Archive for 胡权

数字孪生体科学、技术和工程

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。

数字孪生地球

      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

 

数字孪生体成为“第二种抵消技术”

      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。

美国数字孪生体战略

      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

 

德国工业4.0平台对“工业5.0”的看法

      最近几年,国内行业人士对欧盟一位年轻学者提出的“工业5.0”(Industry 5.0)颇感兴趣,但随即对它跟工业4.0的关系产生了困惑。

      针对这个情况,工业4.0研究院曾经做过相关解释,认为德国在提出工业4.0的时候,定位的是“第四次工业革命”(The Fourth Industrial Revolution)

      后来德国工业4.0平台及相关部门出来做了说明,专门写了一篇联合声明,对比了第四次工业革命和“工业5.0”之间的差别。

industrie_4.0

      为便于工业4.0研究院同事,以及数字孪生体联盟成员了解,特编译如下:

      SAP前首席执行官Henning Kagermann、德国人工智能研究中心前首席执行长Wolfgang Wahlster和联邦教育和研究部部长、后来的国务秘书Wolf Dieter Lukas创造了“工业4.0”(Industrie 4.0)一词,至今已有十多年了。

      自那以后的几年里,始于德国的倡议已在全球范围内传播。

      今天,工业4.0是一个代表可能影响社会各个领域的变革的术语。它指的是第四次工业革命。与前三次工业革命一样,可以假设当前的工业革命将带来深远的变化,并且需要同样长的时间才能充分发挥作用。典型的软件简写“4.0”既指第四次工业革命,也强调了软件在这一过程中的特殊作用。这是一个全面的概念,从一开始就包括技术方面、新的价值创造模式、创造新型产品的能力、可持续性、弹性,特别是最佳整合和支持参与工业4.0解决方案的人类的方法。

      与每一次工业革命一样,第四次工业革命也需要相互促进的措施。这意味着必须首先建立技术基础和国际标准,然后为生产中的工人提供必要的技能和最佳支持。员工的积极参与在这里至关重要。从纯粹的技术角度看待工业4.0是完全错误的。同样,将缩写“4.0”简单地视为版本号并将其替换为“5.0”也是错误的,尽管这仍然是一条漫长但重要且正确的道路。

      事实上,这个错误已经存在了一段时间:最近提出了“工业5.0”一词。除了一些与人工智能相关的内容外,该术语的核心通常被定义为“以人为本”,即以最佳方式为工人设计劳动流程,同时为新的生产流程提供最佳支持的目标。虽然内容本身是有效的,但不需要新的术语“工业5.0”来描述它,因为“以人为本”和社会效益从一开始就是工业4.0最重要的目标。

      “工业5.0*”一词既没有必要也没有帮助。它不包含任何新内容,并错误地暗示第四次工业革命已经完成,我们的注意力可以转向新的话题。这种不必要的术语可能会导致目前正在实施第四次工业革命的公司和成熟的国际合作之间的不确定性。

      因此,工业4.0平台和工业4.0研究委员会强烈批评了不必要的术语“工业5.0”的轻率定位。

 

      附:工业4.0平台和工业4.0研究委员会联合申明原文

industrie_4.0_industry_5.0

 

 

数字孪生体自动化什么时候到来?

      早在2019年,美国国防部系统工程研究中心就发布了系统工程现代化计划,力图在提出数字工程之后,进一步推进美军的装备系统研发能力,为大国竞争提供保障。

      值得注意的是,当时提出的系统工程现代化计划,提出了五个目标三个阶段,其中,目标2的可信源发展趋势中,“数字孪生体自动化”(Digital Twin Automation)是长期追求的目标。

      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,把“数字孪生化”(Digital Twinning)列为关键技术,其含义跟美国国防部的想法是一致的。

      历经5年时间的发展,美军已经实现数字孪生体自动化了吗?

      据观察,通过多个数字孪生化项目,美军确实已经大幅降低该技术的使用成本,能够满足武器装备数字孪生化的需要。

      同时,结合到数字线程的开发和利用,能够很好对各种数字孪生模型进行管理,把2018年《数字工程战略》中提到的可信源目标大大推进了,为任务工程(Mission Engineering)的发展提供了必要条件。

      数字孪生体、AI/ML和数据科学等技术的发展,为数字工程和任务工程提供了机会。

      随着数字工程的使用,使得“面向X设计”(Design for X)成为可能;然后数字孪生靶场的广泛应用,让“面向测试和鉴定设计”(Design for Test & Certification)加快武器装备的研制速度;现在,对任务一级的建模仿真已经实现,任务工程成为常用的工具,那么“面向速度和规模设计”(Design for Speed & Scalability)就成为可能了。

      系统工程研究中心认为,可信源的发展,需要经理数据集成和互操作、数字工程设计过程、语义数据连接等阶段,然后才会实现数字孪生体自动化。

      这几年AI/ML的发展非常迅速,它跟数字孪生体的融合日益深入,从认知数字孪生体、预测数字孪生体等军工实践,到英伟达的数字孪生地球,以及工业4.0研究院的数字孪生大脑应用,不断推动数字孪生体的发展。

      由于基于数字孪生体的软件工程发展迅速,很好解决了数字孪生化大规模应用的理论问题,试点示范的效果非常突出,数字孪生体自动化逐步成熟。

      据美国国防部披露,它在推进复制者无人机计划的时候,已经全面采用数字孪生体相关技术,这大大加快了复制者无人系统的研制速度,并跟其无人作战任务并行发展,让设计研发的复制者无人系统在研制之初就能能跟任务需求不断交互,避免了武器装备研制到生产交付的脱节。

      不管怎样,数字孪生体自动化应在2030年前就会全面到来,这个时候,基于数字孪生体的数字工程才称得上成熟。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

 

庆祝数字孪生体联盟成立五周年

      2024年10月16日,数字孪生体联盟(DTC,Digital Twin Consortium)成立五周年了。作为第一家数字孪生体联盟发起人,本人衷心祝贺数字孪生体联盟过去五年所取得的成就。

      五年前,工业4.0研究院经过审慎研究决定,发起了全球第一家数字孪生体联盟,当时这个决定是开创性的,因为真正相信数字孪生体技术的独立性,并真心实意想推动其发展的组织或个人并不多。

      感谢信任工业4.0研究院的行业企业和单位,虽然不一定真正了解数字孪生体,但他们相信工业4.0研究院正在开创新时代,在做颠覆性创新的事情,于是他们递交申请加入了数字孪生体联盟。

      经过五年时间的发展,数字孪生体联盟拥有300多家成员,既有行业组织,也有各种企业,还有不少研究院所或高校加入。

      在启动数字孪生体联盟的时候,工业4.0研究院得到了人民邮电出版社的支持,签订了战略合作协议,出版了行业第一本介绍数字孪生体产业的图书,即《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》,该书的出版,预示着数字孪生体时代的来临。

      工业4.0研究院作为数字孪生体联盟理事长单位,跟各成员分享各种先进研究成果,同时尽力推动数字孪生体技术生态的发展。

      通过多年的探索,数字孪生体联盟做出了一系列重大决策:

      第一,不再把编制行业标准作为主要目标。

      这不是一个容易的决定,我国不少行业联盟把制定行业标准作为其主要工作内容,以此获得更大的话语权或影响力。

      当数字孪生体联盟成立之后不久,工业4.0研究院就牵头编制了《数字孪生体概念和术语体系》,受到了成员的欢迎。

      然而,由于全球关于数字孪生体科学的研究工作不成熟,过早推进标准会阻碍行业的发展。实际情况是,直到2024年,数字孪生体领域的领先者美国国防部也未编制数字孪生体的标准,反而强调需要进一步推动该技术的成熟。

      第二,减缓工业数字孪生体的推进力度。

      数字孪生体联盟成立之初,由于不少成员来自工业领域,迫切需要获得相关知识或发展指导。工业4.0研究院为此做了较多的工作,调研了全国数十家工业企业,对工业数字孪生体的使用情况还开展了专题研究。

      2021年9月,德国几大协会联合发起了“工业数字孪生体协会”(IDTA,Industrial Digital Twin Association),把原来属于工业4.0核心的“资产管理壳”(AAS)称为“数字孪生体”。

      工业4.0研究院考虑到数字孪生体科学技术体系还不健全,在价格敏感的工业领域推数字孪生体技术的时机还不成熟,于是决定暂缓在工业领域继续投入大量的资源,等待一些追风的从业者“出清”。

      第三,聚焦AI/ML、网络信息和建模仿真三大颠覆性技术的融合应用,破解中国数字孪生体生态发展的困境。

      对比美国采纳数字孪生体技术的情况,很少有客户会为简单的“可视化”买单,这一点跟中国的情况不同,究其原因,我国当前数字孪生体项目大都是政府项目(例如智慧城市)或满足国有企业展示需要,属于工业价值创造的项目不多。

      数字孪生体具有巨大的价值,但不是把传统仿真软件或地理信息系统等包装一下就能实现的,它需要攻克数字孪生化、数字线程和数字孪生体平台三大核心技术。

      本人在《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》对这个问题做过介绍,但非常遗憾的是,经过五年时间的发展,我国相关产业生态并未形成,反而是韩国、瑞典等小国在数字孪生化方向有了不小的突破。

      最后,面向未来五年(2025-2029)的发展,数字孪生体联盟重新聚焦“数字孪生+”战略,启动了一系列项目,近期公布了“数字孪生船舶开放研究计划”(简称“Sori计划”)。

      Sori计划以位于浙江、山东和江苏的三条无人船为基础,通过数字孪生化技术的应用,为它们建立了数字孪生体,然后以数字孪生船舶平台(类似SIMNET或JSE)的方式,为参与该项目的合作方提供服务。

      数字孪生体联盟成员拥有优先参与Sori计划的权利,有兴趣的成员可以联系秘书处进一步了解相关情况。

      过去的五年时间,感谢数字孪生体联盟成员的相伴和支持,未来五年,让我们抓住数字孪生体时代的发展机会,共同成为第四次工业革命的引领者。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长