全新时代背景下数字孪生技术在工业中的功能分析

现阶段，智能制造系统是数字孪生体首要的、较大的应用领域。但仅仅只是考虑到这一情景还不够，战略上的思索也要从工业化、都市化和国际化的宏伟空间限度、从第四次工业革命和历次工业革命的宏伟时间尺度甚至人类幸福和文明的终结考虑，才可以确保发展战略的完善、一致和领跑。这就是终结逻辑思维，从最难、最高、最大的开始，倒序思索。
那么接下来的难题是，如今第四次工业革命仅是序幕打开，还未正式出场，怎样界定和预测分析其目标和过程？如何识别其核心技术要求？为界定和预测分析第四次工业革命的目标和过程，大家必须从时空两个层面对人类文明过程展开结构化分析。
一、人类文明过程的衡量
1964年苏联科学家尼古拉·卡尔达肖夫（NikolaiKardashev）明确提出根据一个文明所能运用的能量量级来考量其文明发展水准的卡尔达肖夫指数值来衡量人类文明过程。I型文明能应用其所属行星以及通讯卫星的全部可用资源；II型文明能运用其恒星的全部能源；III型文明能运用它所属星系的全部能源。1973年，美国科学家卡尔·萨根（CarlSagan）调整了卡尔达肖夫指数值，并增加了用26个英文字母来考量文明发展水准的信息内容层面（A型文明只能解决一百万条信息内容，仅有口语没有书面语言；古希腊文明大概有十亿比特信息内容，是C型文明）。他估算那时候地球文明的能量和信息内容指数值为0.7H；现阶段人类文明的卡尔达肖夫指数值约为0.73（图1）；乐观估算，2100年左右做到1.0；悲观估算最迟2250年，人类文明将变成真实意义上的地球行星文明。美国基础理论科学家加来道雄进一步认为，在考量能量和信息内容的操控“量”的基础上，还务必提升对其“质”的点评，即必须另外引进“熵”的限度来考量文明的演变级别。

图1上世纪至今人类文明卡尔达肖夫指数值的上升趋势
根据头三次工业革命每一次为期70～100年的工作经验推论，第四次工业革命将从现在起持续到本世纪末下世纪初，为期80～100年，在这一过程中假如人类不经历比较严重的灾祸（如极端化气候问题、规模性疫情或恐怖组织）或人类有意向、共识和能力解决那样的灾祸，那么，到下一个世纪之交第四次工业革命完成时，人类文明的卡尔达肖夫指数值有可能达到或贴近1.0。
二、历次工业革命的预测分析
有了目标，再看过程。我们知道，人类文明过程是都市化、国际化和工业化的社区实践活动先后进行、相互交织和累加的历史进程，人类文明的可持续发展是这三化的共同目标；物质生产制造、能量运用和信息组织是人类文明过程中包含的三条主线任务。三化中，工业化是关键，是模块。假如将人类的文明过程当做一个系统，运用TRIZ理论的技术系统完备性规律（图2），可以觉得地球是这一系统的能量源，工业化是动力系统，国际化是传输设备，都市化是执行设备，信息化管理是衡量和操纵设备，而人类文明是系统软件作用目标。

图2TRIZ理论的技术系统完备性规律
更进一步，运用科学研究-技术-工程项目的学科体系架构（图3），从纵向思考三化的社区实践活动，进而得到科学革命、技术革命和产业革命（含工业革命）相互之间的互动关系，尤其是在较大时间尺度上，科学革命对工业革命在创新精神、科学方法和科学研究文化上的启蒙。

图3学科体系的一般架构
有了上述铺垫，我们可以从历次工业革命视角考虑，回顾并展望人类文明过程，剖析和鉴别第四次工业革命的核心技术要求（表1）。

表1历次工业革命的技术结构化分析
与前三次工业革命一样，序幕打开的第四次工业革命将为物质生产、能量运用和信息组织这三条人类文明过程包含的主线任务造成革命性的更改，这种更改依赖于20世纪开始的科学革命的滋润。以能量运用的革命为例子，因为不可再生能源在能够 预料的未来会匮乏，人类将不得不在21世纪的适当机会进行向低碳环保可再生资源的更改，从而通过技术革命完成可控核聚变的工程化运用。人类对第四次工业革命中的能源革命的关键技术相对清楚。下边重点探讨第四次工业革命需要怎样的物质生产革命和信息组织革命。
三、造物革命
我们知道，工业化的实质是根据不断选用新技术应用和追求完美高效的专业化机构（提升能量运用总产量和改善信息组织水准），来持续提升以设计产品和生产制造活动为关键的物质生产水准。设计方案是人类为完成某类特殊目的（即将客观性要求转换为满足该要求的人力系统，包含人力物理学系统软件和人力抽象化系统软件）而展开的创造性主题活动。生产制造是根据人工、工具、设备、化学、配方或微生物等方式将设计的结果展开制做或生产出满足需求的人力物理学系统软件，尤其是将原料大批量地转换为商品。制造的产物则是设计主体思考所形成信息内容，根据动作承载到自然化学物质后的存有形态，即生产制造的实质是将设计方案信息内容承载到化学物质的全过程。
经历了三次工业革命的洗礼后，现代主义设计生产技术的最前沿将要碰触人类在基础学科行业所创造成就的上限。设计生产技术的历次转型也随着信息内容造成方法的转型（设计过程的创新：从原始思维向手工设计方案，从手工设计方案到CAD、CAM）、信息内容传输技术的转型（命令传输与处理系统软件的创新：从手工制作向齿轮传动，从齿轮传动向电机控制伺服）和信息内容作用方法的转型（专用工具与加工工艺方式的创新：从打磨抛光、手工雕刻向数控刀片切削、从数控刀片切削向能量束生产加工）。在自动化技术与精密化这两个方向上，当代加工制造业的目标物质已发展至超合金、工程瓷器、乃至金刚石等超难加工原材料，其空间限度已靠近化学物质基础模块极限——原子级，其时间粒度分布已进到飞秒领域，其常用工具经历了传统式金属数控刀片、铝合金/陶瓷刀具、金刚石刀片、及其激光器/离子束/等离子技术等能量束专用工具。应对第四次工业革命的召唤，生产技术或化学物质生产工艺的革命何去何从？
第四次工业革命的造物革命便是根据增材思维的先进设计方案与智能制造系统（图4），以破译头三次工业革命留存下来的设计生产制造一体化困境（未站在系统高度掌握设计产品、工艺技术和生产制造全过程，导致设计方案与加工工艺、设计方案与生产制造相互之间各行其是、相互之间对立、严重脱节）；做为新一代的化学物质生产工艺，它将与新一代信息科技紧密结合，变成第四次工业革命的关键技术模块。

图4根据增材思维的先进设计方案与智能制造系统
为何并不新鲜的增材制造技术变成其中的关键？直到如今，许多 人提及增材制造或三维打印技术时，将其等同于快速成型技术，精准定位在散件或样品生产加工情景，想到的是完成繁杂构造、轻量化、人性化及其迅速样品制做，最多再加上压缩零部件供应链管理、完成分布式数据库的零库存等。增材制造技术的使用价值仅止于此么？
增材制造从源头上更改了传统式生产技术与原材料技术互相隔断的发展局势。增材制造技术做为数字技术驱动下、重归大自然“生长造物”的新方式，机器设备有充足的时空窗口对修建化学物质的物理性能展开细粒度、高像素的主动操纵，所输出三维实体既承载了高密度的样子信息内容，也被附加了高像素的原材料物理性能信息内容，促使最后产品的成型与判定得以同步进行。
增材制造将更精密的设计方案信息内容承载到物理实体上，代表着所生成产品具备更强的功能性，从而造成性能的飞越。因而，在完成材尽其能、物尽其用，释放繁杂成形能力的现象下，增材制造的真实使用价值取决于回归设计方案源头，重构增材思维，完成造物不仅于形的造物革命。
四、万物源于比特
正如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；并且这一新的信息内容革命不容置疑必须从最底层的科学革命获得能量。诸多科学家坚信，“信息”的定义或许会变成物理学重大进展的关键。如同科学家们已经着眼于统一物理学的万有理论，这一新的信息革命也必须对“信息”的统一界定，从香农信息，到DIKW的信息，再到量子信息。在这一领域，美国基础理论科学家约翰·惠勒（JohnA.Wheeler）的观点最为胆大。
约翰·惠勒是广义相对论领域的重要专家学者和大师，他是核裂变的先行者、玻尔的学员、费曼的教师、超级黑洞和虫洞的命名者，曾与诺贝尔物理奖擦肩而过。他参加了二十世纪最杰出的两次物理观念革命——广义相对论和量子力学，根据对超级黑洞管理体系的科学研究，留意到了这两个基础理论间的不协调。他明确提出一个观点，宇宙空间以及所包括的一切（it）很有可能都始于精确测量的“是/否”选择（bit），全部化学物质——一切颗粒、一切力场，乃至时空连续统自身——将其作用、实际意义甚至其全部存在归功于比特。即在我们看太阳、月亮、星系或是一个原子时，他们的实质是存储在他们里边的信息内容。

图6约翰·惠勒的万物源于比特
“万物源于比特（Itfrombit）”的念头打开了处理量子力学和广义相对论统一难题的一扇窗户。惠勒将自身一生的科学研究归纳为三个阶段：第一个阶段从学术研究生涯的起点到1950年代初期，坚信“万物皆粒子”；第二个阶段从1952年到学术研究生涯的末期，改信“万物皆场”；第三个阶段在其75岁（1986年）左右，明确提出全新的见解——万物皆信息，坚信逻辑和信息针对物理基础理论具备基础性作用（图6）。
综上所述把惠勒的“万物源于比特”做为第四次工业革命的典型性（关键）见解，坚信惠勒对量子理论中看起来荒诞部分的思索，决不是毫无用处的妄想，终有一天他们会有最具体的运用，乃至促进第四次工业革命的发展趋势。
五、数字孪生（DigitalTwinning）
惠勒的观点也为大家搭建数字孪生体的数据模型打开了一扇窗，促进大家思索化学物质和信息内容最底层的社会学关联，依照图3搭建面向数字孪生体的学科体系架构。大家坚信，数字孪生体为跨等级、跨限度的现实世界和虚拟世界创建了沟通交流的桥梁，是第四次工业革命的通用性目的技术和关键技术管理体系之一，是支撑物联网的综合性技术管理体系，是数字社会经济发展的基础，是未来智能时期的信息内容基础设施建设。接下来的十年（二十一世纪20年代）将变成“数字孪生体时期”。
而另一方面，虽然有数学在科学研究体系中的基础性功效，及惠勒指出信息的基础性功效，但数学的界限使我们对数字化和信息化的界限也有了了解，从而引导我们对数字孪生体的建模（图7，图8）。

图7 从系统思维到数学思维出发看数字化和信息化的边界

图8 数字孪生体概念模型片段
六、结语
历史，既是考古学，又是未来学。人类文明过程和历次工业革命的历程告诉我们，面对任何一个新时代序幕打开时的演进和变革，全部都是拥有创造性思维者才拥有将来。这样的创造性思维，来自于我们对“变”和“常”的把控：撑握文明过程中物质生产、能量运用和信息组织的互动规律性，我们才可以自始至终明确地锁定所要追寻的价值目标，不为各类躁动所引诱；撑握第四次工业革命中的造物革命和信息革命的新趋势、新难题、新需求、新资源，我们才可以不会在思维定势中固步自封。