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物流和供應(yīng)鏈中的“數(shù)字孿生”技術(shù)應(yīng)用

發(fā)布時間:2020-10-19 發(fā)布者:交投物流 閱讀 : 1865

【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(jìn)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(dāng)前狀態(tài),記錄其歷史發(fā)展過程,并對其未來進(jìn)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(dāng)然,還可以用來刻畫物流和供應(yīng)鏈的運作。

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(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(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(rèn)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%。

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(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(dá),既描述其靜止?fàn)顟B(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(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/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”。

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(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(jìn)行建模,用數(shù)學(xué)語言對其進(jìn)行描繪。而建模的前提則是將對象進(jìn)行足夠細(xì)致的分解,細(xì)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(hù)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(xì)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)”。。“元器件/零件”、“原材料”等各個層次,如圖3所示。

將對象劃分得越細(xì),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: 

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(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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)物流的進(jìn)步。如圖5所示:

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(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(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(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,從而確定承運方是否按照約定的條件對貨物進(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(dá)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(xì)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(zhǔn)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(jìn)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:

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(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(yán)格地推行精益物流和標(biāo)準(zhǔn)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(zé)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(yuǎn)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(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(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(biāo)準(zhǔn)化水平、加強精益管理。但是如果能恰當(dāng)應(yīng)對,孿生技術(shù)本身又有利于提高企業(yè)的精準(zhǔn)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(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(jìn)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)。

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(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”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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