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数字孪生驱动的工业互联网思维

三之一智联 | 助力于物、数、人的融合致一 2019/08/14 14:57

Digital twins are becoming a business imperative, covering the entire lifecycle of anasset or process and forming the foundation for connected products andservices. Companies that fail to respond will be left behind.

——Thomas Kaiser, SAP SeniorVice President

 【摘要】本文阐述了数字孪生这一新型数字化技术解决方案的定义、特点和功能,以及其在工业互联网建设中的关键作用。在此基础上,笔者提出了“连-聚-融-优-自”的工业互联网思维方式。

在Gartner发布的2019年Top10技术趋势报告中,数字孪生(Digital Twin)名列其中。随着近年来政府和咨询机构对工业互联网技术的广泛宣传,数字孪生已成了人们交谈中的热门词。数字孪生驱动的产品研发,数字孪生驱动的生产运营,数字孪生驱动的服务支持,数字孪生驱动的城市治理,等等,成了IT服务厂商们开发数字化解决方案的新方向。笔者确信,作为一种新型的数字化技术解决方案,数字孪生必将给社会和企业的数字化转型带来一股新的浪潮,也必将把各类组织的数字化转型工作推向一个新的高度。然后,要想应用好数字孪生技术,人们就要弄清楚其定义、特性、本质和应用范式,并形成基于数字孪生驱动的工业互联网思维;只有这样,工业互联网的建设实践才有可能落到实处,这也正是本文的立意所在。

 

新知达人, 数字孪生驱动的工业互联网思维

图1:Gartner 2019 Top 10技术趋势

 

    1. 数字孪生的定义

数字孪生是建立在数字化基础上,对物理世界的数字化模型表达,是物(物理世界)、数(数字世界)和人(组织和人员)等三者的高度融合。在企业实践中,物理世界可以是产品,过程,系统、员工、工厂,乃至整个企业。

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图2:数字孪生的定义

 

实际上,应用IT技术对物理世界进行建模和映射,一直是信息化工作的主要内容。比如,ERP系统是从财务业务一体化的角度对企业运营进行映射,SCM系统是从供需动态平衡的角度对供应链进行映射,MES系统是从产品需求与资源转化的角度对工厂和车间进行映射,等等。与前者所不同的是,数字孪生式映射,一是基于对象(Object-based),二是实时模拟(Real-time)。

物理世界、数字模型和连接数据是数字孪生的主要构成,其中的连接数据,包括自物理世界到数字模型的运行洞察,以及自数字模型到物理世界的行动指令。如图2所示,通过物联网技术,数字孪生获得物理世界运行状态的实时数据,并通过高级数据分析和机器学习等技术进行理解并形成业务洞察;在此基础上,还可以做相关的业务模拟或预测,形成下一步的业务建议、决策和行动,并以指令形式下发给物理世界。

 

2.数字孪生的特性

作为工业互联网时代的数字化技术解决方案,与ERP、MES等传统IT系统相比较,数字孪生具有架构灵活、面向决策和高度融合等特性

    1)灵活架构

在架构搭建上,数字孪生的架构是低耦合、分布式架构,因而,在快速变化的企业环境中有很强的适应性。在这一点上,数字孪生要比ERP、MES等传统IT系统要灵活得多,后者通常在相对稳态、规范的企业环境下才能应用好。

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图3:数字孪生的模型架构

 

纵向看,数字孪生之间可以形成上下级的层次关系,一台设备可以开发其数字孪生,多台设备所组成的产线可以开发其数字孪生,多条产线所组成的车间可以开发其数字孪生,多个车间所组成的工厂可以开发其数字孪生,多个工厂所组成的企业可以开发其数字孪生,……;而且,这种层次关系的调整是非常灵活的。

横向看,数字孪生之间也可以组成双向交流的网络。在这种网络中,设备、IT系统、过程、工件、产品、人员等的数字孪生之间可以通过各自的代理进行沟通和协作。从这个意义来说,所谓的工业互联网,就是基于物理世界的数字孪生的联网,工业互联网的每一个节点就是各种数字孪生。

2)面向决策

ERP、MES等IT系统是面向业务执行和交易处理(Business Running and TransactionProcessing Oriented)的IT解决方案,着重关注的是“How”;数字孪生则是面向业务优化和决策(BusinessOptimization and Decision Making Oriented)的IT解决方案,着重关注的是“Why”,可视化、透明化、仿真、模拟、优化和预测,本质上都是为了运营决策。

ERP、MES等IT系统的运行是建立在业务记录(Record)和关系型数据库等技术基础上,它们所能生成的各种业务报表也依赖于此。数字孪生的运行是建立在“物”(Thing)和物联网等技术基础上,而“物”则类似于“面向对象编程”建模思想中的“对象”。

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图4:数字孪生的技术生态和功能特性

 

从功能特点来看,ERP、MES等IT系统与数字孪生不应是相互替代,更应是相互补充。在数字孪生的语境中,ERP、MES等IT系统也可作为一个“物”,并为之建立相应的数字孪生。具体来说,ERP、MES等IT系统在交易处理上功能更强,数字孪生则在实时的数据分析、可视化、透明化、业务优化和决策上表现的更好。

 3)高度融合

    通过数字孪生的应用,企业不仅可以实现运营技术(OT)和信息技术(IT)的高度融合,还可以实现物(物理世界)、数(数字世界)和人(组织和员工)的高度融合。

 

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图5:基于数字孪生的物、数、人的融合

 

如果说工业互联网是个“大宇宙”,其中,数字孪生就是形式和角色各异的小“宇宙”。

一方面,从物理世界的运行到数字世界的洞察,在洞察基础上做模拟和预测,并形成业务优化建议、决策和行动,再从数字世界的指令返回到物理世界的调整,其中的核心支撑就是数字孪生。

另一方面,针对业务场景、人员岗位和角色的不同,数字孪生的关注焦点也可不同。举例来说,针对同一条产线,工程技术人员关注的是产线的可制造性,生产运营人员关注的是产线的运行效率,现场作业人员关注的是环境的安全;企业可以根据不同人员的诉求,针对同一产线开发出不同形式的数字孪生。

就这样,物理世界的实时互联,数字世界的洞察和决策,以及基于人员和角色的主题设定,共同体现到数字孪生的开发和应用中;在这里,物、数、人得以相会和融合。

 

    3. 工业互联网思维

要想掌握和实践好一门技术,就必须对它的工作范式和思维特点予以详细地了解。在笔者看来,如果有所谓的工业互联网思维,那就是工业互联网中“连-聚-融-优-自”的工作范式;在其中,数字孪生起到了核心的承载作用

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图6:工业互联网的技术特点和工作范式

 

所谓“连”,就是通过物联网来连接一切。连接资源,连接设备,连接流程,连接工具,连接系统,连接工件,连接产品,连接人员。只有先进行连接,才可能采集实时数据,或实现远程监测和控制。

所谓“聚”,就是通过云计算、大数据、数字主线和“物(Thing)”的建模来聚合数据。通过数据聚合,细沙可成高塔,涓流可成江河。工业互联网的“聚”,就是根据业务场景的需求,将资源、设备、流程、工具等不同对象的数据聚合起来,以支持各种形式的深度分析和模拟。

所谓“融”,就是通过数字孪生的应用,来进行运营技术和信息技术,物理世界、数字世界和人员的高度融合,以实现企业中的纵向集成和PDCA的运营闭环。

所谓“优”,就是通过数字孪生来展现数据,进行数据的分析、可视化和透明化,并在此基础上做进一步的仿真、模拟和优化,对业务的下一步发展进行预测,从而实现业务运营的持续优化。

所谓“自”,就是在前四个阶段的基础上,进一步应用人工智能等技术,以实现生产运营PDCA全过程的自组织、自计划和自决策,真正实现生产系统的自主管理,将人从重复式、高强度的日常性工作中解放出来。

 

    如果说流程的信息化是ERP、MES等IT建设的标志和主要内容,那么,企业中业务对象(产品、过程、工厂、人员,等等)和生产系统的数字孪生化就是工业互联网建设的标志和主要内容。通过数字孪生的应用,企业可以对业务对象和生产系统进行实时的监测、分析、可视化、透明化和更优化,并对未来运营进行预测和针对性调整。有了数字孪生的技术支持,企业不仅可以为市场提供智能互联产品(Smart Connected Product,SCP),以实现服务型制造转型;更可以建设智能互联企业和生态(Smart Connected Enterprise and Ecosystem,SCEE),以实现协同、精益、柔性、自主的智能化转型。

 

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