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物流和供應(yīng)鏈中的“數(shù)字孿生”技術(shù)應(yīng)用
【導(dǎo)讀】數(shù)字孿生（DigitalTwin）的概念，近年來逐漸為各大公司、行業(yè)所重視，并在研發(fā)、生產(chǎn)、物流等環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用。數(shù)字孿生的最新內(nèi)涵是什么？它的普及對于物流和供應(yīng)鏈又有何影響?
數(shù)字孿生的基本特征
早在2002年，“數(shù)字孿生”由Dr. Grieves首先提出，并不斷豐富和發(fā)展。它是一種將實體世界和虛擬數(shù)字世界緊密聯(lián)系的技術(shù)。在先進數(shù)字科技的支持下，在計算機里面可以精確反映物體（如某個工業(yè)產(chǎn)品）的當前狀態(tài)，記錄其歷史發(fā)展過程，并對其未來進行預(yù)測。
由于數(shù)字孿生實現(xiàn)了數(shù)字世界和物理世界之間的高度匹配，所以又被稱為“數(shù)字雙胞胎”。它既可以描繪原子的運動，也可以在計算機中跟蹤一個人的生老病死歷程，甚至模擬一座城市/一個國家發(fā)展的生命周期。當然，還可以用來刻畫物流和供應(yīng)鏈的運作。
（圖1 仿真技術(shù)逐步進化成了今天的“數(shù)字孿生”，圖片來源：DHL研究院）
數(shù)字孿生和仿真（Simulation）有著密切的聯(lián)系。DHL研究院認為，今天的數(shù)字孿生實際上是仿真技術(shù)不斷升級的產(chǎn)物。傳統(tǒng)仿真技術(shù)，在某種意義上初步實現(xiàn)了數(shù)字世界和物理世界的對應(yīng)：在某個實體產(chǎn)品/服務(wù)真正落地之前，就可以在電腦中對其性能作初步的模擬驗證，并根據(jù)結(jié)果來及時修正方案。
然而，到了最近的“數(shù)字孿生階段”，數(shù)字模擬的精度提升到了前所未有的程度（拜計算機科技以及先進傳感器提供的大數(shù)據(jù)所賜）。信息反饋的方向也不再是單向的“計算機指導(dǎo)實體世界”，而是可以從實體世界反饋到計算機數(shù)字世界，再從數(shù)字世界到實體：兩者之間循環(huán)交互，密不可分，以至于數(shù)字版本可以和實際世界“同步成長”。
相比于傳統(tǒng)仿真而言，數(shù)字孿生技術(shù)不但性能大為增強，而且成本也逐步下降。許多專家認為，Digital Twin已經(jīng)到了全面普及的臨界點。其市場份額的年增長率或超過30%。
（圖2 Digital Twin背后的虛實映射關(guān)系，圖片來源：德勤）
關(guān)于數(shù)字和實體世界的“孿生”關(guān)系，在圖2中有更加直觀的描述。從物理世界到數(shù)字世界，靠的主要是傳感器等數(shù)據(jù)收集裝置（sensors, actuators）；而從數(shù)字到物理世界，則依賴于數(shù)據(jù)管理和分析（analytics）。數(shù)字孿生是對物理實體的獨一無二表達，既描述其靜止狀態(tài)，也描述其動態(tài)行為。并且，還可以從大數(shù)據(jù)中推測出未來的發(fā)展趨勢，為實體提供最優(yōu)決策支持。
數(shù)字孿生的應(yīng)用前提
數(shù)字孿生的快速發(fā)展，主要依賴于五項關(guān)鍵技術(shù)：
（1）物聯(lián)網(wǎng)（IoT），以低成本傳感器收集實體世界的大量數(shù)據(jù)；
（2）云計算（Cloud Computing），為大量數(shù)據(jù)的存儲和處理提供（足夠靈活的）基礎(chǔ)設(shè)施支持；
（3）接口標準（API & Open Standards），讓IT開發(fā)人員能夠靈活使用外界資源，避免“重復(fù)造輪子”，站在巨人肩膀上創(chuàng)新；
（4）人工智能（AI），讓我們能發(fā)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)中的規(guī)律，作出最優(yōu)決策；
（5）虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實（VR/AR/MR）：讓數(shù)字世界顯得更加“真實”。
（圖3 數(shù)字孿生基于“解耦”，將對象拆分成足夠小的模塊，
圖片來源：英諾維盛公司）
無論傳統(tǒng)仿真，還是強大的數(shù)字孿生，其技術(shù)應(yīng)用的前提都是對實體對象進行建模，用數(shù)學(xué)語言對其進行描繪。而建模的前提則是將對象進行足夠細致的分解，細分之后再組合成一個數(shù)字整體（”If you can’t create it, youdon’t understand it ”）。
對象的分解可以有“橫向”和“縱向”兩個維度。根據(jù)著名智能制造專家趙敏老師的論述: “橫向分解”是從生命周期的角度，把實體產(chǎn)品發(fā)展的過程劃分成“需求分析”、“方案設(shè)計”、“加工制造”等若干個階段，一直到最后的“維護管理”和“產(chǎn)品退役”為止。而“縱向分解”則是在任一時間點，將對象逐層分解為細小的模塊。例如：飛機這樣的大型復(fù)雜工業(yè)品也可以分為“系統(tǒng)”、“子系統(tǒng)”。?！霸骷?零件”、“原材料”等各個層次，如圖3所示。
將對象劃分得越細，數(shù)字世界的鏡像就會越逼真，并且對數(shù)字模型的更新迭代也會更快（每次只需要更新一個小模塊即可）。這和IT領(lǐng)域近年流行的“微服務(wù)”理念也是一致的。
數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域
數(shù)字孿生應(yīng)用的領(lǐng)域很廣，圖4中提到的七個方面是較為典型的：
（圖4 數(shù)字孿生的七大應(yīng)用領(lǐng)域）
1、在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，可以用數(shù)字孿生對生產(chǎn)過程進行充分模擬，確定最優(yōu)工藝參數(shù)等，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低運營成本。
2、在材料研發(fā)領(lǐng)域，可以對各種不同的材料配置進行分析和比較，預(yù)測其性能。
3、在工業(yè)品應(yīng)用領(lǐng)域，可以對一些大型產(chǎn)品的使用情況進行持續(xù)監(jiān)控，例如航空發(fā)動機，或是應(yīng)用在極端氣候條件下的電力設(shè)備——這類產(chǎn)品的“售后”狀況很難通過人力監(jiān)控，但用數(shù)字化手段則可以看得更加清楚。
4、在醫(yī)療健康領(lǐng)域：一方面可以對CT機等大型醫(yī)療設(shè)備的性能進行仿真和數(shù)字化追蹤；另一方面，也可以對植入人體的心臟起搏器等設(shè)備作建模分析，甚至為“活的”人體生物組織建立數(shù)字鏡像。
5、在城市基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，數(shù)字孿生的內(nèi)涵可大可?。捍蟮秸麄€城市/國家的公共設(shè)施運行分析，小到一段鐵軌的變形情況監(jiān)控。
6、在能源領(lǐng)域，我們既可以為“硬”的鉆井平臺/發(fā)電設(shè)備建立維修模型，也可以為“軟”的能耗情況及二氧化碳排放軌跡等建立數(shù)字孿生。
7、在零售電商領(lǐng)域，研究對象則包括服務(wù)流程監(jiān)控，以及對消費品質(zhì)量的長期追蹤等。
在物流中的具體應(yīng)用
上文提到的數(shù)字孿生七大領(lǐng)域，與物流供應(yīng)鏈有著密切的聯(lián)系。一方面，物流和供應(yīng)鏈對這七大領(lǐng)域的發(fā)展起到支持和保障作用；另一方面，這七大領(lǐng)域的技術(shù)提升，本身也會促進物流的進步。如圖5所示：
（圖5應(yīng)用數(shù)字孿生的五大物流分支）
1、對于包裝器具管理而言，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助我們設(shè)計新型材料，從而減少物流包裝帶來的環(huán)境污染和浪費。這一點在國家推出“限塑令”的大前提下顯得更為重要。哪怕對于非塑料材料，我們也有必要研究：如何讓包裝材料更經(jīng)久耐用，以及對環(huán)境的污染更小。同時，對于可循環(huán)包裝的運行軌跡進行全程跟蹤和大數(shù)據(jù)分析，也是數(shù)字孿生的重要課題之一。
2、對于航運領(lǐng)域而言：我們可以對某些高價值貨物的運輸過程進行數(shù)字化追蹤，全流程記錄貨物所處的溫度、濕度環(huán)境以及受沖擊/碰撞情況等，從而確定承運方是否按照約定的條件對貨物進行了保護。一旦出現(xiàn)貨物損壞，也有足夠的證據(jù)來支持理賠操作。此外：把遠洋貨輪本身當作數(shù)字孿生的建模追蹤對象，有助于監(jiān)控其運輸時效，并預(yù)防船只的拋錨、失火等事故。
3、對于全球/全國范圍內(nèi)的物流網(wǎng)絡(luò)運作來說：新一代地理信息系統(tǒng)（GIS）給數(shù)字化物流提供了前所未有的機遇。在宏觀設(shè)計層面，民用地圖的精度達到了前所未有的程度，并且還推出物流專用的貨運版地圖，顯示出貨運卡車在城市每個區(qū)域的限行狀況等。這有助于制定更精細的物流規(guī)劃方案。在微觀運作方面，對于車輛/貨物的精確跟蹤，也有利于在每日運作中制定更優(yōu)的決策。
4、拜數(shù)字孿生所賜，物流基礎(chǔ)設(shè)施的管理水平也更高了：除了廣義的地理信息系統(tǒng)之外，我們還可以為某個具體的港口/機場建立孿生模型，實時監(jiān)控和分析其運作情況，預(yù)測未來一段時間內(nèi)的海運/航空班次準點率等。并且，不用大興土木作實體建造，就可以分析出未來5-10年的最優(yōu)改建方案。
5、倉庫/物流中心的運營，數(shù)字孿生技術(shù)也能提供很多幫助。在低成本傳感器和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，我們可以對倉庫各個庫區(qū)的應(yīng)用情況了如指掌，并且能夠建立3D模型對其進行描繪。哪怕坐在家中，也能掌握每一個貨架的實時情況。出于培訓(xùn)目的，我們還可以為公司職員配備虛擬現(xiàn)實眼鏡，把數(shù)字化的倉庫栩栩如生地展現(xiàn)在他們眼前。
供應(yīng)鏈運作是一個端到端的完整過程。單個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新如同珍珠，組合在一起之后就會成為熠熠生輝的項鏈。對于制造業(yè)供應(yīng)鏈而言，數(shù)字孿生對各個環(huán)節(jié)的影響如圖6所示：
（圖6 數(shù)字孿生對制造業(yè)物流各環(huán)節(jié)的影響）
（1）在入廠物流環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生可以讓制造商能夠配置更多種類的產(chǎn)品，來滿足客戶更加多樣化的需求。但是這也帶來了新的挑戰(zhàn)：由于零部件種類更多、運作復(fù)雜度大大提高，導(dǎo)致制造商需要在“大規(guī)模定制”方面下更多功夫，在定制化運作的同時，仍然保持自己的產(chǎn)品競爭力。同時，在數(shù)字孿生技術(shù)的幫助下，讓整個供應(yīng)鏈變得更加透明化。
（2）在廠內(nèi)物流環(huán)節(jié)，生產(chǎn)管理者需要更加嚴格地推行精益物流和標準化物流，加強傳感器等技術(shù)的應(yīng)用、并明確數(shù)據(jù)管理責任。唯有如此，才能確保系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和實際情況相對應(yīng)。大批量的物流運作，也會更多地向“小批量、高頻次”方式轉(zhuǎn)變，以單件流的方式來精確管理零件/半成品/成品。
（3）在售后物流環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生技術(shù)讓制造商能提供更多的增值服務(wù)，從遠程售后支持到預(yù)測性維修（通過數(shù)據(jù)分析來提前預(yù)判維修的時間點）。原廠制造商在產(chǎn)品已經(jīng)賣給客戶之后，仍然需要跟蹤其當前位置、當前狀態(tài)，持續(xù)收集和分析數(shù)據(jù)。只有這樣，才能為客戶提供更高質(zhì)量的售后服務(wù)。為此配套的工作還包括：將售后零配件庫存布置在最合適的位置，并持續(xù)優(yōu)化相關(guān)的物流服務(wù)方式。這一過程會持續(xù)到產(chǎn)品生命周期的盡頭：在產(chǎn)品壽終正寢的時候，以最優(yōu)方式組織逆向回收物流，也屬于數(shù)字孿生的范疇之一。
（4）在供應(yīng)鏈綜合協(xié)調(diào)的層面：供應(yīng)鏈運作的優(yōu)化來源于各個環(huán)節(jié)的相互協(xié)同，來源于端到端的“整體式”數(shù)字孿生。數(shù)字世界模型需要做到高度透明化，展示出供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)的實時運作狀態(tài)及其相互關(guān)系——為此要獲得供應(yīng)商、客戶等外部伙伴的高度配合：需要他們提供準確數(shù)據(jù)、嚴格遵守流程、并且按照約定來共同維護供應(yīng)鏈的持續(xù)運作、應(yīng)對可能危機。
總之：數(shù)字孿生對于物流供應(yīng)鏈運作提出了新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)用Digital Twin，企業(yè)會被逼提升標準化水平、加強精益管理。但是如果能恰當應(yīng)對，孿生技術(shù)本身又有利于提高企業(yè)的精準運作水平。所以，數(shù)字孿生既是挑戰(zhàn)，也是供應(yīng)鏈管理者的機遇。
結(jié)語
數(shù)字孿生技術(shù) (DigitalTwin)和仿真有著密切的聯(lián)系，但比傳統(tǒng)仿真有著更強的功能。在海量數(shù)據(jù)的支撐下，數(shù)字孿生在物理世界和數(shù)字世界之間建立了密切聯(lián)系，能對實體產(chǎn)品和服務(wù)作全生命周期的追蹤。近年來，它在生產(chǎn)管理、材料研發(fā)等多個方面取得了長足的進展，并因而促進物流供應(yīng)鏈管理水平的提升，把供應(yīng)鏈數(shù)字化提升到新的高度。
對于數(shù)字孿生體來說，虛擬世界和現(xiàn)實世界同步發(fā)展，形成了兩條線索：“數(shù)字主線”和“物理主線”，如圖7所示。每條主線的發(fā)展歷程，反映了實體/服務(wù)從產(chǎn)生到最終消亡的整個生命周期。而數(shù)字主線和物理主線之間也是密不可分的：數(shù)字世界感知物理世界狀態(tài)，進行分析和預(yù)測，并將決策又反饋到實體，形成循環(huán)往復(fù)的信息閉環(huán)。
（圖7 數(shù)字孿生包含兩條主線、緊密交織，圖片來源：英諾維盛公司）
在供應(yīng)鏈應(yīng)用中，數(shù)字孿生目前面臨如下挑戰(zhàn)：一是要進一步降低技術(shù)應(yīng)用成本；二是要追求（足夠的）模擬精度；三是要將不同合作方的信息系統(tǒng)打通；四是要從源頭保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；五是要對各方進行培訓(xùn)，確保企業(yè)管理理念和技術(shù)相匹配。此外，數(shù)字孿生應(yīng)用中的信息安全/知識產(chǎn)權(quán)保護等問題，也必須引起足夠的重視。
雖然挑戰(zhàn)還很多，但是數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)向我們走來。Gartner在2018年將它列入“十大技術(shù)趨勢”之一，而相關(guān)應(yīng)用案例也已經(jīng)涉及所有工業(yè)領(lǐng)域。我們有理由相信：在數(shù)字孿生技術(shù)的幫助下，物流和供應(yīng)鏈管理的新時代正加速來臨。
作者 |Victor威斯康星
來源 |供應(yīng)鏈4.0
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