劉鈺勝
(北京優(yōu)锘科技股份有限公司,北京 100015)
近年來,隨著以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的新興數(shù)字技術快速發(fā)展,數(shù)字經濟已成為經濟發(fā)展中創(chuàng)新最活躍、增長速度最快、影響最廣泛的產業(yè)領域。數(shù)字經濟的高速發(fā)展為傳統(tǒng)產業(yè)的轉型升級帶來新的契機,同時也將增強了一個國家產業(yè)的全球競爭力[1]。當前,國家以及眾多企業(yè)均認識到數(shù)字化轉型對經濟及企業(yè)高質量發(fā)展的重要性。在國家層面,我國提出了各種促進數(shù)字化發(fā)展的指導政策。2023 年2 月,中共中央、國務院印發(fā)《數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》,提出了加快制定和修訂各行業(yè)數(shù)字化轉型應用標準的需求,并強調了優(yōu)化數(shù)字化發(fā)展環(huán)境的重要性,鼓勵在農業(yè)、工業(yè)、交通等重點領域加速數(shù)字技術的創(chuàng)新應用,以促進實體經濟與數(shù)字經濟的深度融合?!稊?shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》將數(shù)字化的重要性提升至前所未有的高度。在企業(yè)層面,企業(yè)對數(shù)字化能力的引入和拓展也在不斷增加。根據(jù)埃森哲公司《2023 年中國企業(yè)數(shù)字化轉型指數(shù)》的研究,超過半數(shù)(53%)的中國企業(yè)計劃繼續(xù)加大數(shù)字化投資,并希望通過利用數(shù)字孿生技術來更有效地完成其數(shù)字化轉型。
在這種時代背景下,數(shù)字孿生技術作為數(shù)字化領域的一種先進和綜合性技術,受到各行各業(yè)的廣泛關注。為了讓數(shù)字孿生技術更好地服務企業(yè)數(shù)字化轉型,本文旨在分析數(shù)字孿生技術的能力和其滿足數(shù)字化轉型技術需求的方式,以及數(shù)字孿生支撐企業(yè)的數(shù)字化轉型過程。
關于數(shù)字孿生的起源業(yè)內有兩種不同的觀點:一種觀點認為,孿生最早的概念起源于NASA 的阿波羅計劃,當時首先使用了物理孿生,為航天器打造了1:1 的物理孿生體,這個物理孿生體是一個完全復制了實際航天器的模型,包括其結構、材料和組件等。通過對這個物理孿生體進行各種測試和實驗,科學家們可以更好地了解航天器的性能和行為,以及在不同環(huán)境和條件下的響應和適應能力。然而,隨著計算機技術的發(fā)展,NASA 科學家們意識到將物理孿生轉變?yōu)閿?shù)字孿生是一個更加靈活和高效的方法。數(shù)字孿生利用計算機模型和仿真技術,可以更加準確地模擬和預測真實系統(tǒng)的行為和性能,而無須依賴于實際物理模型[2]。另一種觀點認為,數(shù)字孿生的概念最初由Grieves 教授于2003 在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出,并被定義為信息鏡像模型,包括實體產品、虛擬產品以及二者之間的連接。但由于當時技術和認知上的局限,數(shù)字孿生的概念并沒有得到重視。直到2011 年,美國空軍研究實驗室和NASA 合作提出了構建未來飛行器的數(shù)字孿生體,并定義數(shù)字孿生是一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型,能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應實體的功能、實時狀態(tài)及演變趨勢等,隨后數(shù)字孿生才真正引起學者和業(yè)界的關注。一些學者在NASA 提出的概念基礎上進行了補充和完善,認為數(shù)字孿生不僅面向飛行器等復雜產品,還應面向更加廣泛、通用的產品[3]。
盡管數(shù)字孿生的起源存在爭議,但這并未阻礙其技術應用的推廣。航空制造商洛克希德·馬丁公司開始響應美國空軍對飛行器數(shù)字孿生的需求,在工業(yè)制造領域實踐這一技術。緊隨其后,GE、西門子等工業(yè)制造巨頭也開始引入并應用數(shù)字孿生技術。同時,IT 界認識到數(shù)字孿生在新一代信息數(shù)據(jù)中的重要性。著名的IT 研究與咨詢公司Gartner,連續(xù)三年(2016—2018 年)將數(shù)字孿生列為年度十大戰(zhàn)略科技趨勢之一,引發(fā)業(yè)界廣泛關注。特別是隨著2021年元宇宙概念的興起,數(shù)字孿生作為元宇宙尤其是工業(yè)元宇宙的核心技術,越來越受到公眾的認識和關注。
目前,相關專家學者們對數(shù)字孿生的概念持有多樣化的認知和解釋,尚未形成一個統(tǒng)一且廣泛認可的定義。這種多元化的理解反映了數(shù)字孿生技術在各領域應用的復雜性和多樣性。北京航空航天大學的陶飛教授在《數(shù)字孿生十問:分析與思考》中對數(shù)字孿生的定義進行了總結歸納[4],指出物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務是數(shù)字孿生的核心要素,且不同階段(如產品的不同階段)的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點,對數(shù)字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。因此,從應用和解決實際需求的角度出發(fā),不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有理想特征,只要能夠滿足用戶的具體需要即可。
本文認為,數(shù)字孿生作為一種普適性的應用型信息技術,能夠與不同領域和行業(yè)有效融合。在實際應用過程中,各個領域和行業(yè)根據(jù)自身的技術需求,對這一概念進行了特定的解釋和擴展,進而導致了其定義和概念的持續(xù)發(fā)展。因此,不應過度追求一個全面而泛化的定義,而是應當超越現(xiàn)有的分歧,共同探索和建立一個共識性的技術理解。基于此,本文認為“數(shù)字孿生應該是一種以支撐業(yè)務發(fā)展為目標,通過對實體對象 (可以是物理或邏輯實體) 進行數(shù)字建模,并保持與實體對象之間以特定的精度和頻度進行雙向數(shù)據(jù)交互,以充當實體對象的數(shù)字代理來提供數(shù)字服務”。
數(shù)字孿生在各個行業(yè)的應用非常廣泛,涵蓋航空航天、工業(yè)制造、水利、醫(yī)療、能源、通信、城市管理等多個領域。從業(yè)務角度來看,數(shù)字孿生的應用可以歸結為4 個方向,即:數(shù)字工程、實時推演、數(shù)字代理和可視化表達。
數(shù)字工程主要是通過建立數(shù)字孿生模型,以優(yōu)化產品設計、生產制造和設備運行,從而提高生產效率和質量。數(shù)字孿生模型能夠協(xié)助企業(yè)在設計和生產階段進行虛擬測試和優(yōu)化,減少實驗和試錯成本,提高產品的可靠性和品質。這一方向將數(shù)字孿生融入了產品的整個生命周期,以數(shù)字主線進行串聯(lián),在航空與工業(yè)制造業(yè)得到了廣泛應用[5]。
實時推演主要是通過對實體對象建立數(shù)字孿生模型,引入實時仿真功能來模擬和預測系統(tǒng)的運行情況,進而幫助決策者制定合理的決策和應對策略。數(shù)字孿生模型融入了仿真算法,可以實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài),識別問題并提供解決方案,從而減少故障和停機時間,提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[6]。
數(shù)字代理主要是基于業(yè)務管理對象進行數(shù)字建模,融合IT、IOT、工控等數(shù)據(jù)與控制能力,從而形成數(shù)字孿生體,為上層應用系統(tǒng)提供數(shù)字連接服務。數(shù)字孿生體作為管理對象的數(shù)字化替代,使上層應用通過所需的數(shù)字孿生體來獲取數(shù)據(jù),并通過數(shù)字孿生體與實體對象進行交互。數(shù)字代理的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)實體對象的管理方式,實現(xiàn)了實時監(jiān)測和控制、數(shù)據(jù)集成和分析、自動化和智能化、遠程協(xié)作和服務等能力,從而為上層應用系統(tǒng)提供了更全面、高效和智能的服務。
可視化表達主要是通過建立數(shù)字孿生模型,實現(xiàn)系統(tǒng)運行情況和變化趨勢的可視化表達,有助于決策者更直觀地理解和分析數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生的三維可視化模型能夠將復雜的數(shù)據(jù)和信息轉化為可視化的圖像和動畫,幫助決策者更好地理解和分析數(shù)據(jù),進而制定更為合理的決策和應對策略。
企業(yè)數(shù)字化沒有標準的定義,有些企業(yè)認為數(shù)字化就是“互聯(lián)網(wǎng)+”,或者是信息化的升級。團體標準T/AIITRE 10001—2020《數(shù)字化轉型 參考架構》對數(shù)字化轉型的描述是:數(shù)字化轉型是將基于工業(yè)技術專業(yè)分工取得規(guī)模化效率的發(fā)展模式逐步轉變?yōu)榛谛畔⒓夹g獲取多樣化效率的發(fā)展模式。雖然業(yè)內對數(shù)字化轉型的定義沒有達成一致,但有些公司是大家普遍認同的數(shù)字化公司。例如,傳統(tǒng)出租車公司一般不被認為是數(shù)字化公司,但同樣出行領域的網(wǎng)約車公司則被認為是數(shù)字化公司。兩者的區(qū)別不在于新技術引入或信息化系統(tǒng)建設,而在于業(yè)務形態(tài)的差異。
從業(yè)務形態(tài)上分析,傳統(tǒng)出租車和網(wǎng)約車在出行活動中的業(yè)務模式發(fā)生了重大變化。傳統(tǒng)出租車依靠在路上巡游來尋找乘客,而乘客則通過路邊揮手來攔截出租車。上車后,乘客通過口頭表達目的地,司機根據(jù)自己對城市的理解選擇路線,最終將乘客送到目的地,并通過現(xiàn)金結算完成交易。而網(wǎng)約車通過數(shù)字化能力對這一出行過程進行了重構。
數(shù)字化相對于傳統(tǒng)模式最明顯的變化是需求感知在線化、資源控制在線化和任務決策自主化。首先,網(wǎng)約車平臺通過在線化的需求感知,能夠實時獲取乘客的需求信息。乘客只需通過手機發(fā)送起點和終點,平臺便能準確地獲取乘客的需求,并進行派單。這種在線化的需求感知使乘客的需求能夠更加準確地被捕捉到,提高了乘客出行的便利性和效率。
其次,網(wǎng)約車平臺通過在線化的資源控制能夠根據(jù)乘客的需求派發(fā)合適的車輛。通過調度算法,平臺能夠將最適合的車輛派送給乘客,提供更加個性化和高效的服務。這種在線化的資源控制使得車輛利用率得到提高,同時也減少了乘客的等待時間。
最后,網(wǎng)約車平臺通過實時監(jiān)測交通路況信息,依托自主化的任務決策來根據(jù)路況信息,為司機提供最優(yōu)的行車路徑,避開擁堵,提高出行效率。這種自主化的任務決策使司機能夠更加準確地選擇行車路線,為乘客提供更加流暢的出行體驗[7]。
綜上所述,網(wǎng)約車行業(yè)通過其數(shù)字化能力對傳統(tǒng)出租車的業(yè)務模式進行了根本性地重構,體現(xiàn)在需求感知的在線化、資源控制的在線化以及任務決策的自主化。這些變革顯著提高了網(wǎng)約車在滿足乘客需求和優(yōu)化服務體驗方面的效率。
然而,對于傳統(tǒng)企業(yè)來說,數(shù)字化路徑與新興的網(wǎng)約車企業(yè)有著本質的區(qū)別。具體而言,傳統(tǒng)企業(yè)在進行數(shù)字化轉型時,并不是像網(wǎng)約車公司那樣從頭開始構建全新的數(shù)字化系統(tǒng)。相反,他們面臨的挑戰(zhàn)是在現(xiàn)有的信息化和自動化系統(tǒng)基礎上進行改造升級。這就意味著傳統(tǒng)企業(yè)必須在保持現(xiàn)有系統(tǒng)運行的同時,引入數(shù)字融合能力來實現(xiàn)新舊系統(tǒng)的有效整合。數(shù)字融合的能力旨在將需求感知在線化、資源控制在線化和任務決策的自主化能力融入企業(yè)現(xiàn)有的技術架構中,這不僅要求技術的深度集成,還需要業(yè)務流程和管理決策上的創(chuàng)新思維。
因此,傳統(tǒng)企業(yè)在數(shù)字化轉型過程中,不僅要具備需求感知的在線化、資源控制的在線化以及任務決策的自主化能力,還需要數(shù)字融合能力來解決新舊技術的融合挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)企業(yè)在數(shù)字化轉型時需要關注4 個核心能力領域,即需求感知在線化、資源控制在線化、任務決策自主化以及數(shù)字融合的全面實施,這些領域的綜合應用構成了數(shù)字化轉型的基石。企業(yè)必須掌握并應用一系列關鍵的數(shù)字化技術,才能有效應用這些能力。
企業(yè)要實現(xiàn)需求感知在線化,一方面需要利用大數(shù)據(jù)分析、云計算和高級數(shù)據(jù)挖掘技術來實時捕捉和分析市場動態(tài)、客戶需求和行業(yè)趨勢;另一方面,企業(yè)已有的信息化系統(tǒng)如CRM(客戶關系管理)和ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)等也需要協(xié)同運作,以便更全面地理解市場和客戶數(shù)據(jù)。此外,移動互聯(lián)網(wǎng)技術在此過程中也扮演著至關重要的角色,尤其是在收集和處理與人員相關的動態(tài)信息方面,如客戶行為數(shù)據(jù)、銷售團隊的市場反饋等,以增強企業(yè)對市場的敏感度和響應速度。
為了落實資源控制在線化能力,企業(yè)需要將物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術、自動化系統(tǒng)和智能傳感器融入現(xiàn)有的信息化和自動化基礎設施中。這種融合可以提高企業(yè)對生產線、供應鏈和內部運營的監(jiān)控和管理效率。例如,通過物聯(lián)網(wǎng)技術與自動化生產系統(tǒng)的結合,企業(yè)可以更精準地控制生產流程和物料使用,而智能傳感器可以提供實時數(shù)據(jù),支持快速決策和響應。此外,移動互聯(lián)網(wǎng)技術在資源控制在線化中同樣重要,特別是在實現(xiàn)對現(xiàn)場操作人員的實時通信和管理方面。
任務決策自主化在企業(yè)數(shù)字化轉型過程中起到了核心作用,其實質是基于需求分析計算來制定有效的執(zhí)行策略。實現(xiàn)這一能力的關鍵技術可歸納為專家決策系統(tǒng)、基于機器學習的人工智能決策以及仿真推演技術。其中,專家決策系統(tǒng)技術是依托經驗豐富的專家知識和經驗,將這些知識和邏輯固化于系統(tǒng)中,以實現(xiàn)業(yè)務決策。這種技術特別適合那些任務明確、對響應速度有較高要求的決策環(huán)境,其優(yōu)勢在于能夠迅速且有效地處理和分析標準化或常規(guī)化的業(yè)務場景。而基于機器學習的人工智能決策技術則是通過訓練神經網(wǎng)絡等算法來建立決策模型。這一過程依賴于大量的業(yè)務數(shù)據(jù)。這種技術適用于有著豐富歷史數(shù)據(jù)支撐的決策環(huán)境,尤其適合那些對決策精確度要求極高的場景。仿真推演技術則是通過模擬業(yè)務場景并通過對不同參數(shù)的調整和結果預測來支持決策。這種技術特別適用于那些需要對決策結果進行多次驗證和分析的場景,如復雜的戰(zhàn)略規(guī)劃和風險評估。然而,仿真推演技術通常需要較強的計算能力和高度專業(yè)化的知識輸入,以確保模擬的準確性和可靠性。這3 類技術在任務決策自主化領域各有所長,能夠提供不同場景下的有效決策支持,幫助企業(yè)在數(shù)字化轉型過程中實現(xiàn)更高效和精準的決策能力。
數(shù)字融合能力的核心在于將需求感知在線化、資源控制在線化和任務決策自主化能力有效整合到企業(yè)現(xiàn)有的技術架構之中。這一過程不僅要求企業(yè)具備精湛的架構設計能力,還需要深入的數(shù)字集成和重構能力。這意味著企業(yè)不僅要進行現(xiàn)有系統(tǒng)的集成,還要能夠將新興的數(shù)字技術與傳統(tǒng)系統(tǒng)融合,創(chuàng)造出一個協(xié)調且高效的數(shù)字化運營環(huán)境。
具體而言,企業(yè)要建立數(shù)字集成總線,應對現(xiàn)有系統(tǒng)與新技術進行數(shù)字化、服務化管理,在此基礎上根據(jù)其業(yè)務的管理對象和管理流程建立數(shù)字模型,并通過數(shù)字模型來準確地反映現(xiàn)實操作。進一步來說,企業(yè)還應將數(shù)字模型能力封裝成數(shù)字化服務,并為自主決策進行計算以及供數(shù)字交互的應用系統(tǒng)進行調度使用。數(shù)字融合不僅是技術層面的挑戰(zhàn),更是對企業(yè)在組織結構和運營模式上的全面革新。通過這種深度融合,企業(yè)不僅能夠更好地適應數(shù)字化時代的需求,也能提升其在市場上的競爭力和創(chuàng)新能力。
數(shù)字孿生作為一種數(shù)字化技術,可為企業(yè)數(shù)字化提供多方面的支持。針對上文提出的企業(yè)數(shù)字化技術需求,數(shù)字孿生可提供數(shù)字融合和任務決策自主化的能力支撐。此外,在數(shù)字化應用層面,數(shù)字孿生還可以提供人機交互和決策理解能力的支撐。
當前,企業(yè)數(shù)字化轉型并非從零開始,往往是在已有的IT 信息化和自動化基礎上進行的。已有的信息化、自動化系統(tǒng)其實已經完成了一部分需求和資源在線化的工作,但都是獨立分散且封閉的,這些需求和資源僅在系統(tǒng)內可感知、可調用,但無法被其他的應用、算法所消費。而數(shù)字孿生通過將實體對象數(shù)字化,使其與數(shù)字系統(tǒng)連接,實現(xiàn)了實體與數(shù)字的融合。數(shù)字孿生體作為實體對象的數(shù)字代理,可以獲取實時的數(shù)據(jù)和信息,并將其與其他數(shù)字系統(tǒng)進行集成和分析。這種數(shù)字融合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交流,提高數(shù)據(jù)的利用效率,從而支持企業(yè)的數(shù)字化轉型。
北京優(yōu)锘科技公司在為某電力企業(yè)設計的落地數(shù)字化方案中,采用了以管理的實體對象為核心進行建模的方法,打通各類異構的信息化、自動化系統(tǒng),將不同的信息、數(shù)據(jù)、能力融合為一個個數(shù)字孿生體,并將數(shù)字孿生體封裝為數(shù)字化的服務,供上層的數(shù)字化應用使用。這種以數(shù)字孿生為核心的數(shù)字融合模式,幫助電力企業(yè)建立了統(tǒng)一的數(shù)字融合平臺,從管理視角進行了數(shù)字化的建模梳理,形成了數(shù)字服務配合交付的零代碼開發(fā)平臺,讓該企業(yè)的員工通過拖、拉、拽自定義各類所需的數(shù)字化應用,解決了企業(yè)數(shù)字化轉型過程中專業(yè)開發(fā)編程人員稀缺的問題,讓業(yè)務人員可以進行數(shù)字化應用的開發(fā)。
數(shù)字孿生通過對實體對象建立數(shù)字孿生模型,引入實時仿真能力模擬和預測系統(tǒng)的運行情況,幫助決策者制定合理的決策和應對策略[8]。這一能力正是企業(yè)實現(xiàn)自主決策三大技術之一的仿真推演所需的能力。具體為基于當前的業(yè)務狀態(tài),形成一個數(shù)字化的副本,通過預設未來某些參數(shù)變化,運行推演過程,得到運算結果,并通過不同的參數(shù)設計與結果對比得到一組最優(yōu)的參數(shù),從而指導企業(yè)的決策執(zhí)行。
數(shù)字孿生的實時推演能力也廣泛應用在不同行業(yè)與領域,包括工廠設計、汽車制造、交通管理、物流倉儲等。在物流企業(yè)的倉儲數(shù)字化設計中,企業(yè)為了提高倉儲物流效率,需要解決生產線如何布局排放、AGV 機器人參數(shù)如何設定等問題。然后,可以根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)狀與未來的規(guī)劃,建立1:1 的數(shù)字環(huán)境,通過數(shù)字化程序不斷調整產線布局和AGV 機器人運行參數(shù),查看單位時間內貨物出入庫效率與成本以進行方案選擇與分析,從而得出最優(yōu)的布局與機器人運行參數(shù)的設定方案。
企業(yè)在數(shù)字化過程中,一方面需要通過數(shù)字化能力重新塑造業(yè)務形態(tài)和模式,提升效率并探索新的商業(yè)模式;另一方面,數(shù)字化也應重視人員的體驗升級,而內部員工在面對不同的數(shù)字化系統(tǒng)和使用不同的操作管理面板時,很難獲得更好的體驗[9]??梢暬瘎t可以很好地解決這個問題,可視化是數(shù)字孿生的重要應用方向之一,通過三維和二維能力的使用,可以將不同維度的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)重新組織和整合,以用戶的應用場景為主線,形成新的人機交互界面,從而提高員工的數(shù)字化體驗,并降低人機交互的復雜度。
隨著數(shù)字化應用的普及,企業(yè)決策過程正在逐漸從“人工決策”轉變?yōu)椤叭藱C共決”。然而,數(shù)字化系統(tǒng)的決策過程往往是一個黑盒應用,人們無法準確判斷決策結果是否合理,尤其是基于海量信息處理和分析后的決策結果。數(shù)字孿生通過將實時演練和視覺呈現(xiàn)能力相結合,可以很好地幫助人類理解程序的決策和算法,避免人類成為“人機共決”的弱勢群體,出現(xiàn)數(shù)字化決策脫離人類掌控的情形。
當前,數(shù)字孿生在企業(yè)數(shù)字化的決策理解方面具有重要作用。傳統(tǒng)的決策過程依賴人工經驗和直覺,而數(shù)字孿生通過實時推演和3D 動畫還原能力,幫助人們理解數(shù)字化系統(tǒng)的決策過程和算法所做的各種決策。數(shù)字孿生的可視化展示幫助決策者理解決策的原因和結果,并根據(jù)需要進行調整和優(yōu)化,提高決策的準確性和效率,同時增強決策者對數(shù)字化系統(tǒng)的信任和接受度,不僅能為企業(yè)提供決策依據(jù),還能還原不同的決策過程和后續(xù)演化過程,讓決策者能夠“通曉過去,理解當下,預見未來”。
本文對數(shù)字孿生的起源、定義及關鍵技術進行了簡要介紹,并分析了企業(yè)數(shù)字化轉型需要具備的需求感知在線化、資源控制在線化、任務決策自主化、數(shù)字融合4 大能力,以及實現(xiàn)4 大能力的技術需求,并針對數(shù)字孿生如何支撐企業(yè)數(shù)字化的技術需求進行分析。數(shù)字孿生作為企業(yè)數(shù)字化轉型的關鍵技術,在一些實際項目中已有初步應用,但僅限于可視化、監(jiān)控、預測性維護等有限的應用場景中,還有更多的應用場景值得繼續(xù)探討和研究。隨著技術的快速發(fā)展,行業(yè)對數(shù)字孿生的認知更加成熟,且國家和行業(yè)層面的政策扶持,使數(shù)字孿生在企業(yè)數(shù)字化轉型中擁有廣闊的發(fā)展前景。