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物流和供應鏈中的“數字孿生”技術應用
【導讀】數字孿生（DigitalTwin）的概念，近年來逐漸為各大公司、行業所重視，并在研發、生產、物流等環節廣泛應用。數字孿生的最新內涵是什么？它的普及對于物流和供應鏈又有何影響?
數字孿生的基本特征
早在2002年，“數字孿生”由Dr. Grieves首先提出，并不斷豐富和發展。它是一種將實體世界和虛擬數字世界緊密聯系的技術。在先進數字科技的支持下，在計算機里面可以精確反映物體（如某個工業產品）的當前狀態，記錄其歷史發展過程，并對其未來進行預測。
由于數字孿生實現了數字世界和物理世界之間的高度匹配，所以又被稱為“數字雙胞胎”。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/一個國家發展的生命周期。當然，還可以用來刻畫物流和供應鏈的運作。
（圖1 仿真技術逐步進化成了今天的“數字孿生”，圖片來源：DHL研究院）
數字孿生和仿真（Simulation）有著密切的聯系。DHL研究院認為，今天的數字孿生實際上是仿真技術不斷升級的產物。傳統仿真技術，在某種意義上初步實現了數字世界和物理世界的對應：在某個實體產品/服務真正落地之前，就可以在電腦中對其性能作初步的模擬驗證，并根據結果來及時修正方案。
然而，到了最近的“數字孿生階段”，數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據所賜）。信息反饋的方向也不再是單向的“計算機指導實體世界”，而是可以從實體世界反饋到計算機數字世界，再從數字世界到實體：兩者之間循環交互，密不可分，以至于數字版本可以和實際世界“同步成長”。
相比于傳統仿真而言，數字孿生技術不但性能大為增強，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背后的虛實映射關系，圖片來源：德勤）
關于數字和實體世界的“孿生”關系，在圖2中有更加直觀的描述。從物理世界到數字世界，靠的主要是傳感器等數據收集裝置（sensors, actuators）；而從數字到物理世界，則依賴于數據管理和分析（analytics）。數字孿生是對物理實體的獨一無二表達，既描述其靜止狀態，也描述其動態行為。并且，還可以從大數據中推測出未來的發展趨勢，為實體提供最優決策支持。
數字孿生的應用前提
數字孿生的快速發展，主要依賴于五項關鍵技術：
（1）物聯網（IoT），以低成本傳感器收集實體世界的大量數據；
（2）云計算（Cloud Computing），為大量數據的存儲和處理提供（足夠靈活的）基礎設施支持；
（3）接口標準（API & Open Standards），讓IT開發人員能夠靈活使用外界資源，避免“重復造輪子”，站在巨人肩膀上創新；
（4）人工智能（AI），讓我們能發現大量數據中的規律，作出最優決策；
（5）虛擬現實/增強現實/混合現實（VR/AR/MR）：讓數字世界顯得更加“真實”。
（圖3 數字孿生基于“解耦”，將對象拆分成足夠小的模塊，
圖片來源：英諾維盛公司）
無論傳統仿真，還是強大的數字孿生，其技術應用的前提都是對實體對象進行建模，用數學語言對其進行描繪。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，把實體產品發展的過程劃分成“需求分析”、“方案設計”、“加工制造”等若干個階段，一直到最后的“維護管理”和“產品退役”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：飛機這樣的大型復雜工業品也可以分為“系統”、“子系統”。。“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，數字世界的鏡像就會越逼真，并且對數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領域近年流行的“微服務”理念也是一致的。
數字孿生的應用領域
數字孿生應用的領域很廣，圖4中提到的七個方面是較為典型的：
（圖4 數字孿生的七大應用領域）
1、在生產制造領域，可以用數字孿生對生產過程進行充分模擬，確定最優工藝參數等，從而提高生產質量、降低運營成本。
2、在材料研發領域，可以對各種不同的材料配置進行分析和比較，預測其性能。
3、在工業品應用領域，可以對一些大型產品的使用情況進行持續監控，例如航空發動機，或是應用在極端氣候條件下的電力設備——這類產品的“售后”狀況很難通過人力監控，但用數字化手段則可以看得更加清楚。
4、在醫療健康領域：一方面可以對CT機等大型醫療設備的性能進行仿真和數字化追蹤；另一方面，也可以對植入人體的心臟起搏器等設備作建模分析，甚至為“活的”人體生物組織建立數字鏡像。
5、在城市基礎設施領域，數字孿生的內涵可大可小：大到整個城市/國家的公共設施運行分析，小到一段鐵軌的變形情況監控。
6、在能源領域，我們既可以為“硬”的鉆井平臺/發電設備建立維修模型，也可以為“軟”的能耗情況及二氧化碳排放軌跡等建立數字孿生。
7、在零售電商領域，研究對象則包括服務流程監控，以及對消費品質量的長期追蹤等。
在物流中的具體應用
上文提到的數字孿生七大領域，與物流供應鏈有著密切的聯系。一方面，物流和供應鏈對這七大領域的發展起到支持和保障作用；另一方面，這七大領域的技術提升，本身也會促進物流的進步。如圖5所示：
（圖5應用數字孿生的五大物流分支）
1、對于包裝器具管理而言，數字孿生技術可以幫助我們設計新型材料，從而減少物流包裝帶來的環境污染和浪費。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久耐用，以及對環境的污染更小。同時，對于可循環包裝的運行軌跡進行全程跟蹤和大數據分析，也是數字孿生的重要課題之一。
2、對于航運領域而言：我們可以對某些高價值貨物的運輸過程進行數字化追蹤，全流程記錄貨物所處的溫度、濕度環境以及受沖擊/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。一旦出現貨物損壞，也有足夠的證據來支持理賠操作。此外：把遠洋貨輪本身當作數字孿生的建模追蹤對象，有助于監控其運輸時效，并預防船只的拋錨、失火等事故。
3、對于全球/全國范圍內的物流網絡運作來說：新一代地理信息系統（GIS）給數字化物流提供了前所未有的機遇。在宏觀設計層面，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域的限行狀況等。這有助于制定更精細的物流規劃方案。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的決策。
4、拜數字孿生所賜，物流基礎設施的管理水平也更高了：除了廣義的地理信息系統之外，我們還可以為某個具體的港口/機場建立孿生模型，實時監控和分析其運作情況，預測未來一段時間內的海運/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年的最優改建方案。
5、倉庫/物流中心的運營，數字孿生技術也能提供很多幫助。在低成本傳感器和大數據技術的支持下，我們可以對倉庫各個庫區的應用情況了如指掌，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。出于培訓目的，我們還可以為公司職員配備虛擬現實眼鏡，把數字化的倉庫栩栩如生地展現在他們眼前。
供應鏈運作是一個端到端的完整過程。單個環節的創新如同珍珠，組合在一起之后就會成為熠熠生輝的項鏈。對于制造業供應鏈而言，數字孿生對各個環節的影響如圖6所示：
（圖6 數字孿生對制造業物流各環節的影響）
（1）在入廠物流環節，數字孿生可以讓制造商能夠配置更多種類的產品，來滿足客戶更加多樣化的需求。但是這也帶來了新的挑戰：由于零部件種類更多、運作復雜度大大提高，導致制造商需要在“大規模定制”方面下更多功夫，在定制化運作的同時，仍然保持自己的產品競爭力。同時，在數字孿生技術的幫助下，讓整個供應鏈變得更加透明化。
（2）在廠內物流環節，生產管理者需要更加嚴格地推行精益物流和標準化物流，加強傳感器等技術的應用、并明確數據管理責任。唯有如此，才能確保系統中的數據和實際情況相對應。大批量的物流運作，也會更多地向“小批量、高頻次”方式轉變，以單件流的方式來精確管理零件/半成品/成品。
（3）在售后物流環節，數字孿生技術讓制造商能提供更多的增值服務，從遠程售后支持到預測性維修（通過數據分析來提前預判維修的時間點）。原廠制造商在產品已經賣給客戶之后，仍然需要跟蹤其當前位置、當前狀態，持續收集和分析數據。只有這樣，才能為客戶提供更高質量的售后服務。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，并持續優化相關的物流服務方式。這一過程會持續到產品生命周期的盡頭：在產品壽終正寢的時候，以最優方式組織逆向回收物流，也屬于數字孿生的范疇之一。
（4）在供應鏈綜合協調的層面：供應鏈運作的優化來源于各個環節的相互協同，來源于端到端的“整體式”數字孿生。數字世界模型需要做到高度透明化，展示出供應鏈各個環節的實時運作狀態及其相互關系——為此要獲得供應商、客戶等外部伙伴的高度配合：需要他們提供準確數據、嚴格遵守流程、并且按照約定來共同維護供應鏈的持續運作、應對可能危機。
總之：數字孿生對于物流供應鏈運作提出了新的挑戰。為了應用Digital Twin，企業會被逼提升標準化水平、加強精益管理。但是如果能恰當應對，孿生技術本身又有利于提高企業的精準運作水平。所以，數字孿生既是挑戰，也是供應鏈管理者的機遇。
結語
數字孿生技術 (DigitalTwin)和仿真有著密切的聯系，但比傳統仿真有著更強的功能。在海量數據的支撐下，數字孿生在物理世界和數字世界之間建立了密切聯系，能對實體產品和服務作全生命周期的追蹤。近年來，它在生產管理、材料研發等多個方面取得了長足的進展，并因而促進物流供應鏈管理水平的提升，把供應鏈數字化提升到新的高度。
對于數字孿生體來說，虛擬世界和現實世界同步發展，形成了兩條線索：“數字主線”和“物理主線”，如圖7所示。每條主線的發展歷程，反映了實體/服務從產生到最終消亡的整個生命周期。而數字主線和物理主線之間也是密不可分的：數字世界感知物理世界狀態，進行分析和預測，并將決策又反饋到實體，形成循環往復的信息閉環。
（圖7 數字孿生包含兩條主線、緊密交織，圖片來源：英諾維盛公司）
在供應鏈應用中，數字孿生目前面臨如下挑戰：一是要進一步降低技術應用成本；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打通；四是要從源頭保證數據質量；五是要對各方進行培訓，確保企業管理理念和技術相匹配。此外，數字孿生應用中的信息安全/知識產權保護等問題，也必須引起足夠的重視。
雖然挑戰還很多，但是數字孿生技術已經向我們走來。Gartner在2018年將它列入“十大技術趨勢”之一，而相關應用案例也已經涉及所有工業領域。我們有理由相信：在數字孿生技術的幫助下，物流和供應鏈管理的新時代正加速來臨。
作者 |Victor威斯康星
來源 |供應鏈4.0
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