新一輪科技產(chǎn)業(yè)革命視角下的數(shù)字孿生體
目前，智能制造是數(shù)字孿生體首要的、最大的應(yīng)用場景。但僅僅考慮這一場景還不夠，戰(zhàn)略上的思考還要從工業(yè)化、城市化和全球化的宏大空間尺度、從第四次工業(yè)革命和歷次工業(yè)革命的宏大時(shí)間尺度乃至人類幸福和文明的終局出發(fā)，才能保證戰(zhàn)略的完整、一致和領(lǐng)先。這就是終局思維，從最難、最高、最大的開始，倒序思考。
那么接下來的問題是，現(xiàn)在第四次工業(yè)革命僅是大幕開啟，還未正式登場，如何定義和預(yù)測其目標(biāo)和進(jìn)程？如何識別其關(guān)鍵技術(shù)需求？為定義和預(yù)測第四次工業(yè)革命的目標(biāo)和進(jìn)程，我們需要從時(shí)空兩個(gè)維度對人類文明進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)分析。
人類文明進(jìn)程的度量
1964年蘇聯(lián)天文學(xué)家尼古拉·卡爾達(dá)肖夫（Nikolai Kardashev）提出根據(jù)一個(gè)文明所能夠利用的能量量級來衡量其文明發(fā)展水平的卡爾達(dá)肖夫指數(shù)來度量人類文明進(jìn)程。I型文明能使用其所在行星及其衛(wèi)星的所有可用資源；II型文明能利用其恒星的所有能源；III型文明能利用它所在星系的所有能源。1973年，美國天文學(xué)家卡爾·薩根（Carl Sagan）修正了卡爾達(dá)肖夫指數(shù)，并增加了用26個(gè)英文字母來衡量文明發(fā)展水平的信息維度（A型文明只能處理100萬條信息，只有口語沒有書面語；古希臘文明大約有10億比特信息，是C型文明）。他估計(jì)當(dāng)時(shí)地球文明的能量和信息指數(shù)為0.7H；目前人類文明的卡爾達(dá)肖夫指數(shù)約為0.73（圖1）；樂觀估計(jì)，2100年左右達(dá)到1.0；悲觀估計(jì)最晚2250年，人類文明將成為真正意義上的地球行星文明。美國理論物理學(xué)家加來道雄進(jìn)一步認(rèn)為，在衡量能量和信息的掌控“量”的基礎(chǔ)上，還必須增加對其“質(zhì)”的評價(jià)，即需要另外引入“熵”的尺度來衡量文明的進(jìn)化等級。
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?圖1 上世紀(jì)以來人類文明卡爾達(dá)肖夫指數(shù)的增長趨勢
根據(jù)頭三次工業(yè)革命每次歷時(shí)70～100年的經(jīng)驗(yàn)推斷，第四次工業(yè)革命將從現(xiàn)在開始持續(xù)到本世紀(jì)末下世紀(jì)初，歷時(shí)80～100年，在這一進(jìn)程中如果人類不經(jīng)歷嚴(yán)重的天災(zāi)人禍（如極端氣候變化、大規(guī)模瘟疫或恐怖主義）或人類有意愿、共識和能力應(yīng)對這樣的天災(zāi)人禍，那么，到下個(gè)世紀(jì)之交第四次工業(yè)革命結(jié)束時(shí)，人類文明的卡爾達(dá)肖夫指數(shù)有可能達(dá)到或接近1.0。
歷次工業(yè)革命的分析預(yù)測
有了目標(biāo)，再看進(jìn)程。我們知道，人類文明進(jìn)程是城市化、全球化和工業(yè)化的社會(huì)實(shí)踐依次展開、相互交織和疊加的歷史進(jìn)程，人類文明的可持續(xù)發(fā)展是這三化的共同目標(biāo)；物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織是人類文明進(jìn)程中內(nèi)含的三條主線。三化中，工業(yè)化是核心，是引擎。如果將人類的文明進(jìn)程當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)用TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則（圖2），可以認(rèn)為地球是這一系統(tǒng)的能量源，工業(yè)化是動(dòng)力裝置，全球化是傳輸裝置，城市化是執(zhí)行裝置，信息化是度量和控制裝置，而人類文明是系統(tǒng)作用對象。
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圖2 TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則
更進(jìn)一步，利用科學(xué)-技術(shù)-工程的學(xué)科體系框架（圖3），從縱向?qū)徱暼纳鐣?huì)實(shí)踐，從而得出科學(xué)革命、技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命（含工業(yè)革命）之間的互動(dòng)關(guān)系，特別是在較大時(shí)間尺度上，科學(xué)革命對工業(yè)革命在科學(xué)精神、科學(xué)方法和科學(xué)文化上的啟蒙。
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?圖3 學(xué)科體系的一般框架
有了上述鋪墊，我們可以從歷次工業(yè)革命角度出發(fā)，回望并展望人類文明進(jìn)程，分析和識別第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)需求（表1）。
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表1 歷次工業(yè)革命的技術(shù)系統(tǒng)分析
與前三次工業(yè)革命一樣，大幕開啟的第四次工業(yè)革命將為物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織這三條人類文明進(jìn)程內(nèi)含的主線帶來革命性的改變，這些改變有賴于上個(gè)世紀(jì)開始的科學(xué)革命的滋養(yǎng)。以能量利用的革命為例，由于化石能源在可以預(yù)見的將來會(huì)枯竭，人類將不得不在本世紀(jì)的適當(dāng)時(shí)機(jī)完成向低碳可再生能源的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而通過技術(shù)革命實(shí)現(xiàn)可控核聚變的工程化應(yīng)用。人類對第四次工業(yè)革命中的能源革命的技術(shù)路線相對清晰。下面重點(diǎn)討論第四次工業(yè)革命需要什么樣的物質(zhì)生產(chǎn)革命和信息組織革命。
造物革命
我們知道，工業(yè)化的本質(zhì)是通過持續(xù)采用新技術(shù)和追求高效的專業(yè)化組織（增加能量利用總量和改進(jìn)信息組織水平），來不斷提升以產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造活動(dòng)為核心的物質(zhì)生產(chǎn)水平。設(shè)計(jì)是人類為實(shí)現(xiàn)某種特定目的（即將客觀需求轉(zhuǎn)化為滿足該需求的人工系統(tǒng)，包括人工物理系統(tǒng)和人工抽象系統(tǒng)）而進(jìn)行的創(chuàng)造性活動(dòng)。制造是通過人力、工具、機(jī)器、化學(xué)、配方或生物等方法將設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行制作或生產(chǎn)出滿足需求的人工物理系統(tǒng)，特別是將原材料批量地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。制造的產(chǎn)物則是設(shè)計(jì)主體思考所產(chǎn)生信息，通過動(dòng)作承載到自然物質(zhì)后的存在形態(tài)，即制造的本質(zhì)是將設(shè)計(jì)信息承載到物質(zhì)的過程。
經(jīng)歷了三次工業(yè)革命的洗禮后，現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)的前沿即將觸及人類在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域所創(chuàng)造成就的上限。設(shè)計(jì)制造技術(shù)的歷次變革也伴隨信息產(chǎn)生方式的變革（設(shè)計(jì)過程的革新：從原始思維向手工設(shè)計(jì)，從手工設(shè)計(jì)到CAD、CAM）、信息傳輸方式的變革（指令傳輸與處理系統(tǒng)的革新：從手工操作向機(jī)械傳動(dòng)，從機(jī)械傳動(dòng)向電控伺服）和信息作用方式的變革（工具與工藝方法的革新：從打磨、雕刻向刀具切削、從刀具切削向能量束加工）。在自動(dòng)化與精密化這兩個(gè)方向上，現(xiàn)代制造業(yè)的對象物質(zhì)已發(fā)展至超合金、工程陶瓷、甚至金剛石等超難加工材料，其空間尺度已逼近物質(zhì)基本單元極限——原子級，其時(shí)間粒度已進(jìn)入飛秒領(lǐng)域，其所用工具經(jīng)歷了傳統(tǒng)金屬刀具、合金/陶瓷刀具、金剛石刀具、以及激光/電子束/等離子體等能量束工具。面對第四次工業(yè)革命的召喚，制造技術(shù)或物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)的革命路在何方？
安世亞太認(rèn)為，第四次工業(yè)革命的造物革命就是基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造（圖4），以破解頭三次工業(yè)革命遺留下來的設(shè)計(jì)制造一體化困局（未站在系統(tǒng)高度把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和制造過程，造成設(shè)計(jì)與工藝、設(shè)計(jì)與制造之間各自為政、互相對立、嚴(yán)重脫節(jié)）；作為新一代的物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)，它將與新一代信息技術(shù)深度融合，成為第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)引擎。
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?圖4 基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造
為什么并不新鮮的增材制造技術(shù)成為其中的核心？直到現(xiàn)在，不少人提到增材制造或3D打印技術(shù)時(shí)，將其等同于快速成型技術(shù)，定位在單件或小樣加工場景，想到的是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、輕量化、個(gè)性化以及快速樣品制作，最多再加上壓縮零部件供應(yīng)鏈、實(shí)現(xiàn)中間件的零庫存等。增材制造技術(shù)的價(jià)值僅止于此么？
增材制造從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料技術(shù)相互割裂的發(fā)展局面。增材制造技術(shù)作為數(shù)字技術(shù)驅(qū)動(dòng)下、回歸自然界“生長造物”的新方法，設(shè)備有充分的時(shí)空窗口對建造物質(zhì)的物性進(jìn)行細(xì)粒度、高分辨率的主動(dòng)控制，所輸出三維實(shí)體既承載了高密度的形狀信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最終制品的成形與定性得以同步完成。
增材制造將更精密的設(shè)計(jì)信息承載到物理實(shí)體上，意味著所生成制品具有更強(qiáng)的功能性，進(jìn)而帶來性能的飛躍。因此，在實(shí)現(xiàn)材盡其能、物盡其用，釋放復(fù)雜成形能力的表象下，增材制造的真正價(jià)值在于回歸設(shè)計(jì)本源，重塑增材思維，實(shí)現(xiàn)造物不止于形的造物革命。
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?圖5 安世亞太利用數(shù)字孿生體建立無人值守激光粉床自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)及其仿真模型助力防控戰(zhàn)“疫”
萬物源自比特
如同新的能源革命和造物革命一樣，第四次工業(yè)革命也需要新的信息革命；而且這一新的信息革命毫無疑問需要從底層的科學(xué)革命獲取力量。眾多物理學(xué)家相信，“信息”的概念也許會(huì)成為物理學(xué)新進(jìn)展的關(guān)鍵。正如物理學(xué)家們正在致力于統(tǒng)一物理學(xué)的萬有理論，這一新的信息革命也需要對“信息”的統(tǒng)一定義，從香農(nóng)信息，到DIKW的信息，再到量子信息。在這一領(lǐng)域，美國理論物理學(xué)家約翰·惠勒（John A. Wheeler）的論斷最為大膽。
約翰·惠勒是廣義相對論領(lǐng)域的重要學(xué)者和宗師，他是核裂變的先驅(qū)、玻爾的學(xué)生、費(fèi)曼的老師、黑洞和蟲洞的命名者，曾與諾貝爾物理獎(jiǎng)擦肩而過。他參與了二十世紀(jì)最偉大的兩場物理學(xué)思想革命——廣義相對論和量子力學(xué)，通過對黑洞體系的研究，注意到了這兩個(gè)理論間的不協(xié)調(diào)。他提出一個(gè)論斷，宇宙及其所包含的一切（it）可能都起源于測量的“是/否”選擇（bit），所有物質(zhì)——任何粒子、任何力場，甚至?xí)r空連續(xù)統(tǒng)本身——將其功能、意義乃至其全部存在歸因于比特。即當(dāng)我們看太陽、月亮、星系或者一個(gè)原子時(shí)，它們的本質(zhì)是儲存在它們里面的信息。
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?圖6 約翰·惠勒的萬物源自比特
“萬物源自比特（It from bit）”的想法打開了解決量子力學(xué)和廣義相對論統(tǒng)一問題的一扇窗戶?；堇諏⒆约阂簧难芯繗w結(jié)為三個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期從學(xué)術(shù)生涯的起點(diǎn)到1950年代早期，相信“萬物皆粒子”；第二個(gè)時(shí)期從1952年到學(xué)術(shù)生涯的晚期，改信“萬物皆場”；第三個(gè)時(shí)期在其75歲（1986年）前后，提出全新的觀點(diǎn)——萬物皆信息，相信邏輯和信息對于物理學(xué)理論具有基礎(chǔ)性作用（圖6）。
筆者把惠勒的“萬物源自比特”作為第四次工業(yè)革命的典型（核心）觀點(diǎn)，相信惠勒對量子理論中看似荒謬部分的思考，絕不是毫無價(jià)值的空想，終有一天它們會(huì)有最實(shí)際的應(yīng)用，甚至推動(dòng)第四次工業(yè)革命的發(fā)展。
數(shù)字孿生（Digital Twinning）
惠勒的論斷也為我們構(gòu)建數(shù)字孿生體的概念模型打開了一扇窗，促使我們思考物質(zhì)和信息底層的哲學(xué)關(guān)系，按照圖3構(gòu)建面向數(shù)字孿生體的學(xué)科體系框架。我們相信，數(shù)字孿生體為跨層級、跨尺度的現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界建立了溝通的橋梁，是第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)和核心技術(shù)體系之一，是支撐萬物互聯(lián)的綜合技術(shù)體系，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，是未來智能時(shí)代的信息基礎(chǔ)設(shè)施。接下來的十年（21世紀(jì)20年代）將成為“數(shù)字孿生體時(shí)代”。
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圖7 從系統(tǒng)思維和數(shù)學(xué)思維出發(fā)看數(shù)字化和信息化的邊界
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?圖8 數(shù)字孿生體概念模型片段?
另一方面，盡管有數(shù)學(xué)在科學(xué)體系中的基礎(chǔ)性作用，以及惠勒強(qiáng)調(diào)信息的基礎(chǔ)性作用，但數(shù)學(xué)的邊界讓我們對數(shù)字化和信息化的邊界也有所了解，從而指導(dǎo)我們對數(shù)字孿生體的建模（圖7，圖8）。
結(jié)語
歷史，既是考古學(xué)，又是未來學(xué)。人類文明進(jìn)程和歷次工業(yè)革命的歷史告訴我們，面對任何一個(gè)時(shí)代大幕開啟時(shí)的變遷和顛覆，都是擁有想象力者才擁有未來。這樣的想象力，來自于我們對“變”和“?！钡陌盐眨喊盐兆∥拿鬟M(jìn)程中物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織的互動(dòng)規(guī)律，我們才能始終清晰地鎖定所要追求的價(jià)值目標(biāo)，不為各種騷動(dòng)所誘惑；把握住第四次工業(yè)革命中的造物革命和信息革命的新形勢、新問題、新需求、新資源，我們才能不至于在思維定勢中固步自封。這也是為什么安世亞太投身于基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造和數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)的原因。
安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。
