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，如何定義和預測其目標和進程？如何識別其關(guān)鍵技術(shù)需求？為定義和預測第四次工業(yè)革命的目標和進程，我們需要從時空兩個維度對人類文明進程進行系統(tǒng)分析。
人類文明進程的度量
1964年蘇聯(lián)天文學家尼古拉·卡爾達肖夫（Nikolai Kardashev）提出根據(jù)一個文明所能夠利用的能量量級來衡量其文明發(fā)展水平的卡爾達肖夫指數(shù)來度量人類文明進程。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，美國天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）修正了卡爾達肖夫指數(shù)，并增加了用26個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）。他估計當時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肖夫指數(shù)約為0.73（圖1）；樂觀估計，2100年左右達到1.0；悲觀估計最晚2250年，人類文明將成為真正意義上的地球行星文明。美國理論物理學家加來道雄進一步認為，在衡量能量和信息的掌控“量”的基礎上，還必須增加對其“質(zhì)”的評價，即需要另外引入“熵”的尺度來衡量文明的進化等級。
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?圖1 上世紀以來人類文明卡爾達肖夫指數(shù)的增長趨勢
根據(jù)頭三次工業(yè)革命每次歷時70～100年的經(jīng)驗推斷，第四次工業(yè)革命將從現(xiàn)在開始持續(xù)到本世紀末下世紀初，歷時80～100年，在這一進程中如果人類不經(jīng)歷嚴重的天災人禍（如極端氣候變化、大規(guī)模瘟疫或恐怖主義）或人類有意愿、共識和能力應對這樣的天災人禍，那么，到下個世紀之交第四次工業(yè)革命結(jié)束時，人類文明的卡爾達肖夫指數(shù)有可能達到或接近1.0。
歷次工業(yè)革命的分析預測
有了目標，再看進程。我們知道，人類文明進程是城市化、全球化和工業(yè)化的社會實踐依次展開、相互交織和疊加的歷史進程，人類文明的可持續(xù)發(fā)展是這三化的共同目標；物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織是人類文明進程中內(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程當作一個系統(tǒng)，應用TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)完備性法則（圖2），可以認為地球是這一系統(tǒng)的能量源，工業(yè)化是動力裝置，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
更進一步，利用科學-技術(shù)-工程的學科體系框架（圖3），從縱向?qū)徱暼纳鐣嵺`，從而得出科學革命、技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命（含工業(yè)革命）之間的互動關(guān)系，特別是在較大時間尺度上，科學革命對工業(yè)革命在科學精神、科學方法和科學文化上的啟蒙。
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?圖3 學科體系的一般框架
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程內(nèi)含的主線帶來革命性的改變，這些改變有賴于上個世紀開始的科學革命的滋養(yǎng)。以能量利用的革命為例，由于化石能源在可以預見的將來會枯竭，人類將不得不在本世紀的適當時機完成向低碳可再生能源的轉(zhuǎn)變，進而通過技術(shù)革命實現(xiàn)可控核聚變的工程化應用。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信息組織水平），來不斷提升以產(chǎn)品設計和制造活動為核心的物質(zhì)生產(chǎn)水平。設計是人類為實現(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)）而進行的創(chuàng)造性活動。制造是通過人力、工具、機器、化學、配方或生物等方法將設計的結(jié)果進行制作或生產(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)物則是設計主體思考所產(chǎn)生信息，通過動作承載到自然物質(zhì)后的存在形態(tài)，即制造的本質(zhì)是將設計信息承載到物質(zhì)的過程。
經(jīng)歷了三次工業(yè)革命的洗禮后，現(xiàn)代設計制造技術(shù)的前沿即將觸及人類在基礎科學領(lǐng)域所創(chuàng)造成就的上限。設計制造技術(shù)的歷次變革也伴隨信息產(chǎn)生方式的變革（設計過程的革新：從原始思維向手工設計，從手工設計到CAD、CAM）、信息傳輸方式的變革（指令傳輸與處理系統(tǒng)的革新：從手工操作向機械傳動，從機械傳動向電控伺服）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）。在自動化與精密化這兩個方向上，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，其時間粒度已進入飛秒領(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設計與智能制造（圖4），以破解頭三次工業(yè)革命遺留下來的設計制造一體化困局（未站在系統(tǒng)高度把握產(chǎn)品設計、工藝設計和制造過程，造成設計與工藝、設計與制造之間各自為政、互相對立、嚴重脫節(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設計與智能制造
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，將其等同于快速成型技術(shù)，定位在單件或小樣加工場景，想到的是實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)、輕量化、個性化以及快速樣品制作，最多再加上壓縮零部件供應鏈、實現(xiàn)中間件的零庫存等。增材制造技術(shù)的價值僅止于此么？
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)動下、回歸自然界“生長造物”的新方法，設備有充分的時空窗口對建造物質(zhì)的物性進行細粒度、高分辨率的主動控制，所輸出三維實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計信息承載到物理實體上，意味著所生成制品具有更強的功能性，進而帶來性能的飛躍。因此，在實現(xiàn)材盡其能、物盡其用，釋放復雜成形能力的表象下，增材制造的真正價值在于回歸設計本源，重塑增材思維，實現(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革命獲取力量。眾多物理學家相信，“信息”的概念也許會成為物理學新進展的關(guān)鍵。正如物理學家們正在致力于統(tǒng)一物理學的萬有理論，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)域的重要學者和宗師，他是核裂變的先驅(qū)、玻爾的學生、費曼的老師、黑洞和蟲洞的命名者，曾與諾貝爾物理獎擦肩而過。他參與了二十世紀最偉大的兩場物理學思想革命——廣義相對論和量子力學，通過對黑洞體系的研究，注意到了這兩個理論間的不協(xié)調(diào)。他提出一個論斷，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，甚至時空連續(xù)統(tǒng)本身——將其功能、意義乃至其全部存在歸因于比特。即當我們看太陽、月亮、星系或者一個原子時，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)為三個時期：第一個時期從學術(shù)生涯的起點到1950年代早期，相信“萬物皆粒子”；第二個時期從1952年到學術(shù)生涯的晚期，改信“萬物皆場”；第三個時期在其75歲（1986年）前后，提出全新的觀點——萬物皆信息，相信邏輯和信息對于物理學理論具有基礎性作用（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，相信惠勒對量子理論中看似荒謬部分的思考，絕不是毫無價值的空想，終有一天它們會有最實際的應用，甚至推動第四次工業(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)和信息底層的哲學關(guān)系，按照圖3構(gòu)建面向數(shù)字孿生體的學科體系框架。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)濟發(fā)展的基礎，是未來智能時代的信息基礎設施。接下來的十年（21世紀20年代）將成為“數(shù)字孿生體時代”。
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圖7 從系統(tǒng)思維和數(shù)學思維出發(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)學在科學體系中的基礎性作用，以及惠勒強調(diào)信息的基礎性作用，但數(shù)學的邊界讓我們對數(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，又是未來學。人類文明進程和歷次工業(yè)革命的歷史告訴我們，面對任何一個時代大幕開啟時的變遷和顛覆，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程中物質(zhì)生產(chǎn)、能量利用和信息組織的互動規(guī)律，我們才能始終清晰地鎖定所要追求的價值目標，不為各種騷動所誘惑；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設計與智能制造和數(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)和服務經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設計和增材制造經(jīng)驗，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、虛擬仿真及先進設計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進設計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設計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。
