数字孪生驱动的工业互联网思维

2019-08-14 09:30:32 文/三之一智联 作者/ 丁少华 工业互联网

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。

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。

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。

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”。

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。

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。

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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