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大量承载“新基建”的基础设施,共享模式的“数字孪生”来了

2020
08/10
10:29

彭昭

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在7月30日召开的中共中央政治局会议中,再次强调要加快新型基础设施建设,深入推进重大区域发展战略,加快国家重大战略项目实施步伐。新基建的意义在于,促进中国的产业链升级,加快新技术、新产品的爆发和新业务模式的诞生。
 
在新基建中,隐含着一些相通的底层基础设施,数字孪生就是其中之一。它并不是一个新生事物,研究机构Gartner已经连续3年将其评为全球十大科技趋势之一;另一家研究公司Markets & Markets则预测认为,由其所撬动的市场,有可能呈现指数级增长,在未来5年增长10倍,从每年的38亿美元增长到358亿美元。
 
到底什么是数字孪生?
 
根据广泛采用的定义,数字孪生是物理实体的数字化镜像。
 
数字孪生通过将物体、系统、流程的信息,利用数字技术实时映射在数字化系统中,对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真,从而让企业实时了解资产的状态、响应变化,改善业务运营,创造新的价值。
 
数字孪生为什么重要?
 
数位孪生是推动产品创新与性能提升的底层逻辑和强大支撑。
 
用好数字孪生这个工具,可以缩短产品的研发周期、降低产品的试错成本、加速实现高度定制化的生产模式、精准的制定生产与测试环节、掌控产品的生命周期、提前拟定产品故障的应对措施、延长产品寿命,甚至改变商业模式。
 
如今数字孪生的应用场景已经完全超出了工业领域,从智慧物流、智能建筑到智慧城市,很多行业都可以借助数字孪生,搭建在虚拟世界与现实世界之间的关联关系,实现更好的监控、分析和预测。
 
虽然数字孪生的好处颇多,但是它本身并不是一个独立的存在,需要与各种物联网平台和应用相伴相生。
 
由于数字孪生这一概念的明确提出,起步于美国空军研究实验室,伴随飞机、火箭等高端装备,业内往往对它持有难以飞入寻常百姓家的刻板印象。
 
加之一些公司想走提升软件销售的捷径,过于突出3D仿真、大屏呈现和数据可视化,造成了围绕数字孪生这一概念的炒作、混乱、误解和困惑。
 
因此,这篇文章是我与树根互联高级副总裁兼首席营销官黄路川的交流所得,我们尝试正本清源的分析数字孪生的未来趋势,以及如何对其进行正确评价:
 
  • 走向普及的下一站:推进数字孪生的规模效应,投资回报按“天”计算

  • 数字孪生的认知误区有哪些?

  • 如何评价数字孪生的有效性?

01 “共享模式”助推数字孪生的规模效应

数字孪生的应用对象,主要分为最终用户和OEM两个类别。
 
  • 对应于最终用户的数字孪生,构建数字孪生的设计方和应用数字孪生使用方,是同一家企业。

 
比如宇航局、飞机制造商、冶金企业,就是最终用户的典型代表。数字孪生中的物理实体,对应的是飞机、火箭、高炉等大型设备,一套数字孪生方案的造价达到千万级、甚至上亿。
 
这类企业的研发门槛很高,最终用户运用数字孪生实现的主要目标是降低研发成本,并且通过建立虚拟模型提升设备的性能与寿命。
 
如今,很多航空航天设备只有在虚拟环境中经过验证、测试之后,才会进入实际生产。当新的设备建成后,通过安装的各类传感器,将实时数据回传,数字孪生又起到了提升设备效率,降低运维成本的作用。
 
  • 对应于OEM的数字孪生,构建数字孪生的设计方和应用数字孪生的使用方,来自不同企业。

 
比如来自食品饮料、纺织等行业的机械制造商,就是OEM的典型代表。数字孪生中的物理实体,是吹瓶机、注塑机、缝纫机等机器设备。
 
数字孪生可以通过“共享”模式,在同类设备的使用群体内,被多个企业共享,极大的降低投入资金。
 
设备出厂之后,根据不同的去向,每台设备都会对应一个独一无二的数字孪生,这些数字孪生脱胎于同一“母体”,却又“性格”迥异。它们记录了每台设备不同的运行环境和各类参数,协助设备的维护和运行。
 
这类应用更有想象空间。由于同类设备的数字孪生在很大比例上,具有可复用性,当达到规模效应时,数字孪生的成本可能极大降低,达到百元以内。其所对应的投资回报率,可能实现按照“天”为单位计算。使用者按需付费,投资的回收周期很短,马上能够看见效益。
 
已经有企业在实践这个做法。举个实际中的例子,树根互联为杰克缝纫机股份有限公司建立的缝纫设备数字孪生,为杰克产品产业链上的下游企业,包括上万家分销商、十几万家的服装企业提供服务。
 
数字孪生的应用不仅助力杰克缝纫机打造了全新的智能产品,更重要的是可以对分销商、终端客户等产业链条上的用户提供他们密切关心的核心数据和价值。
 
在牛仔裤的缝纫场景中,针间距是一个重要指标,直接衡量服装的质量是否合格。过去,针间距只能靠检验员用眼睛观察,现在数字孪生让服装厂的管理可以深入到每个小细节当中,直接将针间距等重要指标,以直观数据的方式呈现出来。
 
通过监测每台缝纫机的运转情况,可缩短设备的待机时间,进而提高工作效率,也便于管理者快速进行有效决策。项目提升分销商服务效率,让服务及时率提升15%;设备管理效率提升30%;客户满意度提升10%。同时,通过根云平台实时监控,对缝纫设备的针距针脚进行监控,保证服装生产质量,大幅度提升产品质量检测通过率。
 
每位民营企业家和制造公司的创始人,都有浓厚的现场实操情结,喜欢深入一线把握管理细节。数字孪生可以让这些企业的管理者随时随地了解生产现场的情况,场景还原和保真度高,犹如身临其境。
 
通过这种方式,一方面可以满足管理者贴近一线掌控细节的诉求,一方面可以提升管理者的能力天花板。如果事事到场、亲力亲为,一名企业家的管理能力上限不超过10家工厂。而通过数字孪生技术,企业家既可以关心生产细节,又可能远程运筹帷幄,管理百余家工厂亦非妄言。
 
疫情创造了一个绝佳的机会,让那些囫囵吞枣应用起来的工业互联网平台,可以被细嚼慢咽和更深的嵌入操作流程,数字孪生作为一种底层载体,也进入了创造价值的实质性阶段。

 

 

02  避免进入数字孪生的认知误区

 

根据Gartner对数字孪生的精确定义:
 
数字孪生是某一事物、人或流程的虚拟表示。数字孪生旨在优化这些资源的运作或使用,或与之相关的业务决策,比如提高维护或运作效率。数字孪生包括模型、数据、与对象的一对一关联以及对其进行监控的能力。“物”可以广泛应用于任何类型的物理资产、产品或设备,包括诸如网络和应用程序等IT资产。
 
这其中有两个关键的数字孪生规则:
 
1. 数字孪生必须具有相应的“物”,这是一种对应关系。
2. 在数字孪生和物理实体之间,存在双向信息流动,数字孪生采集物理实体的数据,并且产生数据回流,提升物理实体的某些能力。
 
对于数字孪生的理解,普遍存在的误区有以下三种:
 
【第一种】
  • 误区:数字孪生的价值在于数据呈现

  • 正确:数字孪生的价值在于冰山之下,尤其是不可见的部分

 
数字呈现是最直观的,也是最为显而易见的表面价值。满足于普通解及其结论,使得一些企业在完成初步的数据呈现之后,就止步不前,停止了对于数字孪生的探索。
 
其实,并不是所有数字的模型都是数字孪生,而且数字孪生的价值恰恰在于不可见的部分。从本源上来说,数字孪生的价值在于带来APM(资产绩效管理)的提升,改进设备的性能。
 
数字孪生的价值在于创建物理模型和数字世界之间的连接性,进一步分析各种要素之间的隐含关系,再通过一连串的处理、分析、判断之后,对物理模型产生反馈,改进和优化其价值。这其中包含4个重要步骤:
 
1.建立数字模型
2.增强感知机制
3.数据分析和预测
4.产生反馈和决策
 
因此数字孪生的难点并不在呈现,而在于建模,需要大量的样本库和数据库,安装额外的传感器,新型算法的沉淀和梳理才能实现。如果只在数据呈现上做投入,容易进入只关注现象,而没有资金和精力去分析本质的怪圈。
 
这种做法就像人们疲劳的时候,首先想到是去休息,这当然没有错,不过治标不治本。疲劳的真正原因,有可能是失去了目标感,或者是身体出现了病痛,如果不从本源上着手改进,往往会感觉到“越睡越困”。
 
在此前的文章中,我曾经提到过“联接度”,它是衡量工业互联网发展的重要指标:
 
联接度=已经联接的要素/未被联接的要素
 
工业互联网的“第一性原理”,就是要广泛地联接各种机器设备和工业系统,由此而实现“联接-管控-优化-效益”的基本逻辑。
 
数字孪生的运用,有助于不仅联接“看得见、摸得着、想得清”的已知工业要素,还在于发现和联接那些“看不见、摸不着、想不清”的工业要素,建立这些要素之间的关联关系。
 
【第二种】
  • 误区:数字孪生中的“物”,必须是设备或者资产

  • 正确:数字孪生中的“物”,可以是实体设备,也可以是流程或组织

 
数字孪生的应用场景,已经完全超出了工业的应用范畴,也已经超越了实体设备和资产。
 
根据Gartner以及树根互联的分析,“数字孪生”的概念可以也确实适用于更抽象的IT概念,比如:工作流(例如,审批流程)、业务对象(例如,采购订单)和运营指标(例如,成品率)。由此延展并进一步分类,数字孪生的基础类别包括:
 
1.离散数字孪生:优化单个资产、人和其他物理资源。通常用于监控和优化原子资源的使用,比如人、单个产品或一件件设备,以及单个流程任务。
 
2.复合数字孪生:应用于涉及包含离散数字孪生和资源(例如,来自外部数据源)的运作。通常设计用于监控和优化离散数字孪生和原子资源的相关组合的使用。例如,复合性更高的设备,比如汽车或工业汽轮机,以及整个和部分制造或工业流程。
 

3.组织数字孪生:在特定的业务流程中最大化价值,比如在制造流程中,或在整个企业运作中。通常用于监控和优化高阶企业层面结果。例如,根据不断调整的上市战略来优化整体制造能力,或者为公司所有利益相关者创造最大业务价值。

三种数字孪生的一个重要共同特征是,它们在企业中扮演着两个重要角色:
 
首先,数字孪生用来提高态势感知能力。例如,向工业汽轮机中添加传感器,并分析物联网数据。或者向设备中添加更多传感器并更彻底地分析设备数据,可以预测未来的故障。
 

其次,数字孪生帮助做出更好的业务决策。例如,通过检查库存管理和现场服务管理应用,我们可以在其准备脱机时修理工业汽轮机,在其故障之前进行修理。

这种双重作用通常意味着数字孪生具有关键的中间角色,一方面在架构上位于物联网连接的事物和企业实体之间,另一方面是在核心企业应用之间。
 
【第三种】
  • 误区:数字孪生创造了一个新产品、新市场

  • 正确:数字孪生并不是一种独立的生产力

 
数字孪生并不是一个单独的产品,并不能独立交付,它是碎片化的物联网生态中的一个关键的中心汇聚点。数字孪生搭建了一个基础管理和未来应用拓展的必不可少的中间层,向上向下都有广阔的延伸空间。
 
数字孪生终究只是一种虚拟模型,一种与工业互联网相得益彰的模型。它在很大程度上与工业互联网平台共存,同时发挥功效。毕竟,先进的技术最终都要回归到实际业务中实现价值。
 
例如,三一重工运用基于物联网的数字孪生技术,结合售后服务系统,将服务过程的几个关键指标作为竞争指标,包括工程师响应时间(从接到需求电话,到可以派出工程师的时间)、常用备件的满足度、一次性修复率、设备故障率等进行评价服务的好坏。
 
通过对每一次的设备实时运行数据、故障参数以及工程师维修的知识积累,三一集团对数据进行建模,还原设备、服务等相关参与方的数字化模型,不断的改进对应的服务响应与质量。
 
分析数据可以得知,基于物联网的数字孪生智能服务,对响应的提高有高达33%的正面影响。基于故障建模与设备运行的数字孪生,对于提高备件预测的准确率有高达55%直接效益影响。
 
最终给三一带来的收益是非常明显的,工程师响应时间从原来的300分钟缩短到15分钟,主要服务区域2小时到现场,24小时维修好,服务响应水平提高的同时还把渠道的备件库存从10亿降低到7个亿,一次性修复率从75%提升到92%。

 

 

03  如何评价数字孪生的有效性

目前市场上提供数字孪生的实施类公司很多,如何甄别数字孪生的质量?
 
评价数字孪生,同样不能只看表面价值,不是评判数据呈现的是否全面和美观,或者分析功能是不是够强大,而是要看数字孪生是不是真正的应用和贯彻到每天的工作流程中。
 
日常:现场工程师们是不是通过数字孪生的程序去做交流,通过数据验证自己的原始假设?
 
迭代:管理者们是否通过数字孪生完成管理的职责,督导各种设备和现场员工的行为,真正提升了管理能力?
 
闭环:企业是否根据自身的需求,建立PDCA(计划Plan、执行Do、检查Check、处理Action)的闭环,改进数字孪生的应用?
 

只有将数字孪生和数据思维融入日常工作,才能不断开发和创造数字孪生的持续生命力,触碰到数字孪生的远景未来:

交互式数字孪生:设备操作者、产线员工、运营者等各方,使用直观的拖拽界面,逐级构建实时的数字孪生。最终用户还可以使用交互式数字孪生,添加更多自定义的物模型、数字模型、指标和智能运营捆绑。
 
交互式数字孪生的灵活开放API:提供增强的嵌入式机制模型,按金字塔层划分的人工智能和机器学习模型以及行业分类法,以构建推荐的预测性和规范性分析指标和功能。
 
数字孪生市场:这是一个IT /OT专家可以协作创建和交易数字孪生的场所,并在其中应用区块链技术分享收益。
 
数字孪生钱包:为每个数字孪生分配一个钱包,通过深度应用区块链技术,可以将所有权、收益权和使用权分配给不同的个人。即每个数字孪生都可以根据实例的收入进行证券化。
 

产业链数字孪生编排:产业链数字孪生编排动态优化订单分派,以实现最佳整体性能,并使用区块链分布式分类账技术获取数字孪生金字塔实时能力的全球可信视图,以智能地筹集资金以最大化运营资本效率。

 

 ----写在最后----

虽然各个公司纷纷开始了对于数字孪生的实践,但是对于数字孪生的理解,以及如何运用不同类型的数字孪生,存在某些误区。因此导致一些企业对于数字孪生的价值存在着偏颇评估。
 
最终用户以及OEM两类应用场景极为不同。大型企业有能力独立部署内嵌数字孪生的工业互联网平台,建设完备的数字孪生标准。中小企业则擅长于充分利用工业互联网平台上提供的数字孪生服务,以很小的代价快速优化自己的各级指标,尽快提升自身的运营效率,提升竞争力。
 
文末,感谢树根互联高级副总裁兼首席营销官黄路川在成文过程中,给予我的大力支持。
 

树根互联与Gartner共同出版了市场上第一份全面解读数字孪生在工业实践的白皮书,《如何利用数字孪生帮助企业创造价值?》。

本文小结:

  • 在新基建中,隐含着一些相通的底层基础设施,数字孪生就是其中之一。

  • 数字孪生的应用对象,主要分为最终用户和OEM两个类别。OEM的应用更有想象空间,在很多场景中,数字孪生可以通过“共享”模式,在同类设备的使用群体内,被多个企业共享,极大的降低投入资金。

  • 数字孪生有两个关键规则:第一,数字孪生必须具有相应的“物”,这是一种对应关系。第二,在数字孪生和物理实体之间,存在双向信息流动。对于数字孪生的理解,还需要避免多个误区。

  • 评价数字孪生,同样不能只看表面价值,不是评判数据呈现的是否全面和美观,或者分析功能是不是够强大,而是要看数字孪生是不是真正的应用和贯彻到每天的工作流程中。

 

如果您想了解更多树根互联为工业企业提供的工业互联网解决方案,可以直接点击网页右方弹框的“联系我们”,或者直接拨打树根互联的热线:400-868-1122.

 

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