制造業(yè)數字化轉型的驅動力和實施框架

來源：安世亞太
作者：丁杰

導讀：在新形勢下中國制造業(yè)面臨新的“�！迸c“機”，通過數字化轉型向服務型制造轉變、從工業(yè)經濟向數字經濟發(fā)展成為必然趨勢。

在此過程中，提出和探討了應用系統(tǒng)工程方法，將數字孿生體作為頂層工具，有助于將國家和地方政府、制造業(yè)企業(yè)，以及解決方案供應商等相關方目標和資源進行整合，形成數字化轉型的戰(zhàn)略和實施框架。

世界巨變和中國制造業(yè)的危與機
今年以來，世界巨變。世界經濟衰退乃至引發(fā)經濟危機，已逐漸成為現實，給中國制造業(yè)企業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)和“危機”。

從“�！钡慕嵌瓤矗喝�球供應鏈斷裂，國際貿易保護主義抬頭，逆全球化成為趨勢。市場容量沒有增長甚至還可能萎縮，供給產能過剩而客戶卻日益挑剔。質量和成本只是參與玩家的敲門磚，而拿出獨特價值的產品和服務、乃至通過發(fā)掘新業(yè)態(tài)跑馬圈地，成為制造業(yè)企業(yè)發(fā)展和生存的關鍵。

從“機”的角度看：國際國內格局正在重構，“亂世出英雄”。2008年在美國次貸危機引起的世界經濟危機沖擊下，我國電子商務、移動支付和現代物流等以前所未有的速度迅猛崛起，被譽為“新四大發(fā)明”。當下，中國龐大且快速增長的國內需求、門類齊全的現代工業(yè)體系、IT、DT和增材制造等數字化和制造新技術帶來的新生產力，及其在商業(yè)領域結合中國國情的成功經驗，都為中國制造業(yè)的轉型升級和跨越式發(fā)展帶來機遇。

逆全球化趨勢下國際國內制造業(yè)

格局正在重構（源自網絡）

數字經濟成為驅動制造業(yè)轉型的新動能
市場變化使傳統(tǒng)制造業(yè)正在向服務型制造轉型，從傳統(tǒng)的批量制造向定制化柔性制造轉變，從產品制造過程向售前、售后的服務過程延伸。而售前的客戶需求引導、追蹤和針對性設計，以及在售后長時間服務過程中增加客戶粘性和實現再銷售，成為促進傳統(tǒng)制造業(yè)實現差異化競爭、提高附加值、業(yè)務延伸和利潤提升的關鍵。換言之，制造業(yè)正在從工業(yè)向服務業(yè)轉型與結合。

生產力水平的發(fā)展對于產業(yè)經濟的促進和基礎設施的保障，如下圖所示。云大物智鏈等IT使能技術的發(fā)展，以及增材制造等制造工藝領域的突破，正在推動第四次工業(yè)革命的到來，以及數字經濟的發(fā)展。

“數字化的資源和信息”對于數字經濟的作用，正如同石油和機械對于工業(yè)的作用，是數字經濟的發(fā)動機，將數字燃料轉變?yōu)楫a業(yè)動能。而在此過程中，同樣需要數字新基建進行保障。

生產力水平促進基礎設施保障和經濟發(fā)展

（源自安世亞太）

數字經濟已成為國家戰(zhàn)略，在“數字產業(yè)化”和“產業(yè)數字化”的目標導向下，如何引入數字化理念和技術賦能傳統(tǒng)制造，則成為制造業(yè)企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的關鍵。

制造業(yè)與服務業(yè)融合的數字經濟

（源自工業(yè)4.0研究院）

近年來，國家各部委陸續(xù)發(fā)布“新基建”（國務院）、“3D打印列入十三五規(guī)劃”（國務院）、“先進制造業(yè)與先進服務業(yè)深度融合”（發(fā)改委）、“制造業(yè)設計能力提升”（發(fā)改委）、“促進服務型制造發(fā)展”（工信部）、“國家軟件重大工程”（工信部）等規(guī)劃和支持政策，均反映了新形勢下制造業(yè)數字化轉型的國家戰(zhàn)略。
系統(tǒng)工程方法和數字孿生體工具是推動數字化轉型的有力武器
制造業(yè)企業(yè)在推進數字化轉型的過程中，將面臨很多問題和挑戰(zhàn)。

例如國家發(fā)展改革委高技術司司長伍浩指出：當前不少企業(yè)轉型主要存在三個問題：一是轉型能力不夠、“不會轉”，二是轉型成本偏高、“不能轉”，三是轉型陣痛期比較長，“不敢轉”。

我們認為，解決的方案是“方法和工具”、“開源和生態(tài)”，以及“賦能和路徑”，本文重點討論“方法和工具”問題。系統(tǒng)工程是實現數字化轉型的方法框架，而數字孿生體是數字化轉型的核心關鍵使能技術和頂層工具。   

1.      系統(tǒng)工程方法
系統(tǒng)工程最早由中國航天、導彈和自動化之父錢學森院士引入中國，錢學森院士指出：系統(tǒng)工程是組織管理“系統(tǒng)”的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有“系統(tǒng)”都具有普遍意義的科學方法。

系統(tǒng)工程已廣泛應用于國際國內航空航天等高端裝備研制領域，實踐證明對于復雜、龐大、多組織和新技術并行的大型工程具有突出的指導作用。

系統(tǒng)工程方法的主要特點是：

• 把研究對象作為一個整體來分析，分析總體中各個部分之間的相互聯系和相互制約關系，使總體中的各個部分相互協(xié)調配合，服從整體優(yōu)化要求。在分析局部問題時，是從整體協(xié)調的需要出發(fā)，選擇優(yōu)化方案，綜合評價系統(tǒng)的效果；
• 綜合運用各種科學管理的技術和方法，定性分析和定量分析相結合；
  

• 對系統(tǒng)的外部環(huán)境和變化規(guī)律進行分析，分析它們對系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)適應外部環(huán)境的變化。
  

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法以霍爾模型作為核心，提出了由時間維、邏輯維和知識維所構成的三維空間抽象結構，構成了系統(tǒng)工程的方法框架。

基于霍爾模型的系統(tǒng)工程方法框架

（源自Arthur David Hall）

該框架的優(yōu)勢是適合于大型項目的組織，在特定的邏輯維度（比如數字化轉型戰(zhàn)略目標和產業(yè)經濟發(fā)展客觀規(guī)律）的基礎上，綜合考慮了知識維度（比如IT、DT、AI支撐和應用環(huán)境，從可量化描述的工程領域到難以模型和量化的社會和藝術領域），以及時間維度（多項目組織的合理路徑，以及如何落地實施）之間的總體規(guī)劃和相互影響要素。

除此以外，系統(tǒng)工程方法在具體的數字孿生體項目實施中，如何構建IT和DT系統(tǒng)部署以形成數字基建支撐平臺，如何應用正向設計和DFAM面向增材的設計以實現產品創(chuàng)新等，已形成很多本領域、本專業(yè)的實例化應用。

例如下圖安世亞太提出基于模型的系統(tǒng)工程MBSE應用于復雜裝備和系統(tǒng)研發(fā)。MBSE的方法和流程同樣也可作為指導物聯網、云計算、機器學習、大數據、區(qū)塊鏈等數字孿生體使能技術系統(tǒng)的部署實施和架構設計。

基于模型的系統(tǒng)工程MBSE應用于復雜裝備

和系統(tǒng)研發(fā)（源自安世亞太）

2.      數字孿生體工具
應用數字孿生體作為推進企業(yè)數字化轉型的頂層工具，應用系統(tǒng)工程方法進行實例化，相對于其他架構或信息化規(guī)劃和實施方法論，其優(yōu)勢在于：

數字孿生體的核心在于虛擬世界和物理世界的結合，更多地關注于虛實雙向互動與促進，適用于不斷迭代升級的轉型過程；

數字孿生體的應用范圍更廣，從產品的數字孿生體，到供應鏈和物流、產業(yè)數字孿生，乃至城市和軍事，已應用到生產生活、國計民生的方方面面。在此框架下研究企業(yè)數字化轉型，可用一致性的模型進行宏觀戰(zhàn)略思考和路徑規(guī)劃；

數字孿生體在各領域的廣泛應用

（源自北航陶飛教授）

數字孿生體在各領域的應用，從模型到系統(tǒng)和案例，已具備很好的實踐基礎，各研究機構也形成了很多研究成果。

數字孿生體系統(tǒng)的通用參考架構和應用場景

（源自安世亞太）

系統(tǒng)工程和數字孿生體相結合的數字化轉型實施框架
基于系統(tǒng)工程方法和數字孿生體工具的特點，初步構建了下圖數字化轉型的實施框架。

建立此框架的目的在于將數字化轉型的利益相關方（國家和地方政府、IT、DT和智能制造等解決方案服務商、制造業(yè)企業(yè)等），納入到一個可視化的坐標系內，相關方共同研討和豐富，形成一個清晰的戰(zhàn)略路徑。

數字化轉型實施框架

（源自安世亞太）

從三個坐標軸和其組合形成的二維空間，最后到三維空間，分別描述其中要點如下：

系統(tǒng)維：是數字化轉型的主要目標，關注者主要是國家發(fā)改委、地方政府以及制造業(yè)企業(yè)。對于國家來說主要是國際競爭和產業(yè)經濟轉型，對于地方政府來說主要是地區(qū)經濟和差異化競爭策略；對于企業(yè)來說主要是如何通過新產品、新市場和新業(yè)態(tài)，提升競爭力；

認知維：是數字化轉型的動能和技術支撐，關注者主要是國家工信部、科技部和IT、DT、工業(yè)自動化和高端裝備等解決方案供應商。對于國家來說主要是把握、跟隨或引領技術發(fā)展趨勢，解決“卡脖子”問題；對于供應商來說主要是把握技術演進趨勢、形成獨特競爭優(yōu)勢、GPT（通用目的技術）產業(yè)化等目標；

項目維：是數字化轉型實施落地的具體路徑，以上各相關者都關注。對于國家和地方政府來說，如何制定和實施導向型政策；對于供應商和企業(yè)來說如何順應大勢和踩住節(jié)拍；

系統(tǒng)維和認知維的結合：GPT技術熟化、跨越新技術“裂谷”，與產業(yè)需求相結合，轉化為現實生產力；

系統(tǒng)維和項目維的結合：以戰(zhàn)略目標為核心的資源合理匹配，包括人才與組織、工具與方法、流程與標準等，總體規(guī)劃、制定制造業(yè)企業(yè)賦能戰(zhàn)略、導向型政策和營造生態(tài)環(huán)境；

認知維和項目維的結合：主要是技術解決方案供應商與實施計劃的匹配和落地，比如項目組規(guī)劃、建立成熟度標準、現狀評估、實施細節(jié)和效果測量等；

以上三維結合：即形成制造業(yè)數字化轉型戰(zhàn)略的目標、規(guī)劃、資源和路徑。

研究和借鑒世界先進工業(yè)國家的數字經濟和數字化轉型經驗
新工業(yè)革命和數字經濟的發(fā)展趨勢，已成為世界先進工業(yè)國家的共識，并根據各自的目標和國情制定了相應的數字化轉型促進戰(zhàn)略。

1.      德國中小企業(yè)（比中國定義的中小企業(yè)要大）數字化業(yè)務流程轉型戰(zhàn)略以聯邦經濟和能源部領導，建立了德國中小企業(yè)數字化轉型框架（下圖）。以中小企業(yè)4.0等大型資助板塊為方向，眾多小型資助項目為核心，多個促進中心為技術指導的全面引導系統(tǒng)；與研究機構或大學及其他利益相關者共同合作，分為短期、中期和長期計劃來具體實施促進中小企業(yè)數字化轉型的戰(zhàn)略，旨在為中小企業(yè)提供免費的、方便理解的、實用的數字化相關指導。

德國中小企業(yè)數字化轉型邏輯架構

（源自安世亞太）

2.      美國ManufacturingUSA成為推動美國制造的新平臺和相關技術的“孵化器”。美國制造并沒有囿于“制造業(yè)回歸”的思路，而是“尋找新領地”，把未來的優(yōu)勢（設計和創(chuàng)新）放在核心位置。

美國尋找“新領地”發(fā)揮設計和創(chuàng)新的優(yōu)勢

（源自工業(yè)4.0研究院）

3.      英國則將數字孿生體應用提升到國家戰(zhàn)略層面，提出了數字孿生體國家戰(zhàn)略。對于通過數字孿生體應用于提升公眾生活便捷性、拓展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模式、減少資源浪費等方面，發(fā)布了具體的信息管理框架路線和國家級數字孿生體原則。

英國國家級數字孿生體原則

（源自工業(yè)4.0研究院）

綜上，深刻理解新形勢下中國制造業(yè)的“危”與“機”，把握“數字經濟”下“服務型制造”的發(fā)展趨勢，以“系統(tǒng)工程”方法和“數字孿生體”工具構建制造業(yè)數字化轉型戰(zhàn)略和實施框架。同時在研究世界先進工業(yè)國家做法的基礎上，中國制造業(yè)揚長避短和實現差異化競爭，從而轉危為機，繼往開來，革故鼎新。

—作者—

丁杰
安世亞太戰(zhàn)略合作部副總經理，數字孿生體實驗室顧問；六西格瑪黑帶、TOGAF高級認證（2015），美國質量協(xié)會ASQ和企業(yè)架構聯盟AEA會員；二十余年制造業(yè)管理咨詢和信息化規(guī)劃，三年增材制造生態(tài)圈戰(zhàn)略合作經營經驗。