在航空航天、汽車、消費(fèi)電子等高復(fù)雜度制造行業(yè)，數(shù)字孿生正從技術(shù)概念演變?yōu)楹诵哪芰ΑＫ灰暈閼?yīng)對產(chǎn)品復(fù)雜度提升、以更快速度推向市場、智能化升級(jí)、全球供應(yīng)鏈博弈與可持續(xù)發(fā)展壓力的關(guān)鍵手段。
但理想與現(xiàn)實(shí)之間存在巨大落差。許多企業(yè)將數(shù)字孿生誤解為3D建模或圖形可視化，系統(tǒng)孤立、數(shù)據(jù)割裂，難以支撐從設(shè)計(jì)到制造、再到運(yùn)維的閉環(huán)協(xié)同。來自Digital Twin Consortium的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，全球僅有約8%的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生在產(chǎn)品生命周期、生產(chǎn)流程與性能分析中的深度集成，92%的企業(yè)仍停留在“局部可視化”階段，難以釋放系統(tǒng)性價(jià)值。
一個(gè)根本性問題隨之浮現(xiàn)：為什么數(shù)字孿生拼不成一張圖？
01
8%的突破和92%的困局
在一家傳統(tǒng)造船廠，復(fù)雜的工藝流程與環(huán)節(jié)之間的信息割裂，長期困擾著整個(gè)企業(yè)。比如，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師通過三維建模構(gòu)建船舶方案，但交付給船廠的卻是二維圖紙。圖紙?jiān)陂_工前再次被轉(zhuǎn)換為三維模型用于船體結(jié)構(gòu)規(guī)劃，到生產(chǎn)一線又被還原為平面圖紙，供工人操作。新船交付時(shí)，客戶收到的依然是紙質(zhì)說明書，哪怕這些資料多得足以裝滿一車。
為了徹底打破這種低效割裂的模式，造船廠決定引入基于“單一平臺(tái)”的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人、流程、信息的高度耦合。在這一系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)、仿真、制造、交付各階段有機(jī)貫通，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的變更，都能實(shí)時(shí)傳導(dǎo)至下游，所有參與人都在一個(gè)數(shù)字模型上“添磚加瓦”，打破了“語言不統(tǒng)一”的壁壘，形成邊設(shè)計(jì)、邊建造、邊體驗(yàn)的動(dòng)態(tài)閉環(huán)。
數(shù)字孿生，就是通過數(shù)字技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的物體、系統(tǒng)與流程映射到虛擬空間，生成一個(gè)可交互、可演化的“數(shù)字克隆體”。它通過“虛實(shí)聯(lián)動(dòng)”大幅減少重復(fù)勞動(dòng)，提升協(xié)作效率，并催生了一場更深層次的“左移工程”革命。
傳統(tǒng)制造流程常常在后期發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致返工、延遲與成本激增。而通過數(shù)字孿生，工程驗(yàn)證“前置”到設(shè)計(jì)初期，在虛擬世界中就能完成成千上萬次的性能測試與工藝驗(yàn)證，能夠在早期識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)修正，避免實(shí)物試錯(cuò)的高昂成本。
從航空航天、消費(fèi)電子到汽車工業(yè)，數(shù)字孿生正成為高復(fù)雜度制造行業(yè)的“基石”。例如，JetZero借助其驗(yàn)證下一代翼身融合型飛機(jī)，Oracle Red Bull F1車隊(duì)用其實(shí)時(shí)調(diào)整賽車參數(shù)。它不是單一環(huán)節(jié)的效率工具，而是一種支撐組織變革與創(chuàng)新能力的系統(tǒng)平臺(tái)。
然而，就像上述Digital Twin Consortium調(diào)研數(shù)據(jù)顯示的“8%與92%”的反差，背后隱藏的是企業(yè)在數(shù)字孿生落地過程中面臨的結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)。
多數(shù)企業(yè)誤將數(shù)字孿生視作“3D圖形的高級(jí)呈現(xiàn)”，而非一個(gè)涵蓋設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化、制造與服務(wù)，虛實(shí)共生的“數(shù)字生命體”。而真正的全面數(shù)字孿生，是一個(gè)能在整個(gè)生命周期中不斷吸收真實(shí)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)演化的自進(jìn)化閉環(huán)系統(tǒng)。
以西門子南京工廠為例，其規(guī)劃建設(shè)過程本身就是在數(shù)字孿生中完成的。通過仿真引擎預(yù)演多個(gè)極端情境，團(tuán)隊(duì)在虛擬空間中完成了對廠房配置、工藝流程、數(shù)據(jù)流路徑的多輪驗(yàn)證與優(yōu)化。在工廠投產(chǎn)后，所有運(yùn)營數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至孿生體中，實(shí)現(xiàn)持續(xù)調(diào)整與性能提升，真正構(gòu)建起了一個(gè)工廠的“智能神經(jīng)系統(tǒng)”。
正如《哈佛商業(yè)評論》所指出：“閉環(huán)優(yōu)化能力是工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心價(jià)值錨點(diǎn)。”而全面數(shù)字孿生正是這一能力的具象化。
推動(dòng)這種閉環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，不在于單一工具部署，而是打通設(shè)計(jì)（CAD）、管理（PLM）、制造執(zhí)行（MES）、企業(yè)資源（ERP）之間的“系統(tǒng)斷點(diǎn)”，構(gòu)建起邏輯統(tǒng)一、數(shù)據(jù)貫通的“數(shù)字主線”。正因這種系統(tǒng)能力要求高、協(xié)同門檻大，才造成了多數(shù)企業(yè)難以突破局部試點(diǎn)階段，止步于“工具堆疊”。
02
為什么拼不成一張圖？
全面數(shù)字孿生的本質(zhì)，并非“工具堆疊”，而是系統(tǒng)架構(gòu)的重塑。企業(yè)若要真正邁入數(shù)字孿生階段，首先必須回答一個(gè)問題：為什么拼不成一張圖？
在現(xiàn)實(shí)企業(yè)中，多域物料清單（BOM）分散管理嚴(yán)重。設(shè)計(jì)BOM、工程BOM、制造BOM各自為政，機(jī)械、電氣、軟件團(tuán)隊(duì)使用不同工具和格式，系統(tǒng)間難以聯(lián)通。數(shù)據(jù)分散、多格式頻繁轉(zhuǎn)換、手動(dòng)同步、缺乏追溯，造成信息滯后、錯(cuò)誤堆積，甚至誘發(fā)設(shè)計(jì)缺陷與合規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。
更重要的是，孤立的架構(gòu)壓抑了AI、機(jī)器學(xué)習(xí)等需要大規(guī)模數(shù)據(jù)才能發(fā)揮效能的先進(jìn)技術(shù)，阻斷了企業(yè)通往高階智能化的路徑。
西門子的解決方案，是構(gòu)建一條貫穿產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”——數(shù)字主線。它整合工具、數(shù)據(jù)、流程與系統(tǒng)，打通設(shè)計(jì)、仿真、制造與服務(wù)的上下游，在同一主線上流動(dòng)、“共生”。工程團(tuán)隊(duì)得以在統(tǒng)一平臺(tái)上共享、調(diào)用核心數(shù)據(jù)，變更實(shí)時(shí)同步，仿真與決策建立在全域洞察基礎(chǔ)上。
數(shù)字主線不是簡單的數(shù)據(jù)管道，而是平臺(tái)級(jí)能力。Teamcenter作為西門子數(shù)字主線的核心平臺(tái)，相當(dāng)于企業(yè)的“協(xié)同大腦”。
在概念設(shè)計(jì)與分析階段，它支持多領(lǐng)域如機(jī)械、電氣、軟件等并行開發(fā)，又能通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)對齊機(jī)制，保持精確聯(lián)動(dòng)。
多領(lǐng)域工程物料清單（EBOM）是數(shù)字主線的核心樞紐。雖然工程師負(fù)責(zé)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但最終在EBOM中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完整定義與規(guī)格固化。由此，EBOM通常是企業(yè)內(nèi)規(guī)模最大、用戶最多、復(fù)雜度最高的系統(tǒng)。數(shù)字主線通過將EBOM數(shù)據(jù)流無縫接入產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）系統(tǒng)，企業(yè)建立了完整統(tǒng)一的產(chǎn)品定義，確保每一次配置與變更都可追蹤、可審計(jì)。
數(shù)字主線還延伸至制造與服務(wù)階段，工程與制造、工藝規(guī)劃、服務(wù)等環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)無縫協(xié)同，變更自動(dòng)同步。
這一理念在OPmobility的實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。該公司定制了Teamcenter作為其產(chǎn)品生命周期管理的主干系統(tǒng)。該公司董事總經(jīng)理Félicie Burelle表示：“我們使用西門子Teamcenter X在全球研發(fā)網(wǎng)絡(luò)中部署了標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一PLM解決方案，不僅有助于提高團(tuán)隊(duì)效率和成果，還能夠加快產(chǎn)品的上市速度，無論對于OPmobility的產(chǎn)品還是客戶來說都大有裨益。”
正是由于這種系統(tǒng)性的能力，西門子獲得了Frost & Sullivan授予的2023年度數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)獎(jiǎng)。該機(jī)構(gòu)指出，“西門子提供的是真正的綜合性方法，通過集成的數(shù)字主線將傳統(tǒng)孤立的產(chǎn)品與生產(chǎn)流程連接起來”，而這正是西門子領(lǐng)跑數(shù)字孿生領(lǐng)域的“終極武器”。
03
重塑制造范式
數(shù)字主線為全面數(shù)字孿生打通了數(shù)據(jù)通路、消除了系統(tǒng)割裂，但僅有它仍不夠。企業(yè)要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)價(jià)值，還需要一個(gè)“執(zhí)行引擎”來承載模型、仿真、測試與反饋的全過程。Simcenter正是西門子在這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵布局。
作為西門子全面數(shù)字孿生的核心平臺(tái)，Simcenter將工程仿真、性能預(yù)測與虛擬驗(yàn)證深度融合，使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)之初就具備精準(zhǔn)可控的“行為預(yù)演能力”。
借助Simcenter，在數(shù)字主線所打通的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建產(chǎn)品在不同工況、極端環(huán)境甚至全生命周期內(nèi)的數(shù)字映射模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性驗(yàn)證、性能調(diào)優(yōu)與實(shí)時(shí)反饋，從而支撐起真正意義上的閉環(huán)制造。
其技術(shù)核心之一是制造主數(shù)據(jù)模型（MDM）與通用工廠模型（CPM），通過對產(chǎn)品物料清單BOM與工藝清單BOP，在“單一平臺(tái)”中完成設(shè)計(jì)建模、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)執(zhí)行與設(shè)備管理，形成產(chǎn)品孿生、工藝孿生與設(shè)備孿生的全面交匯。這一體系在實(shí)踐中已廣泛應(yīng)用。
在電池制造領(lǐng)域，電池充電的前80%通常非常快速，而最后20%則耗時(shí)更長，部分原因是充電過程中產(chǎn)生的熱量所致。通過Simcenter對分流器進(jìn)行數(shù)字孿生建模，優(yōu)化空氣流分布，讓冷卻性能提升22%、設(shè)計(jì)時(shí)間縮短50%。
在交通領(lǐng)域，加州初創(chuàng)公司Natilus致力于解決空運(yùn)費(fèi)用昂貴的問題。借助數(shù)字孿生系統(tǒng)，客戶與開發(fā)者得以“沉浸式”體驗(yàn)和全面探索設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。他們采用翼身融合設(shè)計(jì)，貨運(yùn)容量提升1.5 倍，還將燃料消耗減少了一半，上市時(shí)間縮短50%。房車制造商Hymer在設(shè)計(jì)概念房車VisionVenture時(shí)，借助全面的數(shù)字孿生，實(shí)體原型減少80%，個(gè)性化變型開發(fā)時(shí)間縮短65%。
在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品與個(gè)性化制造領(lǐng)域，義肢制造企業(yè)Unlimited Tomorrow，利用數(shù)字孿生和3D打印，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造，將義肢成本從8萬美元降至8000美元，交付周期從最長一年縮短至幾周，義肢重量從4磅降至1磅，為客戶提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、輕便且高質(zhì)量的義肢。
在更具挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)產(chǎn)案例中，越南VinFast僅用三周時(shí)間完成從造車到造呼吸機(jī)的轉(zhuǎn)換，正是通過西門子數(shù)字孿生方案實(shí)現(xiàn)的快速部署，最終將月產(chǎn)能提升至5.5萬臺(tái)。這種響應(yīng)力，正是全面數(shù)字孿生體系賦予企業(yè)的關(guān)鍵競爭力。
同時(shí)，數(shù)字孿生與AI、工業(yè)元宇宙、可持續(xù)制造深度融合，打造動(dòng)態(tài)可進(jìn)化系統(tǒng)。在電池機(jī)器人夾具優(yōu)化中，AI輔助設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重80%、碳排放減少90%。AI驅(qū)動(dòng)的配置應(yīng)用程序通過拓?fù)鋬?yōu)化顯著縮短設(shè)計(jì)周期和成本。
從這些實(shí)踐中可以看出，當(dāng)企業(yè)真正打通數(shù)據(jù)主線、建成仿真平臺(tái)，并將其延展至工廠、流程和客戶前線，全面數(shù)字孿生就不僅是一項(xiàng)技術(shù)能力，而是一種驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)化、流程再造和組織變革的結(jié)構(gòu)性力量。它既提升了效率與質(zhì)量，又拓展了產(chǎn)品定義與交付的邊界，最終讓企業(yè)具備了在復(fù)雜多變環(huán)境中快速?zèng)Q策、敏捷響應(yīng)、可持續(xù)運(yùn)營的能力。
全面數(shù)字孿生是一種新的生產(chǎn)邏輯和組織能力。它重塑了產(chǎn)品設(shè)計(jì)范式，改寫了制造節(jié)奏，也定義了未來工業(yè)企業(yè)的核心競爭力。
真正的工業(yè)未來，并不屬于擁有最多工具的企業(yè)，而屬于能夠用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)演化、用仿真支撐決策的系統(tǒng)型組織。在這場從“工具堆疊”走向“系統(tǒng)重構(gòu)”的范式躍遷中，全面數(shù)字孿生正成為那條決定企業(yè)命運(yùn)的分水嶺。