制造业数字化转型的驱动力和实施框架

来源：安世亚太
作者：丁杰

导读：在新形势下中国制造业面临新的“危”与“机”，通过数字化转型向服务型制造转变、从工业经济向数字经济发展成为必然趋势。

在此过程中，提出和探讨了应用系统工程方法，将数字孪生体作为顶层工具，有助于将国家和地方政府、制造业企业，以及解决方案供应商等相关方目标和资源进行整合，形成数字化转型的战略和实施框架。

世界巨变和中国制造业的危与机
今年以来，世界巨变。世界经济衰退乃至引发经济危机，已逐渐成为现实，给中国制造业企业带来了巨大挑战和“危机”。

从“危”的角度看：全球供应链断裂，国际贸易保护主义抬头，逆全球化成为趋势。市场容量没有增长甚至还可能萎缩，供给产能过剩而客户却日益挑剔。质量和成本只是参与玩家的敲门砖，而拿出独特价值的产品和服务、乃至通过发掘新业态跑马圈地，成为制造业企业发展和生存的关键。

从“机”的角度看：国际国内格局正在重构，“乱世出英雄”。2008年在美国次贷危机引起的世界经济危机冲击下，我国电子商务、移动支付和现代物流等以前所未有的速度迅猛崛起，被誉为“新四大发明”。当下，中国庞大且快速增长的国内需求、门类齐全的现代工业体系、IT、DT和增材制造等数字化和制造新技术带来的新生产力，及其在商业领域结合中国国情的成功经验，都为中国制造业的转型升级和跨越式发展带来机遇。

逆全球化趋势下国际国内制造业

格局正在重构（源自网络）

数字经济成为驱动制造业转型的新动能
市场变化使传统制造业正在向服务型制造转型，从传统的批量制造向定制化柔性制造转变，从产品制造过程向售前、售后的服务过程延伸。而售前的客户需求引导、追踪和针对性设计，以及在售后长时间服务过程中增加客户粘性和实现再销售，成为促进传统制造业实现差异化竞争、提高附加值、业务延伸和利润提升的关键。换言之，制造业正在从工业向服务业转型与结合。

生产力水平的发展对于产业经济的促进和基础设施的保障，如下图所示。云大物智链等IT使能技术的发展，以及增材制造等制造工艺领域的突破，正在推动第四次工业革命的到来，以及数字经济的发展。

“数字化的资源和信息”对于数字经济的作用，正如同石油和机械对于工业的作用，是数字经济的发动机，将数字燃料转变为产业动能。而在此过程中，同样需要数字新基建进行保障。

生产力水平促进基础设施保障和经济发展

（源自安世亚太）

数字经济已成为国家战略，在“数字产业化”和“产业数字化”的目标导向下，如何引入数字化理念和技术赋能传统制造，则成为制造业企业获得竞争优势的关键。

制造业与服务业融合的数字经济

（源自工业4.0研究院）

近年来，国家各部委陆续发布“新基建”（国务院）、“3D打印列入十三五规划”（国务院）、“先进制造业与先进服务业深度融合”（发改委）、“制造业设计能力提升”（发改委）、“促进服务型制造发展”（工信部）、“国家软件重大工程”（工信部）等规划和支持政策，均反映了新形势下制造业数字化转型的国家战略。
系统工程方法和数字孪生体工具是推动数字化转型的有力武器
制造业企业在推进数字化转型的过程中，将面临很多问题和挑战。

例如国家发展改革委高技术司司长伍浩指出：当前不少企业转型主要存在三个问题：一是转型能力不够、“不会转”，二是转型成本偏高、“不能转”，三是转型阵痛期比较长，“不敢转”。

我们认为，解决的方案是“方法和工具”、“开源和生态”，以及“赋能和路径”，本文重点讨论“方法和工具”问题。系统工程是实现数字化转型的方法框架，而数字孪生体是数字化转型的核心关键使能技术和顶层工具。   

1.      系统工程方法
系统工程最早由中国航天、导弹和自动化之父钱学森院士引入中国，钱学森院士指出：系统工程是组织管理“系统”的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有“系统”都具有普遍意义的科学方法。

系统工程已广泛应用于国际国内航空航天等高端装备研制领域，实践证明对于复杂、庞大、多组织和新技术并行的大型工程具有突出的指导作用。

系统工程方法的主要特点是：

• 把研究对象作为一个整体来分析，分析总体中各个部分之间的相互联系和相互制约关系，使总体中的各个部分相互协调配合，服从整体优化要求。在分析局部问题时，是从整体协调的需要出发，选择优化方案，综合评价系统的效果；
• 综合运用各种科学管理的技术和方法，定性分析和定量分析相结合；
  

• 对系统的外部环境和变化规律进行分析，分析它们对系统的影响，使系统适应外部环境的变化。
  

传统的系统工程方法以霍尔模型作为核心，提出了由时间维、逻辑维和知识维所构成的三维空间抽象结构，构成了系统工程的方法框架。

基于霍尔模型的系统工程方法框架

（源自Arthur David Hall）

该框架的优势是适合于大型项目的组织，在特定的逻辑维度（比如数字化转型战略目标和产业经济发展客观规律）的基础上，综合考虑了知识维度（比如IT、DT、AI支撑和应用环境，从可量化描述的工程领域到难以模型和量化的社会和艺术领域），以及时间维度（多项目组织的合理路径，以及如何落地实施）之间的总体规划和相互影响要素。

除此以外，系统工程方法在具体的数字孪生体项目实施中，如何构建IT和DT系统部署以形成数字基建支撑平台，如何应用正向设计和DFAM面向增材的设计以实现产品创新等，已形成很多本领域、本专业的实例化应用。

例如下图安世亚太提出基于模型的系统工程MBSE应用于复杂装备和系统研发。MBSE的方法和流程同样也可作为指导物联网、云计算、机器学习、大数据、区块链等数字孪生体使能技术系统的部署实施和架构设计。

基于模型的系统工程MBSE应用于复杂装备

和系统研发（源自安世亚太）

2.      数字孪生体工具
应用数字孪生体作为推进企业数字化转型的顶层工具，应用系统工程方法进行实例化，相对于其他架构或信息化规划和实施方法论，其优势在于：

数字孪生体的核心在于虚拟世界和物理世界的结合，更多地关注于虚实双向互动与促进，适用于不断迭代升级的转型过程；

数字孪生体的应用范围更广，从产品的数字孪生体，到供应链和物流、产业数字孪生，乃至城市和军事，已应用到生产生活、国计民生的方方面面。在此框架下研究企业数字化转型，可用一致性的模型进行宏观战略思考和路径规划；

数字孪生体在各领域的广泛应用

（源自北航陶飞教授）

数字孪生体在各领域的应用，从模型到系统和案例，已具备很好的实践基础，各研究机构也形成了很多研究成果。

数字孪生体系统的通用参考架构和应用场景

（源自安世亚太）

系统工程和数字孪生体相结合的数字化转型实施框架
基于系统工程方法和数字孪生体工具的特点，初步构建了下图数字化转型的实施框架。

建立此框架的目的在于将数字化转型的利益相关方（国家和地方政府、IT、DT和智能制造等解决方案服务商、制造业企业等），纳入到一个可视化的坐标系内，相关方共同研讨和丰富，形成一个清晰的战略路径。

数字化转型实施框架

（源自安世亚太）

从三个坐标轴和其组合形成的二维空间，最后到三维空间，分别描述其中要点如下：

系统维：是数字化转型的主要目标，关注者主要是国家发改委、地方政府以及制造业企业。对于国家来说主要是国际竞争和产业经济转型，对于地方政府来说主要是地区经济和差异化竞争策略；对于企业来说主要是如何通过新产品、新市场和新业态，提升竞争力；

认知维：是数字化转型的动能和技术支撑，关注者主要是国家工信部、科技部和IT、DT、工业自动化和高端装备等解决方案供应商。对于国家来说主要是把握、跟随或引领技术发展趋势，解决“卡脖子”问题；对于供应商来说主要是把握技术演进趋势、形成独特竞争优势、GPT（通用目的技术）产业化等目标；

项目维：是数字化转型实施落地的具体路径，以上各相关者都关注。对于国家和地方政府来说，如何制定和实施导向型政策；对于供应商和企业来说如何顺应大势和踩住节拍；

系统维和认知维的结合：GPT技术熟化、跨越新技术“裂谷”，与产业需求相结合，转化为现实生产力；

系统维和项目维的结合：以战略目标为核心的资源合理匹配，包括人才与组织、工具与方法、流程与标准等，总体规划、制定制造业企业赋能战略、导向型政策和营造生态环境；

认知维和项目维的结合：主要是技术解决方案供应商与实施计划的匹配和落地，比如项目组规划、建立成熟度标准、现状评估、实施细节和效果测量等；

以上三维结合：即形成制造业数字化转型战略的目标、规划、资源和路径。

研究和借鉴世界先进工业国家的数字经济和数字化转型经验
新工业革命和数字经济的发展趋势，已成为世界先进工业国家的共识，并根据各自的目标和国情制定了相应的数字化转型促进战略。

1.      德国中小企业（比中国定义的中小企业要大）数字化业务流程转型战略以联邦经济和能源部领导，建立了德国中小企业数字化转型框架（下图）。以中小企业4.0等大型资助板块为方向，众多小型资助项目为核心，多个促进中心为技术指导的全面引导系统；与研究机构或大学及其他利益相关者共同合作，分为短期、中期和长期计划来具体实施促进中小企业数字化转型的战略，旨在为中小企业提供免费的、方便理解的、实用的数字化相关指导。

德国中小企业数字化转型逻辑架构

（源自安世亚太）

2.      美国ManufacturingUSA成为推动美国制造的新平台和相关技术的“孵化器”。美国制造并没有囿于“制造业回归”的思路，而是“寻找新领地”，把未来的优势（设计和创新）放在核心位置。

美国寻找“新领地”发挥设计和创新的优势

（源自工业4.0研究院）

3.      英国则将数字孪生体应用提升到国家战略层面，提出了数字孪生体国家战略。对于通过数字孪生体应用于提升公众生活便捷性、拓展创新创业模式、减少资源浪费等方面，发布了具体的信息管理框架路线和国家级数字孪生体原则。

英国国家级数字孪生体原则

（源自工业4.0研究院）

综上，深刻理解新形势下中国制造业的“危”与“机”，把握“数字经济”下“服务型制造”的发展趋势，以“系统工程”方法和“数字孪生体”工具构建制造业数字化转型战略和实施框架。同时在研究世界先进工业国家做法的基础上，中国制造业扬长避短和实现差异化竞争，从而转危为机，继往开来，革故鼎新。

—作者—

丁杰
安世亚太战略合作部副总经理，数字孪生体实验室顾问；六西格玛黑带、TOGAF高级认证（2015），美国质量协会ASQ和企业架构联盟AEA会员；二十余年制造业管理咨询和信息化规划，三年增材制造生态圈战略合作经营经验。