装备企业数字孪生技术的财务应用探究

王 京

(中航航空电子系统股份有限公司，北京 100028)

数字孪生技术将物理实体在实际运行过程中所产生的全要素、多维度数据进行集成，对集成后的数据进行模拟仿真与数据分析，实现对物理实体运行状态的实时呈现，并基于虚实交互接口实现对物理实体的实时控制。装备企业信息管理系统经历了手工化、自动化、数字化的发展过程，目前正改变传统的“二维平面数字化”管理系统，致力于在虚拟世界中为其管理建立一套全面镜像的“三维立体模型化”管理系统。数字孪生的技术思想在于“双向映射、实时交互、优化迭代”，其“全要素仿真，零试错成本”的功能将有效推进装备企业运营精益精准化管理的发展。

1 数字孪生及其架构

数字孪生(digital twin，DT)即数字镜像、数字映射，是将物理产品在虚拟世界中完成数字化表述，形成虚拟产品，并基于虚拟产品实现对产品全生命周期的数据信息进行有效管控，进而实现对物理产品运行维护过程的优化。DT是物理实体(或过程)的历史和当前行为的数字化描述，用于理解、预测和优化性能以改进业务产出。

DT主要由物理实体、虚拟实体、连接数据和信息三部分组成，包括用户域、虚拟实体、测量与控制实体、物理实体和跨域功能实体五个层次[1]：

第一层是用户域，即使用虚拟实体的用户，包括人、人机接口、应用软件，以及其他相关数字孪生体(共智孪生体)。第二层是虚拟实体，即与物理实体目标对象对应的数字孪生体，通过数字模型呈现物理实体的某些特征，基于此可实现仿真服务、建模管理和孪生共智三类功能。第三层是测量与控制实体，即处于测量控制域、连接虚拟实体和物理实体的测量与控制实体，通过物联网技术实现对物理实体运行状态的实时感知和实时控制。第四层是物理实体，即与虚拟实体对应的物理实体目标对象所处的现实物理域，测量与控制实体和现实物理域之间有测量数据流和控制信息流的传递。第五层是跨域功能实体，即测量与控制实体、虚拟实体以及用户域之间的数据和信息传递，需要信息交换、数据保证、安全保障等跨域功能实体的支持。

DT的典型特征表现在数化保真、实时交互、先知先觉、共生共智[2]。“数化”是虚拟实体通过对物理实体的各类特征进行数字化处理而构建的模型；“保真”是虚拟实体通过对物理实体进行全要素映射而呈现出的高度相似性特征。“实时”强调虚拟实体通过物联网等技术实现对物理实体运行状态的实时监测与映射，进而呈现物理实体的实时状态；“交互”以实时性为前提，是物理实体与虚拟实体之间运行数据和控制指令相互流动的通道。“先知”以物理实体实时运行产生的数据为基础，通过对虚拟实体的模拟仿真，借助人工智能等先进技术的支持，进而实现对物理实体未来的运行状态进行预测；“先觉”基于“先知”而实现，指以物理实体的实时运行状态为基础，通过虚拟实体的实时监测与状态预测等功能，对系统未来可能产生的不稳定状态进行预测，使用户在问题实际发生前，就对可能产生的、会影响系统稳定性的问题进行处理。“共生”指基于虚拟实体与物理实体的实时同步、交互，进而实现二者在全生命周期中互相依存的状态；“共智”一方面指单个DT系统内部各构成要素之间实现智慧共享(即数据、算法等)；另一方面指多个不同DT系统所构成的高层次DT系统内部各构成要素之间实现的智慧共享。

2 数字孪生的管理功能

数字孪生的管理功能主要在于对物理实体在现实运行环境中的行为和运行过程进行模拟、监控与诊断、预测和控制。

2.1 模拟

以DT在航空航天领域的应用为例，在飞行器实际投入运行之前，利用DT技术构建飞行器的虚拟实体模型，并且对飞行器的实际运行环境进行模拟仿真，在构建的仿真环境中对飞行器的运行过程进行模拟，进而获取飞行器在实际运行环境中可能产生的状态、行为、运行参数、任务执行的成功概率或进度，以及在此前飞行器设计阶段尚未考虑到的问题等数据，可以为后续飞行器实际运行过程中的任务制定、任务参数确定和异常情况的处置策略提供参考[3]。

在模拟仿真的过程中，通过对虚拟环境参数的不断修改，来模拟飞行器在执行任务过程中所可能面临的不同情况；通过改变飞行器运行过程的参数设置来模拟飞行器在执行不同任务中的不同运行状态，以及参数设置对飞行器的飞行成功率、健康状态以及使用寿命的影响；也可以用于飞行器不同故障修理方法、损坏控制策略对提高产品寿命和健康程度有效性的模拟和验证[4]。

2.2 监控与诊断

在产品制造和服务过程中产生的制造数据和服务数据(包含产品制造、使用的实时状态数据和制造、使用过程的环境数据)将通过物联网等技术在虚拟实体中实时呈现。对产品实体在制造和使用过程中的状态实时监控与动态更新可以在DT技术所构建的虚拟产品中实现，并基于收集到的实时监测数据和历史监测数据，对物理产品未来可能产生的故障进行诊断和定位等[5]。

2.3 预测

通过对虚拟产品模型的构建，可以对物理产品的制造过程、功能特征和性能测试等在虚拟空间中进行模拟、仿真和验证，对产品设计方案中潜在的各类功能缺陷和性能缺陷进行预测[6]。针对设计方案的缺陷，通过对虚拟产品中造成缺陷的参数进行修正，并对修正后虚拟产品的制造过程、功能和性能测试等过程重新进行模拟仿真，直至将造成缺陷的问题解决。

借助DT技术构建的虚拟产品，设计人员可以通过对产品设计方案参数的不断修改和完善，来预防在产品实际制造和使用过程中再次产生类似的问题。在产品生产制造阶段，通过物联网等技术将物理实体实时产生的检验数据、进度数据、状态参数等映射为虚拟实体，并基于此前积累的建模数据库中已有的产品设计模型、关键技术参数和预测分析模型，对物理产品的制造进度、工艺精度和运行可靠性进行实时诊断、分析和预测。例如，在飞行器实际执行任务时，将负载数据、环境温度数据、结构应力数据和结构损伤数据实时回传，通过建模技术将回传的数据映射为虚拟实体，依据现有的飞行器档案数据，基于产品仿真和预测模型，对飞行器实体未来的健康状态、使用寿命和潜在故障进行准确预测。

2.4 控制

在产品制造和服务过程中，通过分析实时的制造过程数据，修改生产计划，优化生产过程，以实现对产品质量和生产进度的实时管控，通过对物理实体实时产生的服务数据进行分析，可以实现对产品实体运行状态和行为进行控制，包括对外部环境和产品内部参数进行改变等。

DT在装备企业管理层面的应用，有助于改善产品设计、加快设计周期、减低研发设计费用。通过虚实融合、虚实映射，持续改进产品的性能，提高产品运行的安全性、可靠性、稳定性，提升产品整体质量[7]；有助于优化生产流程，提升生产设备性能，减少操作与流程变化，降低生产成本，提升生产效率。DT能够系统地掌握产品配置，准确地判断保修与索赔问题，以降低总体保修成本，并改善客户体验和服务[8]。

3 数字孪生的财务应用

3.1 实现场景化、同步化、动态化的固定资产管理

随着装备企业管理能力的提升，通过物联网技术和RFID自动识别技术，逐步建构了基于固定资产孪生体的DT系统。固定资产DT系统是通过RFID标签的方式粘贴和管理固定资产，实现固定资产的定位监控、防丢、远程盘点、自动化感知调拨、闲置资产监测等功能，解决固定资产管理混乱、流失、盘点困难等问题，进而实现固定资产全生命周期管理，以及设备资产的智慧化、可视化运维的目标。

3.1.1 通过DT实现固定资产场景化管理

固定资产DT系统采用先进的、实用的RFID技术采集数据，为每项资产都赋予唯一的二维码标识，对资产的申购、入库、借用、归还、转移、调拨、报修、保养、盘点、折旧到报废退出进行全方位精准的识别、采集、记录、跟踪，提供多维数据报告和多角度全方位的场景化资产管理。

3.1.2 通过DT实现固定资产全生命周期管理

利用RFID和传感器等设备实现对固定资产孪生体全生命周期(申购、入库、借用、归还、转移、调拨、报修、保养、盘点、折旧等)中物理实体状态的实时更新，集中监控管理。为企业的资产投资决策、资产运营管理提供有效的参考，促进固定资产的使用效率和经济效益的提升，避免了资产浪费，降低资产管理成本。

3.1.3 通过DT实现账、卡、物实时同步管理

通过DT技术，依托资产管理系统可以完成固定资产的日常管理工作，通过对固定资产管理日常操作流程中所涉及的资产地点、资产实物、购置时间等信息进行记录，实现了对固定资产日常管理工作的有效监督，减轻了固定资产日常管理的难度，可以节约由资产盘点和清查所带来人力和物力的大量成本支出，且能有效避免固定资产的流失和损毁。

3.1.4 通过DT实现固定资产动态监测管理

通过将具备动态监测功能的物联网技术引入固定资产DT系统中，可以实现对固定资产位置和移动路径的动态、实时更新，进而实现对某些特定资产的重点管理。通过DT系统呈现的实时或半实时动态资产数据，除了能够实现以上在线位置监测以外，还可以通过温度、压力、湿度等智能传感器实现设备运行、危险药品等无人化管理，保障固定资产的动态监测和安全管理。

3.2 实现研发、制造、保障的产品全生命周期成本管理

DT能在设计阶段即通过产品设计的虚拟实体完成全生命周期的仿真、测试和优化，帮助企业降低后续阶段因产品设计缺陷而产生的成本支出，在生产过程中也可对装备企业流程进行优化，最终实现高效的柔性生产。DT将各专业技术集成为一个数据模型，并将产品生命周期管理系统(PLM)、生产运营系统(MOM)和全集成自动化(TIA)集成在统一的数据平台下，也可以将供应商的相关信息纳入平台，实现对价值链相关企业数据的整合。

全生命周期成本(LCC)是产品从概念提出到报废处理的全生命周期过程中产生与其相关的所有成本，包括产品的设计成本、采购成本、研制成本、制造成本、使用成本、维护保障成本、报废成本等。其核心理念是：产品成本的高低不能只考虑在生产企业内部发生的研发和生产成本，还应该将使用成本和维修保养成本等综合起来作为全生命周期成本进行考虑。其目的在于对产品的采购和运行成本进行综合评估，不仅可以促进产品性能的提升，而且可以促进后续过程中使用和维护成本的降低，尤其是针对装备产品和高精仪器设备。

3.2.1 通过DT降低装备产品研发费用

装备产品具有高价值、高复杂性、高研发难度以及小批量生产的特点。通过DT实现物理产品与虚拟产品的双向真实映射与实时交互，利用数字孪生体“零试错成本”的特性，可以大幅度降低研发费用；同时，也可以提升装备产品研发水平，避免过度设计。装备产品设计方案完成时，其LCC的80%就已经确定，而设计方案审批结束时就确定了LCC的95%，但研发设计阶段所花费的成本仅占LCC的不足5%，所以借助DT“全要素仿真”的特点，使得产品设计与成本设计同步并行，可以科学地构建出最优成本设计方案。

3.2.2 通过DT降低装备产品制造成本

为解决车间内难以实时建模、实时监控、实时预测等问题，由物理车间、虚拟车间和车间服务系统构成的数字孪生车间，通过虚拟车间内基于模型建立的数字孪生体进行全生命周期模拟，不仅实现了对物理车间的状态检测以及对物理实体的状态预测，实现车间内生产计划最优、资源配置最优与生产过程最优,还可以通过模拟仿真技术对产品设计方案进行优化，提升设计质量与设计效率，从而降低装备产品加工生产成本。

3.2.3 通过DT降低装备产品质量成本

通过DT可以在设计阶段预测产品后续生命周期阶段产生因设计缺陷、结构缺陷、功能缺陷、运行故障等质量问题所造成的经济损失与时间损失，通过虚拟车间对产品设计方案进行全生命周期仿真，可以提前发现问题并不断修正，进而在最大成本、加工工艺等约束下得到最优产品设计方案，达到降低产品质量成本的目的。

3.3 推进了交互、实时、多维的全面预算管理的发展

在传统IT架构中，装备企业各类服务数据是通过服务总线(ESB)来完成的。随着数据中台的技术发展，装备企业经过业务沉淀，逐步形成有业务价值的数据服务，通过数据服务快速适应业务发展和赋能创新。基于DT的全面预算管理系统将逐步取代以ESB为主的传统业务系统，实现数据生成、建模采集、分析预警、决策支持的实时一体化，实现数据“共享”“复用”。在全面预算管理信息化过程中，将以多维数据仓库为基础建立管理数字孪生，助力装备企业实现计划预算、执行控制、分析决策一体化管理。

3.3.1 预算编制环节的自动交互

通过DT技术，改变了传统的“表单化”预算编制系统设计，重构建立“模型化”(图形化、可视化、镜像化、场景化)的预算编制系统，基于人、财、物的图形配置资源，并交互、优化、迭代，最终实现资源的最优配置。传统的预算编制流程通常采取“两上两下”的原则编制、审批预算，基于DT的交互、迭代的理念，以及零成本试错的优势，预算编制完全可以实现“N上N下”，并自动关联和优化预算方案。机器人流程自动化(RPA)是在人工智能和自动化技术的基础上，依据预先录制的脚本与现有用户系统进行交互并完成预期任务的技术，解决了高重复性、强规则性的数据处理。预算编制的RPA脚本包括工时定额、材料定额、费用标准、BOM结构等预算编制元数据，固化了销售计划、生产计划、物料需求计划、采购计划等预算编制数据处理规则。RPA通过模拟并增强人类与计算机的交互过程，接替了原有工作流程中的人工操作，实现预算管理全流程的自动化。

3.3.2 预算执行环节的实时监控

DT通过智能技术、传感技术、反馈技术、控制技术等获取、采集数据，从ERP、ECM、CRM、SCM、HR、FI等应用系统中抽取数据，建立数据中台和元数据管理。通过ETL(抽取、清洗、转换、加载)从数据中台抽取出所需的预算数据，经过数据清洗，按照预先定义好的各项业务预算和财务预算模型，将数据加载到预算数据仓库中，集成整合预算数据。通过预算方案准确而完整的算法描述，即预算执行控制的系列清晰指令，实时监控预算执行情况。

3.3.3 预算分析环节的多维模型

DT通过联机分析处理(OLAP)技术从多种角度对从原始数据中转化出来的、能够真正为预算所理解的，并且真实反映维特性的信息进行快速、一致、交互地存取，建立预算多维模型，可以动态地从多个角度分析预算数据，以增加预算分析的灵活性和时效性。通过数据可视化分析和各种图像处理技术，如画像系统、管理驾驶舱等，将预算数据转化成各种图表，以观察和跟踪各种预算数据，生成实时的、可读性强的图表；分析预算数据，生成交互式的图表；发现预算数据之间的潜在关系，生成多维图表，以及多角度的分析预算数据。

4 结 语

数字孪生基于物联网、VR/AR/MR、云计算与边缘计算、大数据、区块链、人工智能等技术，实现对物理实体全要素、多维度地全面感知和虚拟实体的模型构建、全流程/全业务数据的多层次深度融合、智能化服务的按需使用以及全面/动态/实时的交互。基于物联网技术和RFID自动识别技术的固定资产孪生体，促进了装备企业场景化、同步化、动态化的固定资产管理和监测。数字孪生基于“全要素仿真，零试错成本”的特性，使得产品设计与成本设计并行，构建科学的成本设计最优方案，从而大幅度降低装备产品的全寿命周期成本，数字孪生有效地实现了数据“共享”“复用”，推进了交互、实时、多维的全面预算管理的发展。