前言
工业领域的数字化转型是人类社会发展的重要议题，其推进速度明显慢于消费领域的互联网。究其原因，传统的工业发展过去30年进入了产能过剩阶段，消费互联网通过分销过剩工业产品的机会获得了快速发展，甚至到现在，所谓的产业互联网（Industry Internet）仍然在蚕食工业领域的利润和价值。工业领域的创新周期遵循技术革命50年规律的限制，自1969年工业数字化发展以来，目前正处于第三次工业革命和第四次工业革命交替阶段，全球工业领域孕育着新的机遇和挑战。
哈佛大学商业历史学家阿尔弗雷德·D.钱德勒（Alfred D.Chandler）在2000年出版的《信息改变了美国：驱动国家转型的力量》（A Nation Transformed by Information: How Information Has Shaped the United States from Colonial Times to the Present）一书（中文版2008年出版）中，对于信息时代存在的经济规律并没有给出明确的结论，他曾想把该书命名为《第三次工业革命》，但觉得研究不足最终作罢。事实上，这是钱德勒对工业数字化转型的一种学术探索。德国工业4.0的提出，让第三次工业革命得以与工业数字化关联起来，不过这个阶段的50年主要实现了部件级别工业数字化，但在系统和系统之系统（SoS，System of Systems）方面，数字化转型才刚刚开始。
在德国工业4.0体系中，第三次工业革命的工业数字化比较简单，它是以可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）和嵌入式系统的应用为起点。这是软件与物理设备融合的一种系统，这种融合虽然比较简单，但已经大大推进了人类社会的工业化发展进程，这种发展带来了物质财富的高度发达，同时催生了全球性的产能过剩。为了寻找降低成本的方法，发达工业国家主要采取了去工业化的方式，把生产制造工厂迁移到发展中国家，这加速了全球制造业专业化的发展。
虽然工业领域存在产能过剩的挑战，但这对于消费者来说是一件好事，因为他们可以购买到价格更低的产品。不过，分销的挑战迅速出现，这属于消费领域的数字化问题。互联网生逢其时，它虽然不带来任何工业增加值，但可以提高产品的流通效率，这就是电子商务。
消费互联网的模式大都比较简单，它完全不用考虑产品的材料、工艺、流程等工业要素，只需解决好支付和物流等难题，剩下的所有问题都变成了流量转换的要求。它本质上不产生任何工业增加值，利用互联网技术提高流通效率即可。这就可以解释为什么消费互联网领域风险投资需求巨大，同时传统互联网巨头垄断能力非常强大，具有与工业领域完全不同的技术和经济规律。
工业领域的企业家一直在探索推进更广泛的数字应用，但实际效果似乎不太理想。大家比较熟悉的当属通用电气2012年提出的工业互联网，当时它邀请了大量互联网人才加入，在硅谷设立公司分部，并推出了Predix工业互联网平台，但该公司2018年6月19日被踢出道琼斯指数，宣告其探索结果并不如意。
如果追溯工业数字化转型更早的案例，我们能发现不少值得关注的探索。早在2000年7月，BAE Systems、波音、洛克希德、雷神共同筹建了Exostar公司，据称是为了满足航空和国防业务的电子化需求，当初的CEO为曾经在PartsBase、霍尼韦尔航空部门等工作过的安迪·普利勒（Andy Plyler），希望可以借助他在航空领域的电子商务运营经验。除了Exostar公司，成立于1999年的MFG也值得关注，它主要提供工业标准件电子商务服务。该公司2006年10月进入中国，由于阿里巴巴逐步建立了垄断性的地位，MFG找不到发展的空间，只好在2015年关闭了中国公司。
这种探索不仅仅发生在美国，欧洲也有类似的案例。2011年，EADS、达索、SAFRAN和Thales联合创建了BoostAeroSpace，对标美国的Exostar。成立之初，欧洲的空中客车并没有加入其中，只是后来看它们做得还不错，才正式加入BoostAeroSpace，这与在美国Exostar成立之初波音公司就加入其中形成了鲜明的对比。
以上提及的几家工业领域产生的互联网公司，都已经沉寂或消亡，分析其失败的原因，应从技术革命周期中找答案。
过去20年是第三次工业革命进入成熟并继而转为衰退的时期，无论如何进行技术改造，生产力水平都不能大幅提升，甚至收益小于技术改造投入。简单来说，这个时期生产制造难以从技术改造中获利，那么只能寄希望于提高分销效率及改变产业集中度，只可惜这不是工业企业擅长的事情，消费互联网公司则擅长此道，这直接催生了电子商务的繁荣，美国商务部分别于1998年、1999年发布了《浮现中的数字经济》（The Emerging Digital Economy）之一和之二，其核心内容即为电子商务。
过去20年工业领域眼睁睁看着消费互联网高速发展，占据了市值最大的10家企业中的7家（市值最大的十大上市公司见表0-1），但工业企业并没有放弃改变自身命运的努力，通用电气、特斯拉等公司就是这些努力的缩影。经过20年的高速发展，传统互联网公司开始陷入增长的困境，开始往工业领域扩张，诸如产业互联网、新制造、消费者到企业（C2B）等概念就是传统互联网公司进入实体经济寻找新机遇的尝试。
传统互联网公司进入工业领域的时候，往往会遇到工业企业数字化转型类似的挑战，主要表现为大量非标准化部件、流程和管理带来的成本压力，虽然可以借助大量资本投入应用先进技术，但目前还找不到一个通用的解决方案，只能一个个行业去探索尝试。除了在一些简单的行业具有改善空间外，80%的工业领域并不适合互联网公司介入，例如，部分家居行业、简单服装（如西服）等可以借助定制概念，通过加大资本投入、提升行业集中度来获得市场，但这并不是一个普遍的机会。
这促使行业人士开始思考工业企业和互联网企业之间的差异。工业企业是真正的实体经济，它的运行涉及的实物比较多，环节通常比较复杂，而且不管产业大小，都会涉及产业链协作的问题；互联网企业的运行相比之下则简单得多，它的主战场是互联网平台，通过集中投资建设平台，然后主要的运行工作就是流量导入和变现了。互联网公司并不广泛接触实物，通常只需要把实物作为互联网流程中的一个因素即可。
表0-1 市值最大的十大上市公司列表
互联网行业高速发展了20多年，各个领域都充斥着互联网平台，其经营模式难以有本质的提升，它们推出新概念来吸引人们关注，或者通过大量风险投资获得流量。统计数据显示，最近这些年，互联网流量的转化效率逐步下降，这意味着互联网公司的经营难度和风险越来越大。
工业领域的数字化转型应该找到自身的规律，不需要遵循消费互联网的模式，甚至不能把互联网技术作为其关键技术。从本质上理解第四次工业革命的挑战，才能找到工业领域的数字化转型方法。传统工业领域创新周期较长，因为大部分工作都与物理世界有关，数字空间的内容通常只起辅助作用，但随着数字化程度越来越高，现代工业企业开始拥有传统互联网领域才有的持续迭代能力。
想要促成工业企业发生这样的转变，迫切需要一种对接物理世界和数字空间的通用技术，美国国家科学基金会曾经于2006年提出了信息物理系统，但由于其封闭架构不利于协作，因此美国产业界对此并不积极。美国国防部再次展现了其引领先进技术发展的能力，DARPA在2009年的未来制造研讨会上，经与会专家讨论后确定建立一套新的技术概念体系，即“数字孪生体”，并被称为“DARPA创世纪”，这将在本书第一篇做详细介绍。
作为颠覆性创新的引领者，DARPA历史上最大的成就当属互联网，它乐于从高风险项目中获得高回报。从DARPA在参与数字孪生体概念提出过程所做的工作来看，找到解决物理世界和数字空间交互的新技术、新思路和新模式，成为它当前判定颠覆性技术的标准。数字孪生体具有开放架构，可以承载人工智能和数据科学等技术，DARPA认为它是游戏改变者（Game Changer）。
结合工业4.0研究院长期研究第四次工业革命和通用目的技术的成果，笔者在第一篇的两章中从技术革命和经济增长两个视角分析了数字孪生体产生的意义，前瞻性地提出了数字孪生体在第四次工业革命竞争中的关键作用，展现了九大行业的数字孪生体应用前景。
进入数字孪生体领域的读者希望了解数字孪生体技术，但受商业企业营销的影响，对仿真、产品生命周期管理等传统概念与数字孪生体技术之间的关系一直比较困惑。本书尽量避免受这些企业影响，在第二篇用三章对数字孪生体关键技术做了介绍，分别为数字孪生化、数字线程和数字孪生体平台，这种技术体系突破了传统航空航天应用的局限，为其通用目的技术演进提供了理论根据。
过去几年时间，仿真、虚拟现实和建筑信息模型（BIM，Building Information Model）[1]厂商非常活跃，把现有的项目包装起来，再贴上数字孪生体标签进行推广，这导致行业人士陷入了认知困惑。普通制造企业用不上仿真这样高大上和成本高昂的软件，虚拟现实在特定场景以外并未证明其价值，BIM一直未突破建筑和城市级的应用场景局限。之所以会出现这样的状况，是因为针对这些技术的基础研究不足，尚未真正形成具有共性特征的技术体系。
数字孪生化不同于传统的建模和仿真，它的主要价值在于能适应不同应用场景的数据颗粒度要求，促使通用目的技术名副其实；通过引入开放架构计算机体系中的线程概念，数字线程在数字孪生体范式中的地位至关重要，不过需要注意，它不等同于产品生命周期管理；基于云计算、数据科学和物联网等新一代技术，数字孪生体平台采用松散耦合方法实现技术自治，在保持架构稳定的前提下维持创新活跃度。
随着数字孪生体技术逐渐成熟，产业链专业化分工逐渐完善，这将促进数字孪生创新生态的形成。在本书第三篇，围绕数字孪生基础设施、数字孪生体标准和降维策略实施指南，笔者展示了数字孪生体这种通用目的技术演进的一般规律，并为行业人士提供了颠覆性创新的策略方法。
在第四次工业革命肇始之际，重点解决技术革命所需的基础设施问题，可以加快技术的成熟和产业化发展。数字孪生体产业经过十年时间的发展，已经进入了一个新阶段，中国作为后发国家，加强数字孪生基础设施建设具有特别意义。国家发改委和中央网信办在2020年4月7日发布的《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》中，明确提出了要加强“开源社区”建设，同时还提出了“数字孪生创新计划”，这是中国的数字孪生体战略。
国际和国内标准化组织看到了研制数字孪生体标准的需求，迅速组建了工作组开始相关研制工作，比较知名的有ISO 23247标准，这是数字孪生制造标准，其他行业（如城市管理、资产管理等）还没有专门的数字孪生体标准。国内相关标准研制也在紧锣密鼓准备中，数字孪生体联盟专门设立了标准工作组，计划打造一个基于开源项目的标准体系。
在数字孪生体时代，新旧力量纷纷进入该领域，但普遍缺乏方法论，特别是经营策略上的指导。为此，笔者设计了数字孪生体降维策略，作为企业进入该领域的实施指南。根据认识数字孪生体核心价值的不同视角，数字孪生体产业可以分为数据派、连接派和仿真派，它们都具有较大规模的追随群体。毫无疑问，任何一个流派都会不断演进，为了保护自己的核心价值，它们会采取不同的技术和经营策略，各方都应该避免“手中有了榔头，看到的问题都是钉子”。
按照美国空军研究实验室青年科学家帕梅拉·科布伦（Pamela Kobryn）在2019年美国国家工程院举办的“工程前沿学术研讨会”上的演讲所讲，数字孪生体产业已进入快速增长期。在本书第四篇，笔者分享了五个典型行业的数字孪生体应用，分别为数字孪生制造、数字孪生城市、数字孪生航空航天、数字孪生能源和数字孪生国防等。
数字孪生体技术应用在制造业能否成功具有至关重要的意义，从中探索的一般性技术应用将为其他领域的应用提供借鉴，诸如特斯拉生产系统大量使用数字孪生体技术，已经成为数字孪生制造的典范。按照降维策略方法，尺度较大、精度不高和应用广泛的城市管理成为仅次于制造业的应用场景，这自然可以理解，数字孪生城市显然是数字孪生体技术的受益者。除了制造业和城市管理这两个领域，航空航天、能源和国防这三大领域也具有典型意义，它们在推进技术研发和应用方面，可以给读者较好的启发。
在第四篇的五章内容组织上，笔者采取了重点解读和案例分析相结合的方法，既对数字孪生体在每个行业的创新应用做了全面系统分析，也结合工业4.0研究院跟踪的最新信息，选择一个具有代表性的产品或项目，作为行业典型案例分享，以加强读者对数字孪生体应用的实际感受。有心的读者可以自己进一步了解案例的详细情况，甚至与相关单位联系合作。
本书作为系统全面介绍数字孪生体的读物，希望能为相关学者、专家和行业人士进入数字孪生体领域提供一个指引，帮助大家厘清相关历史、范式、技术和产业等基本认识，为参与我国数字孪生体产业建设奠定基础。
[1]BIM是一种应用于工程设计、建造、管理的数字工具，通过对建筑的数字模型进行整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递。通常认为，数字孪生城市基于BIM构建。