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数字主线:是什么?为什么需要?如何构建与推进?

2023/10/7    来源:e-works    作者:e-works  黄菊锋      
关键字:数字主线  数字化转型  智能制造  
在数字化转型浪潮下,数字主线是制造业推进数字化转型和智能制造的战略举措和现实途径之一。
       当前,数据即资产已成为共识。然而,面对呈现指数级增长的海量数据,如何有效利用,也成为了摆在无数企业面前的难题。在近年来的数字化浪潮下,绝大多数企业的信息化已经达到一定水平,但业务系统之间数据断层较多,产品生命周期数据被分散在多个系统中,数据的不一致、不完整、不及时等已开始影响前端业务的正常开展。企业迫切需要集成和打通这些数据,让数据真正流动起来,驱动业务创新升级。

       数字主线(Digital Thread)作为一种更具战略性的可实现跨团队共享数据的技术,逐渐得到关注和重视。那么,数字主线是什么?为什么要做?如何构建数字主线?数字主线应用如何?该如何推进?本文将一一阐述。

什么是数字主线 

       数字主线一词起源于航空航天领域,最先是美国空军和洛克希德·马丁公司于2003年在联合研发F-35时提出,数字主线实现了前所未有的设计数据和制造数据的打通,从而极大提升了军用战斗机制造与装配的自动化程度。2013年,美国空军在发布的《全球地平线》顶层科技规划文件中,将数字主线视做有可能“改变游戏规则”的颠覆性技术之一,并认为系统工程将经历从基于文件到基于模型再到基于数字替身的数字主线变革。国际知名PLM研究机构CIMdata也将数字主线列为数字化转型的“关键十二要素”之一。

       尽管数字主线备受瞩目,但业内对于数字主线的定义并没有统一,有着不同的理解。

       美国空军协同工作小组与工业界合作,将数字主线定义为:是一个可扩展、可配置、合成的企业级的分析框架,基于数字系统模型模板,无缝地加速在企业数据-信息-知识系统中权威的技术数据、软件、信息和知识的受控的相互作用,通过提供访问、集成、变换等功能把完全不同的数据提炼成可操作性的信息,来为系统生命周期中的不同决策者提供决策依据。其中,数字系统模型指的是由所有利益相关者生成,集成了权威数据、信息、算法和系统工程过程的设备系统数字表示[1]

       美国NIST(国家标准技术研究院)为数字主线设立专项,在《Enabling the Digital Thread for Smart Manufacturing》中定义:智能制造项目数字主线可以在整个产品生命周期中重新调整、使用和追溯信息。项目研究侧重于标准和实施需求,以便在生命周期的每个阶段之间交换信息,特别是在工程,制造和质量功能之间。各种生命周期过程的“信息孤岛”正在慢慢地连接起来,形成信息的“数字主线”,这些信息被设想为整合和推动现代设计、制造和产品支持过程。

       CIMdata推荐的定义是:数字主线是一种信息交互的框架,能够打通原来多个竖井式的业务视角,连通设备生命周期数据(也就是其数字孪生模型)的互联数据流和集成视图。数字主线通过强大的端到端的互联系统模型和基于模型的系统工程流程(MBSE)来支撑和支持。

数字主线

数字主线(来源:CIMdata)

       在CIMdata看来,数字主线概念源于产品表示或结构在产品生命周期中被创建和使用,并随着它们的逐步演进而产生;而产品结构配置之间不仅存在基于产品生命周期时间序列的线状连接(线性关系),还衍生出网络连接的相关性——存在网状连接(多对多、双向交付等关系),即数字化网络;有了数字化网络的表示,可以在产品结构之间定义并建立更高级别的模式,为用户社区提供一个框架,以确定各个数据元素之间的相关性,即数字主线。

       因此,数字主线实际上是网状的,是发生在这些结构内和跨结构之间的各元素的实际连系,并且这种连系由实际用例来定义,还能根据不同的创建者和使用者的需要在生命周期中进行调整。CIMdata认为,将产品表示之间的关系描述为网状,作为数字主线实施的范围定义和设计规范的一种范式来说更加有用。

全生命周期数字化网络

全生命周期数字化网络(来源:CIMdata)

       埃森哲:数字主线是贯穿于公司各个职能部门和产品生命周期的信息流,涵盖产品构思、设计、供应链、制造、售后服务等各个环节,及至包括外部的供应商、合作伙伴、和客户产品的数据,使其能对产品及其运行提供全景的动态信息,赋能数字孪生的开发和更新。

       PTC:数字主线是指利用数字化技术,覆盖产品全生命周期与全价值链,构建数物融合、贯通产品研发、制造、营销、运营和服务等各环节的数字化数据流,为企业各个层面提供实时的数据分析和决策支持。

       西门子认为可以把数字主线看作是与最常用的功能程序(工程、项目管理、供应链、生产和产品支持)相一致的数字化网络。这种安排不是单一功能单元中的串行流程,这些功能单元也不会相互独立地运行。相反,数字主线实现了任务自动化,功能单元的互联、集成和链接,因此用户可以在任何时间、任何地点快速访问、共享和管理整个产品生命周期内的项目细节。

       达索系统提出的是数字连续性(Digital Continuity)的概念,数字连续性是一种关联所有利益相关者以在全球范围内提高制造运营和供应链流程可见性、控制力和同步化的共享数字化远景,它有助于实现卓越运营。结果提高了灵活性、延伸了整个企业内部的持续完善,并且扩展了全球供应链。通过提供基于模型的数据驱动型数字用户体验,制造商可以建立一套能在全球范围内实现整体化创建、管理和控制的通用运营流程。

       GE:数字主线是贯通整个价值流的数据连接,它使数字资产成为驱动业务和决策自动化的关键,从而使企业获得全面的洞察。数字主线代表了整个产品生命周期中所有端到端业务流程所关联的数据和信息,能帮助企业缩短交货周期、增加盈利能力及提高客户满意度等。

       罗克韦尔:数字主线是一种战略框架,可通过实现关键业务职能的紧密联系来优化产品、资产、系统或过程的生命周期。基于这种方案,整个价值链都可以获取在设计、虚拟仿真和物理运营期间采集的统一数字数据。

       中国航空工业发展研究中心刘亚威先生定义:数字主线是一个应用于复杂组织体层级的可扩展、可配置的分析框架,无缝连接系统寿命周期与采办流程各阶段的“数据-信息-知识”系统,利用先进的建模与仿真工具,支撑决策者进行有充分根据的决策。数字主线创建富含知识的、互操作的、可以将系统各层级相关数据表达在虚拟世界的数字替身—数字系统模型。

       结合上述定义,e-works认为数字主线是一种可以连接数据流的信息框架,基于该框架可以将产品全生命周期的各种数据高效整合,形成贯穿全周期的统一数字模型,并通过将各模型/数据基于特定的业务规则有机衔接起来,建立面向产品全生命周期的数字化网络,从而为企业中不同的角色或系统,提供与产品有关的完整的、一致的、准确的信息。

       数字主线的基本特征包括:

       1、数字主线不仅可以聚合研产供销服、供应商/设备制造供应商、合作伙伴等设计态和生产态数据,还可以使能产品物理设备与数字世界的连接,包含测试装备、产品设备/网络设备等运行态数据聚合。

       2、在数字主线中,统一的全数字化模型贯穿始终。因此,数字主线需具备的功能包括:定义和管理数字产品元模型(含对象/关系);生成和管理数字产品模型;定义和管理数字化产品(数字孪生模型);定义数据对应的属性、服务、事件、订阅[2]

       3、数字主线统一了数据源,产品有关的数字模型采用标准和开放的描述,可以被稳定无歧义地读取,并且各环节的模型能够及时进行关键数据的双向同步和沟通[3]

       4、数字主线提供了聚焦产品生命周期不同业务应用之间所需的集成,其以业务应用为核心进行联通,打通的不仅仅是数据,更多的是业务。

为什么数字主线很重要

       在“2023 CIMdata PLM市场与产业发展论坛”上,CIMdata公布了关于数字主线的研调,结果表明数字主线最突出的作用与“建立产品信息的可追溯性”有关,并提出数字主线的价值核心在于贯穿生命周期和上下游企业中源产品和变型产品之间的相关参数可追溯性。

       尽管制造企业一直致力于数据链路的打通,包括推进设计制造一体化、全生命周期管理等,但从研发到运营各环节中数字量的连续流动仍然存在许多断点,各自使用不同的模型描述,缺乏有效集成,且大多数企业各环节数据只能单向流动[4]。即工程部门将设计、模型和蓝图交给制造部门,制造部门尽量以最优方式把设计转化为产品;在产品销售之前的质量控制,通常是是将产品基本说明书与设计进行比对;维护和支持工作通常只是让已交付的产品能正常运作而已。

       而数字主线可以帮助企业打通信息全链路,让数据在公司所有部门和流程间不断流动形成一条连续的数据流,确保在发生变更时,各类产品信息的一致性;同时,还能向下传递、向上回溯,实现全价链端到端追溯、跨企业团队和系统的协作和业务应用。例如,设计工程师可以实时在线获取已交付产品的运行状态及故障数据,从而在设计环境中进行仿真分析,实现产品快速迭代和质量问题闭环;服务工程师可在服务现场快速追溯产品构构、设计模型、生产记录以及备件信息等[5]

       数字主线是打通信息孤岛、组织壁垒的一种新手段。长期以来,制造企业采用的是以自身应用为中心的“烟囱式”信息化布局,导致孤岛无处不在,面向产品全周期的数据割裂在不同的业务系统内,传统的组织壁垒也限制了信息的流动和知识的共享;即使有信息交换,也很难确定数据的真实可靠。而数字主线打破了传统体系下的信息孤岛和组织壁垒,解决的是如何以产品与业务为核心,把数据模型化、对象化,使得数据能够从前往后串联起来,并能对数据快速提炼和复用,使各业务角色在需要用到特定数据的时候,及时、准确地获得,从而改善协作,提升效率并降低出错率。

       数字主线可以促进MBE落地。实现MBE(基于模型的企业)是很多制造企业的发展目标,其将产品的完整定义通过数字化模型(主要是三维模型)进行表述,并扩展应用到产品全寿期的所有活动中,核心是使用模型来驱动产品全寿命周期的各个业务活动,保证数据的一致性和重用性;然而,当前领先企业也仅仅只实现了MBD(基于模型的定义),尚无法实现模型的持续性和模型驱动的业务[5]。数字主线是以统一的模型驱动产品全寿期各业务活动,其与MBD的结合将加速MBE的落地。

       数字主线能有效地评估系统在其生命周期中的当前和未来能力。数字主线基于在整个生命周期内形成的统一数字化模型,可以动态、实时评估系统的当前和未来的功能和性能。尤其是随着数字孪生技术的发展,数字主线可将将物理世界和数字世界结合起来,使企业能够预测性能并优化产品。例如,在产品开发之前,通过仿真的方法及早发现系统性能缺陷,优化产品的可操作性、可制造性、质量控制,以及在整个生命周期中应用模型实现可预测维护[6]

       此外,数字主线还有助于企业提高数据价值,将有限的资源集中在核心数据上,为建立数字孪生、数据分析、数据挖掘等提供基础。

如何构建数字主线

       构建数字主线意味着将分散的碎片化数据和信息连接起来形成一个完整视图。PLM作为统一的数据管理与集成平台,是数字主线的基础,也是构建数字主线的重要技术。据研究公司Tech-Clarity的一份报告证实,业绩优异的公司使用PLM来支持数字主线的可能性要高出73%。

       据了解,最开始美国空军和洛克希德·马丁的F-35项目在应用数字主线概念时,即主要通过PLM打通设计与制造之间的数据链路。基于PDM/PLM的数字主线,洛克希德·马丁可直接将工程设计中的三维模型用于制造,包括加工模拟、NC编程、三维坐标仪的测量以及工装的设计,也直接用于后续培训及运维相关配套系统的开发。另外,数字主线形成的统一、权威数据源存储在PLM中,可无缝地被世界各地的合作伙伴和供应商直接使用,极大地提高了产品设计、制造以及运维协同的效率和准确性[7]

洛克希德·马丁F-35的数字主线

洛克希德·马丁F-35的数字主线

       随着数字主线的不断发展,构建以BOM为核心的数字主线兴起,其将数字主线延伸到了产品全生命周期,并提高了可追溯性和分析效率。企业利用不同的BOM视图将本视图对应的所属业务领域需要的信息组织起来,再通过建立BOM视图之间的关联来实现跨视图的产品数据追溯和更改[5]。其仍然是以PLM作为产品单一数据源进行数据组织和实现。

       此外,PTC、西门子数字化工业软件、达索等厂商也均提出其PLM解决方案可以帮助企业构建数字主线。

       然而,想要在整个企业范围内扩展数字主线,仅仅有PLM是不够的。近年来不断涌现新的数字主线集成技术。其中,IBM提出了一套主要用于解决生命周期工具集成问题的技术规范——OSLC(Open Services for Lifecycle Collaboration,生命周期开放协作服务)。使用OSLC规范的系统可以更容易地维护不同软件商的工具集成并更好地在工具之间共享信息,促进实现跨领域、应用程序和组织的数字主线。例如,基于OSLC的PLM可以更好地与供应商管理系统集成以记录和跟踪零部件优选、采购、到货、入库等全过程。

基于OSLC实现跨领域、应用程序和组织的数字主线

基于OSLC实现跨领域、应用程序和组织的数字主线(来源:OSLC官网)

       另外,为了更好地链接各业务环节相关的多方面数据,业界也提出使用中台架构来构建数字主线,即数据主线不再依赖任何一个传统的数据源系统,而是基于所有的系统和设备之上,汇聚企业所有数据,实现跨部门、跨系统业务重组,快速响应前端应用需求。

       工业互联网平台作为工业企业实现中台架构的关键技术平台,被认为是实现数字主线的落地技术[5]。例如,在PTC看来,通过工业互联网平台的连接能力可以将业务系统、生产执行、过程控制、设备传感器等中的数据互联互通;业务建模能力则可以帮助企业以业务为对象将各种数据组织起来,并基于特定的业务逻辑建立关联,形成特定的业务链,基于这个业务链即可以实现数据流转和业务驱动;进一步构建一个个工业APP,就可以灵活实现前端调用。

基于工业互联网的数字主线构建

基于工业互联网的数字主线构建(来源:PTC)

数字主线应用实践

       基于美国空军对于数字主线的重视,航空工业开展了一系列数字主线项目。例如,除了前文提到的F-35项目,美国空军还针对A-10战斗机基于MBD和PLM构建了全生命周期使用维护阶段的数字主线。A-10是在20世纪70年代使用二维图样设计的战斗机,为了延长其服役寿命,开展了使用数字工程技术升级改造A-10机翼的更换计划(WRP)。在该计划中,A-10 WRP项目办公室选择在A-10机翼零件和组件上使用MBD,以统一的Adobe 3D PDF格式生成零件的“绘图”文档,以降低成本和提高质量。据了解,WRP项目产生了大约10000个不同零件的设计模型报告,这些新的3D PDF零件报告包含制造商、供应商和临时用户执行其支持功能所需的所有信息。此外,A-10还将维修信息映射到三维模型上。通过数字主线的应用,A-10机翼质量减轻了12%,而寿命则增加了8倍。普拉特·惠特尼集团公司是美国最大的两家航空发动机制造公司之一,仅在两个发动组件制造中使用数字主线,通过量化不确性和面向波动的设计实现基于性能的产品定义,减少废品和返工,每年预计可以节省高达4200万美元的成本。

       随着数字主线受到越来越广泛的关注,其在工程机械、汽车、信息与通信等行业也得到应用。如通过对质量数字主线正向或反向的遍历来回顾所学知识,以解决质量问题;构建订单数字主线,通过将CRM中的用户及订单数据、PLM中的产品设计数据、ERP中的生产计划和物料数据、交付的物理产品及服务数据都串联起来,建立用户、订单、设计产品、供应商、实物产品等模型之间的关联,形成订单数字链路,通过用户订单追溯到订单产品、实物产品的生产序列号及供应间供货记录等,通过实物产品的序列号追溯到产品设计数据、生产批次以及对应的客户订单等(如下图)。

订单数字主线

订单数字主线(来源:PTC)

       总体而言,目前数字主线的应用还处于初级阶段,主要以单点式应用为主,还没有企业形成完整的数字链路。主要原因在于:对数字主线概念的理解尚不成熟;不同厂商的工具和系统之间缺乏互操作性和统一的标准,数据模型的可访问性差;数字主线充分结合了各企业自身的业务和运作模式,无法通用;数据是数字主线的基础,数据治理仍然是企业的大问题;构建数字主线并不是一件容易的事情,以业务场景为核心的信息梳理等工作难度较大;数据主线是一个持续建设、从局部到全面的过程。

数字主线推进建议

       在数字化转型浪潮下,数字主线是制造业推进数字化转型和智能制造的战略举措和现实途径之一。对于制造企业,建议推进数字主线遵循“大处着眼,小处着手”的实施策略,首先进行全局规划,以便在分解组建后各部分能重新组合在一起,然后再逐步实施。如企业可以PLM为基础,从连接设计和制造开始,实现从产品数字设计到BOM转换、流程规划和验证的可追溯性及连接性,并逐步形成整个生命周期BOM的数字主线。

       在具体的实施过程中,企业须建立明确的应用需求,并以特定应用场景为驱动,包括需要建立什么样的数字模型,数据来源于哪些业务系统,如何去连接这些系统,完成一个场景的建设,再逐步延伸到下一个场景,同时还需通过业务场景不断优化迭代前期的模型,最终形成完整的数字网络。另外,健全的数据治理和清洁的数据库对于数字主线的成功推进具有非常重要的作用,特别是随着数字主线应用的激增。

       在本文的撰写中,笔者访谈了PTC高级技术总监、资深行业专家施战备,参考了CIMdata在“2023 CIMdata PLM市场与产业发展论坛”上的演讲:《数字主线的潜力》、《数字主线:工业视角》、《数字主线:PLM业界视角》等,在此一并感谢!

       参考文献:
      [1]刘婷,张建超.数字主线应用于航空发动机的初步探讨[J]. 航空动力,2021(2):30-34
       [2]夏忠毅.从偶然到必然:华为研发投资与管理实践[M].北京:清华大学出版社,2019(6.7.1)
       [3]王鸿庆,杨雨辰.Digital Thread数字主线|工四100术语
       [4]刘亚威.数字线索:美空军及军工巨头的顶层战略 
       [5]施战备,秦成,张锦存,刘丽兰.数物融合:工业互联网重构数字企业[M].北京:人民邮电出版社,2020 
       [6]李培根,高亮.智能制造的核心技术之数字孪生
       [7]Don Kinard,Lockheed Martin.The Digital Thread-Key to F-35 Joint Strike Fighter Affordability.2010 
       [8]王爱民.关于数字主线本质的思考
责任编辑:程玥
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