數字技術的故事

由網絡整理 分享時間：2024-03-18 22:49:05 收藏本文

數字技術的故事

近來，世界各國都在提倡數字經濟。

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是從事數字技術的。在2023年，世界上10家市值最高的公司中有7家是經營數字經濟的公司 (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家是數字經濟的公司，可見今日數字經濟對一個國家的重要性！

我們中國也在大力推動數字經濟。什么是數字經濟？數字經濟的基礎是數字技術。那就是如何利用數字技術來發展經濟。那么什么是數字技術？它是從哪里來的？

數字技術

數字技術最基本的原理是“二進制 (Binary System)”，是德國數學家戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646–1716)于1703年發表的一個數學理念：《Explication de lArithmétique Binaire》。二進制里只有兩個數字：“0”和“1”。

戈特弗里德·威廉·萊布尼茨

二進制是怎樣運算的？在二進制，所有數字都可以用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，可以說是標準的“二貨”！

據說，萊布尼茨研究二進制時，發現最早的二進制是易經里的八卦，應該是4000年前中國伏羲氏創立的。以“—”為陽，以“- -”為陰，組成八卦。

中國的八卦

二進制釋義八卦

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的八個數字，也就是八卦。當然八個卦也可以像二進制那樣重復組合成無限個數字。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料。萊布尼茨發表他的二進制論文時，并不認為它會有什么實際用途，而只是一種哲學的思維。他沒有想到后來會有電子計算機（電腦）的出現。電腦也只有“0”和“1”，代表電流的開與關。電腦和二進制這兩個“二貨”一拍即合：二進制提供基本邏輯，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制能突飛猛進，使數字技術成為可能，從而支配了整個世界的發展。而且，這些年來，電腦的計算速度根據摩氏定律呈指數式上升，使數字技術的效率越來越高。根據谷歌工程師雷蒙德·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，這二進制用途不大，那么我們也就不會有數字技術的發展！同樣，如果沒有二進制，電腦多快也可能沒有用！但兩者加在一起，數字技術就快速發展起來了。

電腦的發展

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

此外，蒂姆·伯納斯·李(Tim Berners-Lee)在1989年成功建立了互聯網(World Wide Web)，互聯網在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快速普及下，現在已經發展到Web3.0了。互聯網提供了人與人之間，人與物之間，和物與物之間的互聯互通，把一切都聯系起來。所以，我認為，數字技術的基礎就是：二進制提供了運算的數學原理，電腦提供了快速運算的功能，而網絡提供了互聯互通的渠道！

工業革命與數字經濟

大家知道，工業革命徹底改變了這個世界，人類從農耕社會進入了工業社會。第一次工業革命始于18世紀60年代，人類進入蒸汽時代。第二次工業革命始于19世紀下半葉，人類進入電氣時代。第三次工業革命從20世紀中葉開始，人類進入電子和信息時代。第四次工業革命從21世紀初開始，人類進入數字時代。數字時代的數字技術激發了數字經濟！

“數字經濟”這個名詞來自美國學者唐·泰普斯科特（Don Tapscott）在1996年出版的《數字經濟：網絡智能時代的前景與風險,(Don Tapscott, The Digital Economy: Promise and Peril In The Age of Networked Intelligence, McGraw-Hill, 1997.)》的書中。“數字經濟”可以說是“廣泛使用數字技術來提升整個經濟環境和經濟活動”。大家最熟悉的大概是“平臺經濟”。數字經濟中的平臺經濟就是應用數字技術提供可以進行經濟活動的平臺。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字經濟了。

其實，自古以來，絕大部分的商業活動都是平臺經濟的活動。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。今天的數字技術把這個經濟行為的范圍和效能大大地放大了！

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

當然，數字技術影響的不單單是商業行為，在方方面面，例如工程方面也有驚人的影響。所以，很多人認為：數字技術引發了世界第四次工業革命。

工業革命

工業革命的作用是什么？工業革命的作用是“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能力，就是在相同的資本和人力下增加產出，也可以說是技術進步對增產的貢獻。這增產的部分在經濟學上我們叫它“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革命的成果。

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

為什么中國沒能參與第一次和第二次工業革命？很多人認為，是因為中國古代沒有科學，只有技術。沒有科學的支持，工程和技術的發展就被限制了，工業革命就無從發生！

為什么中國古代沒有科學，只有技術？哲學家馮友蘭先生在1922年的論文就說過：中國古代沒有科學，是因為中國人的人生哲學是“反科學的”。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系，印度人注重的是人與神的關系，西方人注重的是人與物的關系！

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

大家看看我國最值得驕傲的“四大發明”：印刷術、造紙術、火藥和指南針。毫無疑問，這四大發明對世界有極大的影響。但是，在中國，這些都停留在技術層面，不是科學。很顯然，印刷術和造紙術是技術。我們雖然發現了火藥和指南針，的確有點科學的味道。但是我們只注重火藥和指南針的應用，一直沒有興趣研究和了解它們的科學原理：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應用的層面。

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、技術、工程、數學的縮寫。這四門學術，是各自獨立，但也是互相關聯的。一個國家要富強，這四門學術都必須好好發展。我們中國，工程和技術的發展都不錯，大概是因為學了它們可以立即賺錢。但是我們科學和數學太弱了，大概是因為，尤其在從前，學這些賺不了錢！

中國有兩句成語：

1.學而優則仕：大家喜歡做官，聰明人都做官，這樣，科學和數學就都沒人要學了。我們的科舉考試，不包括科學和數學，所以學了也沒用。

2.學以致用：就是要學習能致用的東西。科學研究不是短期內可以致用的，所以不被鼓勵。

在這樣的環境下，研究科學和數學的人就會被視為不務正業的人，因為大家看不到他們的研究有什么用處。例如，“二進制”是萊布尼茨在1703年發表的數學理念，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字“9”寫成10012，大家一定會把他看作大傻瓜！但是，沒有二進制，今天的電腦發揮不了作用，也就沒有數字技術和數字經濟了。

近來，科學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年內也不會有。

沒有科學，我們造不出蒸汽機，也造不出發電機，當我們作為“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，不需要科學。造火車必須從科學開始。

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

中國的工業革命

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

第三次工業革命始于20世紀中葉，約在第二次世界大戰之后，人類進入電子時代。主要標志是電腦、互聯網、智能通信等信息技術。第四次工業革命在21世紀初開始，人類進入數字時代，主要標志是：大數據、云計算、物聯網、區塊鏈、人工智能、5G通信、VR、AR、AI等新興技術。因為第三次工業革命的標志：電腦、互聯網和智能通信等其實也都是數字技術，所以也可以說第四次工業革命實際只是第三次工業革命的延伸。

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

我是在20世紀中葉開始接觸數字技術，1962年學習計算機和寫軟件，當時用的編程語言是ALGOL和Fortran：ALGOL是歐洲幾個國家聯合發展的電腦語言，Fortran主要是美國IBM開發的。我們的鋼結構教授比較厲害：1961年爭取到德國各大學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校不遠，記得是一臺IBM740電腦，用的語言是Fortran。我們學生也可以申請一些使用時間。這些電腦的應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，應用在兩座當時世界最大跨度的斜拉橋的設計上。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，這就是數字技術的賦能！

數字技術的發展

那時候，收音機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，就是我們說的半導體。現在，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放在衣袋里。

今天，數字技術主要標志是：電腦、互聯網、智能通信及手機、大數據、云儲存、云計算、物聯網、區塊鏈、人工智能，VR、AR、AI、5G通信等技術。在工程領域，這些數字技術衍生出很多用途。例如，在設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的應用也助長了3D打印的發展，而3D打印使大家能更清楚了解結構的造型，對復雜的細節尤其有用。現在3D打印還直接用在大型結構上。

當電腦的內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，只是當時的電腦還無法支持這個要求，主要是內存和速度不足。結構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，再與機械工程用的Reduction Method簡化后混合使用。今天用FEM當然會容易得多！

再進一步就是數字孿生(Digital Twinning)，可以提供實時的工程狀況。顧名思義，數字孿生就是“數字的雙胞胎”。不過，這對雙胞胎有一個是實的，另一個是“虛”的。就是說，我們用數字技術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的，它會跟著實境變化。當你進入虛擬場境后，可以達到“身臨其境”的感受。例如，我們在設計南京的江蘇園博園時，提供一個數字孿生的虛擬園博園，游客可在任何時間、任何地方隨時進入，看當時園里的情景：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，數字孿生尤其有用，因為它讓我們能進入一些真人無法進入的空間。當然，數字孿生需要的內存和速度更大，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，當然是很方便的事情！人們還可以建造自己的虛擬城區，甚至可以在這些虛擬城區中建虛擬建筑，使用數字貨幣，提供商業活動。區塊鏈的完善就可以保護個人的虛擬資產。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，現在元字宙還是以沉浸的方式活動，比較不方便，有待新技術的優化。

這是數字技術發展過程中的一些故事。目前,數字技術在高速發展,我們現在學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

責編 / 周洋

審校 / 李天穎裴小吟廖玲

聯系人：李天穎

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