胡權

自 1946年電子計算機產(chǎn)生以來，人們開始了探索利用計算機改變世界的歷程。這個過程大致分為消費和工業(yè)兩方面的數(shù)字變革，它們在上個世紀80年代初期幾乎同時發(fā)展，但消費領域的數(shù)字變革顯然要快于工業(yè)領域的數(shù)字應用，因為工業(yè)領域的工藝、流程和質量等缺乏通用的解決方案，屬于非標（即“非標準化”）的選擇，難以吸引資金、人才等的進入。

上個世紀80、90年代興起計算機集成系統(tǒng)（CIMS，Computer-Integrated Manufacturing Systems）、智能制造系統(tǒng)（IMS，Intelligent Manufacturing Systems），2006年美國國家科學基金會提出了信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems），2010年左右通用電氣提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）、美國國防部提出數(shù)字孿生體（Digital Twin）和中國提出兩化融合等，代表了人類社會對工業(yè)數(shù)字化的探索。

工業(yè)數(shù)字化相關概念紛繁蕪雜，總體分為高度集成和開放架構兩種，計算機集成系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng)等歸屬前者，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生體和兩化融合等則屬于后者。本文通過工業(yè)哲學視角的對比、開放架構和難點痛點等的分析，深入探討數(shù)字孿生體的本質，洞悉第四次工業(yè)革命的發(fā)展規(guī)律。

為什么數(shù)字孿生體重要

一直以來，不少行業(yè)專家詬病制造領域的概念比較多，但從大家熱衷創(chuàng)造新概念的實際原因來看，一方面是企業(yè)家迫切需要找到一個獨特的概念體系，讓自己所做的事情具有差異化競爭優(yōu)勢；另外一方面，現(xiàn)實的生產(chǎn)和經(jīng)營環(huán)境本身具有個性特征，采用單一的概念難以涵蓋，需要從不同的概念中吸取營養(yǎng)。

數(shù)字孿生體作為物理世界和數(shù)字空間交互的概念體系，具有在多個領域應用的潛力，隨著該技術應用于制造、城市、建筑、能源和國防等，最終將成為推動第四次工業(yè)革命的通用目的技術。

基于不同工業(yè)哲學的模式

西方國家和中國的學者認識事物的方式有一定差異，西方國家通常鼓勵從相同或相似概念中尋找細微的差別，中國學者大都喜歡從不同概念中找共同點，這實際上是中庸的一種表現(xiàn)。雖然中國學者的做法不容易產(chǎn)生矛盾，但會給概念認知帶來不求甚解的弊端，長期以往，導致大家喪失嚴謹思考的習慣。

表1 四個國家的工業(yè)哲學對比

這樣的認識方法在過去40年改革開放中是有意義的，因為大部分工作都有可以作為標桿的對象，只是大家用的名稱不同，最終在實施層面上借鑒參照系統(tǒng)。一旦我們要做自主創(chuàng)新的時候，如果對概念體系一知半解，其危害比較大，甚至于給我們的事業(yè)帶來致命的風險。

工業(yè)4.0研究院在2015年對美國、德國、日本和中國做了對比研究，獲得了不少有趣的結果（見表1）。美國一直希望復制個人電腦上的成功，它認為開放架構是其成功的根源；德國的核心產(chǎn)業(yè)在汽車、機械等領域，大量隱形冠軍占據(jù)各個利基市場，不斷強化其專業(yè)性，這使得高度集成具有很好的經(jīng)濟性；日本跟德國的情況有些類似，它采取的高度自動化也是高度集成方式；中國的情況比較復雜，由于我國改革開放以來推進工業(yè)化時間不長，大家還沒有形成穩(wěn)定的工業(yè)哲學，基本上呈現(xiàn)兼收并蓄的特點。

在過去50年期間，不少學者努力提出新的概念和方法論，力圖打造為一種范式。1989年日本在智能制造系統(tǒng)上的努力非常引人矚目，但最終功敗垂成，其經(jīng)驗教訓值得吸取。上個世紀80年代日本制造橫掃天下，成為當時最成功的工業(yè)國家，一時日本制造成為全球的標桿，但美國并沒有盲目跟隨日本制造高度集成的模式。

美國商務部下屬國家標準與技術研究院（NIST，National Institute of Standards and Technology）在《STEP：偉大的體驗》一書中寫道，日本制造的模式本質上是高度集成，需要大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)協(xié)作，這不是美國制造未來的模式，隨著技術的發(fā)展，工業(yè)數(shù)據(jù)（Industrial Data）才是將來解決數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)分享的唯一方法。

在日本大張旗鼓推進智能制造系統(tǒng)的時候，美國悄然聯(lián)合加拿大、英國、德國和澳大利亞等發(fā)達工業(yè)國家，設立了ISO TC 184/SC 4工業(yè)數(shù)據(jù)工作組，經(jīng)過十多年努力，提出了ISO 10303工業(yè)數(shù)據(jù)標準，奠定了數(shù)字制造的基礎，并為2010年興起數(shù)字孿生體提供了可能，該組織目前正在研制ISO 23247數(shù)字孿生制造標準。

第四次工業(yè)革命的通用目的技術

通用目的技術（G P T，G e n e r a l -Purpose Technologies）概念產(chǎn)生于蒂莫西？布雷斯納漢（Timothy F. Bresnahan）和曼紐爾？切騰貝格（Manuel Trajtenberg）在1992年撰寫的《通用目的技術：經(jīng)濟增長的引擎》一文，首次系統(tǒng)闡釋了通用目的技術概念和含義。加拿大經(jīng)濟學家里查德？利普西（Richard G. Lipsey）在2005年對通用目的技術跟經(jīng)濟增長的關系做了深入分析，他與其學生聯(lián)合寫了《經(jīng)濟轉型：通用目的技術和長期經(jīng)濟增長》一書。

里查德？利普西給出了通用目的技術的定義：

通用目的技術是一種共性技術，在整個生命周期均可識別，在初期具有廣闊空間發(fā)展，最終將廣泛應用，具有多種應用場景，并具有溢出效應。

據(jù)工業(yè)4.0研究院分析，通用目的技術分為組織技術、流程技術和產(chǎn)品技術三大類，公認的通用目的技術有24種。目前有四種技術被認為具有通用目的技術特征，它們分別為人工智能、數(shù)字孿生體、5G/6G和物聯(lián)網(wǎng)。

數(shù)字孿生體產(chǎn)生于航空航天和軍事領域，正如里查德？利普西在《經(jīng)濟轉型：通用目的技術和長期經(jīng)濟增長》一書中所寫，“來自科學和軍事需要……”，初期限于非經(jīng)濟領域，但隨著技術演進，將對經(jīng)濟增長帶來長期影響，成為通用目的技術，給社會和經(jīng)濟帶來革命性的影響。

筆者在《數(shù)字孿生體：第四次工業(yè)革命的通用目的技術》一書中，從技術革命的特征、生產(chǎn)力水平和商業(yè)模式等多個層面做了分析，數(shù)字孿生體在高端產(chǎn)業(yè)（例如航天軍工）的方案成本較高，通過“降維”應用到中低端行業(yè)，有可能產(chǎn)生意想不到的效果，例如，數(shù)字孿生體在城市治理上的結合，形成數(shù)字孿生城市，獲得了全球各國的追捧，被認為是智慧城市發(fā)展的新階段。

總而言之，作為新一代通用目的技術，數(shù)字孿生體在各個行業(yè)的探索應用，將證明其潛力和價值，加快關鍵核心技術的突破和大規(guī)模部署，從而實現(xiàn)低成本的應用，這正是通用目的技術演進的基本階段。

前向兼容的數(shù)字孿生體

跟智能制造、信息物理系統(tǒng)等概念不同，數(shù)字孿生體作為新一代數(shù)字技術，它承擔了滿足傳統(tǒng)制造領域工藝、流程和質量等要求，可以降低制造過程的復雜度、成本等，同時還能發(fā)揮數(shù)字技術靈活的優(yōu)勢。事實上，數(shù)字孿生體跟軟件一樣，它需要考慮前向兼容和后向兼容的問題，這跟傳統(tǒng)的硬件開發(fā)范式有較大的差別。

圖1 美國戰(zhàn)機研發(fā)中硬件和軟件占比變化

前向兼容為什么重要

我們先看一下前向兼容和后向兼容的概念，它們都是軟硬件開發(fā)中的概念。前向兼容是指現(xiàn)在開發(fā)的系統(tǒng)應用可以在過去的系統(tǒng)中運行，例如，Word 2003可以打開Word 2007創(chuàng)建的文檔，當然部分新功能顯示不出來；后向兼容是指現(xiàn)在開發(fā)的系統(tǒng)可以運行過去的系統(tǒng)應用，例如，Word 2007可以打開Word 2003創(chuàng)建的文檔，這通常是以兼容模式打開的，它使用不了軟件的新功能，除非把文檔轉為新版本。

對比計算機集成系統(tǒng)、智能制造、信息物理系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、兩化融合和數(shù)字孿生體這幾個概念，計算機集成系統(tǒng)、智能制造和信息物理系統(tǒng)等對于后向兼容考慮比較多，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、兩化融合和數(shù)字孿生體等更強調前向兼容，技術上體現(xiàn)為盡量建立一個開放的技術架構，將來可以縮短研發(fā)周期，滿足市場競爭帶來的需求不斷改變的需要。

以1 9 6 9年可編程邏輯控制器（P L C，Programmable Logic Controller）在通用汽車的應用為起點，人類社會開啟了工業(yè)數(shù)字化時代，進入了第三次工業(yè)革命。正如美國國防部在分析戰(zhàn)機研發(fā)的數(shù)字化轉型過程所講，早期戰(zhàn)機的開發(fā)并不復雜，而且80%以上的工作為電子系統(tǒng)，其他是少數(shù)嵌入式軟件，但隨著大量系統(tǒng)控制需求產(chǎn)生，軟件占比越來越大，甚至超過了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的開發(fā)工作量（見圖1）。

在硬件制造為主的傳統(tǒng)制造業(yè)，后向兼容比較重要，從經(jīng)濟學的角度來看，其目的是為了保護已有的投資，包括廠房、流水線以及工人的技能，這樣的好處顯而易見，但其短處也比較明顯——那就是對于未來需求的滿足缺乏靈活性，而且隨著需求不斷出現(xiàn)，制造系統(tǒng)的功能和效率都會受到影響。

當軟件在制造系統(tǒng)中占比越來越高，后向兼容的價值開始比不上前向兼容，在設計現(xiàn)有系統(tǒng)的時候，就盡量保證將來開發(fā)的系統(tǒng)需求，這是一種具有戰(zhàn)略眼光的選擇。從使用者來講，舊系統(tǒng)可以使用部分未來功能，但新系統(tǒng)不一定非要使用舊有的功能，除非這些舊功能隨著系統(tǒng)演進或再開發(fā)。

數(shù)字孿生體的前向兼容

從工業(yè)哲學來講，數(shù)字孿生體屬于開放架構模式，雖然它跟智能制造等高度集成相比，滿足特定需求的效率不高，但它的開放性為未來需求提供了便利。事實上，數(shù)字孿生體開放架構的代價（Tradeoff）是不太在意后向兼容，但它獲得了前向兼容的價值。

為什么說數(shù)字孿生體核心價值在于前向兼容呢？

我們用蘋果手機來類比。蘋果手機硬件和軟件都有自己的標準，它的硬件創(chuàng)新周期較長，不輕易做出改變，新款手機或其他硬件不一定能使用原有的操作系統(tǒng)和應用，但舊手機或其他硬件通常可以使用新的操作系統(tǒng)和應用，這意味著它以滿足前向兼容需求為主。

只有通過這樣的方式，才可以促使蘋果硬件和軟件生態(tài)不斷演進，滿足不斷增長的各種需求，否則蘋果新款手機和系統(tǒng)很難獲得大量的使用者，從而影響其用戶體驗，也就難以推進蘋果生態(tài)不斷發(fā)展。

數(shù)字孿生體也有類似的挑戰(zhàn)，如果我們執(zhí)著滿足后向兼容的需求，那就會花費大量精力做傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，這將消耗大量的資源，從技術革命一般規(guī)律來看，一個技術周期進入尾聲的時候，任何傳統(tǒng)意義上的改造都不會提高生產(chǎn)力，因此在經(jīng)濟上是得不償失的。

如果瞄準數(shù)字孿生體自身的價值，它具有數(shù)據(jù)驅動的能力，我們努力尋找具有數(shù)據(jù)驅動特征的場景，不局限于傳統(tǒng)的仿真需求或連接功能（工業(yè)4.0研究院稱之為仿真派和連接派），滿足工程設計、健康監(jiān)測、實時控制、預測性維護和離線分析等核心價值實現(xiàn)，將給制造業(yè)帶來難以想象的靈活性。

數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)化之謎

任何時期的新技術革命，都會面臨新技術體系構建的難題，這種難題很大程度上體現(xiàn)為專業(yè)化分工的形成較為緩慢，特別是傳統(tǒng)力量在新技術面前，通常都是費盡心機阻礙其發(fā)展，這體現(xiàn)為“詆毀”新技術的價值、壟斷資金和資源、打壓新生力量等現(xiàn)象，數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)面臨類似的困難。

在大部分人心目中，數(shù)字孿生體核心技術和產(chǎn)業(yè)都是一個謎，這是因為我國基礎研究比較欠缺的緣故。如果不能確定其核心技術，行業(yè)壁壘難以建立；同樣產(chǎn)業(yè)專業(yè)化分工不形成，數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)就無法成熟。

數(shù)字孿生體的核心技術

跟其他大部分概念一樣，數(shù)字孿生體是一個舶來品，認識它的來源顯得尤為重要。我們從數(shù)字孿生體產(chǎn)生的來源中，可以了解數(shù)字孿生體的需求和目標， 2010年左右美國空軍提出“機身數(shù)字孿生體”（ADT，Airframe Digital Twin），其目的就是解決制造流程第三階段運行和支持（O&S，Operation & Support）的挑戰(zhàn)，這個時候它采用了傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術。

實際上美國空軍采用了先易后難的方法，機身數(shù)字孿生體項目本質上是一個概念驗證的項目，從簡單的應用入手，有助于提升成功率。該項目經(jīng)歷了3年多時間，獲得了不少有價值的成果，在2012年4月火奴魯魯舉辦的第53屆結構、結構動力學和材料大會上，NASA和美國空軍的專家聯(lián)合撰寫了數(shù)字孿生體范式的論文，首次提出要建立系統(tǒng)的新概念體系。

2019年，美國空軍專家帕米拉？可布林在美國工程院舉辦的《工程前沿》論壇上指出，數(shù)字孿生體經(jīng)過10年左右的時間，已經(jīng)形成較為成熟的范式，并開始向其他領域擴散，例如，醫(yī)療、能源等領域已經(jīng)較為廣泛采用數(shù)字孿生體的概念和方法，取得了較為突出的效果。

從數(shù)字孿生體10年發(fā)展史來看，數(shù)字孿生體核心技術較為廣泛，包含了硬件和軟件技術，硬件技術包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等，軟件技術則包含人工智能、數(shù)據(jù)科學、區(qū)塊鏈等。需要指出的是，這些概念在數(shù)字孿生體領域的應用，跟我們通常的場景下的應用有較大的差別，它們具有不同的內涵和應用模式。

例如，在消費互聯(lián)網(wǎng)領域大數(shù)據(jù)應用較為廣泛，它的應用方法可以不考慮跟物理世界的交互，但對于跟物理世界關聯(lián)緊密的數(shù)字孿生體來講，需要新的數(shù)據(jù)科學工具，美國DARPA最近就忙于X-DATA項目，其目的就是為了開發(fā)適合數(shù)字孿生體應用的數(shù)據(jù)科學工具集。

數(shù)字孿生體核心技術除了新型工具外，還涉及到基礎設施和平臺生態(tài)的建設，這些核心技術跟傳統(tǒng)的消費互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同，它需要滿足數(shù)字孿生化以及數(shù)字孿生分析的各種特定要求，需要開發(fā)者對此深入研究。

數(shù)字孿生體的專業(yè)化分工

在《全球工業(yè)4.0研究報告（2020）》中，工業(yè)4.0研究院分析了數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)結構，雖然數(shù)字孿生體概念提出至今已有10年時間，但由于它的開放架構具有容納人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)字技術的能力，目前還沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)結構。

經(jīng)濟學家佩蕾絲闡釋了技術革命各周期特征，以她的方法來判定，數(shù)字孿生體革命還處于第一個階段末期，即范式形成階段，相關基礎設施還不齊備，這需要政府或其他投資者來建設。因此，數(shù)字孿生基礎設施是第一個專業(yè)化分工的產(chǎn)物，如同美國西部開發(fā)初期的賣水者。

雖然一些國際仿真或PLM軟件巨頭號稱可以提供數(shù)字孿生體解決方案，但如果嚴格按照數(shù)字孿生體技術的特征判定，它們不過是新瓶裝舊酒。這些國際巨頭為了搶占市場，通過強大的市場宣傳，迅速把已有的產(chǎn)品包裝為“數(shù)字孿生體解決方案”，爭取從客戶盲目上馬新技術中分得一羹。

從數(shù)字孿生體全球發(fā)展來看，這次技術革命雖然仍由美國率先發(fā)起，但在理論研究、聯(lián)盟建設和場景應用等多方面并不處于優(yōu)勢，工業(yè)4.0研究院早在2015年啟動了數(shù)字孿生體長期課題研究，并在2019年10月16日建立了全球第一個數(shù)字孿生體聯(lián)盟，比美國同類型聯(lián)盟早八個月。

對比全球頂級仿真企業(yè)提供的案例清單，我國企業(yè)對新技術的擁抱程度處于全球領先，中國數(shù)字孿生體企業(yè)有機會在數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)專業(yè)化分工方面獲得機遇，通過參與技術研發(fā)、市場開拓和案例實施等工作，推進我國數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)快速成長。

總結

數(shù)字孿生體作為一種新型通用目的技術，為物理世界和數(shù)字空間交互提供了有效的手段，其開放架構吸引了大量參與者，它們通過競爭加速數(shù)字孿生體專業(yè)化分工，最終大幅降低企業(yè)數(shù)字化轉型的成本。在數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，遵循先易后難的規(guī)律，數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生能源等由此獲益，同時，數(shù)字孿生制造給先進制造帶來了靈活性，吸引大量的投資介入，加速該領域的發(fā)展。

展望數(shù)字孿生體下一個10年，隨著數(shù)字孿生基礎設施逐漸建設完成，產(chǎn)業(yè)專業(yè)化分工將成為各個參與方主攻方向，預計不到5年時間，全球將形成一個較大規(guī)模、較為成熟、分工明確的數(shù)字孿生體產(chǎn)業(yè)。