专栏 l 新一轮科技产业革命视角下的数字孪生体

| 3DScienceValley · 2020/03/12

数字孪生体作为与实体世界对应的数字化表达方式，相对于数字孪生，其“体”的含义突出了系统和体系。比如一台复杂装备、一条产业链或者一个经济体，都可以认为是系统或体系的实体，需要有一个“数字孪生体”与之对应。

目前，智能制造是数字孪生体首要的、最大的应用场景。但仅仅考虑这一场景还不够，战略上的思考还要从工业化、城市化和全球化的宏大空间尺度、从第四次工业革命和历次工业革命的宏大时间尺度乃至人类幸福和文明的终局出发，才能保证战略的完整、一致和领先。这就是终局思维，从最难、最高、最大的开始，倒序思考。

那么接下来的问题是，现在第四次工业革命仅是大幕开启，还未正式登场，如何定义和预测其目标和进程？如何识别其关键技术需求？为定义和预测第四次工业革命的目标和进程，在本期的谷.专栏文章中，安世亚太从时空两个维度对人类文明进程进行系统分析，并谈到了基于增材（3D打印）思维的先进设计与智能制造在第四次工业革命中发挥的重要作用。

人类文明进程的度量

1964年苏联天文学家尼古拉·卡尔达肖夫（Nikolai Kardashev）提出根据一个文明所能够利用的能量量级来衡量其文明发展水平的卡尔达肖夫指数来度量人类文明进程。I型文明能使用其所在行星及其卫星的所有可用资源；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，美国天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）修正了卡尔达肖夫指数，并增加了用26个英文字母来衡量文明发展水平的信息维度（A型文明只能处理100万条信息，只有口语没有书面语；古希腊文明大约有10亿比特信息，是C型文明）。他估计当时地球文明的能量和信息指数为0.7H；目前人类文明的卡尔达肖夫指数约为0.73（图1）；乐观估计，2100年左右达到1.0；悲观估计最晚2250年，人类文明将成为真正意义上的地球行星文明。美国理论物理学家加来道雄进一步认为，在衡量能量和信息的掌控“量”的基础上，还必须增加对其“质”的评价，即需要另外引入“熵”的尺度来衡量文明的进化等级。

图1 上世纪以来人类文明卡尔达肖夫指数的增长趋势。来源：安世亚太

根据头三次工业革命每次历时70～100年的经验推断，第四次工业革命将从现在开始持续到本世纪末下世纪初，历时80～100年，在这一进程中如果人类不经历严重的天灾人祸（如极端气候变化、大规模瘟疫或恐怖主义）或人类有意愿、共识和能力应对这样的天灾人祸，那么，到下个世纪之交第四次工业革命结束时，人类文明的卡尔达肖夫指数有可能达到或接近1.0。

历次工业革命的分析预测

有了目标，再看进程。我们知道，人类文明进程是城市化、全球化和工业化的社会实践依次展开、相互交织和叠加的历史进程，人类文明的可持续发展是这三化的共同目标；物质生产、能量利用和信息组织是人类文明进程中内含的三条主线。三化中，工业化是核心，是引擎。如果将人类的文明进程当作一个系统，应用TRIZ理论的技术系统完备性法则（图2），可以认为地球是这一系统的能量源，工业化是动力装置，全球化是传输装置，城市化是执行装置，信息化是度量和控制装置，而人类文明是系统作用对象。

图2 TRIZ理论的技术系统完备性法则。来源：安世亚太

更进一步，利用科学-技术-工程的学科体系框架（图3），从纵向审视三化的社会实践，从而得出科学革命、技术革命和产业革命（含工业革命）之间的互动关系，特别是在较大时间尺度上，科学革命对工业革命在科学精神、科学方法和科学文化上的启蒙。

图3 学科体系的一般框架。来源：安世亚太

有了上述铺垫，我们可以从历次工业革命角度出发，回望并展望人类文明进程，分析和识别第四次工业革命的关键技术需求（表1）。

表1 历次工业革命的技术系统分析。来源：安世亚太

与前三次工业革命一样，大幕开启的第四次工业革命将为物质生产、能量利用和信息组织这三条人类文明进程内含的主线带来革命性的改变，这些改变有赖于上个世纪开始的科学革命的滋养。以能量利用的革命为例，由于化石能源在可以预见的将来会枯竭，人类将不得不在本世纪的适当时机完成向低碳可再生能源的转变，进而通过技术革命实现可控核聚变的工程化应用。人类对第四次工业革命中的能源革命的技术路线相对清晰。下面重点讨论第四次工业革命需要什么样的物质生产革命和信息组织革命。

造物革命

我们知道，工业化的本质是通过持续采用新技术和追求高效的专业化组织（增加能量利用总量和改进信息组织水平），来不断提升以产品设计和制造活动为核心的物质生产水平。设计是人类为实现某种特定目的（即将客观需求转化为满足该需求的人工系统，包括人工物理系统和人工抽象系统）而进行的创造性活动。制造是通过人力、工具、机器、化学、配方或生物等方法将设计的结果进行制作或生产出满足需求的人工物理系统，特别是将原材料批量地转化为产品。制造的产物则是设计主体思考所产生信息，通过动作承载到自然物质后的存在形态，即制造的本质是将设计信息承载到物质的过程。

经历了三次工业革命的洗礼后，现代设计制造技术的前沿即将触及人类在基础科学领域所创造成就的上限。设计制造技术的历次变革也伴随信息产生方式的变革（设计过程的革新：从原始思维向手工设计，从手工设计到CAD、CAM）、信息传输方式的变革（指令传输与处理系统的革新：从手工操作向机械传动，从机械传动向电控伺服）和信息作用方式的变革（工具与工艺方法的革新：从打磨、雕刻向刀具切削、从刀具切削向能量束加工）。在自动化与精密化这两个方向上，现代制造业的对象物质已发展至超合金、工程陶瓷、甚至金刚石等超难加工材料，其空间尺度已逼近物质基本单元极限——原子级，其时间粒度已进入飞秒领域，其所用工具经历了传统金属刀具、合金/陶瓷刀具、金刚石刀具、以及激光/电子束/等离子体等能量束工具。面对第四次工业革命的召唤，制造技术或物质生产技术的革命路在何方？

安世亚太认为，第四次工业革命的造物革命就是基于增材思维的先进设计与智能制造（图4），以破解头三次工业革命遗留下来的设计制造一体化困局（未站在系统高度把握产品设计、工艺设计和制造过程，造成设计与工艺、设计与制造之间各自为政、互相对立、严重脱节）；作为新一代的物质生产技术，它将与新一代信息技术深度融合，成为第四次工业革命的核心技术引擎。

图4 基于增材思维的先进设计与智能制造。来源：安世亚太

为什么并不新鲜的增材制造技术成为其中的核心？直到现在，不少人提到增材制造或3D打印技术时，将其等同于快速成型技术，定位在单件或小样加工场景，想到的是实现复杂结构、轻量化、个性化以及快速样品制作，最多再加上压缩零部件供应链、实现中间件的零库存等。增材制造技术的价值仅止于此么？

增材制造从根本上改变了传统制造技术与材料技术相互割裂的发展局面。增材制造技术作为数字技术驱动下、回归自然界“生长造物”的新方法，设备有充分的时空窗口对建造物质的物性进行细粒度、高分辨率的主动控制，所输出三维实体既承载了高密度的形状信息，也被附加了高分辨率的材料物性信息，使得最终制品的成形与定性得以同步完成。

增材制造将更精密的设计信息承载到物理实体上，意味着所生成制品具有更强的功能性，进而带来性能的飞跃。因此，在实现材尽其能、物尽其用，释放复杂成形能力的表象下，增材制造的真正价值在于回归设计本源，重塑增材思维，实现造物不止于形的造物革命。

图5 安世亚太利用数字孪生体建立无人值守激光粉床自动化生产系统。来源：安世亚太

万物源自比特

如同新的能源革命和造物革命一样，第四次工业革命也需要新的信息革命；而且这一新的信息革命毫无疑问需要从底层的科学革命获取力量。众多物理学家相信，“信息”的概念也许会成为物理学新进展的关键。正如物理学家们正在致力于统一物理学的万有理论，这一新的信息革命也需要对“信息”的统一定义，从香农信息，到DIKW的信息，再到量子信息。在这一领域，美国理论物理学家约翰·惠勒（John A. Wheeler）的论断最为大胆。

约翰·惠勒是广义相对论领域的重要学者和宗师，他是核裂变的先驱、玻尔的学生、费曼的老师、黑洞和虫洞的命名者，曾与诺贝尔物理奖擦肩而过。他参与了二十世纪最伟大的两场物理学思想革命——广义相对论和量子力学，通过对黑洞体系的研究，注意到了这两个理论间的不协调。他提出一个论断，宇宙及其所包含的一切（it）可能都起源于测量的“是/否”选择（bit），所有物质——任何粒子、任何力场，甚至时空连续统本身——将其功能、意义乃至其全部存在归因于比特。即当我们看太阳、月亮、星系或者一个原子时，它们的本质是储存在它们里面的信息。

’It from bit’ symbolizes the idea that every item of the physical world has at bottom—at a very deep bottom, in most instances—an immaterial source and explanation; that what we call reality arises in the last analysis from the posing of yes-no questions and the registering of equipment-evoked responses; in short, that all things physical are information-theoretic in origin and this is a participatory universe.

图6 约翰·惠勒的万物源自比特。来源：安世亚太

“万物源自比特（It from bit）”的想法打开了解决量子力学和广义相对论统一问题的一扇窗户。惠勒将自己一生的研究归结为三个时期：第一个时期从学术生涯的起点到1950年代早期，相信“万物皆粒子”；第二个时期从1952年到学术生涯的晚期，改信“万物皆场”；第三个时期在其75岁（1986年）前后，提出全新的观点——万物皆信息，相信逻辑和信息对于物理学理论具有基础性作用（图6）。

笔者把惠勒的“万物源自比特”作为第四次工业革命的典型（核心）观点，相信惠勒对量子理论中看似荒谬部分的思考，绝不是毫无价值的空想，终有一天它们会有最实际的应用，甚至推动第四次工业革命的发展。

数字孪生（Digital Twinning）

惠勒的论断也为我们构建数字孪生体的概念模型打开了一扇窗，促使我们思考物质和信息底层的哲学关系，按照图3构建面向数字孪生体的学科体系框架。我们相信，数字孪生体为跨层级、跨尺度的现实世界和虚拟世界建立了沟通的桥梁，是第四次工业革命的通用目的技术和核心技术体系之一，是支撑万物互联的综合技术体系，是数字经济发展的基础，是未来智能时代的信息基础设施。接下来的十年（21世纪20年代）将成为“数字孪生体时代”。

图7 从系统思维和数学思维出发看数字化和信息化的边界。来源：安世亚太

图8 数字孪生体概念模型片段。来源：安世亚太

另一方面，尽管有数学在科学体系中的基础性作用，以及惠勒强调信息的基础性作用，但数学的边界让我们对数字化和信息化的边界也有所了解，从而指导我们对数字孪生体的建模（图7，图8）。

结语

历史，既是考古学，又是未来学。人类文明进程和历次工业革命的历史告诉我们，面对任何一个时代大幕开启时的变迁和颠覆，都是拥有想象力者才拥有未来。这样的想象力，来自于我们对“变”和“常”的把握：把握住文明进程中物质生产、能量利用和信息组织的互动规律，我们才能始终清晰地锁定所要追求的价值目标，不为各种骚动所诱惑；把握住第四次工业革命中的造物革命和信息革命的新形势、新问题、新需求、新资源，我们才能不至于在思维定势中固步自封。这也是为什么安世亚太投身于基于增材思维的先进设计与智能制造和数字孪生产业的原因。

后记

尼古拉·卡尔达肖夫、卡尔·萨根、约翰·惠勒、史蒂芬·霍金、弗里曼·戴森分别于2019年、1996年、2008年、2018年、2020年逝世。加来道雄今年73岁，杨振宁今年98岁。向这些爱因斯坦之后为人类文明可持续发展指引方向的先哲和大师致敬。

致谢

感谢杭州德迪智能科技有限公司俞红祥老师对本文的贡献。

参考文献

1. 段海波. 数字孪生体的标准化之路 [EB/OL]. 数字孪生体实验室微信公号,2020-1-16.

2. 段海波.为什么需要给数字孪生加上一个“体”字？[EB/OL]. 数字孪生体实验室微信公号,2019-11-21.

3. 数字孪生体实验室. 数字孪生体技术白皮书（2019）[EB/OL]. 数字孪生体实验室微信公号,2019-12-27.

4. Carl Sagan. Cosmic Connection: An Extraterrestrial Perspective [M]. DELL Publishing Co Inc,1973.

5. [美] 加来道雄/Michio Kaku. 物理学的未来：科学是怎样决定人类的命运和改变2100年我们的日常生活/ Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100 [M]. 重庆出版社, 2012 / Doubleday,2011.

6. 严鹏, 陈文佳. 工业革命：历史、理论与诠释[M]. 社会科学文献出版社, 2019.

7. 段海波. 当正向设计“遇见”增材制造[EB/OL]. 安世亚太微信公号,2018-2-8.

8. 无人值守！安世亚太激光粉床自动化生产系统助力防控战“疫”[EB/OL]. 安世亚太微信公号, 2020-3-5.

9. John Archibald Wheeler. Information, physics, quantum: the searchfor links [C]. Proceedings III International Symposium on Foundations of Quantum Mechanics, Tokyo, 1989.