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(lǐng)域應(yīng)用的潛力，隨著該技術(shù)應(yīng)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(shù)。
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(shù)，它承擔(dān)了滿足傳統(tǒng)制造領(lǐng)域工藝、流程和質(zhì)量等要求，可以降低制造過程的復(fù)雜度、成本等，同時還能發(fā)揮數(shù)字技術(shù)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。
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(yīng)用可以在過去的系統(tǒng)中運行，例如，Word2003可以打開Word 2007創(chuàng)建的文檔，當(dāng)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(yīng)用，例如，Word 2007可以打開Word2003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(zhuǎn)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(diào)前向兼容，技術(shù)上體現(xiàn)為盡量建立一個開放的技術(shù)架構(gòu)，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1969年可編程邏輯控制器（PLC，Programmable Logic Controller）在通用汽車的應(yīng)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(zhuǎn)型過程所講，早期戰(zhàn)機的開發(fā)并不復(fù)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(xué)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(dāng)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(shè)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(xué)來講，數(shù)字孿生體屬于開放架構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(shù)革命一般規(guī)律來看，一個技術(shù)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(qū)動的能力，我們努力尋找具有數(shù)據(jù)驅(qū)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(shè)計、健康監(jiān)測、實時控制、預(yù)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(shù)革命，都會面臨新技術(shù)體系構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)和產(chǎn)業(yè)都是一個謎，這是因為我國基礎(chǔ)研究比較欠缺的緣故。如果不能確定其核心技術(shù)，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(shù)
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(shù)。
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(zhì)上是一個概念驗證的項目，從簡單的應(yīng)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(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(lǐng)域擴散，例如，醫(yī)療、能源等領(lǐng)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(shù)較為廣泛，包含了硬件和軟件技術(shù)，硬件技術(shù)包括傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等，軟件技術(shù)則包含人工智能、數(shù)據(jù)科學(xué)、區(qū)塊鏈等。需要指出的是，這些概念在數(shù)字孿生體領(lǐng)域的應(yīng)用，跟我們通常的場景下的應(yīng)用有較大的差別，它們具有不同的內(nèi)涵和應(yīng)用模式。
例如，在消費互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)應(yīng)用較為廣泛，它的應(yīng)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(guān)聯(lián)緊密的數(shù)字孿生體來講，需要新的數(shù)據(jù)科學(xué)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(yīng)用的數(shù)據(jù)科學(xué)工具集。
數(shù)字孿生體核心技術(shù)除了新型工具外，還涉及到基礎(chǔ)設(shè)施和平臺生態(tài)的建設(shè)，這些核心技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(shù)的能力，目前還沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。
經(jīng)濟學(xué)家佩蕾絲闡釋了技術(shù)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(guān)基礎(chǔ)設(shè)施還不齊備，這需要政府或其他投資者來建設(shè)。因此，數(shù)字孿生基礎(chǔ)設(shè)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(shù)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(shù)中分得一羹。
從數(shù)字孿生體全球發(fā)展來看，這次技術(shù)革命雖然仍由美國率先發(fā)起，但在理論研究、聯(lián)盟建設(shè)和場景應(yīng)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(shù)的擁抱程度處于全球領(lǐng)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(shù)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。
關(guān)于作者|胡權(quán)：工業(yè)4.0研究院院長
文章來源|本文刊登于《清華管理評論》2020年11月刊，內(nèi)容有刪減
