大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新技術引發(fā)了人們對制造模式的新思考，結合《中國制造2025》中制造業(yè)服務化重要內容，本文提出一種數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務新模式。
該制造服務模式對促進中國傳統(tǒng)制造企業(yè)轉型升級和提升新國際競爭環(huán)境下綜合競爭力具有理論和現(xiàn)實意義。
當今時代，數(shù)據(jù)成為了新的產業(yè)發(fā)展動力，并為諸多領域技術發(fā)展提供了新的機遇。
與之相應，近年來世界制造業(yè)發(fā)達國家針對當前逐步形成共識的新一輪工業(yè)革命，相繼推出了自己的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，勢必將導致全球工業(yè)體系、發(fā)展模式和競爭格局產生重大變革，自然也對制造業(yè)運行模式——制造模式提出了新的要求。
智能制造與數(shù)字孿生
自智能制造在中國發(fā)展以來，一方面，制造企業(yè)的生產效率、運行成本、研發(fā)周期等方面狀況均獲改進；另一方面，基礎研究領域仍以模仿或直接引進國外成果的方式為主，在相關領域缺少原始創(chuàng)新。
隨著“工業(yè)4.0”的提出，數(shù)字孿生等新興技術逐漸進入人們視野，提供了加速推進具有中國特色智能制造彎道超車的機會。
數(shù)字孿生的理念可追溯到1969年，但現(xiàn)在普遍認為數(shù)字孿生的明確概念由Michael Grieves于2003年給出，即“數(shù)字孿生是與物理產品等價的虛擬數(shù)字化表達”。
數(shù)字孿生發(fā)展歷程
制造服務模式
制造業(yè)服務化的核心思想主要是制造企業(yè)通過有形產品的服務來增強其產品綜合競爭力，并逐漸將服務增值作為其利潤創(chuàng)造的核心來源。
當前，制造業(yè)正處于由生產型制造向服務型制造轉型的關鍵時期，這是現(xiàn)代產業(yè)分工不斷細化、生產組織方式高度協(xié)同的必然結果，也是消費升級的客觀要求、制造轉型的重要方向。
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造模式框架
工業(yè)互聯(lián)網引發(fā)生產范式變革，推動形成數(shù)據(jù)驅動制造模式。
從構成要素角度看，機器、數(shù)據(jù)和人構成了工業(yè)互聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)。
從核心技術角度看，貫徹工業(yè)互聯(lián)網始終的是數(shù)據(jù)資源，工業(yè)互聯(lián)網的本質就是將正確的數(shù)據(jù)在正確的時間傳遞給正確的人和機器，不斷優(yōu)化制造資源的配置效率。
從雜亂無章的原始數(shù)據(jù)到具有價值的決策信息，由此形成了用數(shù)據(jù)生產、管理和決策的制造范式，為此從數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)及生產性服務的實現(xiàn)和服務執(zhí)行機制的角度構建了數(shù)字孿生驅動的代理人大數(shù)據(jù)制造服務模式體系架構。
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務模式體系架構
架構分為5大部分：“虛擬世界（產品全生命周期）”“物理世界（大數(shù)據(jù)）”“數(shù)據(jù)處理機制（數(shù)字孿生）”“數(shù)字模型”及“應用”，將各類平臺上的創(chuàng)新成果與經濟社會各領域深度融合，形成更廣泛的以互聯(lián)網為基礎設施、數(shù)字孿生為橋梁、大數(shù)據(jù)為工具的數(shù)字經濟發(fā)展新形態(tài)。
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務模式針對產品全生命周期中各個階段進行檢測或驗證，通過智能感知/傳感、工業(yè)以太網等，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)采集等；同時，基于數(shù)字孿生中針對非結構化數(shù)據(jù)、半結構化數(shù)據(jù)、結構化數(shù)據(jù)處理機制，通過大數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)處理和大數(shù)據(jù)分析層的數(shù)字模型，以應用層功能化方式實現(xiàn)與大數(shù)據(jù)的相應映射，進而利用大數(shù)據(jù)分析技術推動制造業(yè)向定制化和精準服務化轉型。
應用關聯(lián)分析法對企業(yè)調度信息和訂單信息進行回溯研究；應用預測分析法對生產中的設備維護周期和質量監(jiān)控力度進行模擬預測，形成事先維護、事先控制的質量管理與設備維護機制；利用聚類分析法對能耗數(shù)據(jù)與回收數(shù)據(jù)進行動態(tài)關聯(lián)，探索企業(yè)生產制造低碳化、清潔化、循環(huán)化的發(fā)展路徑。
通過產品全生命周期中各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互相關聯(lián)，最終形成數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造模式閉環(huán)運作生態(tài)。
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造
服務模式使能技術
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務模式涉及物理世界和虛擬世界，涵蓋了產品全生命周期各個環(huán)節(jié)，是近年來興起的云制造、制造服務、制造服務化的集成，其核心是數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)兩個技術支持。
數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務模式使能技術范圍示意
從制造服務化維度來看，數(shù)字孿生相繼經歷了服務經濟、服務增值、服務增強及服務嵌入等階段。
制造服務維度可以進一步劃分為兩條主線，一條主線相對簡單——從網絡制造向制造網絡進化，另一條主線則由按需生產、服務營銷、顧客導向、服務創(chuàng)新逐漸過渡到面向服務；云制造維度，一條主線是物聯(lián)網，另一條主線是從傳統(tǒng)分布式計算向云計算演變。
對于任何制造服務模式而言，其結構、運行方式及演化路徑都是相關研究的熱點和重點。
數(shù)字孿生驅動的兩個世界及其描述
從勞動者、物質資料和資金三要素入手，以客戶需求為中心，探討現(xiàn)有數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)技術融入該制造服務過程中可能存在的問題和困境。
研究在傳統(tǒng)制造企業(yè)轉型升級過程中，有效解決當前所面臨痛點所需要的理論和方法體系，嘗試建構一個以行業(yè)信息整合為依托的數(shù)字孿生驅動的大數(shù)據(jù)制造服務新模式，提升中國傳統(tǒng)制造企業(yè)應對復雜動態(tài)多變市場環(huán)境和全球性競爭的能力。
數(shù)字孿生驅動的兩個世界及其關系示意
1）在物理世界，以企業(yè)要素為節(jié)點，以企業(yè)體制、經營、管理、生產組織和技術系統(tǒng)的形態(tài)和運作模式為對象，通過企業(yè)結構單元化及其業(yè)務過程單元化，在單元粒度模型及其優(yōu)化基礎上，建立模塊化企業(yè)結構及其業(yè)務過程單元化運行策略。
2）在虛擬世界，進行勞動者、物質資料和資金的要素及其關聯(lián)分析，提出物理世界中具體企業(yè)結構單元及其業(yè)務過程單元的映射方法，建立聯(lián)通物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)兩個世界的“一體化”。在虛擬世界里，物理世界的數(shù)字化構成了大數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)的結合
數(shù)字孿生是大數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)獲取的主要方式，數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)之間在數(shù)據(jù)類型等方面具有一致性，在某種程度上可以認為數(shù)據(jù)孿生是虛擬世界（大數(shù)據(jù)）和物理世界（設備等物質資料）之間的橋梁，企業(yè)通過鏈接虛擬世界和物理世界的數(shù)字孿生技術實現(xiàn)制造服務的全程數(shù)據(jù)驅動。
數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)結合示意
大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源主要包括：企業(yè)數(shù)據(jù)（大數(shù)據(jù)最主要的來源，涉及了該企業(yè)在產品全生命周期中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)）、產業(yè)數(shù)據(jù)（跨域企業(yè)邊界的一些帶有產業(yè)或行業(yè)特征的數(shù)據(jù)）、輔助數(shù)據(jù)（前面兩種數(shù)據(jù)之外的所有數(shù)據(jù)）。
制造服務在產品全生命周期各階段全程由大數(shù)據(jù)驅動來實現(xiàn)，而大數(shù)據(jù)重要來源之一就是鏈接物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生。
可以說，數(shù)字孿生幫助打造了大數(shù)據(jù)環(huán)境，而大數(shù)據(jù)環(huán)境對制造服務提供了全程數(shù)據(jù)服務。
大數(shù)據(jù)制造服務模式中模型建立與優(yōu)化
普遍認為，人類已經從物質極度匱乏的賣方市場時代，過渡到了產業(yè)過剩帶來的自由選擇的買方市場時代，而第四次工業(yè)革命將從產品垂直深度、全球化地域廣度等進一步加劇買方市場的競爭，其業(yè)務模型也發(fā)生了根本性的變化。
從傳統(tǒng)模式向創(chuàng)新模式（大數(shù)據(jù)制造服務模式）轉變示意
賣方市場環(huán)境下，產品生命周期各個階段中時間流和信息流都是單一地往前，各個階段形成了明顯的信息孤島，顧客也只有在實體店才能看到自己想購買的產品，沒有辦法對產品提出自己個性化的需求。
在買方市場環(huán)境下，產品全生命周期是一個不斷“假設→驗證→修正→假設”的過程，各個階段都在不斷地與客戶（個性）需求、市場（大類）需求等進行修正，該過程中鏈接物理世界和虛擬世界的數(shù)字孿生技術將不斷地自動產生大量數(shù)據(jù)，進而完成大數(shù)據(jù)收集階段工作。
模型建立和模型優(yōu)化就將成為其中關鍵。
模型建立
為了充分發(fā)揮該生態(tài)系統(tǒng)最大潛力，需要構建系統(tǒng)成員之間鏈接而達成的動態(tài)網絡模型，并以效能最大化等為目標，如何對其進行最優(yōu)模塊化也是其中一個關鍵問題。
模型優(yōu)化
研究上述模型中基本模塊、必選模塊和可選模塊的動態(tài)劃分，建立模塊之間邊界函數(shù)，在系統(tǒng)多約束條件下進行上述動態(tài)網絡模型的優(yōu)化，進而實現(xiàn)系統(tǒng)效能最大化；同時，建立圍繞系統(tǒng)核心能力的適應性創(chuàng)新機制，使該系統(tǒng)對外界條件變化時可以自適應地作出響應，并進而推動系統(tǒng)不斷自我完善與優(yōu)化。
結論
基于當前新技術大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生等，提出了一種數(shù)字孿生驅動的“大數(shù)據(jù)+業(yè)態(tài)”的新型服務模式，其特點主要表現(xiàn)在以下4個方面：
01動態(tài)性
數(shù)字孿生模型將是一個開放的、不斷與時俱進的動態(tài)演變模型。
02敏捷性
該模式也能對周圍環(huán)境的任何改變及時敏捷地作出響應。
03全局性
該模式涵蓋了產品、企業(yè)及其上下游各個方面或者說全局。
04適應性
把更多新涌現(xiàn)的新技術融入到該模式中。
該模式嘗試把新技術數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)等融合起來，在實現(xiàn)物理世界和虛擬世界的互聯(lián)、產品和服務的虛實映射等的同時，為產品全生命周期中各個環(huán)節(jié)上下游企業(yè)實現(xiàn)最大共贏提供新的思路和方法，也將有助于把“新基建”之一的工業(yè)互聯(lián)網與制造服務有機結合起來，解決傳統(tǒng)制造企業(yè)轉型升級社會問題，推動中國經濟高質量發(fā)展。
