數(shù)字技術(shù)的故事

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數(shù)字技術(shù)的故事

近來，世界各國都在提倡數(shù)字經(jīng)濟(jì)。

下圖是30年來世界市值最高公司的列表。一家公司的市值是股票的數(shù)量乘以股票的價格。1990年，日本的銀行幾乎囊括了所有世界前十最高市值的公司。但1985年日本在美國的壓力下簽訂了廣場協(xié)議，十多年后日本的大公司幾乎都趴下了。到2010年之后，世界上十大市值最高的公司，已經(jīng)沒有日本公司的影子，也沒有銀行的影子。1990年，世界上10家市值最高的公司中只有一家IBM是從事數(shù)字技術(shù)的。在2023年，世界上10家市值最高的公司中有7家是經(jīng)營數(shù)字經(jīng)濟(jì)的公司 (圖中紅色部分)。

世界市值最高的十間公司（來源：巴菲特）

而在2023年底的排名是：1.蘋果；2.沙特阿美；3.微軟；4.亞馬遜；5.谷歌；6.臉書；7.騰訊；8.伯克希爾；9.臺積電；10.阿里巴巴。這10家中有8家是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的公司，可見今日數(shù)字經(jīng)濟(jì)對一個國家的重要性！

我們中國也在大力推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)。什么是數(shù)字經(jīng)濟(jì)？數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)是數(shù)字技術(shù)。那就是如何利用數(shù)字技術(shù)來發(fā)展經(jīng)濟(jì)。那么什么是數(shù)字技術(shù)？它是從哪里來的？

數(shù)字技術(shù)

數(shù)字技術(shù)最基本的原理是“二進(jìn)制 (Binary System)”，是德國數(shù)學(xué)家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646–1716)于1703年發(fā)表的一個數(shù)學(xué)理念：《Explication de lArithmétique Binaire》。二進(jìn)制里只有兩個數(shù)字：“0”和“1”。

戈特弗里德·威廉·萊布尼茨

二進(jìn)制是怎樣運算的？在二進(jìn)制，所有數(shù)字都可以用0和1組成。以2的方次計算。例如，

11012=1x23+1x22+0x21+1x20=13

10012=1x23+0x22+0x21+1x20=9

11012+10012=101112=1x24+0x23+1x22+1x21+1x20=22

看起來是蠻呆板的，可以說是標(biāo)準(zhǔn)的“二貨”！

據(jù)說，萊布尼茨研究二進(jìn)制時，發(fā)現(xiàn)最早的二進(jìn)制是易經(jīng)里的八卦，應(yīng)該是4000年前中國伏羲氏創(chuàng)立的。以“—”為陽，以“- -”為陰，組成八卦。

中國的八卦

二進(jìn)制釋義八卦

如果我們改成以“—”代表1，以“- -”代表0，就和萊布尼茨的二進(jìn)制很相似了。不同的是中國寫字是從上至下，西方寫字是從左至右。但八卦這三個爻只有上面八個組合，只能代表由0到7的八個數(shù)字，也就是八卦。當(dāng)然八個卦也可以像二進(jìn)制那樣重復(fù)組合成無限個數(shù)字。但大家沒有在這方面深入研究。

我覺得，它和萊布尼茨的二進(jìn)制可能只是巧合。因為八卦主要是用來占卜，不是用來計算的！

世界上的事情有時候很難預(yù)料。萊布尼茨發(fā)表他的二進(jìn)制論文時，并不認(rèn)為它會有什么實際用途，而只是一種哲學(xué)的思維。他沒有想到后來會有電子計算機(jī)（電腦）的出現(xiàn)。電腦也只有“0”和“1”，代表電流的開與關(guān)。電腦和二進(jìn)制這兩個“二貨”一拍即合：二進(jìn)制提供基本邏輯，電腦提供計算速度。所謂“以勤補拙”，就使得看起來呆頭呆腦的二進(jìn)制能突飛猛進(jìn)，使數(shù)字技術(shù)成為可能，從而支配了整個世界的發(fā)展。而且，這些年來，電腦的計算速度根據(jù)摩氏定律呈指數(shù)式上升，使數(shù)字技術(shù)的效率越來越高。根據(jù)谷歌工程師雷蒙德·庫茲韋爾(Raymond Kurzweil)的估算，從1950年到2006年這55年間，1000美元能買到的計算速度增加了一萬億倍！

顯然，假如電腦的速度不夠快，這二進(jìn)制用途不大，那么我們也就不會有數(shù)字技術(shù)的發(fā)展！同樣，如果沒有二進(jìn)制，電腦多快也可能沒有用！但兩者加在一起，數(shù)字技術(shù)就快速發(fā)展起來了。

電腦的發(fā)展

現(xiàn)在大家公認(rèn)，世界第一座可以編程的電子計算機(jī)是ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)，于1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學(xué)亮相。但是依據(jù)它來申請專利卻沒有成功。法庭認(rèn)為最早的、世界第一臺電子計算機(jī)應(yīng)該是ABC(Atanasoff-Berry Computer)。Atanasoff是印第安納大學(xué)的教授，Berry是他的學(xué)生。不過，ABC是不可以編程的，只能做計算，主要是用來解聯(lián)立方程式。所以大部分人仍認(rèn)為ENIAC才是世界第一座電子計算機(jī)，至少是世界第一座可以編程的電腦！

世界第一座可以編程的電子計算機(jī)ENIAC

此外，蒂姆·伯納斯·李(Tim Berners-Lee)在1989年成功建立了互聯(lián)網(wǎng)(World Wide Web)，互聯(lián)網(wǎng)在1991年允許公眾免費使用。那是 Web1.0的開始，在個人電腦和智能手機(jī)快速普及下，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到Web3.0了。互聯(lián)網(wǎng)提供了人與人之間，人與物之間，和物與物之間的互聯(lián)互通，把一切都聯(lián)系起來。所以，我認(rèn)為，數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)就是：二進(jìn)制提供了運算的數(shù)學(xué)原理，電腦提供了快速運算的功能，而網(wǎng)絡(luò)提供了互聯(lián)互通的渠道！

工業(yè)革命與數(shù)字經(jīng)濟(jì)

大家知道，工業(yè)革命徹底改變了這個世界，人類從農(nóng)耕社會進(jìn)入了工業(yè)社會。第一次工業(yè)革命始于18世紀(jì)60年代，人類進(jìn)入蒸汽時代。第二次工業(yè)革命始于19世紀(jì)下半葉，人類進(jìn)入電氣時代。第三次工業(yè)革命從20世紀(jì)中葉開始，人類進(jìn)入電子和信息時代。第四次工業(yè)革命從21世紀(jì)初開始，人類進(jìn)入數(shù)字時代。數(shù)字時代的數(shù)字技術(shù)激發(fā)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)！

“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”這個名詞來自美國學(xué)者唐·泰普斯科特（Don Tapscott）在1996年出版的《數(shù)字經(jīng)濟(jì)：網(wǎng)絡(luò)智能時代的前景與風(fēng)險,(Don Tapscott, The Digital Economy: Promise and Peril In The Age of Networked Intelligence, McGraw-Hill, 1997.)》的書中。“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”可以說是“廣泛使用數(shù)字技術(shù)來提升整個經(jīng)濟(jì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)活動”。大家最熟悉的大概是“平臺經(jīng)濟(jì)”。數(shù)字經(jīng)濟(jì)中的平臺經(jīng)濟(jì)就是應(yīng)用數(shù)字技術(shù)提供可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)活動的平臺。例如共享單車、滴滴打車、阿里巴巴、餓了么、亞馬遜等等，都是大家很熟悉的數(shù)字經(jīng)濟(jì)了。

其實，自古以來，絕大部分的商業(yè)活動都是平臺經(jīng)濟(jì)的活動。例如早期的市集，它就是提供了一個需求方和供給方交易的平臺。今天的數(shù)字技術(shù)把這個經(jīng)濟(jì)行為的范圍和效能大大地放大了！

在美國，數(shù)字經(jīng)濟(jì)的定義通常分三個層面: 第一個層面是核心技術(shù)，包括了硬件、軟件、信息和電子通訊相關(guān)的企業(yè)。第二個層面是狹義的數(shù)字經(jīng)濟(jì)，包括純粹的數(shù)字服務(wù)、平臺經(jīng)濟(jì)，也可以與共享經(jīng)濟(jì)、零工經(jīng)濟(jì)有一點關(guān)聯(lián)。第三個層面是廣義的數(shù)字化經(jīng)濟(jì)，包括電子商務(wù)、電子商業(yè)等（龐陽 [2023]《數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展路徑》）。事實上，這都是數(shù)字經(jīng)濟(jì)，如何區(qū)分層面并不重要。

當(dāng)然，數(shù)字技術(shù)影響的不單單是商業(yè)行為，在方方面面，例如工程方面也有驚人的影響。所以，很多人認(rèn)為：數(shù)字技術(shù)引發(fā)了世界第四次工業(yè)革命。

工業(yè)革命

工業(yè)革命的作用是什么？工業(yè)革命的作用是“賦能”，讓人們做事更有效率，能夠做一些從前做不到的事情。賦能的效果就是增加生產(chǎn)能力，就是在相同的資本和人力下增加產(chǎn)出，也可以說是技術(shù)進(jìn)步對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)。這增產(chǎn)的部分在經(jīng)濟(jì)學(xué)上我們叫它“索洛剩余 (Solow Residue) ”。所以，可以說，一個社會的索洛剩余的總和代表了工業(yè)革命的成果。

我們中國錯過了第一次和第二次工業(yè)革命。所以，和歐美國家比較，在20世紀(jì)中葉我們還十分落后。我們到現(xiàn)在也并不富裕。

為什么中國沒能參與第一次和第二次工業(yè)革命？很多人認(rèn)為，是因為中國古代沒有科學(xué)，只有技術(shù)。沒有科學(xué)的支持，工程和技術(shù)的發(fā)展就被限制了，工業(yè)革命就無從發(fā)生！

為什么中國古代沒有科學(xué)，只有技術(shù)？哲學(xué)家馮友蘭先生在1922年的論文就說過：中國古代沒有科學(xué)，是因為中國人的人生哲學(xué)是“反科學(xué)的”。儒家、道家都是。他們只對人事有興趣，對大自然的秘密沒有興趣。也有人說，世界三大文明之中，中國人注重的是人與人的關(guān)系，印度人注重的是人與神的關(guān)系，西方人注重的是人與物的關(guān)系！

致力于搞好人與人的關(guān)系，我們的目的是求一個和諧的社會；探討人與神的關(guān)系，人們希望得到神的保佑。但人與神都與科學(xué)無關(guān)，研究“物”才是科學(xué)，化學(xué)、物理、生物、天文、地理研究的都是物。如果我們對“物”沒有興趣，就是對科學(xué)沒有興趣！

大家看看我國最值得驕傲的“四大發(fā)明”：印刷術(shù)、造紙術(shù)、火藥和指南針。毫無疑問，這四大發(fā)明對世界有極大的影響。但是，在中國，這些都停留在技術(shù)層面，不是科學(xué)。很顯然，印刷術(shù)和造紙術(shù)是技術(shù)。我們雖然發(fā)現(xiàn)了火藥和指南針，的確有點科學(xué)的味道。但是我們只注重火藥和指南針的應(yīng)用，一直沒有興趣研究和了解它們的科學(xué)原理：為什么火藥會爆炸，為什么指南針總是指向南方？所以也只停留在技術(shù)應(yīng)用的層面。

近年美國提倡科技強國，要深化STEM科目的教育。STEM是Science, Technology, Engineering, Mathematics的第一個字母。就是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的縮寫。這四門學(xué)術(shù)，是各自獨立，但也是互相關(guān)聯(lián)的。一個國家要富強，這四門學(xué)術(shù)都必須好好發(fā)展。我們中國，工程和技術(shù)的發(fā)展都不錯，大概是因為學(xué)了它們可以立即賺錢。但是我們科學(xué)和數(shù)學(xué)太弱了，大概是因為，尤其在從前，學(xué)這些賺不了錢！

中國有兩句成語：

1.學(xué)而優(yōu)則仕：大家喜歡做官，聰明人都做官，這樣，科學(xué)和數(shù)學(xué)就都沒人要學(xué)了。我們的科舉考試，不包括科學(xué)和數(shù)學(xué)，所以學(xué)了也沒用。

2.學(xué)以致用：就是要學(xué)習(xí)能致用的東西。科學(xué)研究不是短期內(nèi)可以致用的，所以不被鼓勵。

在這樣的環(huán)境下，研究科學(xué)和數(shù)學(xué)的人就會被視為不務(wù)正業(yè)的人，因為大家看不到他們的研究有什么用處。例如，“二進(jìn)制”是萊布尼茨在1703年發(fā)表的數(shù)學(xué)理念，在那個時候是沒有任何用途的。如果他那時候生活在中國，把簡簡單單的一個數(shù)字“9”寫成10012，大家一定會把他看作大傻瓜！但是，沒有二進(jìn)制，今天的電腦發(fā)揮不了作用，也就沒有數(shù)字技術(shù)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)了。

近來，科學(xué)家費了九牛二虎之力，拍到了兩個黑洞的照片，有什么實際用途？我們看不到有什么用途，大概100年內(nèi)也不會有。

沒有科學(xué)，我們造不出蒸汽機(jī)，也造不出發(fā)電機(jī)，當(dāng)我們作為“苦力”替美國人建鐵路的時候，我們中國自己還只有牛車和馬車。造牛車和馬車只需要技術(shù)，不需要科學(xué)。造火車必須從科學(xué)開始。

因為不重視科學(xué)，我們錯過了第一次和第二次工業(yè)革命。所以直到20世紀(jì)中葉，我們都很落后。

中國的工業(yè)革命

中國的工業(yè)革命可以說是從20世紀(jì)中葉開始的。大概是和世界的第三次工業(yè)革命同時開始。到今天，我們用了大約70年的時間去追趕人家近300年的發(fā)展，還需要繼續(xù)努力。

第三次工業(yè)革命始于20世紀(jì)中葉，約在第二次世界大戰(zhàn)之后，人類進(jìn)入電子時代。主要標(biāo)志是電腦、互聯(lián)網(wǎng)、智能通信等信息技術(shù)。第四次工業(yè)革命在21世紀(jì)初開始，人類進(jìn)入數(shù)字時代，主要標(biāo)志是：大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、5G通信、VR、AR、AI等新興技術(shù)。因為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志：電腦、互聯(lián)網(wǎng)和智能通信等其實也都是數(shù)字技術(shù)，所以也可以說第四次工業(yè)革命實際只是第三次工業(yè)革命的延伸。

也有人認(rèn)為，第四次工業(yè)革命應(yīng)該從德國的“工業(yè)4.0(Industry 4.0)”開始。工業(yè)4.0的計劃是德國2023年在德國漢諾威工業(yè)博覽會(Hannover Industrial Fair) 上正式推出的，目的是利用數(shù)字技術(shù)將供應(yīng)、制造、銷售等過程數(shù)智化，達(dá)到快速、有效、個人化的產(chǎn)品供應(yīng)。我們也在2023年提出“中國制造2025”的政策與之對應(yīng)。所以，也可以說工業(yè)3.0是信息化時代，工業(yè)4.0則是利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時代，是智能化時代。

我是在20世紀(jì)中葉開始接觸數(shù)字技術(shù)，1962年學(xué)習(xí)計算機(jī)和寫軟件，當(dāng)時用的編程語言是ALGOL和Fortran：ALGOL是歐洲幾個國家聯(lián)合發(fā)展的電腦語言，F(xiàn)ortran主要是美國IBM開發(fā)的。我們的鋼結(jié)構(gòu)教授比較厲害：1961年爭取到德國各大學(xué)中第一臺屬于自己系的電腦，用的語言是Autocode,后來增加了ALGOL。德國的電算中心離我們學(xué)校不遠(yuǎn)，記得是一臺IBM740電腦，用的語言是Fortran。我們學(xué)生也可以申請一些使用時間。這些電腦的應(yīng)用對我的碩士和博士的研究幫助很大，大大縮短了我讀研的過程。

1965年開始工作時，我寫了大概是世界第一個分析斜拉橋的軟件，應(yīng)用在兩座當(dāng)時世界最大跨度的斜拉橋的設(shè)計上。之前，要計算斜拉橋的各個振動頻率，大概要兩個多月的時間。有了這個軟件之后，只要幾分鐘就搞定了！可以說，這就是數(shù)字技術(shù)的賦能！

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展

那時候，收音機(jī)和電腦用的都是真空管。真空管的體積很大，所以早期的電腦十分巨大。我開始工作時公司的電腦有籃球場那么大。但是它的內(nèi)存只有8KB。今天如果有人說有個8KB的電腦，大家大概不會相信，因為大家的手機(jī)就可能有64GB，大約等于64,000,000KB。就是說，大家今天衣袋里的手機(jī)的容量比我最初用的籃球場大小的電腦還大了800萬倍！

真空管

還好，后來晶體管代替了真空管，就是我們說的半導(dǎo)體。現(xiàn)在，一個驍龍870芯片就有120億個晶體管，所以我們才能夠把手機(jī)放在衣袋里。

今天，數(shù)字技術(shù)主要標(biāo)志是：電腦、互聯(lián)網(wǎng)、智能通信及手機(jī)、大數(shù)據(jù)、云儲存、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能，VR、AR、AI、5G通信等技術(shù)。在工程領(lǐng)域，這些數(shù)字技術(shù)衍生出很多用途。例如，在設(shè)計上除了計算分析我們還有CAD(Computer Aided Design)，可以幫助畫圖。我開始工作的時候，有些重要的設(shè)計圖是用墨畫在特殊的布上面的。那時候工作要很小心，因為要修改這些圖紙十分困難。

這期間CAD的應(yīng)用也助長了3D打印的發(fā)展，而3D打印使大家能更清楚了解結(jié)構(gòu)的造型，對復(fù)雜的細(xì)節(jié)尤其有用。現(xiàn)在3D打印還直接用在大型結(jié)構(gòu)上。

當(dāng)電腦的內(nèi)存和速度足夠增強后，我們就有多維的BIM、CIM和 GIS，理論上可以把整個運營、設(shè)計和施工的信息集合在一起。其實，BIM和GIS的理念早就有了，只是當(dāng)時的電腦還無法支持這個要求，主要是內(nèi)存和速度不足。結(jié)構(gòu)分析的方法也有相似的過程。我1965年寫斜拉橋軟件的時候，今天盛行的FEM的理論才剛剛開始，而且當(dāng)時的電腦還用不了，因為FEM的矩陣太大，電腦容納不下。所以我只好用德文叫做 Stufenkoerperverfahren的方法編程，再與機(jī)械工程用的Reduction Method簡化后混合使用。今天用FEM當(dāng)然會容易得多！

再進(jìn)一步就是數(shù)字孿生(Digital Twinning)，可以提供實時的工程狀況。顧名思義，數(shù)字孿生就是“數(shù)字的雙胞胎”。不過，這對雙胞胎有一個是實的，另一個是“虛”的。就是說，我們用數(shù)字技術(shù)制造一個和真實場境一樣的虛擬場境。這個虛擬場境是動態(tài)的，它會跟著實境變化。當(dāng)你進(jìn)入虛擬場境后，可以達(dá)到“身臨其境”的感受。例如，我們在設(shè)計南京的江蘇園博園時，提供一個數(shù)字孿生的虛擬園博園，游客可在任何時間、任何地方隨時進(jìn)入，看當(dāng)時園里的情景：包括游客多不多，有沒有停車位置，花開了沒有，等等。在工程運維方面，數(shù)字孿生尤其有用，因為它讓我們能進(jìn)入一些真人無法進(jìn)入的空間。當(dāng)然，數(shù)字孿生需要的內(nèi)存和速度更大，所以，一般都借助云端存儲和云計算。

元宇宙(Metaverse)是近年特別熱門的理念。什么是元宇宙？大家可以想象一下，足不出戶，我們在重慶可以約上在南非和德國的工程師一起去體驗一下美國舊金山金門大橋在大風(fēng)下是否有振動。或者，你可以約上在北京的姑媽、南京的表嫂和杭州的阿姨在半虛擬世界里搓上幾圈麻將，當(dāng)然是很方便的事情！人們還可以建造自己的虛擬城區(qū)，甚至可以在這些虛擬城區(qū)中建虛擬建筑，使用數(shù)字貨幣，提供商業(yè)活動。區(qū)塊鏈的完善就可以保護(hù)個人的虛擬資產(chǎn)。但是元宇宙的理念目前還是有點模糊。它的實際用途也還不確定。而且，現(xiàn)在元字宙還是以沉浸的方式活動，比較不方便，有待新技術(shù)的優(yōu)化。

這是數(shù)字技術(shù)發(fā)展過程中的一些故事。目前,數(shù)字技術(shù)在高速發(fā)展,我們現(xiàn)在學(xué)的東西很快又變成新的故事了！

本文刊載 / 《BIM視界》雜志

2023年第4期總第23期

作者 / 鄧文中

作者系林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司董事長

編輯 / 陳晨

美編 / 趙雯

責(zé)編 / 周洋

審校 / 李天穎裴小吟廖玲

聯(lián)系人：李天穎

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