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数字基建：通向数字孪生世界的“铁公基”
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来源：信息通信技术与政策
作者：安筱鹏
安筱鹏
博士，“中国信息化百人会”成员。
摘要：立足数字经济发展和数字孪生世界构筑，系统论述了数字基建的基本含义，深入剖析了数字基建架构体系和特征规律，提出数字基建是构筑数字孪生世界的“铁公基”，将成为促进经济高质量发展和满足人民美好生活的重要支撑。
关键词：数字基建；数字经济；数字孪生
2020年以来，中央多次强调要加强新型基础设施建设，引起社会各界广泛关注。相比传统基建，数字经济时代的新基建有着全新的内涵和能效，是通向数字孪生世界的“铁公基”，更将成为未来引领数字经济发展的关键动能，我们应该以新的视角、新的思路、新的方法认识和解读数字基建。
新型基础设施概念被提出以来，各界围绕其范畴界定、建设重点、战略价值等不同维度进行了广泛的研究和讨论。为了更深刻地理解和把握其战略内涵，需要对基础设施进行重新审视，用数字经济而非工业经济的逻辑对其进行系统剖析和解读。
2.1 基础设施内涵
基础设施是支撑经济社会运行的泛在服务载体。理解这一概念，需从4个方面把握4个关键词：“支撑”“泛在”“服务”和“载体”。一是核心地位，基础设施的核心价值体现在支撑性和泛在性两个方面，支撑性是指经济社会运行离不开，泛在性是提供给更多的企业、组织、个人去使用，具有较强的外部性；二是基本形态，铁路、公路、电网、通信、管网等大部分基础设施具有网络化特征；三是价值实现，基础设施是通过端到端的服务交付创造和体现自己的价值；四是供给模式，基础设施提供端到端的服务，是基于多种功能、多种要素、多种技术的体系化集成，具有规模经济的特征。
2.2 新基建的主要论调
目前，关于新基建的诸多观点主要有4种。第一种是“箩筐论”，即把各种概念放在新基建这个箩筐里；第二种是“五官争功论”，即对新基建的认知只见树木不见森林，缺乏整体观；第三种是“砖头论”，即误把构建基础设施的原材料当成基础设施本身，事实上，无序堆放的砖头并不能形成泛在化的服务体系；第四种是“静态论”，即认为基础设施建成后大部分内容将被固定下来，而几乎不会有进一步的演进和升级。以上4种对新基建的认识和理解都不够清晰,要想深刻理解新基建，必须多层次、多维度地审视新基建的建设、运行、维护和创造价值规律。
2.3 数字基建内涵、意义和架构体系
从基础设施的视角看，数字技术在解构一个旧世界，建立一个新世界，即一个数字孪生世界。数字孪生世界，就是在比特的世界中构建物质世界的运行框架[1]和人类社会大规模协作新体系，通过物理世界与数字孪生世界的相互映射、实时交互、高效协同，实现物理世界管理、服务由实入虚，并反过来改变、促进物理空间要素优化配置，由虚入实，开辟数字治理新模式[2]。从这个意义上来看，数字基建是构建数字孪生世界大厦的“地基”。
当前，伴随着新需求的不断迭代，数字技术与传统基础设施不断融合创新，正在形成新的技术架构体系。总的来说，数字基础设施包括数字技术基础设施、数字商业基础设施、新型物理基础设施3个部分。
一是数字技术基础设施。数字技术基础设施是“数据+算力+算法”所构建的通用技术平台。在这个技术平台上，数据需要MEMS传感器、IoT、摄像头对物理世界人、货、场的数据进行采集，实现物理世界数字化。算力就是云计算、边缘计算等计算、存储资源，需要建设大数据中心、边缘计算中心等来对其进行支撑。算法是人工智能、数字孪生以及各种流程模型与商业模型。而“ +”就是5G、NB-IoT、时间敏感网络、宽带等，能把数据、算力、算法及物和人等主体连接起来。
二是数字商业基础设施。回顾ICT产业60年的发展史，解耦和重构一直是技术和产业发展的主线，传统商业、制造、流通 、医疗、教育体系需求不断演进，逐渐形成了一层更高效满足政府、企业和个人需求的平台化商业基础设施，包括电子商务平台、物流平台、工业互联网平台、生活服务平台、公共出行平台、文化娱乐平台等，这些综合服务平台构成了数字商业基础设施的主要内容。
三是新型物理基础设施。数字技术不断融入传统的铁路、港口、公路、电网、城市管网等基础设施，推动后者持续进行数字化改造和升级，使其成为更加智能、便捷、高效的新型物理基础设施。新型物理基础设施和数字基础设施一起，服务于政府、企业与个人，推动人类社会迈向数字社会新时代。
能看到多远的过去，就能看到多远的未来。基础设施是经济社会运行的底座，其切换和重构是一个长期的过程，分析和理解基础设施的演进规律，必须用发展的眼光和长周期的视角，需要全局观、未来观，既要关注当下，也要看终局；既要看到局部，也要看到全局。
3.1 历次产业革命与基础设施演进关联
每次产业技术革命始终伴随着新型基础设施的兴起。英国演化经济学家佩蕾丝曾经提出一套技术—经济的范式，把工业革命划分成五次产业与技术革命。纵向来看，历次产业革命都离不开新型基础设施的支撑和引领。
第一次产业技术革命以1771年英国阿克莱特在克隆福德设立工厂为标志，当时的基础设施是运河与水道、收费公路、水力（经过重大改良的水力涡轮）；第二次产业技术革命以始于1829年的蒸汽动力机车火箭号在英国试验成功为标志，当时的基础设施包括铁路（蒸汽动力）、普遍的邮政服务、电报（主要在一国铁路沿线）、大型港口和航行世界的轮船、城市煤气；第三次产业技术革命始于1875年的卡内基酸性转炉钢厂在匹兹堡开工，人们进入钢铁、电力、重工业时代，当时的基础设施包括钢制的高速蒸汽轮船在世界范围内的航运、世界范围的铁路、大型桥梁与隧道、世界范围的电报、电话（一国范围）、电力网络（照明与工业）等；第四次产业技术革命以1908年福特产出T型车为标志，当时的基础设施包括公路、港口、高速公路和机场组成的交通网络，石油管道网络，普遍的电力供应，世界范围内的远程通信等；第五次产业技术革命以1971年英特尔微处理器发明为标志，人们迈向信息和远程通信时代，当时的基础设施包括数字远程通信、互联网服务、多种能源、高速物流运输系统等。
每次产业技术革命历时约45 ~ 60年，从基础设施的角度可以分为两个阶段，即前30年的安装期（Installation）和后30年的拓展期（Deployment），新型基础设施的安装期往往是新旧两种制度的对抗期，这一时期新的产业技术兴起，新型基础设施逐步普及，传统利益格局、产业体系、制度文化被迫重构。截至目前，第五次产业技术革命已有近50年时间，未来20 ~30年将是新一轮基础设施的安装期，我们正处于新一轮产业革命关键阶段。
3.2 基础设施切换与重构是长期过程
基础设施从研制到推广不是一蹴而就的，而是循序渐进的。以电力基础设施为例，从灯泡的发明，到电力的应用普及，并最终成为工业基础设施，整个过程持续了近50年时间。1879年，爱迪生研制出持续发光的白炽灯泡，使电子照明成为现实，19世纪80年代，电力用途从照明扩展至交通运输和工业生产，需求量急剧增长。但出于企业家们对中央电厂安全性的担忧，电力的使用一开始大多依靠企业自建电厂。据统计，20世纪初，全美有5 万个企业自建电厂，其中专业的中央电厂只有3600 座。此后，技术的发展和电网的规模经济使美国大型中央电厂逐步普及，公用电网在美国供电格局中的比例迅速上升，1907年公用电网占比为40%，到20世纪20年代达到70%，30年代升至80%，并很快达到90%以上。至此，“中央电厂+电网”的模式成为当时工业文明的基础设施。
3.3 数字基建将迎来长期迭代与升级
可以预见，未来十年是新型基础设施的安装期，全球数字经济最重要的主题之一是数字基础设施的重构、切换与迁徙，及基于新型数字基础设施的商业生态再造。以物联网、云计算、边缘计算、人工智能、移动化、数字孪生等为代表的智能技术群落，将在不断融合、叠加和迭代升级中，为未来经济发展提供高经济性、高可用性、高可靠性的技术底座，并推动人类社会进入一个全面感知、可靠传输、智能处理、精准决策的万物智联（Intelligence of Everything）时代[3]。
新技术正带领我们走向一个数字孪生的新世界，这一历史进程将持续二三十年。数字社会的终极版图就是在赛博空间构建一个与物理空间泛在连接、虚实映射、实时联动、精准反馈、系统自治的数字孪生世界。伴随着新技术、新方法、新模式的持续创新，物理世界与数字世界的交互将实现从静态、动态向实时不断演进，这将驱动赛博空间的数字孪生无限逼近真实物理空间，基于“物理实体+数字孪生” 的资源优化配置将成为数字经济的终极目标。传统基础设施走向数字基础设施的进程将呈现出一些新的特征和规律。
一是从运营体系来看，传统基建支撑的是工业经济，数字基建支撑的数字经济。在工业社会，交通运输、管道运输、电力设施等作为重要的基础设施，对支持资源交换、商品流通和工厂生产等发挥了重要作用，是工业经济发展的基石。数字基建则支撑数字经济发展，一方面，数字基础设施本身的建设和迭代升级将带来一系列投资乘数效应。以5G为例，未来5年，5G网络投资额将在0.9 万亿元 ~ 1.5 万亿元，预计到2025年其带动的设备和服务支出将分别达到1.4 万亿和0.7 万亿元[4]；另一方面，数字基建将推动数字技术与农业、工业、服务业等产业融合，通过技术改造、设备更新，助力产业转型升级，提升经济发展质量和效益。如工业互联网在2020年的经济增加值将达到3.1 万亿元，其中融合带动的经济增加值将达到2.49 万亿元，预计其对国民经济增长的贡献率将从2018年的6.7%跃升至2020年的11%[5]。
二是从建设对象来看，传统基建构造的是一个物理世界，数字基建构造的是一个数字孪生世界。传统铁路、公路、机场和房地产等组成的传统基建具有非常明显的重资产特征，需要较高的投入且伴随着大量折旧。数字基建则通过全域全量的数据聚集、高性能的协同计算，在深度学习的机器智能平台上构建物理世界运行的信息集成模型，形成一个与物理世界对应的数字世界，其本质是一个数据闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策等，实现对现实世界的监测、诊断、管理和服务，全面提高物理资源配置效率，实现社会治理、民生服务、产业发展的协同运转。
三是从建设材料来看，传统基建最基本的材料是原子，而数字基建通过原子与比特构造一个数字孪生的世界。在工业经济时代，传统基建的主要建设材料是钢材、木材、水泥等有形消耗品，具有具体的实物形态，操作门槛低，且往往具有污染排放、耕地占用等负外部性。数字基建的操作对象则主要是多源多元复杂数据，包括反映社会运行的政务数据、反映行业发展的行业数据、反映设备运行的传感数据等，借助各类各级数据处理平台构建可视化模型，进行数据的采集、保存、分析，支撑对物理世界的监测、分析和决策，助力技术变革、经济发展和社会治理。
四是从运行方式来看，传统基建的建设、运营相对独立，数字基建更注重多种技术集成的“核聚变”。传统的机场、铁路、港口、电力等基础设施是独立的、割裂的，其建设运营往往受到物理空间的限制，带动的生产要素流动也往往局限于行业内部。数字基建是基于多种技术集成的“核聚变”所带来的价值综合体，其本质是IoT+5G+云+AI+数字孪生所构筑的数字基础设施体系，在这套数据+算力+算法的功能体系中，技术迭代频率更快、相互依赖性更强、演进速度更快，只有实现人工智能、5G、互联网、大数据、云计算、区块链等多种技术综合运用和集成创新才能够创造价值，从而构建更加完整的映射，实现对物理世界的描述、诊断、预测、决策闭环。
五是从作用方向来看，传统基建的后向投资拉动效应明显，数字基建的前向数字红利更值得期待。传统基建的主要考察因素在于拉动后端经济，更多强调行业本身带动多少投资，或从外延层面拉动相关产品需求。数字基建则更注重在前向给社会、消费者、企业、政府、学校、医院创造更多数字红利，从而带动产业升级和经济社会发展[6]。
在零售领域，互联网、电子商务实现了更高的投入产出比。按传统营销模式，我国零售营业面积只有18 平方米/千人，远低于美国的1105 平方米/千人。但在数字互联网时代，受益于消费互联网的快速发展，中国能低成本地复制数字商业基础设施，更高效地满足消费者、企业和政府需求。根据阿里研究院的研究，每1 元投入带动的线上销售额是49.6 元，而线下仅为12.5 元[7]。
在金融领域，数字支付平台用更低成本创造了更高的价值。国际咨询机构BCG曾做过分析，由于互联网支付及移动支付的出现，2011—2020年中国减少了1 万亿元对各种移动支付、金融支付的基础设施的投入。2011年美国万人POS机的拥有量是中国的8 倍，人均银行卡拥有量是中国的8 倍，而2018年中国互联网支付业务量为1270.64 亿笔，金额为2176.45 万亿元，同比分别增长31. 12%和2. 96%[8]。
需要注意的是，数字基础设施所带来的红利，有些是可以衡量的，有些用经济学的方法仍然不能衡量，很多互联网价值、消费者的福利，并没有被统计到国内生产总值（GDP）中。美国联邦储备委员会试图评估互联网服务对经济的价值以帮助解决现代经济悖论之一：美国当前经济扩张是历史上持续时间最长的，但生产率增长乏力，GDP增长稳定但并不出彩。美国联邦储备委员会主席鲍威尔认为，问题可能出在数据本身，GDP衡量在特定年度内生产的最终产品与服务的价值，但是互联网时代许多创新技术（如搜索引擎、电子邮件、GPS）是免费的，经济统计数据模型并不能捕捉它们给企业和消费者带来的利益。《 第二次机器革命》的作者埃里克·布莱恩约弗森在2019年也做了类似的研究，评估用户对现代生活工具的货币价值，他提出了一个新的指标GDP-B，用来测量数字经济时代这些免费商品的福利贡献[9]。研究表明，一个中等活跃用户，放弃使用Facebook一个月的平均成本是48 美元；放弃使用YouTube等流媒体一年，平均花费是1173 美元；停止使用搜索引擎，则平均花费达到17530 美元。
六是从价值体现来看，传统基建更注重“连接”价值，数字基建更强调“赋能”价值。传统铁路、公路、水运等“铁公基”的核心价值在于连接，通过对物流、人流、能源流、资金流的流通构建现代社会运营的基础，降低交易成本、提高生产效率。数字基建的核心价值则在于赋能，通过智能工具“赋能” 各类主体，精准决策、优化资源配置效率，从而带动传统产业不断升级和新兴产业兴起，实现社会有序运转和经济持续增长。在中国抗击新冠肺炎疫情的过程中，数字基础设施的“赋能”特性充分发挥了“稳定器”的作用，有效保证了疫情期间工作、生活的有序进行。在疫情防控领域，浙江首创健康码并推广至全国，叩开了城市数字化治理的大门；在在线办公领域，钉钉、WeLink、友空间等远程办公平台深入推进，赋能企业和员工拓展线上业务能力；在在线教育领域，钉钉视频支持全国350万教师、1.2 亿学生视频上课[10]；在生活服务领域，买菜平台业务量创新高，每日优鲜2020年3月的消费额同比增长51%，盒马APP线上订单比2019年同期增长290%[11]；在在线问诊领域，搜狗搜索联合丁香医生、好大夫、微医等11家在线问诊平台提供24h线上服务[12]。数字基建日益成为提升企业竞争力、驱动经济增长、创造更多就业机会等方面的坚实支撑。
此外，数字技术也在不断推动传统物理基础设施的解构与重组，加速新IT基础设施的融合与切换。从基础设施的视角来看，数字技术正带来两场巨大的变革：一个是传统物理基础设施体系的解构与重组，另一个是传统IT基础设施的升级与切换，这两场变革相互交织、相互影响。如同100多年前自营电厂衰落与中央电厂崛起，此消彼长，未来10年全球数字经济最大的主题就是数字基础设施的切换与迁徙。一方面，随着消费者的需求更加碎片化、场景化，产品数量日趋繁多，供应链体系愈加庞大，整个商业世界更加复杂，过往二三十年构建的传统IT架构及解决方案越来越难以适应。只有对传统物理基础设施进行解构和重组，构造一个基于云+5G+移动化+IoT的新的数字基础设施，才能应对这种变化，形成面向角色、面向场景、响应需求的解决方案；另一方面，传统IT基础设施也在不断升级与切换。典型的如：数字商业、电子商务正在把大商场+POS机+大商铺+停车场这些传统商业基础设施，切换到基于云+交易 APP+支付 APP+快递系统的数字商业基础设施上；支付体系正在从传统的ATM机+金融网点+POS机演变成基于云+支付APP+智能终端的新体系；政务服务的“最多跑一次”正在把原有的政务大厅、停车场等传统基础设施演变为云+政务 APP+支付APP与快递系统；社会研发体系正在从实验室+试验装置+测量设备演化到基于云+办公 APP等。
当前，数字孪生世界正在各个领域加紧实践。在制造领域，数字孪生使产品生产线、工艺研发周期大幅缩短，制造成本大幅降低；在建筑领域，数字孪生降低了建造成本，缩短了建筑工期；在医疗领域，医生可以在虚拟世界里构建一个数字心脏，通过模拟诊断、模拟手术作出科学的医疗决策，提供成功率更高的医疗解决方案。可见，数字基础设施是数字孪生世界的“铁公基”，是数字孪生世界构想落地的基础支撑和关键引擎，将为实现物理世界与数字世界动态呼应、满足物理世界运行需求、指导未来现实世界建设和运行优化发挥重要作用，为经济社会高质量发展和人民群众美好生活提供稳固支撑。
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