《工業(yè)APP：開(kāi)啟數(shù)字工業(yè)時(shí)代 》 —1.5 工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

根據(jù)我國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心與戴爾聯(lián)合發(fā)布的《傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的模式和路徑》報(bào)告，對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)行了明確定義：利用新一代信息技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和反饋的閉環(huán)，打通不同層級(jí)與不同行業(yè)間的數(shù)據(jù)壁壘，提高行業(yè)整體運(yùn)行效率，構(gòu)建全新的數(shù)字經(jīng)濟(jì)體系。國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心研究員王曉明表示，數(shù)字化轉(zhuǎn)型最終要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閉環(huán)，即數(shù)據(jù)的閉環(huán)和業(yè)務(wù)的閉環(huán)。

對(duì)傳統(tǒng)企業(yè)尤其是傳統(tǒng)的中小企業(yè)而言，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)不再是一道選擇題，而是一道生存題。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是工業(yè)界的普遍認(rèn)識(shí)。IDC估計(jì)，到2019年，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的支出將超過(guò)2萬(wàn)億美元，其中40%的技術(shù)支出將用于數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)。

針對(duì)工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要完成三項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，第一是從需求定義、概念開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到運(yùn)維保障的生命周期業(yè)務(wù)閉環(huán)（包括技術(shù)閉環(huán)和技術(shù)管理閉環(huán)），并將知識(shí)應(yīng)用到業(yè)務(wù)閉環(huán)中；第二是企業(yè)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上的業(yè)務(wù)閉環(huán)；第三是支撐產(chǎn)品整個(gè)生命周期和產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)閉環(huán)，以及基于生命周期和產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)形成知識(shí)。

中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院運(yùn)營(yíng)總監(jiān)馮錦山介紹：“在研發(fā)和設(shè)計(jì)階段，數(shù)字化的比例已經(jīng)達(dá)到90%，但在制造階段，數(shù)字化水平還低于研發(fā)和設(shè)計(jì)階段。”不僅汽車(chē)行業(yè)如此，也不僅僅中國(guó)如此，國(guó)內(nèi)外制造業(yè)不同行業(yè)領(lǐng)域都在開(kāi)展工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1.GE數(shù)字工業(yè)

2012年GE公司提出了“數(shù)字工業(yè)”的概念，該公司首席執(zhí)行官杰夫·伊梅***（Jeff Immelt）這樣說(shuō)：“在這個(gè)新工業(yè)時(shí)代，每一家工業(yè)公司都應(yīng)該成為軟件與分析公司。”隨后便開(kāi)始了向數(shù)字工業(yè)前進(jìn)的歷程。GE努力推動(dòng)工業(yè)世界和數(shù)字世界的融合，以機(jī)器和軟件無(wú)縫協(xié)作引領(lǐng)工業(yè)的變革——數(shù)字工業(yè)，并在2015年成立了GE Digital，從組織上保障數(shù)字工業(yè)的推進(jìn)與實(shí)施。

在GE所給出的數(shù)字工業(yè)描述中，數(shù)字孿生、數(shù)字線(xiàn)程（digital thread）、商業(yè)模式創(chuàng)新是數(shù)字工業(yè)的三大核心。

創(chuàng)造數(shù)字孿生：實(shí)現(xiàn)物理機(jī)械和分析技術(shù)的融合，利用數(shù)據(jù)和分析來(lái)創(chuàng)建每個(gè)關(guān)鍵流程和實(shí)體設(shè)備的數(shù)字孿生，它將成為數(shù)字化的基礎(chǔ)，使企業(yè)降低成本并提供一致的品質(zhì)。

啟用數(shù)字線(xiàn)程：貫穿全生命周期，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到運(yùn)維無(wú)縫集成，為客戶(hù)創(chuàng)造一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的良性循環(huán)。

商業(yè)模式創(chuàng)新貫穿整個(gè)工廠(chǎng)和車(chē)間：重構(gòu)OT（Operation Technology，即運(yùn)營(yíng)/運(yùn)維技術(shù)）和IT能力，改進(jìn)現(xiàn)有業(yè)務(wù)，將新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，并通過(guò)新的基于成效（outcome）的商業(yè)模式進(jìn)行創(chuàng)新。

2. AVM徹底革新制造業(yè)

美國(guó)研究發(fā)現(xiàn)，在同樣的復(fù)雜度下，由于涉及的工業(yè)技術(shù)門(mén)類(lèi)龐雜，防務(wù)裝備的研制周期和成本隨著復(fù)雜度的增加會(huì)成倍增加，而集成電路行業(yè)一直保持不變，摩爾定律仍然發(fā)揮作用，如圖1.5所示。2010年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)起旨在徹底改變現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造的自適應(yīng)運(yùn)載器創(chuàng)建（Adaptive Vehicle Make，AVM）項(xiàng)目組合，支持復(fù)雜CPS設(shè)計(jì)，以支持下一代制造業(yè)的發(fā)展。其口號(hào)是“徹底革新制造業(yè)”，目標(biāo)是通過(guò)徹底變革和重塑裝備制造業(yè)，將復(fù)雜防務(wù)裝備的研制周期縮短到現(xiàn)在的五分之一。

AVM項(xiàng)目由四大部分構(gòu)成：Meta（集成設(shè)計(jì)框架）、C2M2L（模型與組件庫(kù)）、iFAB（自適應(yīng)制造）、Vehicleforge.mil（眾包平臺(tái)）。

圖1.5　系統(tǒng)復(fù)雜性帶來(lái)的挑戰(zhàn)

AVM項(xiàng)目有三個(gè)愿景：

減少?gòu)?fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)提高復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽象層次，基于模型的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)一次成功；基于模型庫(kù)與組件庫(kù)支持方案構(gòu)想，將已有技術(shù)和知識(shí)封裝成集成和定制的組件，通過(guò)在設(shè)計(jì)中的快速重用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)周期壓縮、快速需求收斂，以及面向復(fù)雜性和自適應(yīng)性的優(yōu)化。

將附加值比重向設(shè)計(jì)端遷移。通過(guò)數(shù)字技術(shù)的自適應(yīng)快速建造（iFAB），解決產(chǎn)品復(fù)雜多變與高效率、大規(guī)模制造的矛盾。通過(guò)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，自動(dòng)化配置由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可編程制造能力。在產(chǎn)品的加工生產(chǎn)中，通過(guò)數(shù)據(jù)流配置工廠(chǎng)加工能力，使得設(shè)計(jì)方案間可以快速轉(zhuǎn)換。而企業(yè)將主要的精力用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)眾包。支持復(fù)雜CPS設(shè)計(jì)，以支持下一代制造業(yè)的發(fā)展：允許在全球社區(qū)共享的思想；同時(shí)保護(hù)專(zhuān)有信息的在線(xiàn)平臺(tái)——新興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，徹底改變現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)眾包平臺(tái)，使全球化的專(zhuān)家社區(qū)能夠設(shè)計(jì)和快速制造復(fù)雜的系統(tǒng)。

2012年4月5日，GE、MIT與DARPA宣布合作，共同建設(shè)Vehicleforge.mil ——新的眾包平臺(tái)將支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中全球?qū)＜一趯?zhuān)業(yè)知識(shí)的協(xié)作與交互，帶來(lái)更好的創(chuàng)意、更健壯的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更短的導(dǎo)入時(shí)間。這個(gè)眾包平臺(tái)成為GE建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵部分。

2013年，在AVM平臺(tái)上已成功借助社會(huì)化力量完成水陸兩棲裝甲車(chē)輛的原型制造和驗(yàn)證，從項(xiàng)目驗(yàn)證效果來(lái)看，車(chē)輛裝備的研制周期從原先的87個(gè)月（7.25年）縮短至17個(gè)月（1.4年），研制費(fèi)用降低至原先的60.6%。之后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將AVM技術(shù)和平臺(tái)應(yīng)用到Boing777電力系統(tǒng)（EPS）設(shè)計(jì)中，將研發(fā)速度提升了3.8倍。Boing777的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)一步印證了，AVM技術(shù)和平臺(tái)不僅適用于軍用車(chē)輛裝備研制，也可以應(yīng)用于航空、航天和艦船等復(fù)雜裝備領(lǐng)域。

值得特別說(shuō)明的是，目前AVM項(xiàng)目成果已經(jīng)轉(zhuǎn)入美國(guó)國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（NNMI），成為美國(guó)政府的公共服務(wù)平臺(tái)。

AVM項(xiàng)目的目標(biāo)是用數(shù)字技術(shù)徹底革新現(xiàn)代制造業(yè)，該項(xiàng)目對(duì)于工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心啟示在于：①將工業(yè)技術(shù)與知識(shí)組件化，使得在產(chǎn)品研制過(guò)程中可以快速重用，縮短時(shí)間；②基于模型與知識(shí)組件進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品研制，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)、工藝、制造等活動(dòng)全部在一個(gè)協(xié)同的數(shù)字空間完成，盡量實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)成功，從而大幅度縮短研制周期、降低研制成本；③采用眾包平臺(tái)，使得設(shè)計(jì)、仿真、試驗(yàn)、工藝、制造基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自適應(yīng)協(xié)作，提高行業(yè)的整體協(xié)作效率和資源利用率；④基于語(yǔ)義集成實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)匹配，通過(guò)語(yǔ)義技術(shù)，自適應(yīng)匹配模型與組件、制造資源等。

3.美國(guó)國(guó)防部“數(shù)字工程”戰(zhàn)略

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的威脅環(huán)境，促進(jìn)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和交付的轉(zhuǎn)型，美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)工程司在2018年6月公布了“數(shù)字工程”戰(zhàn)略計(jì)劃，推行集成的數(shù)字化措施，建設(shè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)模型的權(quán)威來(lái)源，作為支持所有涉眾生命周期活動(dòng)的跨學(xué)科連續(xù)統(tǒng)一體，在集成度更高的虛擬工程環(huán)境中促進(jìn)投資者和供應(yīng)商之間的合作。

“數(shù)字工程”戰(zhàn)略緣起于2014年在NASA噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室舉行的一場(chǎng)MBSE專(zhuān)題討論會(huì)。在專(zhuān)題討論會(huì)上，致力于復(fù)雜工程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的有政府背景的系統(tǒng)工程合作組織（IAWG）發(fā)起了“基于模型的數(shù)字工程”。

基于模型的數(shù)字工程在工程功能執(zhí)行過(guò)程中使用數(shù)字化工件、數(shù)字化環(huán)境和數(shù)字化工具，其目的是支持組織從基于文檔的工程過(guò)程向能夠提供更高柔性、敏捷性和效率的數(shù)字化工程過(guò)程轉(zhuǎn)型。

通過(guò)“數(shù)字工程”戰(zhàn)略的實(shí)施，美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)工程司希望借助建模仿真和計(jì)算的力量實(shí)現(xiàn)五方面的期望：

1）增強(qiáng)透明度，促成洞察，影響采辦決策。

2）促進(jìn)不同利益相關(guān)方之間的溝通。

3）加深對(duì)設(shè)計(jì)與自適應(yīng)性、柔性和經(jīng)濟(jì)可承受性等生命周期屬性的理解。

4）增進(jìn)對(duì)能力發(fā)揮預(yù)期作用的信賴(lài)。

5）提升采辦和工程實(shí)踐的效率。

為實(shí)現(xiàn)這些期望，“數(shù)字工程”戰(zhàn)略計(jì)劃安排了5個(gè)方向，共14個(gè)領(lǐng)域的推動(dòng)計(jì)劃。

1）在支持企業(yè)和項(xiàng)目決策的規(guī)范化模型開(kāi)發(fā)、集成和應(yīng)用方面，推動(dòng)三個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)：①規(guī)范化模型設(shè)計(jì)；②規(guī)范化開(kāi)發(fā)、集成和組織模型；③使用模型支持生命周期工程活動(dòng)和決策。具體措施包括規(guī)范化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的數(shù)字化呈現(xiàn)；開(kāi)發(fā)可信、精確、完整、可靠的模型；集成和組織跨學(xué)科模型，形成支持模型驅(qū)動(dòng)生命周期工程活動(dòng)的連續(xù)統(tǒng)一體；以模型為載體溝通、協(xié)作和執(zhí)行全生命周期工程活動(dòng)等。

2）在建設(shè)定義持久、權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源方面，推動(dòng)三個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)：

①定義權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源；②監(jiān)管權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源；③在生命周期內(nèi)使用權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源。具體措施包括設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源；建立權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源的權(quán)限和控制；執(zhí)行權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源的治理；使用權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源作為技術(shù)基線(xiàn)；使用權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源生產(chǎn)支持評(píng)審和決策的數(shù)字化制品；使用權(quán)威真實(shí)數(shù)據(jù)源進(jìn)行協(xié)作和溝通等。

3）在引入技術(shù)創(chuàng)新、提升工程實(shí)踐方面，推動(dòng)兩個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)：①建立端到端的數(shù)字工程企業(yè)；②使用技術(shù)創(chuàng)新提升數(shù)字工程實(shí)踐。具體措施包括引入使能端到端數(shù)字工程企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新；使用數(shù)據(jù)提升認(rèn)知、洞察和決策；發(fā)展先進(jìn)的人機(jī)交互等。

4）在創(chuàng)建使能設(shè)施和環(huán)境、執(zhí)行涉眾間活動(dòng)、協(xié)作和溝通方面，推動(dòng)三個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)：①開(kāi)發(fā)、完善和應(yīng)用數(shù)字工程IT基礎(chǔ)設(shè)施；②開(kāi)發(fā)、完善和應(yīng)用數(shù)字工程方法論；③IT基礎(chǔ)設(shè)施安全和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等。

5）在支持全生命周期數(shù)字工程的文化和技能轉(zhuǎn)型方面，推動(dòng)三個(gè)領(lǐng)域的建設(shè)：①提升數(shù)字工程知識(shí)庫(kù)；②領(lǐng)導(dǎo)和支持?jǐn)?shù)字工程轉(zhuǎn)型；③創(chuàng)建和培訓(xùn)團(tuán)隊(duì)。具體措施包括制定先進(jìn)的數(shù)字工程政策、指南、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；推進(jìn)無(wú)縫的合同、采購(gòu)、合規(guī)和商務(wù)實(shí)踐；創(chuàng)建和共享最佳實(shí)踐；溝通和執(zhí)行數(shù)字工程愿景、戰(zhàn)略；在政產(chǎn)學(xué)間建立聯(lián)盟、聯(lián)合體和合作伙伴；開(kāi)發(fā)量化指標(biāo)，提升實(shí)際效果；開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)知識(shí)、能力和技能；確保主動(dòng)參與和實(shí)現(xiàn)承諾等。

數(shù)字技術(shù)改變了工業(yè)的技術(shù)體系、工業(yè)運(yùn)行模式、工業(yè)品本身以及工業(yè)品生命周期過(guò)程，借助數(shù)字技術(shù)可突破工業(yè)品本身的邊界，形成更大的工業(yè)生態(tài)體系；而工業(yè)領(lǐng)域也在積極接受數(shù)字技術(shù)的改變，并向工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型推進(jìn)，數(shù)字技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域的深度融合形成了一種新的工業(yè)形態(tài)——數(shù)字工業(yè)。數(shù)字工業(yè)的出現(xiàn)將中國(guó)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)推進(jìn)到工業(yè)驅(qū)動(dòng)型的“數(shù)字中國(guó)”階段。

工業(yè)智能體 軟件開(kāi)發(fā) IoT

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