制造业数字化转型的驱动力和实施框架

3D打印快讯
2020
04/30
15:44
分享
评论
来源:安世亚太
作者:丁杰

导读:在新形势下中国制造业面临新的“危”与“机”,通过数字化转型向服务型制造转变、从工业经济向数字经济发展成为必然趋势。

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。
640.png
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。

640-1.png
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。

640-2.png
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。

640-3.png
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。
640-4.png
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;

640-5.png
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。

640-6.png
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。
640-7.png
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。
640-8.png
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。
640-9.png
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。

640-10.png
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。

回复

使用道具 举报

推动3D打印

关注南极熊

产品库

联系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南极熊3D打印网

致力于推动3D打印产业发展

Copyright © 2019 南极熊 By 3D打印 ( 京ICP备14042416号
快速回复 返回列表 返回顶部