导读：按照工业4.0研究院数字孪生体系列文章编写要求，本文作为第一篇文章，从科学、技术和工程的角度谈一谈数字孪生体，并作为撰写的《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》（第二版）一书的引子。

      作为物理世界和数字空间的交互体系，数字孪生体（Digital Twin）已经成为科学研究、技术创新和工程应用的新领域，中美两国的专家对此开展了较多的研究。

      从其本质来看，数字孪生体是一种计算机应用，代表了人类社会发展的新方向。

      商务印书馆出版的《现代汉语词典》给出了科学的定义：反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系。

      借助计算机技术，现代科学研究已经呈现“计算化”（Computational）特征，例如，人们熟悉的物理学有理论物理、实验物理，现在还有“计算物理”（Computational Physics），如果引入交互技术，那么就是典型的数字孪生体科学。

      英伟达利用自身芯片上的优势，正在开展地球科学的研究，它把这个项目称为“数字孪生地球”（Digital Twin Earth），根本原因就是采用了数字孪生体科学的方法，为地球科学的发展创造了一条新的道路。

      针对数字孪生体科学，美国国家科学基金会（NSF）资助了不少研究课题，特别是在探索数字孪生体本质科学意义上的项目，成为美国继续保持科学引领的重点领域，力求支撑国防、工业和经济的持续发展。

      工业4.0研究院在2023年，正式设立“数字孪生体科学委员会”（DTSB，Digital Twin Science Board），邀请计算机科学、数学、工程和生命科学等领域的科学家参与。

      《现代汉语词典》对技术的定义为：人类在认识自然和利用自然的过程中积累起来，并在生产劳动中体现出来的经验和知识。

      数字孪生体作为人类经验和知识的载体，可以用来改造世界。由于它为物理世界建立了一个数字空间的对应物，更便于人们去跟物理世界交互，这是数字孪生体技术的价值。

      传统的建模仿真能够对简单的系统进行描述，但对于复杂系统来讲，已有的各种技术遇到了瓶颈，为此，DARPA在2009年提出数字孪生体概念，其基本意图是为了创造一套“体系”（SoS）的技术工具，更好的描述、分析和改造复杂系统或体系。

      经过十多年的探索，数字孪生体已经成为一种较为完善的技术体系，在解决体系问题上逐步显露出不可思议的价值。

      对于工程概念，《现代汉语词典》给出了如下定义：土木建筑或其他生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程、水利工程等，也指具体的建设工程项目。

      数字孪生体是第四次工业革命的通用目的技术，这意味着它在大量的工程领域能发挥作用。

      从数字孪生体在各个行业或领域的工程应用来看，《现代汉语词典》列出的领域都已经包含，土木工程使用建筑信息模型（BIM）实现可视化，机械工程的应用已经形成工业数字孪生体子领域，化学工程利用数字孪生体实现人工智能应用，采矿工程引入数字孪生地球技术提升采矿的效率和安全，我国水利工程已经全面推进数字孪生水利计划。

      由于数字孪生体工程范围非常广泛，同时还融入AI/ML和数据科学等先进技术，形成了一个较为独立的工程方法和应用，美国国防部对此给出了一个新概念：数字工程（Digital Engineering）。

      从以上分析可以看出，经过十多年的发展，数字孪生体已经从概念转变为完善的技术工程体系，并逐步形成一门专门的科学。

      正如本人在《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书中所写，数字孪生体、人工智能和数据科学等新型技术，将驱动人类社会工业革命进入新阶段。

作者：胡权，工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

      熟悉美国第三次抵消战略（Third Offset Strategy）的读者应比较清楚，2014年美国国防部提出该战略的时候，把正在蓬勃发展的人工智能（AI）确定为核心技术，一般称为第一种抵消技术（Offset Technologies）。

      为了加快推进人工智能的发展，2016年10月，美国发布了《国家人工智能研究与发展战略计划》（National Artificial Intelligence Research and Development Strategic Plan），该计划迅速引起了全球各国的注意。

      我国在2017年7月8日，公布了《新一代人工智能发展规划》，迅速加入了人工智能竞争中去。

      近10年中美两国在人工智能领域形成你追我赶的态势，美国虽然在芯片和算法占据领先地位，但我国在应用上独具一格，同时也积极追赶美国在芯片和算法的优势，近期DeepSeek就给美国人工智能领域带去了冲击。

      对于这样的境地，美国早在2018年就明确要开辟第二战场，那就是“数字孪生体”（Digital Twin）。

      数字孪生体是DARPA在2009年提出的一个新概念，它主要目的是为体系（SoS，Systems of Systems）建立一套科学工程方法，后来在美国空军和美国海军共同支持下，数字孪生体获得了快速的发展。

      当美国国防部在2018年发布《数字工程战略》的时候，开始提出推动数字孪生体成为第二种抵消技术的想法。

      在本人写的《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》一书中，对DARPA如何认识数字孪生体有较详细的介绍。

      基于对数字孪生体概念的深刻理解，本人把数字孪生被定义为“物理世界和数字空间的交互概念和技术”。目前看来，本人给出的定义跟美国政府设立的数字孪生体行动委员会给出的解释类似，都是从颠覆性技术、产业演进和经济发展等多个维度去认识的。

      所谓抵消技术，它是为抵消战略服务的，具备我强敌弱的特征，要么对手无法理解或错误理解，或者我方拥有该技术相关的“互补性要素”（Complementary Items），借助路径依赖的战略逻辑，成为我方拥有非对称优势的前提。

      数字孪生体是一种多学科、多领域、多产业的颠覆性技术，对研究人员有较高的要求。

      一般情况下，研究数字孪生体的人员既需要理解各种学科相关技术的通用性特征，把它们抽象为一种通用目的技术（GPT，General-Purpose Technologies），又要理解技术如何演变为产业，最终推动国民经济大规模持续增长。

      即便如此，数字孪生体研究人员还要能够持续开展相关工作，这对国家科学基金的资助能力提出了挑战。

      美国在推进数字孪生体的过程中，其资金主要来源于美国空军和DARPA，甚至美国国防部一些官员都难以理解并给出资助。

      从人们熟悉的国家科学基金会（NSF）来看，它在数字孪生体发展的前10年，基本上没有授予多少数字孪生体项目，这种情况直到最近几年才有所改变。

      按照抵消战略和抵消技术的逻辑，拥有认知偏差的技术，才有机会成为跟对手不同的战略选择。如果大家都选择重视某特定技术，该技术产生出奇制胜的可能性就没有了。

      以20世纪80年代美日先进制造之争为例，当时日本笃信下一代人工智能将改变全球计算机产业的格局，在制造业则大力推广“智能制造系统”（IMS，Intelligent Manufacturing Systems）计划；美国依靠其完善的基础研究能力，认为所谓下一代人工智能的基础条件不具备，因此智能制造系统在十年内根本无法实现，转而重视数字工业数据标准的发展。

      认知决定国运。

      对决定大国命运的未来技术，很难通过一群功成名就的院士专家投票表决来确定，让相关交流讨论更透明，或许才能避免类似的状况再发生。

      工业4.0研究院2014年就关注数字孪生体的发展，在过去10年期间，通过身体力行推进我国数字孪生体产业的发展。

      在2016年，工业4.0研究院设立数字孪生体研究中心；2019年发起世界第一家数字孪生体联盟（比美国同名联盟早7个月）；2020年出版第一本产业视角的《数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术》书籍；2021年成立数字孪生战场实验室，探索数字孪生国防体系的发展。

      作为独立的研究机构，工业4.0研究院将继续耕耘数字孪生体为核心的第四次工业革命研究和探索，为我国现代化发展做出贡献。

作者：胡权，工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长