數字雙胞胎：產品開發及其他領域的可能藝術

實物產品的數字表示正在變得栩栩如生。以下是如何讓它們為您工作。

世界各地的工業公司都依靠數字工具將創意轉化為客戶的實物產品。自 1960 年代和 1970 年代計算機開始取代設計辦公室的繪圖板以來，這些工具變得越來越強大、靈活和復雜。如今，產品生命週期管理 (PLM) 已成為工程師的第一語言：PLM 系統幫助公司在其組織中捕獲、編碼、處理和交流產品知識。  

然而，隨著工程工具的功能越來越強大，對它們的要求也越來越高。產品功能越來越多地通過硬件和軟件的結合來實現。傳感器和通信功能使產品能夠提供更多功能並更有效地響應不斷變化的操作條件和用戶要求。先進、適應性強的用戶界面簡化了複雜精密機器的操作。

不斷發展的商業模式也模糊了設計和使用之間的界限。客戶希望產品的性能和功能在其生命週期內得到改進，這可以通過無線軟件更新或根據需要解鎖新功能的能力來實現。許多產品作為相關產品和服務生態系統的一部分運行。越來越多的客戶不是直接購買產品，而是按每次使用或訂閱為他們提供的功能付費。

數字孿生的誕生

這些不斷變化的需求引發了數字產品表示的轉變和新工具的創建：數字雙胞胎。數字雙胞胎結合併建立在現有數字工程工具的基礎上，整合額外的數據源，添加高級模擬和分析功能，並建立與產品製造和使用過程中生成的實時數據的鏈接。傳統的 PLM 系統使用一個數字模型來表示產品的每個變體。相比之下，數字雙胞胎可能對每個單獨的產品都有一個模型，該模型使用在產品生命週期中收集的數據不斷更新。

數字孿生方法可以應用於產品、製造過程甚至整個價值鏈。在本文中，我們將重點關注它們在產品中的應用，特別是在產品設計中的應用。

數字雙胞胎為基於產品的公司和用戶提供了多種潛在好處。它們可以幫助優化設計、降低成本和縮短上市時間，並加快組織對新客戶需求的響應。數字雙胞胎也可以成為新收入流的關鍵推動者，例如遠程維護和支持產品以及“即服務”業務模式。

根據已經採用這種方法的公司的經驗，我們估計數字孿生技術可以推動高達 10% 的收入增長，將產品上市時間縮短 50%，並將產品質量提高 25%百分。數字孿生技術正在成為一個重要的行業。目前的估計表明，到 2025 年，僅歐洲的數字雙胞胎市場就將達到 70 億歐元左右，年增長率為 30% 至 45%。1

實踐中的數字雙胞胎

許多不同行業的公司已經通過將數字雙胞胎應用於產品開發、製造和終身支持來獲取真正的價值。

例如，一家汽車 OEM 已使用數字雙胞胎方法為早期開發創建概念配置器。對於復雜的產品，開發過程的開始尤其具有挑戰性，因為各種利益相關者群體，如銷售、工程和財務，可能有不同甚至相互矛盾的產品需求。OEM 現在使用數字概念配置器來平衡這些權衡，該配置器允許同時評估客戶要求、技術概念和產品成本。當產品系統或子系統內的技術概念發生變化時，滿足客戶要求或產品成本目標的影響會立即變得透明。

在跨職能開發團隊中使用配置器已幫助 OEM 將 5% 到 15% 的新車材料成本重新分配到驅動最大客戶價值的屬性上。應用該方法來選擇面向客戶的組件使公司能夠同時優化成本和客戶價值，將這些零件的邊際貢獻提高 5% 到 10%。作為進一步的好處，配置器幫助團隊將就變更達成協議所需的時間減少了 20%，從而加快了上市時間。

數字孿生甚至被用於在復雜的任務場景中復制系統。使用這種方法，一家航空航天和國防企業將開發先進產品所需的時間縮短了 30% 到 40%。數字雙胞胎還有助於在開發過程中與客戶進行討論，幫助公司驗證和改進其設計。

在消費電子領域，一家公司正在使用產品數字雙胞胎來提高質量和供應鏈彈性。它存儲有關其產品內容的詳細信息，包括各個組件的確切來源。如果在生產過程中出現質量問題或現場早期故障，公司可以將問題追溯到特定的供應商設施，然後採取適當的措施防止問題再次發生。一家汽車供應商使用相同的方法來追踪其生產中的質量偏差，直至上游供應鏈，並在此過程中減少了 20% 的廢品。

數字孿生越來越多地用於改進未來的產品。例如，一家電動汽車 (EV) 製造商使用來自 80 多個傳感器的實時數據來跟踪不同駕駛狀態和不同天氣條件下的能源消耗。對這些數據的分析使其能夠升級其車輛控制軟件，其中一些更新被引入到新車中，而另一些則通過無線方式交付給現有客戶。

與此同時，自動駕駛系統的開發人員越來越多地在虛擬環境中開發他們的技術。在模擬環境中訓練和驗證算法比真實世界的測試更安全、更便宜。此外，並行運行大量模擬的能力將測試過程加快了 10,000 多倍。將來自真實車輛的傳感器數據整合到這些測試中，有助於公司提高模擬的準確性並識別虛擬測試數據庫中的盲點。

一家可再生能源領域的公司正在使用數字雙胞胎來自動化、加速和改進水力渦輪機的工程。使用機器學習系統來評估新設計的可能性能，使其能夠在幾秒鐘內對超過一百萬種不同的設計進行評級，而不是傳統的計算流動力學 (CFD) 分析所需的數小時。獲勝的幾何結構提供了最大的理論性能，明顯高於傳統優化方法所能達到的性能。此外，通過使用機器學習，與傳統方法相比，整體端到端設計週期時間縮短了一半。

其他行業的公司也開始使用數字孿生來深入了解客戶行為和偏好。例如，白色家電製造商可以使用來自在用產品的數據來識別使用最多和最少的功能。這可以為未來的產品開發決策提供信息，例如刪除很少使用的功能或修改用戶界面以使功能更易於訪問。

數字雙胞胎的採用目前正在各行各業獲得動力，因為公司旨在從各種類型的數字雙胞胎中獲益。鑑於數字孿生有許多不同的形狀和形式，以及每個組織的不同起點，需要一個明確的戰略來幫助優先考慮數字孿生開發的重點和步驟去捕捉最大的價值。

如何開始並成功開啟您的數字孿生之旅

踏上數字雙胞胎之旅乍一看可能會讓人望而生畏，尤其是因為用例的廣度和深度可以跨越整個企業環境，包括產品組合選擇、商業模式設計、研發、製造和終身支持。

然而，這種多功能性也可以成為一種優勢，因為它允許公司從小處著手，並隨著時間的推移擴大其數字孿生項目的範圍、複雜性和價值鏈覆蓋範圍。在自己的產品運營中應用數字雙胞胎的公司的經驗導致了一些簡單的規則，可以大大增加您成功的機率。

定義你的願望

請注意數字孿生最佳實踐。做好功課，尋找有關數字孿生技術最佳實踐和未來趨勢的觀點。評估並優先考慮您的願景元素。評估與數字孿生相關的機會的潛力，並將其優先考慮到實施路線圖中。

清楚商業案例。量化不同數字孿生機會提供的價值，並確定產生該價值所需的模型複雜程度的最低水平。成功的項目專注於較短的開發時間和快速的投資回報率。

通過對選定用例進行原型設計來試水。 運行一系列黑客馬拉松（可能由數字孿生專家支持）來評估您的能力基線、開發解決方案原型、改進和調整初始概念。此步驟校準方法並防止您因嘗試不可能的計劃而浪費時間和資源。這是旨在使整個項目圓滿結束的更廣泛的價值保證舉措的一部分。

了解你的優勢

進行成熟度評估。 從六個主要維度了解您當前的數字產品開發能力：開發方法、PLM 治理、數據戰略、業務流程、系統複雜性和協作。了解您最先進和落後的領域將有助於優先考慮投資領域，以平衡實施數字孿生及其用例。

獲得適當的人才和能力可以成就或破壞數字雙胞胎計劃。許多組織需要在高級模擬和建模或用於用戶體驗設計的數據分析等領域開發額外的專業知識。

計劃一步一步的敏捷實施

投入幾個月的時間來開發最小可行產品 (MVP)。孵化一個跨職能的敏捷團隊，致力於將優先用例變為現實並在此過程中構建數字能力。MVP 現在是從一開始就最大限度地提高價值收益的必做方法，而不是等到項目完成後再體驗第一個收益。

執行 MVP 回顧以調整或堅持。從第一個 MVP 階段汲取經驗教訓，以確認您的數字孿生願望或根據調查結果（例如，用例的有效性、實施的複雜性和組織的成熟度）調整它們。這是第二個價值保證舉措，使您能夠進一步校準實施計劃並修改範圍以避免產生沉沒成本。

擴大數字孿生計劃並加快投資回報率。 根據 MVP 階段的見解優化和標準化實施。定義（內部或外部）招聘和能力建設戰略。建立一個運營模式，以實現成功方法的快速擴展。最先進的組織通常將數字孿生技術視為核心戰略能力。

通過遵循這些簡單的最佳實踐，您將能夠以可擴展、漸進的方式獲得數字孿生的好處。你準備好了嗎？

關於作者
Mickael Brossard is a partner in McKinsey’s Paris office, where Sebastien Chaigne is an associate partner; Jacomo Corbo is a partner in the London office; Bernhard Mühlreiter is a partner in the Vienna office; and Jan Paul Stein is an associate partner in the Munich office.

The authors wish to thank Roberto Argolini, Elia Berteletti, Kimberly Borden, Akshay Desai, Hannes Erntell, Alessandro Faure Ragani, Anna Herlt, Mark Huntington, Mithun Kamat, Michele Manzo, and Alessandro Mattozzi for their contributions to this article.

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