文｜趙艷秋
編｜牛慧
在航空航天、汽車、消費電子等高復雜度制造行業，數字孿生正從技術概念演變為核心能力。它被視為應對產品復雜度提升、以更快速度推向市場、智能化升級、全球供應鏈博弈與可持續發展壓力的關鍵手段。
但理想與現實之間存在巨大落差。許多企業將數字孿生誤解為 3D 建模或圖形可視化，系統孤立、數據割裂，難以支撐從設計到制造、再到運維的閉環協同。來自 Digital Twin Consortium 的調研數據顯示，全球僅有約 8% 的企業實現了數字孿生在產品生命周期、生產流程與性能分析中的深度集成，92% 的企業仍停留在 " 局部可視化 " 階段，難以釋放系統性價值。
一個根本性問題隨之浮現：為什么數字孿生拼不成一張圖？
8%的突破和 92% 的困局
在一家傳統造船廠，復雜的工藝流程與環節之間的信息割裂，長期困擾著整個企業。比如，在設計階段，設計師通過三維建模構建船舶方案，但交付給船廠的卻是二維圖紙。圖紙在開工前再次被轉換為三維模型用于船體結構規劃，到生產一線又被還原為平面圖紙，供工人操作。新船交付時，客戶收到的依然是紙質說明書，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 " 的數字孿生系統，實現人、流程、信息的高度耦合。在這一系統中，設計、仿真、制造、交付各階段有機貫通，任何一個環節的變更，都能實時傳導至下游，所有參與人都在一個數字模型上 " 添磚加瓦 "，打破了 " 語言不統一 " 的壁壘，形成邊設計、邊建造、邊體驗的動態閉環。
數字孿生，就是通過數字技術，將現實世界的物體、系統與流程映射到虛擬空間，生成一個可交互、可演化的 " 數字克隆體 "。它通過 " 虛實聯動 " 大幅減少重復勞動，提升協作效率，并催生了一場更深層次的 " 左移工程 " 革命。
傳統制造流程常常在后期發現問題，導致返工、延遲與成本激增。而通過數字孿生，工程驗證 " 前置 " 到設計初期，在虛擬世界中就能完成成千上萬次的性能測試與工藝驗證，能夠在早期識別潛在風險并及時修正，避免實物試錯的高昂成本。
從航空航天、消費電子到汽車工業，數字孿生正成為高復雜度制造行業的 " 基石 "。例如，JetZero 借助其驗證下一代翼身融合型飛機，Oracle Red Bull F1 車隊用其實時調整賽車參數。它不是單一環節的效率工具，而是一種支撐組織變革與創新能力的系統平臺。
然而，就像上述 Digital Twin Consortium 調研數據顯示的 "8% 與 92%" 的反差，背后隱藏的是企業在數字孿生落地過程中面臨的結構性挑戰。
多數企業誤將數字孿生視作 "3D 圖形的高級呈現 "，而非一個涵蓋設計、仿真、驗證、優化、制造與服務，虛實共生的 " 數字生命體 "。而真正的全面數字孿生，是一個能在整個生命周期中不斷吸收真實數據、驅動業務演化的自進化閉環系統。
以西門子南京工廠為例，其規劃建設過程本身就是在數字孿生中完成的。通過仿真引擎預演多個極端情境，團隊在虛擬空間中完成了對廠房配置、工藝流程、數據流路徑的多輪驗證與優化。在工廠投產后，所有運營數據實時反饋至孿生體中，實現持續調整與性能提升，真正構建起了一個工廠的 " 智能神經系統 "。
推動這種閉環系統的關鍵，不在于單一工具部署，而是打通設計（CAD）、管理（PLM）、制造執行（MES）、企業資源（ERP）之間的 " 系統斷點 "，構建起邏輯統一、數據貫通的 " 數字主線 "。正因這種系統能力要求高、協同門檻大，才造成了多數企業難以突破局部試點階段，止步于 " 工具堆疊 "。
02
為什么拼不成一張圖？
全面數字孿生的本質，并非 " 工具堆疊 "，而是系統架構的重塑。企業若要真正邁入數字孿生階段，首先必須回答一個問題：為什么拼不成一張圖？
在現實企業中，多域物料清單（BOM）分散管理嚴重。設計 BOM、工程 BOM、制造 BOM 各自為政，機械、電氣、軟件團隊使用不同工具和格式，系統間難以聯通。數據分散、多格式頻繁轉換、手動同步、缺乏追溯，造成信息滯后、錯誤堆積，甚至誘發設計缺陷與合規風險。
更重要的是，孤立的架構壓抑了 AI、機器學習等需要大規模數據才能發揮效能的先進技術，阻斷了企業通往高階智能化的路徑。
西門子的解決方案，是構建一條貫穿產品全生命周期的數據 " 神經網絡 " ——數字主線。它整合工具、數據、流程與系統，打通設計、仿真、制造與服務的上下游，在同一主線上流動、" 共生 "。工程團隊得以在統一平臺上共享、調用核心數據，變更實時同步，仿真與決策建立在全域洞察基礎上。
在概念設計與分析階段，它支持多領域如機械、電氣、軟件等并行開發，又能通過關鍵數據對齊機制，保持精確聯動。
多領域工程物料清單（EBOM）是數字主線的核心樞紐。雖然工程師負責產品設計，但最終在 EBOM 中實現產品的完整定義與規格固化。由此，EBOM 通常是企業內規模最大、用戶最多、復雜度最高的系統。數字主線通過將 EBOM 數據流無縫接入產品全生命周期管理（PLM）系統，企業建立了完整統一的產品定義，確保每一次配置與變更都可追蹤、可審計。
數字主線還延伸至制造與服務階段，工程與制造、工藝規劃、服務等環節能夠實現無縫協同，變更自動同步。
這一理念在 OPmobility 的實踐中得到了驗證。該公司定制了 Teamcenter 作為其產品生命周期管理的主干系統。該公司董事總經理 F é licie Burelle 表示：" 我們使用西門子 Teamcenter X 在全球研發網絡中部署了標準化統一 PLM 解決方案，不僅有助于提高團隊效率和成果，還能夠加快產品的上市速度，無論對于 OPmobility 的產品還是客戶來說都大有裨益。"
正是由于這種系統性的能力，西門子獲得了 Frost & Sullivan 授予的 2023 年度數字孿生技術領導獎。該機構指出，" 西門子提供的是真正的綜合性方法，通過集成的數字主線將傳統孤立的產品與生產流程連接起來 "，而這正是西門子領跑數字孿生領域的 " 終極武器 "。
重塑制造范式
數字主線為全面數字孿生打通了數據通路、消除了系統割裂，但僅有它仍不夠。企業要將數據轉化為業務價值，還需要一個 " 執行引擎 " 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節的關鍵布局。
作為西門子全面數字孿生的核心平臺，Simcenter 將工程仿真、性能預測與虛擬驗證深度融合，使產品從設計之初就具備精準可控的 " 行為預演能力 "。
借助 Simcenter，在數字主線所打通的數據基礎上，構建產品在不同工況、極端環境甚至全生命周期內的數字映射模型，實現預測性驗證、性能調優與實時反饋，從而支撐起真正意義上的閉環制造。
在電池制造領域，電池充電的前 80% 通常非常快速，而最后 20% 則耗時更長，部分原因是充電過程中產生的熱量所致。通過 Simcenter 對分流器進行數字孿生建模，優化空氣流分布，讓冷卻性能提升 22%、設計時間縮短 50%。
在交通領域，加州初創公司 Natilus 致力于解決空運費用昂貴的問題。借助數字孿生系統，客戶與開發者得以 " 沉浸式 " 體驗和全面探索設計細節。他們采用翼身融合設計，貨運容量提升 1.5 倍，還將燃料消耗減少了一半，上市時間縮短 50%。房車制造商 Hymer 在設計概念房車 VisionVenture 時，借助全面的數字孿生，實體原型減少 80%，個性化變型開發時間縮短 65%。
在消費級產品與個性化制造領域，義肢制造企業 Unlimited Tomorrow，利用數字孿生和 3D 打印，實現個性化設計與制造，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，為客戶提供經濟實惠、輕便且高質量的義肢。
在更具挑戰性的轉產案例中，越南 VinFast 僅用三周時間完成從造車到造呼吸機的轉換，正是通過西門子數字孿生方案實現的快速部署，最終將月產能提升至 5.5 萬臺。這種響應力，正是全面數字孿生體系賦予企業的關鍵競爭力。
同時，數字孿生與 AI、工業元宇宙、可持續制造深度融合，打造動態可進化系統。在電池機器人夾具優化中，AI 輔助設計實現了結構減重 80%、碳排放減少 90%。AI 驅動的配置應用程序通過拓撲優化顯著縮短設計周期和成本。
從這些實踐中可以看出，當企業真正打通數據主線、建成仿真平臺，并將其延展至工廠、流程和客戶前線，全面數字孿生就不僅是一項技術能力，而是一種驅動產品進化、流程再造和組織變革的結構性力量。它既提升了效率與質量，又拓展了產品定義與交付的邊界，最終讓企業具備了在復雜多變環境中快速決策、敏捷響應、可持續運營的能力。
全面數字孿生是一種新的生產邏輯和組織能力。它重塑了產品設計范式，改寫了制造節奏，也定義了未來工業企業的核心競爭力。
真正的工業未來，并不屬于擁有最多工具的企業，而屬于能夠用數據驅動演化、用仿真支撐決策的系統型組織。在這場從 " 工具堆疊 " 走向 " 系統重構 " 的范式躍遷中，全面數字孿生正成為那條決定企業命運的分水嶺。
本文為數智前線（szqx1991）原創內容
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