（一）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。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鏈的運作。

圖1: 仿真技術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不斷升級的產物，如圖1所示。傳統(tǒng)仿真技術，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：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(jù)結果來及時修正方案。

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(shù)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(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。

（二）數(shù)字孿生的應用前提

數(shù)字孿生的快速發(fā)展，主要依賴于五項關鍵技術：

1）物聯(lián)網（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）基礎設施支持；

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，其技術應用的前提都是對實體對象進行建模，用數(shù)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(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，把實體產品發(fā)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(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領域近年流行的“微服務”理念也是一致的。

（三）數(shù)字孿生的應用領域

數(shù)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(shù)字孿生的七大應用領域

1.  在生產制造領域，可以用數(shù)字孿生對生產過程進行充分模擬，確定最優(yōu)工藝參數(shù)等，從而提高生產質量、降低運營成本；

2.  在材料研發(fā)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(yè)品應用領域,可以對一些大型產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(jiān)控，但用數(shù)字化手段則可以看得更加清楚。

4.  在醫(yī)療健康領域：一方面可以對CT機等大型醫(yī)療設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.  在城市基礎設施領域，數(shù)字孿生的內涵可大可?。捍蟮秸麄€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(jiān)控。

6.  在能源領域，我們既可以為“硬”的鉆井平臺/發(fā)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(shù)字孿生。

7.  在零售電商領域，研究對象則包括服務流程監(jiān)控，以及對消費品質量的長期追蹤等。

（四）在物流中的具體應用

上文提到的數(shù)字孿生七大領域，與物流供應鏈有著密切的聯(lián)系。一方面，物流和供應鏈對這七大領域的發(fā)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(shù)字孿生的五大物流分支

A.  對于包裝器具管理而言，數(shù)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(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。

B.  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(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，并預防船只的拋錨、失火等事故。

C.  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(tǒng)（GIS）給數(shù)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(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。

D.  拜數(shù)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(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(yōu)改建方案。

E.  哪怕把物流管理范圍縮得更小一些：對于單個倉庫/物流中心的運營，數(shù)字孿生技術也能提供很多幫助。在低成本傳感器和大數(shù)據(jù)技術的支持下，我們可以對倉庫各個庫區(qū)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(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

一.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、運作復雜度大大提高，導致制造商需要在“大規(guī)模定制”方面下更多功夫，在定制化運作的同時，仍然保持自己的產品競爭力。同時，在數(shù)字孿生技術的幫助下，讓整個供應鏈變得更加透明化。

二.在廠內物流環(huán)節(jié)，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(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。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。

三.在售后物流環(huán)節(jié)，數(shù)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(shù)據(jù)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(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(xù)優(yōu)化相關的物流服務方式。這一過程會持續(xù)到產品生命周期的盡頭：在產品壽終正寢的時候，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。

四.在供應鏈綜合協(xié)調的層面：供應鏈運作的優(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，展示出供應鏈各個環(huán)節(jié)的實時運作狀態(tài)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(shù)據(jù)、嚴格遵守流程、并且按照約定來共同維護供應鏈的持續(xù)運作、應對可能危機。

總之：數(shù)字孿生對于物流供應鏈運作提出了新的挑戰(zhàn)。為了應用Digital Twin，企業(yè)會被逼提升標準化水平、加強精益管理。但是如果能恰當應對，孿生技術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)，也是供應鏈管理者的機遇。

（五）小結

數(shù)字孿生技術 (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(fā)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(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/服務從產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)，進行分析和預測，并將決策又反饋到實體，形成循環(huán)往復的信息閉環(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

在供應鏈應用中，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(tǒng)打通；四是要從源頭保證數(shù)據(jù)質量；五是要對各方進行培訓，確保企業(yè)管理理念和技術相匹配。此外，數(shù)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(zhàn)還很多，但是數(shù)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(yè)領域。我們有理由相信：在數(shù)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。

參考文獻：

1.  趙敏、寧振波：《四談“數(shù)字孿生”–研究/應用新進展》，公眾號“英諾維盛公司”，2019年11月。

2.  梁乃明等：《什么是數(shù)字孿生？有哪些關鍵技術？現(xiàn)在怎么樣了？》，公眾號“大數(shù)據(jù)DT”，2019年12月。

3.  宋華振：《這么流行的數(shù)字孿生能干啥？》，公眾號“說東道西”，2019年11月。

4.  DHL研究院:《DigitalTwins in Logistics》，2019.

5.  德勤:《Industry 4.0 and the Digital Twin ( manufacturing meets its match )》，2017年5月。