数字双胞胎 ： 智能产品开发的关键

工业与电子实践 数字双胞胎： 智能产品开发的关键 数字孪生技术可以帮助公司更快地创造更好的产品。他们也可以改变产品 开发的工作。 作者：罗伯托·阿戈利尼，费德里科·博纳卢米，约翰内斯·迪希曼和斯特凡尼亚·佩莱格里利 2023年7月 公司生或死在接下来的五年中，我们估计大约30万亿美元的公司收入将取决于尚未进入市场的产品。 然而，创造成功的新产品变得越来越难做。为了给客户一个令人信服的购买理由，产品越来越需要性能改进和功能，需要集成复杂和新颖的技术。更多的消费者还期望下一代产品更可持续,从而在材料和组件选择、可修复性和末端性方面产生新的限制。 而保持低研发成本的压力和以往一样无情。 在这种背景下，公司正在寻求提高其数字产品开发能力 ，并将这些技术视为加快设计和工程周期的一种方法，同时通过研发流程优化来降低成本。在一项调查中，有75％的产品开发高管表示，进一步数字化是他们的首要任务。1 数字产品开发方法也在迅速发展，以计算能力，分析方法和人工智能的进步为基础。这些导致了数字孪生的出现：可以模拟当前或未来产品的数字副本 他们物理对手的所有特征。在中与产品交互或修改产品 虚拟空间可以比在现实世界中这样做更快，更容易，更安全。 产品开发领导者预计数字孪生将加速产品开发过程并改善结果，同时降低成本。他们急于投资这一概念，预计未来五年全球数字孪生技术市场将以每年约60％的速度增长，到2027年达到735亿美元。2 在这篇文章中，我们将看看数字双胞胎在当今行业中的使用方式，检查 支持成功的数字孪生战略的因素，并讨论未来的演变这种有影响力的技术。 产品开发领导者希望数字孪生能够加速产品开发流程并改善结果，同时降低成本。 1按企业，应用程序（预测性维护，业务优化），行业（航空航天，汽车和运输，医疗保健，基础设施，能源和公用事业）和地理划分的数字孪 生市场-到2027年的全球预测，研究与市场，2022年7月。2Ibid. 定义了数字孪生 数字孪生是系统在其操作环境中行为的虚拟复制品。该系统可能是产品，制造过程甚至整个供应链 通过一组数字模型。这些模型对各种刺激进行处理和反应 ，这些刺激 是代表外部环境的数据。 数字孪生组合多种类型的模型 并处理来自多个来源的数据。这使得他们能够更好地近似真实的 对象比传统的模拟方法。 在本文中，我们将重点介绍产品数字孪生。这些可以通过三个关键维度来表征：所采用的建模水平和数据复杂性 ，孪生的物理范围以及其包含的价值链部分（表）。 随着组织学习构建和使用数字孪生，他们会从最简单的维度开始遍历每个维度。例如，早期数字孪生的范围可能是单个关键组件，随着公司数字孪生成熟度的提高，扩展到整个产品。同样，早期数字孪生可能只应用于一个 价值链的区域，通常是工程，而后来的孪生也可能模拟产品在制造和使用。 数字双胞胎今天 在先进行业，调查数据表明 几乎75％的公司已经采用了数字孪生技术，这些技术至少达到了中等水平的复杂性。 部门之间存在显著差异， Table 数字孪生可以在价值链的包容性、范围和复杂性方面不断提高。 价值链 Engineering:从产品定义到制造验证和发布 生产:包括产品、系统和组件 服务:包括通过生命周期结束和回收的产品销售 Scope 组件:产品中的单个简单元素 系统:相互交互以执行特定功能的组件的组合 产品:由所有系统和子系统组成的完整产品 Sophistication 数据基础：链接来自 传统模拟：使用仿真工 自动优化设计：使用预测 闭环现实世界链接：使用多 各种来源的数据 具对设计性能进行分析 分析和机器学习技术来运 个高级仿真模型，对不断 行自动仿真优化并自动生 变化的环境做出动态反应， 成优化结果 定期注入来自制造和测试的真实数据 在先进行业中，调查数据表明，近75％的公司已经采用了数字孪生技术，这些技术的复杂性至少达到了中等水平。 however.playersintheautomotive-andaerospaceanddefense-industratesappearstobemoreadvancedintheiruseofdigitaltwinstoday,whilelogistics,infrastructure,andenergyplayersaremorelikelytobedevelopingtheirfirstdigital-twincon 一家大型航空航天公司正在开发一种基于机器学习的几何优化系统，该系统可以高速模拟数千种不同的配置，以识别重量减轻，空气动力学改进和其他性能优势。一家欧洲软件公司正在构建人类心脏的多物理模型，以支持药物和医疗设备的开发。 在美国，一家汽车公司正在构建一个系统，该系统可以对其提供的所有软件和硬件配置进行建模。systemwillbeusedtosimulatetheeffectofdesignimprovementsbeforetheyaredeliveredtocustomersasover-the-airupdates.AndaUStransportationindustrial companyisdevelopingmultiphysicsmodelsoftranspectstoenable 实时磨损预测，性能微调，并根据使用寿命和总拥有成本优化输出。 这些公司和其他数字孪生先驱列举了他们对这项技术投资的四个主要动机。 1.数字孪生提供无风险的产品开发环境，允许设计和工程团队探索更多的设计 没有与物理原型的生产和测试相关的成本的选项。 2.数字孪生通过允许在各种逼真的场景（包括异常和极端的操作条件）中评估新解决方案来改善测试和验证 。 3.数字孪生提供对产品行为的更深入的见解。工程师可以使用数字孪生模型来监控任何部件的状态并随时跟踪产品元素之间的复杂相互作用。 4.数字孪生通过使用从现场操作的产品收集的数据来模拟拟议的设计更改的影响，从而允许现实世界的数据为产品改进提供信息。 我们与高级研发领导者的对话表明，数字孪生已经对产品开发绩效产生了重大影响。他们将总开发时间减少了20～对于某些用户，50％，从而降低了成本。对于其他用户 ，他们减少了数量 要建造的昂贵的预生产原型-通常从两个或三个到一个。由于在虚拟环境中可以完成如此多的测试、验证和客户验收工作，一些公司报告说，作为数字孪生开始的产品在进入生产时质量问题减少了25%。他们在商业上取得成功的机会也更高：一家公司报告说，由于更好，基于数字孪生的产品的销售额增加了3％至5％。 功能，更高的质量和提高的客户满意度。最后，在产品开发过程中创建的数字孪生可以让公司 提供一系列增值的售后服务，包括预测性维护和在役性能优化。 可以在某些产品类别中增加5%到10%的收入。 一种新的工作方式 将数字孪生技术集成到产品开发的早期阶段，可以使公司采用更快的流程，提供更好的结果，并使它们更加紧密 对他们的客户。以复杂的高度定制产品的设计为例，例如用于先进制造的机器。此类产品通常制成一次性或极小的体积，并且每个单元都需要大量的前期工程输入。使用传统的工程方法，缺乏原型意味着这些产品在交付后通常需要大量的工作来解决问题并优化性能。 相比之下，拥有强大数字孪生平台的公司可以在虚拟环境中进行全面的全产品模拟 建议的设计由客户签署。由于复杂的机器通常使用现有和新设计的元素的组合，公司可以保留关键组件的数字孪生模型库，将它们与新零件的模型组合在一起，以创建完整的数字孪生。 该孪生可用于向客户展示建议的解决方案，并验证新设计是否满足他们的需求。新组件的数字孪生模型可以然后添加到库中，使它们可用于具有类似要求的未来项目。 收养双胞胎：克服挑战 但是，构建数字孪生平台很棘手。早期采用者报告了将数字孪生技术集成到现有技术中的挑战 例如，数字产品开发环境和更广泛的IT基础架构。数字双胞胎还需要新的工作方式，无论是在研发职能内还是在研发职能之外。这意味着 成功的数字孪生计划是一项变革管理工作，需要高级管理层的承诺和支持，以及强大的项目管理团队来跟踪里程碑，开发新流程并支持其采用 由组织。 将数字孪生技术集成到产品开发的早期阶段，可以使公司采用更快的流程，提供更好的结果，并使它们更接近客户。 为了克服这些潜在的障碍，公司可以采用分阶段的方法来采用数字孪生。前三个阶段解决了平台选择、架构设计和集成的技术挑战。随后的阶段侧重于支持新流程和工作实践所需的组织转型。 —在竞争情报和范围界定阶段，该组织确定了其行业中可用的数字孪生解决方案的类型，并估计了每种类型提供的潜在价值。这项工作将涉及其他公司中数字孪生应用的深入研究，也将帮助该组织为自己的转型旅程开发框架。 —在体系结构设计和软件堆栈定义阶段，组织将确定特定的软件组件，关系和接口，它将需要满足其数字孪生的野心。它将设计一个提供相关功能的软件堆栈，使用 结合现有的数字设计工具和新元素。它将决定是否这些要素应在内部开发或从内部提供商处获取。 -在软件开发卓越阶段，组织将制定流程 以及开发、集成和推出数字孪生平台所需的能力。 这三个阶段将需要一个范围的工作人员 专业技能，包括需求定义的系统工程师和模型开发的分析师。在高峰期，数字孪生平台开发团队可能涉及约50人。 为了将数字孪生技术集成到组织中，公司可以选择三种原型（exhibit）之一。数字孪生团队可以作为一个独立的业务来构建，负责创建自己独特的数字资产组合，这些资产与 相应的实物资产。或者数字孪生团队可以整合到现有业务中 Exhibit 在组织中定位数字孪生开发有三种主要选择。 数字孪生团队原型 管理中央职能业务unit 数字孪生开发团队 独立的业务单元在现有业务单元内跨业务单元 产品目录的数字资产部分（即与实物资产一起出售） 关键优势通过为业务部门提供全面的管理 损益责任 初步采用；标准化尚不常见；现有业务部门之间的协同作用有限 通过现有业务部门的试点解决方案将组织影响和执行风险降至最低(可扩展到其他业务部门) 成熟的市场，标准化程度不断提高 ；现有业务部门之间的相关协同作用 确保各业务部门的持续实施速度和一致性 麦肯锡公司 找到更多这样的内容 麦肯锡见解应用程序 扫描•下载•个性化 单元，重点是开发和支持与该业务产品相关的数字孪生应用程序。这种方法可能是获得数字孪生经验的好方法，或者在业务单元之间有限的协同作用意味着将数字孪生团队作为一个单独的单元几乎没有额外价值的情况下可能是合适的。最后， 数字孪生团队可以作为一个独立的卓越中心运作，支持现有业务部门内的应用程序开发。 这种方法可以帮助公司快速扩展其数字孪生工作，同时确保一致的流程和技术组件。 双胞胎可以预期平行进化。数字孪生很快就能够主动寻找新的见解，例如通过更改传感器的设置和现场产品上安装的采集硬件。他们将能够使用这些数据来完善自己的模型 ，并为制造商和用户产生新的见解。数字孪生之间的互动将能够模拟高度复杂的环境，如港口运营、城市运输系统或多利益相关方工程供应链。 最终，我们可能会看到数字双胞胎的出现，他们能够从自己的经验中学习，发现机会，并完全自主地提供产品改进建议。 数字孪生正在帮助产品公司利用物联网人工智能的最新进展。随着这些技术继续其最近的快速发展，数字 罗伯托·阿戈利尼是麦肯锡米兰办事处的合伙人FedericoBonalumi是一名顾问和StefaniaPellegrinelli 是合伙人；以及JohannesDeichmann是斯图加特办公室的合伙人. 作者希望感谢ChrisAnagnostopoulos，RiccardoBagnara，OndrejBurkacky，RiccardoCalza，MatteoGrandini，HuguesLavandier，AlessandroMattozzi，SimonaMorachioli，GianfredoRomano和RafaelWestinner对本文