數字孿生體的本質

胡權

自 1946年電子計算機產生以來，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兩方面的數字變革，它們在上個世紀80年代初期幾乎同時發展，但消費領域的數字變革顯然要快于工業領域的數字應用，因為工業領域的工藝、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（CIMS，Computer-Integrated Manufacturing Systems）、智能制造系統（IMS，Intelligent Manufacturing Systems），2006年美國國家科學基金會提出了信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems），2010年左右通用電氣提出工業互聯網（Industrial Internet）、美國國防部提出數字孿生體（Digital Twin）和中國提出兩化融合等，代表了人類社會對工業數字化的探索。

工業數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，計算機集成系統和信息物理系統等歸屬前者，工業互聯網、數字孿生體和兩化融合等則屬于后者。本文通過工業哲學視角的對比、開放架構和難點痛點等的分析，深入探討數字孿生體的本質，洞悉第四次工業革命的發展規律。

為什么數字孿生體重要

一直以來，不少行業專家詬病制造領域的概念比較多，但從大家熱衷創造新概念的實際原因來看，一方面是企業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勢；另外一方面，現實的生產和經營環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。

數字孿生體作為物理世界和數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革命的通用目的技術。

基于不同工業哲學的模式

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。雖然中國學者的做法不容易產生矛盾，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。一旦我們要做自主創新的時候，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帶來致命的風險。

工業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；德國的核心產業在汽車、機械等領域，大量隱形冠軍占據各個利基市場，不斷強化其專業性，這使得高度集成具有很好的經濟性；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化時間不長，大家還沒有形成穩定的工業哲學，基本上呈現兼收并蓄的特點。

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上的努力非常引人矚目，但最終功敗垂成，其經驗教訓值得吸取。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，需要大規模的產業協作，這不是美國制造未來的模式，隨著技術的發展，工業數據（Industrial Data）才是將來解決數據交換和數據分享的唯一方法。

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

第四次工業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：經濟增長的引擎》一文，首次系統闡釋了通用目的技術概念和含義。加拿大經濟學家里查德？利普西（Richard G. Lipsey）在2005年對通用目的技術跟經濟增長的關系做了深入分析，他與其學生聯合寫了《經濟轉型：通用目的技術和長期經濟增長》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展，最終將廣泛應用，具有多種應用場景，并具有溢出效應。

據工業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、數字孿生體、5G/6G和物聯網。

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

筆者在《數字孿生體：第四次工業革命的通用目的技術》一書中，從技術革命的特征、生產力水平和商業模式等多個層面做了分析，數字孿生體在高端產業（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，有可能產生意想不到的效果，例如，數字孿生體在城市治理上的結合，形成數字孿生城市，獲得了全球各國的追捧，被認為是智慧城市發展的新階段。

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

前向兼容的數字孿生體

跟智能制造、信息物理系統等概念不同，數字孿生體作為新一代數字技術，它承擔了滿足傳統制造領域工藝、流程和質量等要求，可以降低制造過程的復雜度、成本等，同時還能發揮數字技術靈活的優勢。事實上，數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，這跟傳統的硬件開發范式有較大的差別。

圖1 美國戰機研發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中的概念。前向兼容是指現在開發的系統應用可以在過去的系統中運行，例如，Word 2003可以打開Word 2007創建的文檔，當然部分新功能顯示不出來；后向兼容是指現在開發的系統可以運行過去的系統應用，例如，Word 2007可以打開Word 2003創建的文檔，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、智能制造、信息物理系統、工業互聯網、兩化融合和數字孿生體這幾個概念，計算機集成系統、智能制造和信息物理系統等對于后向兼容考慮比較多，而工業互聯網、兩化融合和數字孿生體等更強調前向兼容，技術上體現為盡量建立一個開放的技術架構，將來可以縮短研發周期，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數字化時代，進入了第三次工業革命。正如美國國防部在分析戰機研發的數字化轉型過程所講，早期戰機的開發并不復雜，而且80%以上的工作為電子系統，其他是少數嵌入式軟件，但隨著大量系統控制需求產生，軟件占比越來越大，甚至超過了傳統電子系統的開發工作量（見圖1）。

在硬件制造為主的傳統制造業，后向兼容比較重要，從經濟學的角度來看，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，制造系統的功能和效率都會受到影響。

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

數字孿生體的前向兼容

從工業哲學來講，數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和應用，但舊手機或其他硬件通常可以使用新的操作系統和應用，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不斷發展。

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

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

數字孿生體產業化之謎

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為專業化分工的形成較為緩慢，特別是傳統力量在新技術面前，通常都是費盡心機阻礙其發展，這體現為“詆毀”新技術的價值、壟斷資金和資源、打壓新生力量等現象，數字孿生體產業面臨類似的困難。

在大部分人心目中，數字孿生體核心技術和產業都是一個謎，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，行業壁壘難以建立；同樣產業專業化分工不形成，數字孿生體產業就無法成熟。

數字孿生體的核心技術

跟其他大部分概念一樣，數字孿生體是一個舶來品，認識它的來源顯得尤為重要。我們從數字孿生體產生的來源中，可以了解數字孿生體的需求和目標， 2010年左右美國空軍提出“機身數字孿生體”（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，這個時候它采用了傳感器和物聯網技術。

實際上美國空軍采用了先易后難的方法，機身數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合撰寫了數字孿生體范式的論文，首次提出要建立系統的新概念體系。

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，數字孿生體經過10年左右的時間，已經形成較為成熟的范式，并開始向其他領域擴散，例如，醫療、能源等領域已經較為廣泛采用數字孿生體的概念和方法，取得了較為突出的效果。

從數字孿生體10年發展史來看，數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、物聯網等，軟件技術則包含人工智能、數據科學、區塊鏈等。需要指出的是，這些概念在數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，在消費互聯網領域大數據應用較為廣泛，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緊密的數字孿生體來講，需要新的數據科學工具，美國DARPA最近就忙于X-DATA項目，其目的就是為了開發適合數字孿生體應用的數據科學工具集。

數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的建設，這些核心技術跟傳統的消費互聯網或工業互聯網不同，它需要滿足數字孿生化以及數字孿生分析的各種特定要求，需要開發者對此深入研究。

數字孿生體的專業化分工

在《全球工業4.0研究報告（2020）》中，工業4.0研究院分析了數字孿生體產業結構，雖然數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、大數據、區塊鏈、物聯網等新一代數字技術的能力，目前還沒有形成成熟的產業結構。

經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，數字孿生基礎設施是第一個專業化分工的產物，如同美國西部開發初期的賣水者。

雖然一些國際仿真或PLM軟件巨頭號稱可以提供數字孿生體解決方案，但如果嚴格按照數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，迅速把已有的產品包裝為“數字孿生體解決方案”，爭取從客戶盲目上馬新技術中分得一羹。

從數字孿生體全球發展來看，這次技術革命雖然仍由美國率先發起，但在理論研究、聯盟建設和場景應用等多方面并不處于優勢，工業4.0研究院早在2015年啟動了數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字孿生體聯盟，比美國同類型聯盟早八個月。

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

總結

數字孿生體作為一種新型通用目的技術，為物理世界和數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字孿生體專業化分工，最終大幅降低企業數字化轉型的成本。在數字孿生體產業發展中，遵循先易后難的規律，數字孿生城市、數字孿生建筑、數字孿生能源等由此獲益，同時，數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，加速該領域的發展。

展望數字孿生體下一個10年，隨著數字孿生基礎設施逐漸建設完成，產業專業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模、較為成熟、分工明確的數字孿生體產業。