尔·波普尔经典的 “老三个世界(物理世界、精神世界、客观知识世界)”之说，近期有世界经济论坛创始人克劳斯·施瓦布的“新三个世界(物理世界、生物世界、数字世界)”之说，以及中国科学院自动化研究所王飞跃研究员提出的“平行世界(物理世界、心理世界、人工世界)”之说。《三体智能革命》则提出了全新的“三体世界(物理实体、意识人体、数字虚体)”的独立见解。对于第一体的物理实体和第二体的意识人体，大家非常熟悉，而作为第三体的数字虚体，正在以迅速膨胀、互联和聚合之势展现在人们的面前。

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，它能帮助操作者控制、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，形成自己的数字语言、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”。

1 数字虚体引领新一轮科技革命

1.1 万物演化，界分三体

世间万物，有序演进。时空不同，规律相同。

很多科学家和学者都以不同的角度与观点来研究和诠释万物演进的规律。一些学者都已经或正在试图用“三个世界”的观点来观察和解释今天智能化的发展趋势，但是根据笔者的长期观察，“三个世界”这个已经被广泛使用的术语，已经无法更准确地解读今天的技术发展趋势，有必要找到一组新的术语，能够继承三个世界的精髓，能够容纳下更多的技术内涵，同时还能够与事物的发展规律相吻合。因此，笔者把研究的目光放在了“体”上。

在《三体智能革命》一书中，按照出现的时间顺序，笔者把世界分为三类“体”：

第一体：物理实体，由自然界物质以及人类所创造的各种实体设备(哑设备)、人造材料所构成的物质与材料世界。物理实体伴随宇宙诞生而存在，迄今已经有约138亿年历史。

第二体：意识人体，人是地球上所有生物体的杰出代表，构成了社会的基本要素。人体具有自身的智能反应与智慧的意识活动。意识人体的杰出代表智人在30万年前走出非洲。

第三体：数字虚体，存在于电脑和网络设备之中的一种用来驱动软硬件设备的高级数理逻辑系统，基于电脑而实现，源于软件而发展，载于网络而增强，由于知识而智能。数字虚体大约在60多年前伴随电脑出现而形成。

三体顺序的排列，既符合时序和事物发展的客观规律，也在内涵上更加丰富和全面，它形成了对波普尔经典的“老三个世界”理论的某种替代，和对施瓦布的“新三个世界”、王飞跃的“平行世界”理论的补充与发展，可以更准确、全面地诠释客观世界的发展规律。

用“体”而不是用“世界”，能更好地概括客观现实世界中的诸多要素，并能更准确地描述智能的缘起、发展现状和未来。“世界”一词，在空间上限定性更大一些，会因为思维定式而让人囿于某种想象；而“体”一词，则在空间尺度上可大可小，而且更重要的是，“体”在语义上比较容易在“主体”和“客体”之间转换，而“世界”一词则不易做到。

在对应分类上，每个词汇都是因果相生、虚实结合，词汇之间做到了彼此对应。例如，物理实体一词，其中“物理”原意指自然规律或研究自然规律的物理学科，“实体”则强调其形态是占时空、有质量的；意识人体一词中的“意识”指人脑对大脑内外表象的觉察，是心理活动，而“人体”则是一种实实在在的生物实体；数字虚体一词，其中“数字”是以二进制数字构成的纯数理逻辑，“虚体”则与实体对应，是一种在数字空间中对实际事物形态进行数字化镜像的映射体(数字孪生)。三体术语之间的内涵与对应关系如表1所示。

表1 三体术语之间的内涵对应关系

数字虚体的面世，某种程度上改变了我们原本生存的二元世界的原貌，极大地引领了科技革命的发生与发展，推动了第三次工业革命的形成。

1.2 数体崛起，无限膨胀

对于第一体、第二体，大家都身在其中，可谓熟悉至极，不再赘述。作为后起之秀的第三体——数字虚体，近年来飞速崛起，正在迅速地膨胀、互联和聚合。

实际上，只要你使用计算机，就必须与计算机上的软件打交道。计算机硬件(以芯片为代表)，是构成赛博空间(Cyberspace)的物理介质，通过科学效应(如电场、磁场、电磁场)而实现其底层功能，支撑了赛博空间的存在。运行在其中的软件，则是调用计算机硬件的底层功能的指令序列和数据的集合。每当我们登录计算机之后，在屏幕上就会为我们打开一个虚拟的、可以无限延伸的赛博空间。如果我们忽略(或省略)底层的电磁效应和物理介质，那么，赛博空间就简化为我们每天都打交道的数字空间。有芯片，就必有数字空间。

人们在过去的60多年里，创造和使用了无数的、大大小小的数字空间，它们彼此分立，互不归属，形态各异，形成了无数的数字化孤岛，包含了大量的信息碎片。

在这些数字空间中，人们可以用软件创造、编辑、合并、删除、放大、缩小、叠加、存储任何形态的数字化形体(模型)，如数字化的曲轴、齿轮、箱体、燃油、飞行器、道路、树木、建筑、乃至人体等，以及定义和描述这些数字化形体的运动学和动力学状态。这样的操作，在尺度上由小到大，在结构上由简单到复杂，在层级上由部件到整机，在状态上由静止到运动，在功能上由机械到生物，在仿真上由数字到数字物理一体化，在节点上由单机到网络，等等。数字空间的深度、广度、聚合度、耦合度、集成度等都在扩展。

借助计算机上的数字空间和运行在其中的数字虚体，过去人类能做的事情，很多都可以在计算机上做，很多过去人类只能想一想但是无法去实现的事情，现在也可以在计算机上实现。几十年来，软件定义机器、软件定义制造，得到了完美的诠释与实践。

十几年来，在飞速发展的互联网特别是移动互联网的打通与“融合”下，数字空间的碎片数量正在大大减少，而体量正在急剧增加，运行在其中的数字虚体愈来愈强大。未来的数字虚体世界，就是要借助互联网，把所有的数字化孤岛、信息碎片都联接起来，形成一个完整的、无限的、人类(和/或数字智能体)可以任意编辑操作的数字世界，乃至数字宇宙，让数字虚体健康卓越地繁衍、成长与发展壮大。

1.3 打破时空，数体永生

数字空间的崛起，取决于计算机软硬件技术的发展，取决于互联网带宽的提高，取决于知识的泛在，取决于使用人群的价值倾向等等，但是，其崛起与传统的资源(如人、财、物)的限制关系正在逐步变弱，特别是与千百年来最大的传统资源限制——土地、海洋、天空的限制，已经毫不相关，没有什么东西能够阻挡数字空间的延伸与前进。不仅如此，数字空间中的软件还可以为这一切传统的资源来代言，这正是为什么互联网具有荡平时空障碍的巨大威力，轻易就把过去潜藏在深山老林、边远地区、街巷市井中的难以发现、无人问津的很多宝贵资源，源源不断地推送到了世人的面前。

不仅在资源的联接上所向披靡，在对第一体、第二体的数字化定义、描述与记录上，数字虚体具有无可比拟的优势。笔者在《三体智能革命》一书写到：这个数字世界是全息的，可以完整地映射物理实体世界，可以完整地记录意识人体世界中的性格、思维、习惯、生活中的一切一切。所有的系统或应用软件、固件等，所有的微信类社交等，所有的“网红”、网店、网络XX等，所有的数字照片、视频等，所有的棋牌类的博弈招数等，所有的产品/过程/工业大数据等……所有能够被数字化的一切事物，都运行、活跃、生存在数字虚体之中，形成数字孪生(digital twin,DT)。

即使想在数体空间中重塑一个“你自己”，也并非难事：让所有记载着与“你自己”有关的信息知识的数据，逐渐地汇聚在“你自己”的数字虚体身上，使其像你一样成长，如你一般生活，随你一起工作，伴你一起变老。而数字虚体世界的这个“你自己”的“身体”，也会准确地映射出你的身体状况，毫无偏差。即使你的物理身体死亡了，你的数字虚体依然存活，甚至还会不断地有与你相关的信息进入数字虚体世界，充实到你的虚体之中，让数字虚体中的你继续生活，继续成长，继续与你的亲朋好友保持顺畅的交流。人类千万年不断追求的长生梦，也许会以这种虚拟的方式得到实现。

数字虚体世界中的0/1空间是人类的伟大发明，是延伸了第二体生物智能、改造未来的第一体实体智能的人造数字宇宙。它无边无界，无形无态，无限延伸，无穷无尽，但是，第一体、第二体世界却可以在其中有形有态，有痕有迹，有褒有贬，有情有义。第三体充分展示、映射第一体和第二体；归属于第二体的人类可以藉由第三体，对第一体进行更好的驾驭和掌控，打造更好的第三体，同时也更好地认识、继承和捍卫第二体本身。无论是哪一体，都将因为数字虚体的出现以及三体之间的彼此相互作用、借鉴与融合而变得更加美好。

1.4 无数体，不智能

智能化是一个人造系统逐渐具有人造智能的过程。智能化的最终结果，有可能让数字虚体完全摆脱人类的思维意识模式，获得平行于人类意识而独立发展的机会。

《三体智能革命》一书指出：从早先是“哑系统”的非智能化人造系统，发展到具有人造智能的智能化系统，有以下三个进化路径：

第一进化路径：数字化移民，在物理设备中嵌入数字化计算内核。

数字化一切可以数字化的事物。凡是能嵌入计算内核的物理设备，都会形成赛博系统，变身成为数字化移民。目前数字化移民正在以前所未有的速度激增。

第二进化路径：网络化联接，形成广域比特化数据通道。

网联一切可以联接的事物。唯有互联，赛博系统才能发展成为赛博物理系统(CPS)，唯有互联，才能打通比特化数据流通道，搭载数据、信息与知识，实现计算、控制和决策。万物互联，既是智能化的路径，也是智能化的结果。

第三进化路径：主体认知化，形成三体大知识交互能力。

一个仅仅拥有嵌入式芯片的人造系统还谈不上智能物，顶多就是一个可以进行远程联网控制的物件而已。而一旦这个人工系统嵌入了数字虚体智能，那么它就被“赋予”了认知的主体性，必然是一个崭新的智能控制设备。这样的设备将通过各种联网(互联网、物联网乃至未来的体联网、脑联网等等)自由地调取整个人类意识空间、数体空间的大知识和“云智能”。未来，三体都将产生知识，从而形成大知识的时代。泛在的大知识如同水、燃气和电一样，将成为人类、数字体乃至智能物三类智能主体共存的世界运行的基本要素。

无数体，不智能。以软件为代表的电脑智能一直是人脑意识和认知能力在数字空间的延伸与发展。伴随着数字空间的膨胀和智能技术的演进，数字虚体不仅可以实现状态感知、实时分析、自主决策、精准执行，甚至也开始了自我学习提升，并且向着更加智能化的数字虚体智能演进：未来数字虚体中会有其自身的运行法则和发展规律，甚至可以形成独立的自我意识，乃至出现数字人格，完整、完美地形成了数体智能，成为平行于人类智能的新智能主体。

2 数字虚体深度掌控物理世界

2.1 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 m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km——2012年NASA(美国国家航空航天局)对快要飞出太阳系的“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 h才能到达。2017年11月底，NASA项目团队又成功地唤醒了沉睡37年之久的一组航迹修正推进器，控制指令在太空的传输时间已经延长到19h35min，据估算遥控距离为210亿km。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于此。进入21世纪以来，赛博在军事领域得到了高度重视，赛博空间一词大行其道。2009年4月，在美国国防部的倡导下，《赛博力量和国家安全》一书出版发行，该书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——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，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。

2.2 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7000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的，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(笔者拍摄于柏林科技博物馆)Fig.1 Calculation of binary corresponds to decimal(photo by Deutsches Technikmuseum Berlin)

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。可以用笔画，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。不管是用笔画表示的“—，--”(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。参照原工业和信息化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“0/1”的方式中，用传统的笔画书写表示是最慢的；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“0/1”，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。

2.3 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(通信的语言)——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、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“0/1”(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“0/1”组成的。

由数字，而软件。这一系列的二进制数字“0/1”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，“0/1”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(图2)。

图2 芯片造就的数字空间及数字虚体(该图来自网络)Fig.2 Digital space and digital virtual body produced by the chips(photo by web)

由软件，而数体。如果没有软件、硬件与网络的合体，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。

2.4 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，并且让它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不过是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。

2.5 虚实映射，数字孪生

本节的内容在《三体智能革命》组稿过程中限于篇幅而被删掉了，现借本文重新展现。

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，近乎镜像关系，故也将其称作“数字孪生”或者叫作“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)Fig.3 Virtual mapping produces “digital twin” (photo by SIEMENS)

从具体的虚实映射方式来说，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，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。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。

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)Fig.4 Superposition of digital virtual body device and physical entity devive(photo by PTC)

数字孪生，其实是形成、发展和应用CPS技术的一个阶段性的必然结果。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。

3 数字虚体推动软件定义世界

3.1 零件定义机器

第一次工业革命时期机器诞生，我们就有了关于机器的定义。

某国内百科网站定义：机器是由各种金属和非金属部件组装成的装置，消耗能源，可以运转、做功。机器一般由零件、部件组成一个整体，或者由几个独立机器构成联合体。它用来代替人的劳动、进行能量变换、信息处理，以及产生有用功。

某国外百科网站定义：机器是一种包含有一个或多个组成部分的工具，它使用能量来执行预期的操作。机器通常通过机械、化学、热或电的装置来提供动力，并且通常是电动化的。在历史上，需要有带有动力的工具让零部件运动起来才能将其归类为一个机器。然而，电子的出现已经导致动力工具的发展：没有零部件运动的设备也可以被认为是机器。

不管是“由各种金属和非金属部件组装成的装置”、“一般由零件、部件组成一个整体”，还是“一种包含有一个或多个组成部分的工具”，一个基本的事实是：机器由零部件组成，或者说，机器的功能由零部件决定，因为每个零部件的子功能，最终决定和主导了整台机器的功能。

在第一次、第二次工业革命的两百多年里，一旦一台机器制造完毕，就难以改动机器的功能了。即使只想做一下小改小革，也需要重新设计某些零部件。如果做稍大范围的功能改进，就需要重新设计整台机器。这意味着，机器的功能是刚性的、本地的、难以改变的，或者说，改变是需要很大代价的。直到第三次工业革命之前，这样的情形一直没有改变。

机器不方便修改(和编辑)其功能，何谈智能？因此第一体的物理实体与第二体的意识人体的相互作用是漫长、艰辛而痛苦的过程。正如笔者在《三体智能革命》一书中指出，机器不智能，就需要人去适应机器，把意识人体中的智能补充进去，否则无法实现较为快捷的生产。因此在早期的生产过程中，人很劳累且缺乏安全保障。

3.2 软件定义机器

任何形式的机器都是技术系统。笔者在《TRIZ进阶及实战》一书中指出：技术系统是不断发展、演变和进化的，其进化必须符合技术系统进化的趋势和规律。按照TRIZ发明方法，技术系统(机器)进化的基本趋势是，要符合“增加动态性法则”，其核心技术的进化路径大致是：刚体→单铰链→多铰链→柔性体→液体→气体→场，如图5所示。

图5 增加动态性的进化路径Fig.5 Increase the evolutionary path of dynamics

因此，机器的核心技术的重要发展趋势之一是，要不断地提高自身的动态性，以更好地适应外部环境(超系统)的制约，获得更好、更多的进化动力，更方便地为人类服务。

在该进化趋势的主导下，机器的某些零部件开始呈现出能更好地适应环境的“柔性”，变成使用场(各种物理场)的技术，如声场、热场、化学场、电场、磁场、电磁场等。使用电场，意味着使用电，不管是强电还是弱电。使用电磁场，意味着使用各种无线遥控、光电传感、激光、互联网、WiFi技术等。根据TRIZ理论，软件其实就是充分利用电/磁场等科学效应的数字指令的集合。而软件，恰恰是第三次工业革命的核心产物。

因此，很多机器的零部件，从百年前的钢铁或金属零件，逐渐变成了电气控制元器件，再变成了模拟电子元器件，再变成数字电子元器件(如芯片)，最后变成了由软件来执行部分机器功能的装置。现代的机器已经脱胎换骨，包含了以上的各种新型的“零部件”，而软件就是嵌入在金属之中的“思想者”、“统治者”与“定义者”，如图6所示。

图6 机器零件的形态与内容的变化Fig.6 Shape and content changes of machine parts

再看汽车变速器的进化过程：无变速器→手动变速器→液力自动变速器→液压传动自动变速器→电力传动自动变速器(电传)→程控变速。

最终，形成了软件主导机器的功能。典型的例子是手机，出厂时预设功能都一样，但是客户买到手中后，随着客户的个人喜好，卸载或新安装了不同的软件，于是，每个手机的功能都有所不同。因为手机就是一个平台类的机器，安装的软件不同，手机功能就不同。

因此，今天的很多机器设备，如数控机床、精密仪器、机器人、无人机、战斗机、无人驾驶汽车、安防设备、生产线等，只要安装了不同的软件程序，机器就会有不同的功能表现。软件定义机器——第三次工业革命的重要特征，被充分地体现了出来。

从零件定义机器发展到软件定义机器，是时代的进步，是工业革命代际更替的使然。

3.3 软件定义可以定义的一切

今天，伴随着计算机应用范围的全面覆盖，软件应用的范围越来越广。同时，由计算机变形发展出来的各种工控编程器、工业计算机、嵌入式设备等，各种测试仪器、医疗仪器、电视、广播、娱乐设备等，以及手机、平板电脑、可穿戴设备、VR/AR等各种智能硬件等，甚至在鼠标、显示器、游戏机、数码相机、光驱、硬盘、键盘、路由器、电子书、交换机、“猫”、U盘、主板、打印机、绘图仪等，都或多或少地加入了软件这个必不可少的组成部分。在那些看得见或看不见的角落里，软件都在发挥着我们想象得到或者想象不到的作用。在这些设备中，软件“体量”或大或小，从几十行代码到几十万行代码不等，如果没有软件支撑，上述设备已经无法运行。

有些特殊机器设备中的软件含量已经达到了令人咋舌的地步，“如美国的F22战斗机，它的每架飞机内部就有13套计算机系统，包括雷达、飞控、火控、导航、气象、非航电系统计算机等，采用美国军用标准1553B双总线把这13套计算机系统连接形成了计算机网络系统，它的机载软件有200多万行代码之多，用来帮助人们操作飞机，减轻驾驶员的工作；最新的F35飞机，单机机载软件为900万行代码，如果计算与之相关的地面导航、降落等支撑系统，一次飞行背后是数亿行软件代码支撑的异常强大的数字化活动”(本段内容摘自《三体智能革命》，由宁振波研究员撰稿)。

如果没有软件，所有的计算机都将成为摆设，所有的由操作系统控制和运营的设备都会瘫痪，所有的计算机和手机等设备中的应用软件(APP)都无法实现其预定功能。

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，定义了设备，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，定义了可以定义的一切。

3.4 软件，延伸人类知识与智能

软件是什么？软件是运行在硬件中的数字化指令和数据的集合。因此，开发软件也叫作编制软件程序，简称“编程”。所谓程序，就是以人类语言的格式，把一系列逻辑规则和知识表达出来，最终以“0/1”的代码格式，驱动硬件的底层功能。说到底，软件就是一系列按照预定的逻辑和格式编辑好的“0/1”代码序列。

这一系列“0/1”代码序列是怎样来与原本属于物理设备的各种机器发生关系的呢？这一切，全拜一种叫作芯片的“神器”所赐。芯片是一块很小的硅片，在其上面集合了多种以电子元器件实现某种特定功能的电路模块。计算机中的CPU、内存、闪存、缓存、硬盘等重要元器件，都可以用芯片技术来实现。没有芯片这个特殊的硬件装置让数字与物理装置完美地结合与交汇在一起，就无法以“0/1”的代码格式来驱动硬件的底层功能，就没有强大的赛博系统，就没有丰富的软件系统，就没有完整的数字化信息产业，就没有今天的数字虚体。

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。由于软件是构成数字虚体的主要内容，因此，软件决定了一个数字虚体的智能化程度。

因此，在任何一个设备中，能嵌入软件的地方越多，嵌入的软件代码越多，软件代码所表达的算法越强大、越优化，那么，这个设备的功能就越强大，其自动化和智能化的水平就越高。从一个产品的软件代码数量基本上可以看出这个系统的自动化和智能化程度。例如，目前谷歌无人驾驶汽车的软件已经达到了1千万行代码，微软的视窗软件大致有2.5千万行代码，而谷歌软件本身大约有20亿行代码！

软件大举进入物理实体，是这一轮以智能化为标识的科技革命的基本特征。而软件进入物理实体的一个重要成果，就是CPS技术的成熟与普及。

软件的出现与发展壮大，让世界发生了根本性的改变，其中的关键步骤是，软件让知识载体和思考载体发生了改变——软件成为知识的最佳载体。几只小小的芯片，就可以运行和存储百万行的软件代码。而在没有软件之前，所有的知识都记忆在人脑，书写在纸面，篆刻在某些物理载体上，无论是记录、使用、传播等都受到极大的时空限制。正是软件，把原本需要人思考的过程和使用的知识/数据等都录入了计算机，让数字虚体按照人的思路和意志来进行处理，由此而最大限度地存储和延伸了人类的知识与智能。

3.5 软件，基于模仿而发展

软件，在绝大多数情况下，其实是一种以模仿为目的、很容易进行分布式部署并且很容易复制其工作模式的工具。今天计算机上所有的模仿、仿真与虚拟，都是软件所致。

在工业界，人们用软件来模仿和增强人的行为方式，例如，绘图软件最早模仿的就是人在纸面上作画的行为。发展到人机交互技术比较成熟的阶段后，人们开始用CAD软件模仿产品的结构与外观，CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能，CAM软件模仿零部件和夹具在加工过程中的刀轨情况，CAPP软件模仿工艺过程，CAT软件模仿产品的测量/测试过程，OA软件模仿行政事务的管理过程，MES软件模仿车间生产的管理过程，SCM软件模仿企业的供应链管理过程，CRM软件模仿企业的销售管理过程，MRO软件模仿产品的维修管理过程，等等。在早期的两化融合过程中，依靠软件中的某些特定算法，人们已经开发出某些具有一定智能的工业软件，如具有关联设计效果的产品设计系统。

在娱乐界，人们用软件来模仿和增强人的体验方式，例如，用电子书来模仿纸质书，用电子音乐来模仿现场音乐，用电子琴软件来弹琴，用评书软件来说书，用卡通软件来模仿漫画，用动漫软件来模仿动画影片，用游戏软件来模仿各种真实游戏，用万年历软件来快速查找某个特殊日期或“吉时”等。人们不仅可以模仿已知的、有经验的各种事物，还可以创造性地模仿各种未知的、从未体验过的事物，例如，影视界可以创造出诸如龙、凤、麒麟、阿凡达、白雪公主、七个小矮人等传说中的形象，当然也可以创造出更多的闻所未闻、见所未见的形象，只要人的想象力能达到即可。特别是当这种模仿与VR/AR技术结合在一起的时候，所有的场景都栩栩如生，直入心境。于是，在由数字虚体构成的虚拟世界中，所有的不可能都变成有可能，所有的在物理世界无法体验和重复的奇妙、惊险和刺激场景，都可以在数字空间得以实现，最大限度地满足了人的感官体验和精神需求。

在信息界，最早的模仿是模拟人脑的思考模式，但是从计算机硬件结构上看，冯·诺依曼的体系无法有效地做到这一点，因为人脑的结构是运算、存储和控制一体化的，而冯·诺依曼的体系结构则必须把运算、存储与控制分开来进行，因此软件界人士不得不花费更多的时间和精力，用知识上更优化的算法和硬件上更快的芯片，去克服这种体系上的先天不足。不过最近新出现的神经突触芯片已经开始突破这一点。这种对人脑思维的模拟导致了信息界人工智能学科分支的诞生。几十年后的今天，这种模仿还在不断地发展。在某些展现人的智能水平的标识点上，在软件的支撑下，计算机已经达到或超过了人类基于思考而做事的水平，例如，同时并行处理多项事物，下棋(国际象棋、围棋等)，基于大数据的医疗与健康分析等。

在软件的支撑与辅助下，无论在质和量上，软件“做事”的结果已经远远地超过了人做同样的事情的结果。软件的模仿，让很多技术可以使能，让现实世界更加虚拟，让虚拟世界更加逼真，让虚实映射更加精确，让人造系统日趋智能。

3.6 软件，重构知识而泛在

人造系统究竟如何走向智能，笔者在《三体智能革命》一书和相关文章中反复强调，其根本原因就是三条进化路径：第一进化路径是数字化一切可以数字化的事物，第二进化路径是网联一切可以联接的事物，第三进化路径是主体认知化，形成三体大知识交互能力。即通过前面两个进化路径而建立数据有序而定向的自由流动，从而加速知识流动，形成知识泛在，引领智能爆发。

严格地说，软件本身就是人类知识的数字化结果。软件中所有的语句、所有的函数、所有的算法、所有的数据的输入与输出的时间与地点的选择，其实都是人脑思维过程中经常使用到的各种知识的显性表达。人们为了让计算机能够像人一样思考，于是对知识做了形式化、程序化的处理，以便让计算机能够正常工作。于是，软件就成了知识的最好的载体之一。保护软件的著作权，也就成了保护人类知识产权的重要内容之一。

由于软件是数字化的，是可以在网络上被多种使用角色随时调用的，于是，过去限制在单机上运行的软件，可以在局域网、互联网上运行，发起运行某个软件的时间和地点不是固定的，输入数据和输出计算用的数据的时间和地点也不是固定的，计算数据的赋值者和计算结果的获得对象可以是一对一、一对多、多对一或多对多的，软件输出的结果可以是数据，可以是文字，可以是语音，也可以是图形、图像、影片，甚至还可以是软件生成的另外一种软件，等等。基于上述特点，软件实际上已经对其所承载的知识进行了全方位的重构，并且，这种重构后的新的形态的知识，可以藉由互联网而跨越时空来传播使用。例如，一组产品设计数据，可能是网络上不同地方的多个团队/多个人协同生成，又被其他地方的多个团队/多个人优化和修改，然后发送到多个工厂去生产，或者发送给某个工作坊去做3D打印。整个的操作过程，与所使用的软件无关，与产品结构复杂度无关，与成员所在地点无关，与企业所在地点无关，与是否在现场无关，等等。

而在零件定义机器的时代，尽管所有的零部件也在某种程度上体现出了人类的知识，但是要去实现这种重构是难以想象的，所有的零部件所代表的知识都是本地的、刚性的、难以解构的、难以跨越时空而传播使用的。

软件是数字化的知识，其载体就是数据与数字化指令。网络上分秒传输的，与其说是比特数据流，不如说是软件，不如说是重构后的知识。软件重构、分布、传播、放大、泛在了知识。让知识成为走向智能化的关键的要素之一。

4 结论

(1)数字虚体的出现与崛起，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。数字虚体的概念成功提炼是《三体智能革命》作者群体的独创成果。这个重要概念将从学术和技术上为智能制造、CPS、“互联网+”、软件定义世界等业界命题给出详实的答案。数字虚体世界中的0/1空间，是人类的伟大发明，是延伸了第二体生物智能、第一体实体智能的人造数字宇宙。三体交汇，构成了三体化一、多元生长的“三体世界”。三体基本概念是对新老三个世界的概念的继承与发展，对于全社会的方方面面走向智能化的现象，具有较为全面和系统的解释。根据三体基本概念而构建的三体智能模型，更是凸显了《三体智能革命》一书的独特学术观点。

(2)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。

(3)在零件定义机器的时代，机器的功能是刚性的、本地的、难以改变的。直到第三次工业革命，这样的情形一直没有改变。在软件定义机器的时代，只要安装了不同的软件程序，或者换几行软件代码，就可以很容易地调节或者改变机器的功能。软件让知识载体和思考载体发生了改变。严格地说，软件本身就是人类知识的数字化结果。基于数字化、网络化的特点，软件实际上已经对其所承载的知识，进行了全方位的重构，并且，这种重构后的新的形态的知识，可以藉由互联网而跨越时空来传播使用。生产与管理过程中的绝大多数与知识有关的要素，都可以随时随地重构，并且在传播过程中，不断放大其价值。支撑数字虚体的最基本物理设备是芯片等嵌入式系统；编辑、调用、输入/输出数据的是工作在芯片之中的软件；规范地或创造性地根据既有数据和工作场景进行推理与思考的是软件；与不同的“思想者”进行彼此协同、在网络上交换数据的是软件；让数字虚体能像人一样发展出自己的思维、自己的语言、自己的智能的关键要素，还是软件。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，定义了设备，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。