數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)新模式

大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新技術(shù)引發(fā)了人們對制造模式的新思考，結(jié)合《中國制造2025》中制造業(yè)服務(wù)化重要內(nèi)容，本文提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)新模式。

該制造服務(wù)模式對促進(jìn)中國傳統(tǒng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和提升新國際競爭環(huán)境下綜合競爭力具有理論和現(xiàn)實意義。

當(dāng)今時代，數(shù)據(jù)成為了新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展動力，并為諸多領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展提供了新的機(jī)遇。

與之相應(yīng)，近年來世界制造業(yè)發(fā)達(dá)國家針對當(dāng)前逐步形成共識的新一輪工業(yè)革命，相繼推出了自己的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，勢必將導(dǎo)致全球工業(yè)體系、發(fā)展模式和競爭格局產(chǎn)生重大變革，自然也對制造業(yè)運(yùn)行模式——制造模式提出了新的要求。

智能制造與數(shù)字孿生

自智能制造在中國發(fā)展以來，一方面，制造企業(yè)的生產(chǎn)效率、運(yùn)行成本、研發(fā)周期等方面狀況均獲改進(jìn)；另一方面，基礎(chǔ)研究領(lǐng)域仍以模仿或直接引進(jìn)國外成果的方式為主，在相關(guān)領(lǐng)域缺少原始創(chuàng)新。

隨著“工業(yè)4.0”的提出，數(shù)字孿生等新興技術(shù)逐漸進(jìn)入人們視野，提供了加速推進(jìn)具有中國特色智能制造彎道超車的機(jī)會。

數(shù)字孿生的理念可追溯到1969年，但現(xiàn)在普遍認(rèn)為數(shù)字孿生的明確概念由Michael Grieves于2003年給出，即“數(shù)字孿生是與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。

數(shù)字孿生發(fā)展歷程

制造服務(wù)模式

制造業(yè)服務(wù)化的核心思想主要是制造企業(yè)通過有形產(chǎn)品的服務(wù)來增強(qiáng)其產(chǎn)品綜合競爭力，并逐漸將服務(wù)增值作為其利潤創(chuàng)造的核心來源。

當(dāng)前，制造業(yè)正處于由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，這是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)分工不斷細(xì)化、生產(chǎn)組織方式高度協(xié)同的必然結(jié)果，也是消費升級的客觀要求、制造轉(zhuǎn)型的重要方向。

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造模式框架

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)生產(chǎn)范式變革，推動形成數(shù)據(jù)驅(qū)動制造模式。

從構(gòu)成要素角度看，機(jī)器、數(shù)據(jù)和人構(gòu)成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

從核心技術(shù)角度看，貫徹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)始終的是數(shù)據(jù)資源，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是將正確的數(shù)據(jù)在正確的時間傳遞給正確的人和機(jī)器，不斷優(yōu)化制造資源的配置效率。

從雜亂無章的原始數(shù)據(jù)到具有價值的決策信息，由此形成了用數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理和決策的制造范式，為此從數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)及生產(chǎn)性服務(wù)的實現(xiàn)和服務(wù)執(zhí)行機(jī)制的角度構(gòu)建了數(shù)字孿生驅(qū)動的代理人大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式體系架構(gòu)。

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式體系架構(gòu)

架構(gòu)分為5大部分：“虛擬世界（產(chǎn)品全生命周期）”“物理世界（大數(shù)據(jù)）”“數(shù)據(jù)處理機(jī)制（數(shù)字孿生）”“數(shù)字模型”及“應(yīng)用”，將各類平臺上的創(chuàng)新成果與經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域深度融合，形成更廣泛的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生為橋梁、大數(shù)據(jù)為工具的數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形態(tài)。

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式針對產(chǎn)品全生命周期中各個階段進(jìn)行檢測或驗證，通過智能感知/傳感、工業(yè)以太網(wǎng)等，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)采集等；同時，基于數(shù)字孿生中針對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理機(jī)制，通過大數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)處理和大數(shù)據(jù)分析層的數(shù)字模型，以應(yīng)用層功能化方式實現(xiàn)與大數(shù)據(jù)的相應(yīng)映射，進(jìn)而利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)推動制造業(yè)向定制化和精準(zhǔn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型。

應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析法對企業(yè)調(diào)度信息和訂單信息進(jìn)行回溯研究；應(yīng)用預(yù)測分析法對生產(chǎn)中的設(shè)備維護(hù)周期和質(zhì)量監(jiān)控力度進(jìn)行模擬預(yù)測，形成事先維護(hù)、事先控制的質(zhì)量管理與設(shè)備維護(hù)機(jī)制；利用聚類分析法對能耗數(shù)據(jù)與回收數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)關(guān)聯(lián)，探索企業(yè)生產(chǎn)制造低碳化、清潔化、循環(huán)化的發(fā)展路徑。

通過產(chǎn)品全生命周期中各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互相關(guān)聯(lián)，最終形成數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造模式閉環(huán)運(yùn)作生態(tài)。

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造

服務(wù)模式使能技術(shù)

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式涉及物理世界和虛擬世界，涵蓋了產(chǎn)品全生命周期各個環(huán)節(jié)，是近年來興起的云制造、制造服務(wù)、制造服務(wù)化的集成，其核心是數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)兩個技術(shù)支持。

數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式使能技術(shù)范圍示意

從制造服務(wù)化維度來看，數(shù)字孿生相繼經(jīng)歷了服務(wù)經(jīng)濟(jì)、服務(wù)增值、服務(wù)增強(qiáng)及服務(wù)嵌入等階段。

制造服務(wù)維度可以進(jìn)一步劃分為兩條主線，一條主線相對簡單——從網(wǎng)絡(luò)制造向制造網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化，另一條主線則由按需生產(chǎn)、服務(wù)營銷、顧客導(dǎo)向、服務(wù)創(chuàng)新逐漸過渡到面向服務(wù)；云制造維度，一條主線是物聯(lián)網(wǎng)，另一條主線是從傳統(tǒng)分布式計算向云計算演變。

對于任何制造服務(wù)模式而言，其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式及演化路徑都是相關(guān)研究的熱點和重點。

數(shù)字孿生驅(qū)動的兩個世界及其描述

從勞動者、物質(zhì)資料和資金三要素入手，以客戶需求為中心，探討現(xiàn)有數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)技術(shù)融入該制造服務(wù)過程中可能存在的問題和困境。

研究在傳統(tǒng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，有效解決當(dāng)前所面臨痛點所需要的理論和方法體系，嘗試建構(gòu)一個以行業(yè)信息整合為依托的數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)新模式，提升中國傳統(tǒng)制造企業(yè)應(yīng)對復(fù)雜動態(tài)多變市場環(huán)境和全球性競爭的能力。

數(shù)字孿生驅(qū)動的兩個世界及其關(guān)系示意

1）在物理世界，以企業(yè)要素為節(jié)點，以企業(yè)體制、經(jīng)營、管理、生產(chǎn)組織和技術(shù)系統(tǒng)的形態(tài)和運(yùn)作模式為對象，通過企業(yè)結(jié)構(gòu)單元化及其業(yè)務(wù)過程單元化，在單元粒度模型及其優(yōu)化基礎(chǔ)上，建立模塊化企業(yè)結(jié)構(gòu)及其業(yè)務(wù)過程單元化運(yùn)行策略。

2）在虛擬世界，進(jìn)行勞動者、物質(zhì)資料和資金的要素及其關(guān)聯(lián)分析，提出物理世界中具體企業(yè)結(jié)構(gòu)單元及其業(yè)務(wù)過程單元的映射方法，建立聯(lián)通物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)兩個世界的“一體化”。在虛擬世界里，物理世界的數(shù)字化構(gòu)成了大數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)的結(jié)合

數(shù)字孿生是大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)獲取的主要方式，數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)之間在數(shù)據(jù)類型等方面具有一致性，在某種程度上可以認(rèn)為數(shù)據(jù)孿生是虛擬世界（大數(shù)據(jù)）和物理世界（設(shè)備等物質(zhì)資料）之間的橋梁，企業(yè)通過鏈接虛擬世界和物理世界的數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)制造服務(wù)的全程數(shù)據(jù)驅(qū)動。

數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)結(jié)合示意

大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源主要包括：企業(yè)數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)最主要的來源，涉及了該企業(yè)在產(chǎn)品全生命周期中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)）、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)（跨域企業(yè)邊界的一些帶有產(chǎn)業(yè)或行業(yè)特征的數(shù)據(jù)）、輔助數(shù)據(jù)（前面兩種數(shù)據(jù)之外的所有數(shù)據(jù)）。

制造服務(wù)在產(chǎn)品全生命周期各階段全程由大數(shù)據(jù)驅(qū)動來實現(xiàn)，而大數(shù)據(jù)重要來源之一就是鏈接物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生。

可以說，數(shù)字孿生幫助打造了大數(shù)據(jù)環(huán)境，而大數(shù)據(jù)環(huán)境對制造服務(wù)提供了全程數(shù)據(jù)服務(wù)。

大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式中模型建立與優(yōu)化

普遍認(rèn)為，人類已經(jīng)從物質(zhì)極度匱乏的賣方市場時代，過渡到了產(chǎn)業(yè)過剩帶來的自由選擇的買方市場時代，而第四次工業(yè)革命將從產(chǎn)品垂直深度、全球化地域廣度等進(jìn)一步加劇買方市場的競爭，其業(yè)務(wù)模型也發(fā)生了根本性的變化。

從傳統(tǒng)模式向創(chuàng)新模式（大數(shù)據(jù)制造服務(wù)模式）轉(zhuǎn)變示意

賣方市場環(huán)境下，產(chǎn)品生命周期各個階段中時間流和信息流都是單一地往前，各個階段形成了明顯的信息孤島，顧客也只有在實體店才能看到自己想購買的產(chǎn)品，沒有辦法對產(chǎn)品提出自己個性化的需求。

在買方市場環(huán)境下，產(chǎn)品全生命周期是一個不斷“假設(shè)→驗證→修正→假設(shè)”的過程，各個階段都在不斷地與客戶（個性）需求、市場（大類）需求等進(jìn)行修正，該過程中鏈接物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生技術(shù)將不斷地自動產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成大數(shù)據(jù)收集階段工作。

模型建立和模型優(yōu)化就將成為其中關(guān)鍵。

模型建立

為了充分發(fā)揮該生態(tài)系統(tǒng)最大潛力，需要構(gòu)建系統(tǒng)成員之間鏈接而達(dá)成的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，并以效能最大化等為目標(biāo)，如何對其進(jìn)行最優(yōu)模塊化也是其中一個關(guān)鍵問題。

模型優(yōu)化

研究上述模型中基本模塊、必選模塊和可選模塊的動態(tài)劃分，建立模塊之間邊界函數(shù)，在系統(tǒng)多約束條件下進(jìn)行上述動態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)效能最大化；同時，建立圍繞系統(tǒng)核心能力的適應(yīng)性創(chuàng)新機(jī)制，使該系統(tǒng)對外界條件變化時可以自適應(yīng)地作出響應(yīng)，并進(jìn)而推動系統(tǒng)不斷自我完善與優(yōu)化。

結(jié)論

基于當(dāng)前新技術(shù)大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生等，提出了一種數(shù)字孿生驅(qū)動的“大數(shù)據(jù)+業(yè)態(tài)”的新型服務(wù)模式，其特點主要表現(xiàn)在以下4個方面：

01 動態(tài)性

數(shù)字孿生模型將是一個開放的、不斷與時俱進(jìn)的動態(tài)演變模型。

02 敏捷性

該模式也能對周圍環(huán)境的任何改變及時敏捷地作出響應(yīng)。

03 全局性

該模式涵蓋了產(chǎn)品、企業(yè)及其上下游各個方面或者說全局。

04 適應(yīng)性

把更多新涌現(xiàn)的新技術(shù)融入到該模式中。

該模式嘗試把新技術(shù)數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等融合起來，在實現(xiàn)物理世界和虛擬世界的互聯(lián)、產(chǎn)品和服務(wù)的虛實映射等的同時，為產(chǎn)品全生命周期中各個環(huán)節(jié)上下游企業(yè)實現(xiàn)最大共贏提供新的思路和方法，也將有助于把“新基建”之一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與制造服務(wù)有機(jī)結(jié)合起來，解決傳統(tǒng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級社會問題，推動中國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

原文標(biāo)題：構(gòu)建數(shù)字孿生驅(qū)動的大數(shù)據(jù)制造服務(wù)新模式，提升傳統(tǒng)制造企業(yè)競爭力

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