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胡权:兰德智库如何看“数字孪生体”?

      作为美国国防部大力推进的概念体系,数字孪生体(Digital Twin)已经成为其数字工程战略的核心,开始在国防部和各军种广泛进行应用,但出于大国竞争目的,相关权威分析较为少见。

      近期,兰德公司从吸收能力(Absorptive Capacity)和“可得性启发”(Availability Heuristic)的视角,对数字孪生体的成本和价值进行了分析,透露出美国智库的认知逻辑。

      如果从大规模推广数字孪生体概念的角度来看,当前需要建立更完善的数字孪生体科学体系,保持其严谨性(rigor),还应该注意推广数字孪生体应用的各种风险。

数字孪生体

      来自系统工程和行为经济学领域的专家认为,数字孪生体给人们带来了困惑,主要体现为两种情况:

      如果数字孪生体是物理系统的虚拟表达,那其实就是传统的建模仿真,就没有必要必须使用新概念。

      通过建立数字孪生模型,让设计师和工程师理解未开发的系统,这样的价值不言而喻,但严格意义上,这种做法缺乏传统的科学和工程严谨性,特别是在满足美国国防部的关键任务方面,造成的问题可能比较多。

      “模型很花钱”(Models cost money),作者引用Thomas Wolfe所著《正确的东西》(The Right Stuff)的话,表达了严谨的工程之重要性。

兰德数字孪生体报告

      报告作者强调,数字孪生体中的虚拟化做法,如果不能跟项目目标关联,那么是没有什么作用的。

      简单讲,只是做可视化的数字孪生体实践,不会创造出真正的价值,这个结论对国内过去几年把可视化等同于数字孪生体的问题也是适用的。

      其次,如果数字孪生体等同于工程模型(Engineering Model),那么就没有必要搞一个酷炫的概念,以免增加人们的困惑。

      作者表示,工程模型是人们容易理解的概念,并在工程领域被广泛接受和使用,跟数字工程也是保持一致的,能够完成预定的价值创造目标。

      知识吸收能力理论能够很好解释这个问题。

      该理论的基本认识是,吸收新知识可使组织变得更具创新性和灵活性,且相比不吸收新知识的组织有着更高的绩效水平。

      报告提出,一个毫无边界没有充足新手能力的数字转型文化(unbounded digital transformation culture without adequate absorptive capacity)可能会导致低于优化水平的决策。

      由于数字孪生体的概念比较容易望文生义,各国利益群体出于各种目的,都愿意给自己贴上(labeled)数字孪生体的标签,但他们实际做的事情还是过去那些事情,甚至没有任何改进或提升。

      这种情况在国内比较突出,笔者在数字孪生体联盟呼吁注意这样做的风险。

      当人们利用可得性启发带来的认知偏差,会加速数字孪生体的进一步泛化,导致低水平的数字化转型,不能达到知识吸收的目的,更不能帮助客户提升其数字化水平。

      报告强调,“虚拟化自身不是目的”(Virtualization itself is not a goal)。

      在笔者所著《数字孪生体》一书中,给出了数字孪生体概念的定义,认为它是物理世界和数字空间的交互体系,跟兰德公司对数字孪生体的分析评价有异曲同工之处。

      在报告最后,兰德公司综合评价了数字孪生体当前的问题,提议美国国防部应建立严谨的科学体系。

      这不正是工业4.0研究院提出的“数字孪生体科学”吗?!

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

 

新质生产力的全要素生产率经济学含义

      近期,工业4.0研究院正在开展新质生产力的研究,同时编写《新质生产力白皮书》,帮助数字孪生体联盟成员更好适应新的发展形势,在新时代获得新的成长机会。

      新质生产力是一个新词汇,了解它的经济学含义有助于更好释放新质生产力的价值,能够把资源配置到更合适的地方。

      从经济学研究问题的角度来看,新质生产力属于发展经济学领域,它指向的是“经济转型”范畴,可以用“全要素生产率”(TFP,Total Factor Productivity)来衡量。

      对技术变化的经济测量方法中,全要素生产率经常被产业政策部门采用,例如,日本经产省就定期测量全要素生产率,以此对标美国等西方发达国家的先进技术采用情况,同时利用横向比较结果,来判断是否进入了新的技术创新周期。

      在笔者所著《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》一书中,就分析了技术创新给经济增长带来的周期性变化,并判断当前处于第四次工业革命周期。

      全球各国都想抓住第四次工业革命的发展机会,纷纷启动了相关计划,但效果各自不同。

      如果从2015年开始计算,那么现在已经有近10年时间了,从实际推行新技术的效果来看,美国仍然处于遥遥领先的地位,日本和德国仍然没有找到新的经济动力,我国虽有部分产业处于全球前沿,但总体来看还有不少需要改进的地方。

      参考日本经产省的全要素生产率统计数据,中国经济在全球格局转变背景下,传统的工业经济引擎受到较大的影响,新的经济动力还未展现效果。

      因此,我国适应新的经济形势,“新质生产力”概念应运而生,其目的就是为了找到能持续推动经济增长的“技术变化”。

      在经济学家理查德·利普西(Richard Lipsey)等人编写的《经济转型:通用目的技术和长期经济增长》一书中,深入的分析了技术变化是经济增长的动力问题,并指出应采用全要素生产率去检测这种变化,以便调整经济产业政策。

      随着我国各部委及地方政府出台新质生产力相关政策,新质生产力很可能成为一个“万能药”,被所有新技术、新产品、新模式等借用,从而淹没了真正对长期经济增长有用的技术变化。

      利普西在书中对此进行了分析,还专门对比中西方在工业革命到来之际,为什么中国没有获得长期经济增长,而西方国家借此成为了发达国家问题。

      从技术经济范式来看,中国选错了技术,错过了通用目的技术,从而落后于全球性的经济增长。

      不是每一种新技术都可以大幅或长期推动经济增长,这一点需要政策制定者特别注意,如何选择对新质生产力有更大作用的技术,则是我国经济学家应该重点考虑的, 至少应该拿出一套标准来。

      任何实际参与国家经济和产业政策建议或制定的经济学家,都不会否认这一点:全要素生成率的测量将为新质生产力健康发展和推进保驾护航。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

 

为什么认知影响了数字孪生体的发展?

      人们通常都有认知偏差(Cognitive Bias),与之相关的心理学和生理学研究成果汗流充栋,其中,认知流畅度(Fluency)理论在解释为什么人们会选择错误上颇有成效,笔者借此来解释为什么我国数字孪生体产业发展缓慢。

      认知流畅度是认知偏差中较为普遍的现象,简单的来讲,那就是人们听到的信息流畅性和频率有可能转化为直觉。

      作为第四次工业革命的通用目的技术,数字孪生体是建立了多种学科基础上的新科学体系,而且还处于不断发展演变中,难以用一两句话来描述。

      但是,一些行业人士发现了数字孪生体机会,传统仿真企业、大数据公司和物联网提供商,纷纷把自己包装为数字孪生体企业,开始为客户提供相关解决方案。

      由于这些企业拥有传统的解决方案基础,加上跟数字孪生体有一定关联,在阐述的时候具备了认知流畅度要求,而客户往往没有清晰的概念认知,或者采纳了一些院士和网红给出的解释,从而陷入了流畅性启发(Fluency Heuristic)陷阱。

      为了降低认知负担,人们往往认为处理速度快、更流畅、更顺利的事物更有价值。

      长期以来的摸着石头过河带来的经验强化了这种认识,客户对拥有“成熟“解决方案的提供商青睐有加,即便不具备逻辑的解决方案,在权威和有经验的人提出来之后,更容易获得客户的认可。

      另一方面,认知流畅度带来的认知偏差会受到信念偏差(Belief Bias)的叠加影响。

      所谓信念偏差,就是人们会根据自己对概念或知识的信任熟悉情况,选择更相信某种数字孪生体认识,这也是笔者在《数字孪生体》一书中提出仿真、连接和数据三大数字孪生体流派的原因。

      从我国当前发展情况来看,数字孪生体仿真派占据了主流,在过去几年承接了一些项目,这种流派对应的客户往往对智能制造、建模仿真等传统概念有信念,因此很容易产生信念偏差,缺乏对数字孪生体实际价值的深入挖掘。

      在智慧城市领域,数字孪生体主要呈现为数据派,大屏和可视化通常是标配,由此带来的认知流畅度让主管领导充分释放直觉,他们更容易说服自己相信这就是数字孪生体。

      数字孪生体连接派以电信企业和工业互联网领域的人群为主,他们设计了自己能够认知的数字孪生体系统,这让”自我证实预言”成为这个流派通常的结果。

      三种数字孪生体流派有明显的信念偏差,虽然在美国也存在类似的问题,但由于数字孪生体是DARPA和美国空军重点保护和推进的颠覆性技术,一批顶级科学家长期研究和探讨,避免了商业领域的过度包装带来的负面影响,因此美国推进数字孪生体的进程非常快。

      相比之下,中国在推进数字孪生体发展过程中的认知偏差非常严重,三大流派各自放任信念偏差的影响,进一步强化了各个流派画地为牢的状况。

      最终,不管是已经尝试了数字孪生体解决方案的客户,还是一直观望的潜在应用企业,都选择了同一个结论:数字孪生体没有多大用。

      40年前日本受制于美国的认知压制,导致其忽视数字制造的兴起趋势,现在,我国不少行业人士对数字孪生体的悲观和误解,似乎在重复日本当年的认知偏差。

      中国要发展新质生产力,或者推动第四次工业革命的实质性进展,应向科学要答案,这种科学不是人们通常重视的技术科学,而是中国人时常忽视的社会科学、心理科学和认知科学,它们的进步已经可以解释美国颠覆性创新成功秘诀,以及其他国家无法追赶的原因。

      总之,尊重科学才是唯一的选择。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

 

谈一谈美国的新领地和中国的新质生产力

      在第四次工业革命时期,美国和中国针对未来产业经济,各自提出了五花八门的产业政策,但从这些现象背后,我们可以发现美国和中国的不同基因,其中,美国新领地(New Territory)思想和中国新提出的新质生产力(New quality productive forces),具有较强的代表性。

      美国在推进产业政策方面有悠久的传统,其奠基人亚历山大·汉密尔顿在在1791年向国会提交的《关于制造业的报告》(Report on the Subject of Manufactures)中,明确提出政府通过投资、关税和补贴支持民营产业和制造业。

      近期,美国国会通过了《美国救援计划法案》、《基础设施投资和就业法案》、《芯片和科学法案》以及《通胀削减法案》等,展现了美国在产业政策上的回归。

      从美国频繁推动产业政策的现象来看,美国背后的产业经济逻辑是什么呢?

美国产业战略

      美国在科技革命平稳发展周期内,通常不愿意出台产业政策,而让资本和企业结盟来解决这个问题;但是,在面临其他国家将要遥遥领先的时候,美国政治力量往往会让步产业政策,利用国家的资金去解决断层或鸿沟问题。

      从美国产业经济基因来看,美国人喜欢开拓“新领地”,这一点在任何一本《美国经济史》中都有详细的描述,并成为美国产业经济发展的核心特点。

      新领地延续了美国建国过程中强取豪夺的历史经验,他们热衷开拓类似美国西部的新领地,这种思路在产业经济领域体现为新技术、新产业和新经济,类似个人电脑、工业软件、互联网、移动通信、电动汽车等,它们都是美国人心目中的新领地。

      但是,随着中国在个人电脑、互联网、移动通信和电动汽车等产业的后来居上,对美国未来影响较大的移动通信和电动汽车等产业甚至有超越之势,让美国业界感到不安,解决这种不安逐步转化为美国政府的责任。

      在这样的背景下,我国需要总结过去40多年的产业化经验,通过深入剖析全球经济格局及新科技革命趋势,除了保证现有的产业衰退不会出现突然加速,还需要为未来的产业竞争提出合适的思路。

      展望未来的产业经济格局,哪个国家能在新产业中占据领先地位,就在第四次工业革命周期内拥有了较大的机会,并为国家在未来30年的繁荣昌盛奠定基础。

      从这个视角来看,美国钟情“新领地”,我国提出“新质生产力”,本质目的是一样的。

      中美在工业领域的竞争,有两条主线在进行:

      第一条是传统产业链的迁移,主要是美国力图联合其他西方国家,把原来在21世纪初转移到中国的产业再次安置到所谓友好国家去,例如,印度、越南等国家接纳了机械制造、电子工业和智能手机产业的落户。

      另外一条是发生在诸多新技术和新产业领域的竞争,这就是我国所提新质生产力的指向。

      经过过去几十年的发展,我国的新技术研发能力已经达到一定程度,虽然很难主动发起某种颠覆性创新,但全球一旦出现某个颠覆性应用,国内的资本、技术和产业都跟得上,这已经在自动驾驶、电动汽车、工业互联网等得到了验证。

      对比中美两国在新领地或新质生产力上的做法,美国的基础研究广泛和深入,能抓住创新“涌现”的机会,我国对基础研究和技术创新的结果要求高,抑制了颠覆性创新不确定性的产生可能,迫使我国在进入新领域的时候,尽量避免颠覆性创新,通常在美国有了较为确定的技术创新成果后,再跟进做进一步的应用创新。

      中美在开拓未来新技术和新产业的时候,做法有较大的差异,但随着第四次工业革命的逼近,任何一方都承担不起失败的后果,各自根据自身特点选择不同的创新模式,也就在情理中了。

      在过去40多年的工业化过程中,我国通过摸着石头过河,形成了多种多样的产业意识,相关人员的经验以跟进模仿创新为主,在如何自主开展新技术、新产业和新经济的发展问题上,存在参差不齐的态度,迫切需要从顶层建立一套认知逻辑。

      我国是社会主义国家,大部分人对相关经济理论和词汇比较熟悉,生产力就是其中一个词汇,“科技就是第一生产力”是大家耳熟能详的一句话,代表了人们对科技的最为直观的理解和判断。

      在此基础上,通过瞄准未来的生产力需求,我国高屋建瓴提出新质生产力,为各种产业发展提供了统一的认识,有助于平息了人们对传统产业和新兴产业的争论,集中力量聚焦颠覆性创新。

      总之,我国的新质生产力跟美国的新领地一样,它是人们对未来的一种思考范式,各自继承了自身发展中的传统,并力求在新时代开花结果。

 

作者:胡权,工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长

 

我国数字孪生体学术研究有哪些团体?

      作为第四次工业革命的通用目的技术,数字孪生体在DARPA、美国空军和工业4.0研究院等颠覆性创新机构推动下,近10年的进展非常迅速,在工业和军事领域产生了巨大的影响。

      国内学者关注到数字孪生体在学术研究上的价值,纷纷进入该领域,撰写了世界排名第一数量的论文,形成了中国特色的学术研究成果。

      本文结合到公开发布论文提供的数据,介绍和分析我国数字孪生体学术研究的基本情况,便于数字孪生体联盟成员更好找到自己的位置,更好把握我国数字孪生体产业的发展机会。

      需要提醒读者的是,工业4.0研究院人员不在学术期刊上发表研究成果,相关理论研究成果仅供内部使用,因此本文介绍的学术研究团队不涵盖相关内容。

中国数字孪生体学术研究团体

      在赵亮、许娜和张维等人撰写的《我国数字孪生研究的进展、热点和前沿》一文中,基于中国知网核心期刊数据库做了分析,提炼出北京航空航天大学、西安科技大学、河北工业大学、中国科学院沈阳计算技术研究所、东南大学、同济大学、暨南大学和清华大学等八家机构为核心的学术研究团体。

      对八大研究团体的关注重点来看,以机械自动化占比最高,其次是建筑领域。笔者认为,这基本代表了中国学术研究和产业实践的实际情况。

      以机械自动化为主的数字孪生体学术研究群体,大都从信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)平移到数字孪生体。众所周知,信息物理系统是德国工业4.0体系的核心,后来德国被迫通过“资产管理壳”(AAS,Asset Administration Shell)平移到数字孪生体领域,并围绕资产管理壳建立了德国工业数字孪生体协会。

编号 核心机构 特点 工业4.0研究院评价
1 北京航空航天大学 以自动化工程为基础,提出了数字孪生车间,跟西门子合作较为紧密 学术基础为信息物理系统(CPS),目前开始向军工领域延伸
2 西安科技大学 主要开展机械工程相关研究,包括机械人、掘进机等的数字孪生体应用 以煤炭行业为主要目标对象,跟中煤科工集团建立了合作关系
3 河北工业大学 以机械工程为主
4 中国科学院沈阳计算技术研究所 推动数字孪生算法设计、建模方法和三维检测等相关研究 跟中国科学院大学、国家工业信息安全发展中心和沈阳高精数控智能技术有限公司等合作
5 东南大学 以机械工程为主 跟陕西柴油机重工有限公司合作
6 同济大学 主要跟踪西门子的工业软件应用 中德学院为主
7 暨南大学 以物联网和物流工程为主 跟广东本地的经济需求结合
8 清华大学 主要是BIM的应用 建筑学院较为积极,目前积极向其他领域延伸

      赵亮等人撰写的论文通过数据库,对发布数字孪生体最多的核心期刊做了介绍,包括《计算机集成制造系统》《远程教育杂志》《中国机械工程》《油气储运》和《系统仿真学报》等,其中,《计算机集成制造系统》发文量高达46篇(截止到2020年)。

      我国学者撰写的学术论文主要集中在航空航天、未来教育和智能制造三大领域,除数字孪生体之外,高共现和中心性关键词包括智能制造、信息物理系统、断路器、人工智能、关键技术、虚实映射、大数据、体系结构和物联网,跟本人在《数字孪生体》一书提出的仿真、连接和数据三大流派基本吻合。

      国内一些领先的学者,同时还把研究推向了国际英文期刊,在国外刊物上发布了大量的学术论文,其引用量甚至排名世界第一,实现了学术成果量的绝对领先。

      DARPA和美国空军研究实验室是最早提出数字孪生体概念,并持续推进数字孪生体科学演变的机构,但限于遏制大国对手的需要,它们不仅主动放弃发布论文的机会,而且还尽量避免谈及数字孪生体,这一点读者可以从DARPA相关资料难以寻觅数字孪生体词汇就有所感受。

      正如美国国防部2023年11月16日发布的《国防工业战略》(National Defense Industrial Strategy)透露出来的,遏制中国和俄罗斯等大国对手获得数字孪生体先进技术,成为美军的国防工业战略需要。

      这意味着中国需要更高质量的学术研究成果,而不仅仅把研究局限到机械自动化和智慧城市等较容易撰写论文或获得资助资金的领域。

      要实现我国数字孪生体产业的繁荣,学术研究是必不可少的一环,这一点在当前美国推行经济武器化背景下尤为重要。

      知易行难,实现这样的目标需要学术界改变以量取胜,或以引用量取胜的评价标准,还需要学者拥有更宽广的胸怀和更远大的抱负,敢于挑战权威,愿意长期在该领域开展研究。

      当然,我国科研管理机构或评价部门有可能是所有问题的关键。