人类社会自计算机产生以来,改变了传统的科学研究方法,影响了科学发展的速度和方向,逐步形成了“计算科学”(Computational Science)。数字孪生体作为物理世界和数字空间交互的体系,归属于计算科学,目前正朝一门新科学方向发展。
2009年DARPA提出数字孪生体概念,其目的是为了找到复杂系统的计算科学方法。事实证明,数字孪生体给人们认识复杂系统提供了新思路,大大简化了传统系统工程的方法,并为智能化发展提供了理论基础。
在数字孪生体产生之前,全球科学研究机构提出了基于仿真的系统工程等方法,但在实际应用中效果并不突出,这是因为当时计算科学还不够成熟,受传统的仿真理论和实践影响非常大,正如美国工程院专家所讲,当多个学科融合发展的时候,提出新概念来描述新科学的产生,是一种必然的选择。
托马斯·库恩在1962年出版的《科学革命的结构》中,阐释了常规科学和科学革命的本质,为我们认识新范式产生过程提供了方法。库恩对以探索和总结自然现象之规律的传统科学分析较深入,但对于计算科学等没有给予足够的关注。
科学一般分为形式科学、自然科学、社会科学和应用科学,应用科学中有一小类属于交叉科学,它是两个或两个以上不同学科的边缘交叉领域产生的新学科类别。数字孪生体涉及到计算科学、物理学、化学及工程学等多种科学,它是典型的交叉科学。
在过去10年期间,DARPA、美国空军研究实验室、麻省理工学院、剑桥大学和工业4.0研究院等对数字孪生体科学做了积极的探索和研究,逐步建立了一定的知识体系。科学是一种系统性的知识体系,以此来判断,数字孪生体科学正在形成中。
当我们跳出科学研究范畴,进入行业应用探索领域,数字孪生体呈现了完全不同的景象。
由于数字孪生体概念具有通俗易懂的特点,企业把已有产品和解决方案包装成数字孪生体,有助于提升销售业绩,国内外企业纷纷往数字孪生体靠拢。传统的CAD、仿真和PLM企业摇身一变,成为了数字孪生体“龙头企业”;一些做BIM、VR或游戏的企业,开始介入智慧城市等领域,通过“拍电影”的方式展示数字孪生体。
这当然不是数字孪生体科学的核心。
本人在《数字孪生体》一书中,对其本质进行了阐释,即数字孪生体具有开放架构,能够实现前向兼容,满足可持续改进的需要。
目前的工程实践还不具有这样的特征,因为现有工具还是传统的CAD、BIM或仿真软件,它们都不是为了数字孪生体科学开发的,不能真正实现可持续改进等功能。正如DARPA所讲,要构建数字孪生体科学体系,需要开发一系列的工具。
工业4.0研究院判定,数字孪生体科学未来10年发展,需要建设新型基础设施,这是其持续发展的前提和必要条件。
从技术革命周期的视角来看,数字孪生体科学需要完成基础理论研究,毫无疑问,用建模与仿真的传统观念去看待数字孪生体,不足以体现它在人类社会发展进程中的地位和意义。
世界各国正在争夺第四次工业革命制高点,如果仅仅限于大家耳熟能详的人工智能、大数据和物联网等内容,中国不太可能失去未来产业机遇;但如果是某种大家认识不深,甚至于似曾相识的概念体系,当它们代表了未来发展的主流,任何国家错过的代价会非常巨大。
日本上个世纪80年就遇到这样的问题,当时它希望创造“智能制造”范式,借此打造“教科书”式的科学体系。美国对未来的判定更为准确,它专注到基于开放架构的工业数据体系建设,为美国先进制造稳步发展提供了支撑。当时两个国家的选择,决定了它们过去30年的命运。
面向未来的颠覆性创新,大都是某种内生技术应用的结果,即在科学层面有原理上的突破,它将创造新的技术路径,改变传统的工程方法。美国一直强调的抵消战略,其核心就是“创造”新的路径,这是建立在基础科学研究前提下的。
大量证据显示,美国正在加紧打造数字孪生体科学体系,从根本上解决物理世界数字化的挑战,让物理世界的运行实现低成本化和可持续改进等目标。如果可以达到这样的目标,那么美国在互联网发展中积累的经验将再次发挥作用。
中国当前迫切需要解放思想,敢于面向未来探索新科学,为人类社会迈向第四次工业革命做出应有之贡献。
胡权:工业4.0研究院院长,数字孪生体联盟理事长