制造业数字化转型的驱动力和实施框架
时间：2020-05-01 22:30 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
在此过程中，提出和探讨了应用系统工程方法，将数字孪生体作为顶层工具，有助于将国家和地方政府、制造业企业，以及解决方案供应商等相关方目标和资源进行整合，形成数字化转型的战略和实施框架。
世界巨变和中国制造业的危与机
今年以来，世界巨变。世界经济衰退乃至引发经济危机，已逐渐成为现实，给中国制造业企业带来了巨大挑战和“危机”。
从“危”的角度看：全球供应链断裂，国际贸易保护主义抬头，逆全球化成为趋势。市场容量没有增长甚至还可能萎缩，供给产能过剩而客户却日益挑剔。质量和成本只是参与玩家的敲门砖，而拿出独特价值的产品和服务、乃至通过发掘新业态跑马圈地，成为制造业企业发展和生存的关键。
从“机”的角度看：国际国内格局正在重构，“乱世出英雄”。2008年在美国次贷危机引起的世界经济危机冲击下，我国电子商务、移动支付和现代物流等以前所未有的速度迅猛崛起，被誉为“新四大发明”。当下，中国庞大且快速增长的国内需求、门类齐全的现代工业体系、IT、DT和增材制造等数字化和制造新技术带来的新生产力，及其在商业领域结合中国国情的成功经验，都为中国制造业的转型升级和跨越式发展带来机遇。
逆全球化趋势下国际国内制造业
格局正在重构（源自网络）
数字经济成为驱动制造业转型的新动能市场变化使传统制造业正在向服务型制造转型，从传统的批量制造向定制化柔性制造转变，从产品制造过程向售前、售后的服务过程延伸。而售前的客户需求引导、追踪和针对性设计，以及在售后长时间服务过程中增加客户粘性和实现再销售，成为促进传统制造业实现差异化竞争、提高附加值、业务延伸和利润提升的关键。换言之，制造业正在从工业向服务业转型与结合。
生产力水平的发展对于产业经济的促进和基础设施的保障，如下图所示。云大物智链等IT使能技术的发展，以及增材制造等制造工艺领域的突破，正在推动第四次工业革命的到来，以及数字经济的发展。
“数字化的资源和信息”对于数字经济的作用，正如同石油和机械对于工业的作用，是数字经济的发动机，将数字燃料转变为产业动能。而在此过程中，同样需要数字新基建进行保障。
生产力水平促进基础设施保障和经济发展
（源自安世亚太）
数字经济已成为国家战略，在“数字产业化”和“产业数字化”的目标导向下，如何引入数字化理念和技术赋能传统制造，则成为制造业企业获得竞争优势的关键。
制造业与服务业融合的数字经济
（源自工业4.0研究院）
近年来，国家各部委陆续发布“新基建”（国务院）、“3D打印列入十三五规划”（国务院）、“先进制造业与先进服务业深度融合”（发改委）、“制造业设计能力提升”（发改委）、“促进服务型制造发展”（工信部）、“国家软件重大工程”（工信部）等规划和支持政策，均反映了新形势下制造业数字化转型的国家战略。
系统工程方法和数字孪生体工具是推动数字化转型的有力武器
制造业企业在推进数字化转型的过程中，将面临很多问题和挑战。
例如国家发展改革委高技术司司长伍浩指出：当前不少企业转型主要存在三个问题：一是转型能力不够、“不会转”，二是转型成本偏高、“不能转”，三是转型阵痛期比较长，“不敢转”。
我们认为，解决的方案是“方法和工具”、“开源和生态”，以及“赋能和路径”，本文重点讨论“方法和工具”问题。系统工程是实现数字化转型的方法框架，而数字孪生体是数字化转型的核心关键使能技术和顶层工具。
1. 系统工程方法
系统工程最早由中国航天、导弹和自动化之父钱学森院士引入中国，钱学森院士指出：系统工程是组织管理“系统”的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有“系统”都具有普遍意义的科学方法。
系统工程已广泛应用于国际国内航空航天等高端装备研制领域，实践证明对于复杂、庞大、多组织和新技术并行的大型工程具有突出的指导作用。
系统工程方法的主要特点是：
- 把研究对象作为一个整体来分析，分析总体中各个部分之间的相互联系和相互制约关系，使总体中的各个部分相互协调配合，服从整体优化要求。在分析局部问题时，是从整体协调的需要出发，选择优化方案，综合评价系统的效果；
-
综合运用各种科学管理的技术和方法，定性分析和定量分析相结合；
-
对系统的外部环境和变化规律进行分析，分析它们对系统的影响，使系统适应外部环境的变化。
传统的系统工程方法以霍尔模型作为核心，提出了由时间维、逻辑维和知识维所构成的三维空间抽象结构，构成了系统工程的方法框架。
基于霍尔模型的系统工程方法框架
（源自Arthur David Hall）
该框架的优势是适合于大型项目的组织，在特定的逻辑维度（比如数字化转型战略目标和产业经济发展客观规律）的基础上，综合考虑了知识维度（比如IT、DT、AI支撑和应用环境，从可量化描述的工程领域到难以模型和量化的社会和艺术领域），以及时间维度（多项目组织的合理路径，以及如何落地实施）之间的总体规划和相互影响要素。
除此以外，系统工程方法在具体的数字孪生体项目实施中，如何构建IT和DT系统部署以形成数字基建支撑平台，如何应用正向设计和DFAM面向增材的设计以实现产品创新等，已形成很多本领域、本专业的实例化应用。
例如下图安世亚太提出基于模型的系统工程MBSE应用于复杂装备和系统研发。MBSE的方法和流程同样也可作为指导物联网、云计算、机器学习、大数据、区块链等数字孪生体使能技术系统的部署实施和架构设计。
基于模型的系统工程MBSE应用于复杂装备
和系统研发（源自安世亚太）
2. 数字孪生体工具
应用数字孪生体作为推进企业数字化转型的顶层工具，应用系统工程方法进行实例化，相对于其他架构或信息化规划和实施方法论，其优势在于：
数字孪生体的核心在于虚拟世界和物理世界的结合，更多地关注于虚实双向互动与促进，适用于不断迭代升级的转型过程；
数字孪生体的应用范围更广，从产品的数字孪生体，到供应链和物流、产业数字孪生，乃至城市和军事，已应用到生产生活、国计民生的方方面面。在此框架下研究企业数字化转型，可用一致性的模型进行宏观战略思考和路径规划；
数字孪生体在各领域的广泛应用
（源自北航陶飞教授）
数字孪生体在各领域的应用，从模型到系统和案例，已具备很好的实践基础，各研究机构也形成了很多研究成果。
数字孪生体系统的通用参考架构和应用场景
（源自安世亚太）
系统工程和数字孪生体相结合的数字化转型实施框架基于系统工程方法和数字孪生体工具的特点，初步构建了下图数字化转型的实施框架。
建立此框架的目的在于将数字化转型的利益相关方（国家和地方政府、IT、DT和智能制造等解决方案服务商、制造业企业等），纳入到一个可视化的坐标系内，相关方共同研讨和丰富，形成一个清晰的战略路径。
数字化转型实施框架
（源自安世亚太）
从三个坐标轴和其组合形成的二维空间，最后到三维空间，分别描述其中要点如下：
系统维：是数字化转型的主要目标，关注者主要是国家发改委、地方政府以及制造业企业。对于国家来说主要是国际竞争和产业经济转型，对于地方政府来说主要是地区经济和差异化竞争策略；对于企业来说主要是如何通过新产品、新市场和新业态，提升竞争力；
认知维：是数字化转型的动能和技术支撑，关注者主要是国家工信部、科技部和IT、DT、工业自动化和高端装备等解决方案供应商。对于国家来说主要是把握、跟随或引领技术发展趋势，解决“卡脖子”问题；对于供应商来说主要是把握技术演进趋势、形成独特竞争优势、GPT（通用目的技术）产业化等目标；
项目维：是数字化转型实施落地的具体路径，以上各相关者都关注。对于国家和地方政府来说，如何制定和实施导向型政策；对于供应商和企业来说如何顺应大势和踩住节拍；
系统维和认知维的结合：GPT技术熟化、跨越新技术“裂谷”，与产业需求相结合，转化为现实生产力；
系统维和项目维的结合：以战略目标为核心的资源合理匹配，包括人才与组织、工具与方法、流程与标准等，总体规划、制定制造业企业赋能战略、导向型政策和营造生态环境；
认知维和项目维的结合：主要是技术解决方案供应商与实施计划的匹配和落地，比如项目组规划、建立成熟度标准、现状评估、实施细节和效果测量等；
以上三维结合：即形成制造业数字化转型战略的目标、规划、资源和路径。
研究和借鉴世界先进工业国家的数字经济和数字化转型经验
新工业革命和数字经济的发展趋势，已成为世界先进工业国家的共识，并根据各自的目标和国情制定了相应的数字化转型促进战略。
1. 德国中小企业（比中国定义的中小企业要大）数字化业务流程转型战略以联邦经济和能源部领导，建立了德国中小企业数字化转型框架（下图）。以中小企业4.0等大型资助板块为方向，众多小型资助项目为核心，多个促进中心为技术指导的全面引导系统；与研究机构或大学及其他利益相关者共同合作，分为短期、中期和长期计划来具体实施促进中小企业数字化转型的战略，旨在为中小企业提供免费的、方便理解的、实用的数字化相关指导。
德国中小企业数字化转型逻辑架构
（源自安世亚太）
2. 美国ManufacturingUSA成为推动美国制造的新平台和相关技术的“孵化器”。美国制造并没有囿于“制造业回归”的思路，而是“寻找新领地”，把未来的优势（设计和创新）放在核心位置。
美国寻找“新领地”发挥设计和创新的优势
（源自工业4.0研究院）
3. 英国则将数字孪生体应用提升到国家战略层面，提出了数字孪生体国家战略。对于通过数字孪生体应用于提升公众生活便捷性、拓展创新创业模式、减少资源浪费等方面，发布了具体的信息管理框架路线和国家级数字孪生体原则。
英国国家级数字孪生体原则
（源自工业4.0研究院）
综上，深刻理解新形势下中国制造业的“危”与“机”，把握“数字经济”下“服务型制造”的发展趋势，以“系统工程”方法和“数字孪生体”工具构建制造业数字化转型战略和实施框架。同时在研究世界先进工业国家做法的基础上，中国制造业扬长避短和实现差异化竞争，从而转危为机，继往开来，革故鼎新。
—作者—
丁杰
安世亚太战略合作部副总经理，数字孪生体实验室顾问；六西格玛黑带、TOGAF高级认证（2015），美国质量协会ASQ和企业架构联盟AEA会员；二十余年制造业管理咨询和信息化规划，三年增材制造生态圈战略合作经营经验。
(责任编辑：admin)
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