数字技术的故事

近来，世界各国都在提倡数字经济。

下图是30年来世界市值最高公司的列表。一家公司的市值是股票的数量乘以股票的价格。 1990年，日本的银行几乎囊括了所有世界前十最高市值的公司。但1985年日本在美国的压力下签订了广场协议，十多年后日本的大公司几乎都趴下了。到2010年之后，世界上十大市值最高的公司，已经没有日本公司的影子，也没有银行的影子。1990年，世界上10家市值最高的公司中只有一家IBM是从事数字技术的。在2019年，世界上10家市值最高的公司中有7家是经营数字经济的公司 (图中红色部分)。

世界市值最高的十间公司（来源：巴菲特）

而在2021年底的排名是：1.苹果；2.沙特阿美；3.微软；4.亚马逊；5.谷歌；6.脸书；7.腾讯；8.伯克希尔；9.台积电；10.阿里巴巴。这10家中有8家是数字经济的公司，可见今日数字经济对一个国家的重要性！

我们中国也在大力推动数字经济。什么是数字经济？数字经济的基础是数字技术。那就是如何利用数字技术来发展经济。那么什么是数字技术？它是从哪里来的？

数字技术最基本的原理是“二进制 (Binary System)”，是德国数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646–1716)于1703年发表的一个数学理念：《Explication de l'Arithmétique Binaire》。二进制里只有两个数字：“0”和“1”。

戈特弗里德·威廉·莱布尼茨

二进制是怎样运算的？在二进制，所有数字都可以用0和1组成。以2的方次计算。例如，

1101 ₂ =1x2 ³ +1x2 ² +0x2 ¹ +1x2 ⁰ =13

1001 ₂ =1x2 ³ +0x2 ² +0x2 ¹ +1x2 ⁰ =9

1101 ₂ +1001 ₂ =10111 ₂ = 1x2 ⁴ +0x2 ³ +1x2 ² +1x2 ¹ +1x2 ⁰ =22

看起来是蛮呆板的，可以说是标准的“二货”！

据说，莱布尼茨研究二进制时，发现最早的二进制是易经里的八卦，应该是4000年前中国伏羲氏创立的。以“—”为阳，以“- -”为阴，组成八卦。

中国的八卦

二进制释义八卦

如果我们改成以“—”代表1，以“- -”代表0，就和莱布尼茨的二进制很相似了。不同的是中国写字是从上至下，西方写字是从左至右。但八卦这三个爻只有上面八个组合，只能代表由0到7的八个数字，也就是八卦。当然八个卦也可以像二进制那样重复组合成无限个数字。但大家没有在这方面深入研究。

我觉得，它和莱布尼茨的二进制可能只是巧合。因为八卦主要是用来占卜，不是用来计算的！

世界上的事情有时候很难预料。莱布尼茨发表他的二进制论文时，并不认为它会有什么实际用途，而只是一种哲学的思维。他没有想到后来会有电子计算机（电脑）的出现。电脑也只有“0”和“1”，代表电流的开与关。电脑和二进制这两个“二货”一拍即合：二进制提供基本逻辑，电脑提供计算速度。所谓“以勤补拙”，就使得看起来呆头呆脑的二进制能突飞猛进，使数字技术成为可能，从而支配了整个世界的发展。而且，这些年来，电脑的计算速度根据摩氏定律呈指数式上升，使数字技术的效率越来越高。根据谷歌工程师雷蒙德·库兹韦尔(Raymond Kurzweil)的估算，从1950年到2006年这55年间，1000美元能买到的计算速度增加了一万亿倍！

显然，假如电脑的速度不够快，这二进制用途不大，那么我们也就不会有数字技术的发展！同样，如果没有二进制，电脑多快也可能没有用！但两者加在一起，数字技术就快速发展起来了。

现在大家公认，世界第一座可以编程的电子计算机是ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)，于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学亮相。但是依据它来申请专利却没有成功。法庭认为最早的、世界第一台电子计算机应该是ABC(Atanasoff-Berry Computer)。Atanasoff是印第安纳大学的教授，Berry是他的学生。不过，ABC是不可以编程的，只能做计算，主要是用来解联立方程式。所以大部分人仍认为ENIAC才是世界第一座电子计算机，至少是世界第一座可以编程的电脑！

世界第一座可以编程的电子计算机ENIAC

此外，蒂姆·伯纳斯·李(Tim Berners-Lee)在1989年成功建立了互联网(World Wide Web)，互联网在1991年允许公众免费使用。那是 Web1.0的开始，在个人电脑和智能手机快速普及下，现在已经发展到Web3.0了。互联网提供了人与人之间，人与物之间，和物与物之间的互联互通，把一切都联系起来。所以，我认为，数字技术的基础就是：二进制提供了运算的数学原理，电脑提供了快速运算的功能，而网络提供了互联互通的渠道！

大家知道，工业革命彻底改变了这个世界，人类从农耕社会进入了工业社会。第一次工业革命始于18世纪60年代，人类进入蒸汽时代。第二次工业革命始于19世纪下半叶，人类进入电气时代。第三次工业革命从20世纪中叶开始，人类进入电子和信息时代。第四次工业革命从21世纪初开始，人类进入数字时代。数字时代的数字技术激发了数字经济！

“数字经济”这个名词来自美国学者唐·泰普斯科特（Don Tapscott）在1996年出版的《数字经济：网络智能时代的前景与风险,(Don Tapscott, The Digital Economy: Promise and Peril In The Age of Networked Intelligence, McGraw-Hill, 1997.)》的书中。“数字经济”可以说是“广泛使用数字技术来提升整个经济环境和经济活动”。大家最熟悉的大概是“平台经济”。数字经济中的平台经济就是应用数字技术提供可以进行经济活动的平台。例如共享单车、滴滴打车、阿里巴巴、饿了么、亚马逊等等，都是大家很熟悉的数字经济了。

其实，自古以来，绝大部分的商业活动都是平台经济的活动。例如早期的市集，它就是提供了一个需求方和供给方交易的平台。今天的数字技术把这个经济行为的范围和效能大大地放大了！

在美国，数字经济的定义通常分三个层面: 第一个层面是核心技术，包括了硬件、软件、信息和电子通讯相关的企业。第二个层面是狭义的数字经济，包括纯粹的数字服务、平台经济，也可以与共享经济、零工经济有一点关联。第三个层面是广义的数字化经济，包括电子商务、电子商业等（庞阳 [2022]《数字经济的发展路径》）。事实上，这都是数字经济，如何区分层面并不重要。

当然，数字技术影响的不单单是商业行为，在方方面面，例如工程方面也有惊人的影响。所以，很多人认为：数字技术引发了世界第四次工业革命。

工业革命的作用是什么？工业革命的作用是“赋能”，让人们做事更有效率，能够做一些从前做不到的事情。赋能的效果就是增加生产能力，就是在相同的资本和人力下增加产出，也可以说是技术进步对增产的贡献。这增产的部分在经济学上我们叫它“索洛剩余 (Solow Residue) ”。所以，可以说，一个社会的索洛剩余的总和代表了工业革命的成果。

我们中国错过了第一次和第二次工业革命。所以，和欧美国家比较，在20世纪中叶我们还十分落后。我们到现在也并不富裕。

为什么中国没能参与第一次和第二次工业革命？很多人认为，是因为中国古代没有科学，只有技术。没有科学的支持，工程和技术的发展就被限制了，工业革命就无从发生！

为什么中国古代没有科学，只有技术？哲学家冯友兰先生在1922年的论文就说过：中国古代没有科学，是因为中国人的人生哲学是“反科学的”。儒家、道家都是。他们只对人事有兴趣，对大自然的秘密没有兴趣。也有人说，世界三大文明之中，中国人注重的是人与人的关系，印度人注重的是人与神的关系，西方人注重的是人与物的关系！

致力于搞好人与人的关系，我们的目的是求一个和谐的社会；探讨人与神的关系，人们希望得到神的保佑。但人与神都与科学无关，研究“物”才是科学，化学、物理、生物、天文、地理研究的都是物。如果我们对“物”没有兴趣，就是对科学没有兴趣！

大家看看我国最值得骄傲的“四大发明”：印刷术、造纸术、火药和指南针。毫无疑问，这四大发明对世界有极大的影响。但是，在中国，这些都停留在技术层面，不是科学。很显然，印刷术和造纸术是技术。我们虽然发现了火药和指南针，的确有点科学的味道。但是我们只注重火药和指南针的应用，一直没有兴趣研究和了解它们的科学原理：为什么火药会爆炸，为什么指南针总是指向南方？所以也只停留在技术应用的层面。

近年美国提倡科技强国，要深化STEM科目的教育。STEM是Science, Technology, Engineering, Mathematics的第一个字母。就是科学、技术、工程、数学的缩写。这四门学术，是各自独立，但也是互相关联的。一个国家要富强，这四门学术都必须好好发展。我们中国，工程和技术的发展都不错，大概是因为学了它们可以立即赚钱。但是我们科学和数学太弱了，大概是因为，尤其在从前，学这些赚不了钱！

中国有两句成语：

1.学而优则仕：大家喜欢做官，聪明人都做官，这样，科学和数学就都没人要学了。我们的科举考试，不包括科学和数学，所以学了也没用。

2.学以致用：就是要学习能致用的东西。科学研究不是短期内可以致用的，所以不被鼓励。

在这样的环境下，研究科学和数学的人就会被视为不务正业的人，因为大家看不到他们的研究有什么用处。例如，“二进制”是莱布尼茨在1703年发表的数学理念，在那个时候是没有任何用途的。如果他那时候生活在中国，把简简单单的一个数字“9”写成1001 ₂ ，大家一定会把他看作大傻瓜！但是，没有二进制，今天的电脑发挥不了作用，也就没有数字技术和数字经济了。

近来，科学家费了九牛二虎之力，拍到了两个黑洞的照片，有什么实际用途？我们看不到有什么用途，大概100年内也不会有。

没有科学，我们造不出蒸汽机，也造不出发电机，当我们作为“苦力”替美国人建铁路的时候，我们中国自己还只有牛车和马车。造牛车和马车只需要技术，不需要科学。造火车必须从科学开始。

因为不重视科学，我们错过了第一次和第二次工业革命。所以直到20世纪中叶，我们都很落后。

中国的工业革命可以说是从20世纪中叶开始的。大概是和世界的第三次工业革命同时开始。到今天，我们用了大约70年的时间去追赶人家近300年的发展，还需要继续努力。

第三次工业革命始于20世纪中叶，约在第二次世界大战之后，人类进入电子时代。主要标志是电脑、互联网、智能通信等信息技术。第四次工业革命在21世纪初开始，人类进入数字时代，主要标志是：大数据、云计算、物联网、区块链、人工智能、5G通信、VR、AR、AI等新兴技术。因为第三次工业革命的标志：电脑、互联网和智能通信等其实也都是数字技术，所以也可以说第四次工业革命实际只是第三次工业革命的延伸。

也有人认为，第四次工业革命应该从德国的“工业4.0(Industry 4.0)”开始。工业4.0的计划是德国2013年在德国汉诺威工业博览会(Hannover Industrial Fair) 上正式推出的，目的是利用数字技术将供应、制造、销售等过程数智化，达到快速、有效、个人化的产品供应。我们也在2015年提出“中国制造2025”的政策与之对应。所以，也可以说工业3.0是信息化时代，工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代，是智能化时代。 

我是在20世纪中叶开始接触数字技术，1962年学习计算机和写软件，当时用的编程语言是ALGOL和Fortran：ALGOL是欧洲几个国家联合发展的电脑语言，Fortran主要是美国IBM开发的。我们的钢结构教授比较厉害：1961年争取到德国各大学中第一台属于自己系的电脑，用的语言是Autocode,后来增加了ALGOL。德国的电算中心离我们学校不远，记得是一台IBM740电脑，用的语言是Fortran。我们学生也可以申请一些使用时间。这些电脑的应用对我的硕士和博士的研究帮助很大，大大缩短了我读研的过程。

1965年开始工作时，我写了大概是世界第一个分析斜拉桥的软件，应用在两座当时世界最大跨度的斜拉桥的设计上。之前，要计算斜拉桥的各个振动频率，大概要两个多月的时间。有了这个软件之后，只要几分钟就搞定了！可以说，这就是数字技术的赋能！

那时候，收音机和电脑用的都是真空管。真空管的体积很大，所以早期的电脑十分巨大。我开始工作时公司的电脑有篮球场那么大。但是它的内存只有8KB。今天如果有人说有个8KB的电脑，大家大概不会相信，因为大家的手机就可能有64GB，大约等于64,000,000KB。就是说，大家今天衣袋里的手机的容量比我最初用的篮球场大小的电脑还大了800万倍！

真空管

还好，后来晶体管代替了真空管，就是我们说的半导体。现在，一个骁龙870芯片就有120亿个晶体管，所以我们才能够把手机放在衣袋里。

今天，数字技术主要标志是：电脑、互联网、智能通信及手机、大数据、云储存、云计算、物联网、区块链、人工智能，VR、AR、AI、5G通信等技术。在工程领域，这些数字技术衍生出很多用途。例如，在设计上除了计算分析我们还有CAD(Computer Aided Design)，可以帮助画图。我开始工作的时候，有些重要的设计图是用墨画在特殊的布上面的。那时候工作要很小心，因为要修改这些图纸十分困难。

这期间CAD的应用也助长了3D打印的发展，而3D打印使大家能更清楚了解结构的造型，对复杂的细节尤其有用。现在3D打印还直接用在大型结构上。

当电脑的内存和速度足够增强后，我们就有多维的BIM、CIM和 GIS，理论上可以把整个运营、设计和施工的信息集合在一起。其实，BIM和GIS的理念早就有了，只是当时的电脑还无法支持这个要求，主要是内存和速度不足。结构分析的方法也有相似的过程。我1965年写斜拉桥软件的时候，今天盛行的FEM的理论才刚刚开始，而且当时的电脑还用不了，因为FEM的矩阵太大，电脑容纳不下。所以我只好用德文叫做 Stufenkoerperverfahren的方法编程，再与机械工程用的Reduction Method简化后混合使用。今天用FEM当然会容易得多！

再进一步就是数字孪生(Digital Twinning)，可以提供实时的工程状况。顾名思义，数字孪生就是“数字的双胞胎”。不过，这对双胞胎有一个是实的，另一个是“虚”的。就是说，我们用数字技术制造一个和真实场境一样的虚拟场境。这个虚拟场境是动态的，它会跟着实境变化。当你进入虚拟场境后，可以达到“身临其境”的感受。例如，我们在设计南京的江苏园博园时，提供一个数字孪生的虚拟园博园，游客可在任何时间、任何地方随时进入，看当时园里的情景：包括游客多不多，有没有停车位置，花开了没有，等等。在工程运维方面，数字孪生尤其有用，因为它让我们能进入一些真人无法进入的空间。当然，数字孪生需要的内存和速度更大，所以，一般都借助云端存储和云计算。

元宇宙(Metaverse)是近年特别热门的理念。什么是元宇宙？大家可以想象一下，足不出户，我们在重庆可以约上在南非和德国的工程师一起去体验一下美国旧金山金门大桥在大风下是否有振动。或者，你可以约上在北京的姑妈、南京的表嫂和杭州的阿姨在半虚拟世界里搓上几圈麻将，当然是很方便的事情！人们还可以建造自己的虚拟城区，甚至可以在这些虚拟城区中建虚拟建筑，使用数字货币，提供商业活动。区块链的完善就可以保护个人的虚拟资产。但是元宇宙的理念目前还是有点模糊。它的实际用途也还不确定。而且，现在元字宙还是以沉浸的方式活动，比较不方便，有待新技术的优化。

这是数字技术发展过程中的一些故事。目前,数字技术在高速发展,我们现在学的东西很快又变成新的故事了！