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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(duì)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(shí)體世界和虛擬數(shù)字世界緊密聯(lián)系的技術(shù)。在先進(jìn)數(shù)字科技的支持下，在計(jì)算機(jī)里面可以精確反映物體（如某個(gè)工業(yè)產(chǎn)品）的當(dāng)前狀態(tài)，記錄其歷史發(fā)展過程，并對(duì)其未來進(jìn)行預(yù)測(cè)。
由于數(shù)字孿生實(shí)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(yùn)動(dòng)，也可以在計(jì)算機(jī)中跟蹤一個(gè)人的生老病死歷程，甚至模擬一座城市/一個(gè)國家發(fā)展的生命周期。當(dāng)然，還可以用來刻畫物流和供應(yīng)鏈的運(yùn)作。
（圖1 仿真技術(shù)逐步進(jìn)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(rèn)為，今天的數(shù)字孿生實(shí)際上是仿真技術(shù)不斷升級(jí)的產(chǎn)物。傳統(tǒng)仿真技術(shù)，在某種意義上初步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字世界和物理世界的對(duì)應(yīng)：在某個(gè)實(shí)體產(chǎn)品/服務(wù)真正落地之前，就可以在電腦中對(duì)其性能作初步的模擬驗(yàn)證，并根據(jù)結(jié)果來及時(shí)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(jì)算機(jī)科技以及先進(jìn)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(jì)算機(jī)指導(dǎo)實(shí)體世界”，而是可以從實(shí)體世界反饋到計(jì)算機(jī)數(shù)字世界，再從數(shù)字世界到實(shí)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(shí)際世界“同步成長(zhǎng)”。
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(qiáng)，而且成本也逐步下降。許多專家認(rèn)為，Digital Twin已經(jīng)到了全面普及的臨界點(diǎn)。其市場(chǎng)份額的年增長(zhǎng)率或超過30%。
（圖2 Digital Twin背后的虛實(shí)映射關(guān)系，圖片來源：德勤）
關(guān)于數(shù)字和實(shí)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(duì)物理實(shí)體的獨(dú)一無二表達(dá)，既描述其靜止?fàn)顟B(tài)，也描述其動(dòng)態(tài)行為。并且，還可以從大數(shù)據(jù)中推測(cè)出未來的發(fā)展趨勢(shì)，為實(shí)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：
（1）物聯(lián)網(wǎng)（IoT），以低成本傳感器收集實(shí)體世界的大量數(shù)據(jù)；
（2）云計(jì)算（Cloud Computing），為大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理提供（足夠靈活的）基礎(chǔ)設(shè)施支持；
（3）接口標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（VR/AR/MR）：讓數(shù)字世界顯得更加“真實(shí)”。
（圖3 數(shù)字孿生基于“解耦”，將對(duì)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(qiáng)大的數(shù)字孿生，其技術(shù)應(yīng)用的前提都是對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行建模，用數(shù)學(xué)語言對(duì)其進(jìn)行描繪。而建模的前提則是將對(duì)象進(jìn)行足夠細(xì)致的分解，細(xì)分之后再組合成一個(gè)數(shù)字整體（”If you can’t create it, youdon’t understand it ”）。
對(duì)象的分解可以有“橫向”和“縱向”兩個(gè)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(shí)體產(chǎn)品發(fā)展的過程劃分成“需求分析”、“方案設(shè)計(jì)”、“加工制造”等若干個(gè)階段，一直到最后的“維護(hù)管理”和“產(chǎn)品退役”為止。而“縱向分解”則是在任一時(shí)間點(diǎn)，將對(duì)象逐層分解為細(xì)小的模塊。例如：飛機(jī)這樣的大型復(fù)雜工業(yè)品也可以分為“系統(tǒng)”、“子系統(tǒng)”。。“元器件/零件”、“原材料”等各個(gè)層次，如圖3所示。
將對(duì)象劃分得越細(xì)，數(shù)字世界的鏡像就會(huì)越逼真，并且對(duì)數(shù)字模型的更新迭代也會(huì)更快（每次只需要更新一個(gè)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(gè)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(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)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(yùn)營成本。
2、在材料研發(fā)領(lǐng)域，可以對(duì)各種不同的材料配置進(jìn)行分析和比較，預(yù)測(cè)其性能。
3、在工業(yè)品應(yīng)用領(lǐng)域，可以對(duì)一些大型產(chǎn)品的使用情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)CT機(jī)等大型醫(yī)療設(shè)備的性能進(jìn)行仿真和數(shù)字化追蹤；另一方面，也可以對(duì)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)涵可大可小：大到整個(gè)城市/國家的公共設(shè)施運(yùn)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(tái)/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(duì)象則包括服務(wù)流程監(jiān)控，以及對(duì)消費(fèi)品質(zhì)量的長(zhǎng)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(duì)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(huì)促進(jìn)物流的進(jìn)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(duì)于包裝器具管理而言，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)新型材料，從而減少物流包裝帶來的環(huán)境污染和浪費(fèi)。這一點(diǎn)在國家推出“限塑令”的大前提下顯得更為重要。哪怕對(duì)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(duì)環(huán)境的污染更小。同時(shí)，對(duì)于可循環(huán)包裝的運(yùn)行軌跡進(jìn)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(duì)于航運(yùn)領(lǐng)域而言：我們可以對(duì)某些高價(jià)值貨物的運(yùn)輸過程進(jìn)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(yùn)方是否按照約定的條件對(duì)貨物進(jìn)行了保護(hù)。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(yuǎn)洋貨輪本身當(dāng)作數(shù)字孿生的建模追蹤對(duì)象，有助于監(jiān)控其運(yùn)輸時(shí)效，并預(yù)防船只的拋錨、失火等事故。
3、對(duì)于全球/全國范圍內(nèi)的物流網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jī)遇。在宏觀設(shè)計(jì)層面，民用地圖的精度達(dá)到了前所未有的程度，并且還推出物流專用的貨運(yùn)版地圖，顯示出貨運(yùn)卡車在城市每個(gè)區(qū)域的限行狀況等。這有助于制定更精細(xì)的物流規(guī)劃方案。在微觀運(yùn)作方面，對(duì)于車輛/貨物的精確跟蹤，也有利于在每日運(yùn)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(gè)具體的港口/機(jī)場(chǎng)建立孿生模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析其運(yùn)作情況，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的海運(yùn)/航空班次準(zhǔn)點(diǎn)率等。并且，不用大興土木作實(shí)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(yùn)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(duì)倉庫各個(gè)庫區(qū)的應(yīng)用情況了如指掌，并且能夠建立3D模型對(duì)其進(jìn)行描繪。哪怕坐在家中，也能掌握每一個(gè)貨架的實(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)作是一個(gè)端到端的完整過程。單個(gè)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新如同珍珠，組合在一起之后就會(huì)成為熠熠生輝的項(xiàng)鏈。對(duì)于制造業(yè)供應(yīng)鏈而言，數(shù)字孿生對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響如圖6所示：
（圖6 數(shù)字孿生對(duì)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(yùn)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(yùn)作的同時(shí)，仍然保持自己的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，在數(shù)字孿生技術(shù)的幫助下，讓整個(gè)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(yán)格地推行精益物流和標(biāo)準(zhǔn)化物流，加強(qiáng)傳感器等技術(shù)的應(yīng)用、并明確數(shù)據(jù)管理責(zé)任。唯有如此，才能確保系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)。大批量的物流運(yùn)作，也會(huì)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(yuǎn)程售后支持到預(yù)測(cè)性維修（通過數(shù)據(jù)分析來提前預(yù)判維修的時(shí)間點(diǎn)）。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(dāng)前位置、當(dāng)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(huì)持續(xù)到產(chǎn)品生命周期的盡頭：在產(chǎn)品壽終正寢的時(shí)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(yùn)作的優(yōu)化來源于各個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)運(yùn)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(zhǔn)確數(shù)據(jù)、嚴(yán)格遵守流程、并且按照約定來共同維護(hù)供應(yīng)鏈的持續(xù)運(yùn)作、應(yīng)對(duì)可能危機(jī)。
總之：數(shù)字孿生對(duì)于物流供應(yīng)鏈運(yùn)作提出了新的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)用Digital Twin，企業(yè)會(huì)被逼提升標(biāo)準(zhǔn)化水平、加強(qiáng)精益管理。但是如果能恰當(dāng)應(yīng)對(duì)，孿生技術(shù)本身又有利于提高企業(yè)的精準(zhǔn)運(yùn)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(jī)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(qiáng)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(duì)實(shí)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(gè)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，并因而促進(jìn)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(duì)于數(shù)字孿生體來說，虛擬世界和現(xiàn)實(shí)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(shí)體/服務(wù)從產(chǎn)生到最終消亡的整個(gè)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(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，并將決策又反饋到實(shí)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(jìn)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(duì)各方進(jìn)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(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(shì)”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(shí)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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