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数字孪生被提出快20年了,如何才能与建筑业务融合?

2021-04-19 19:41:37

数字化转型对于建筑企业来说已经成为了必然的趋势之一。

 

随着云计算、大数据、人工智能、物联网等数字化技术的不断成熟,以及BIM技术应用的不断深化,逐渐形成了“物理世界”与“数字世界”平行发展,相互作用的局面,“数字孪生”将成为建筑企业数字化转型的关键手段。

 

数字孪生的概念最早于2002年美国制造工程协会管理论坛上提出,到2010年各项技术逐渐成熟,到2020年逐步进入应用期。

 

关于数字孪生的定义目前业界不下20个,国际顶尖的IT研究机构Gartner公司认为数字孪生目前已进入主流技术行列,从2017至2019年连续三年入选十大战略技术趋势,意味着具有重大颠覆性潜力。

 

同时,数字孪生正在成为主要国家数字化转型的新抓手,我国信息产业研究机构赛迪于2019年发布了数字孪生白皮书,标志着数字孪生将成为国家推进数字化转型的战略举措,国内大量的企业均已着手布局。

 

1、背景与方法介绍

 

回到建筑施工行业,对于企业来说数字孪生的意义重大。目前建筑业客户需求多元化,增速放缓,利润下滑,成本上升,门槛降低,工人老龄化等一系列问题对建筑企业的发展带来了巨大挑战。

 

通过数字空间与物理空间的深度融合,可以实现数据驱动的现场作业、项目管理、公司运作、经营决策,极大程度提升了企业的资源配置效率与效能,从而增强核心竞争力,有效应对上述挑战。

 

然而,摆在面前的问题是,目前业界对于数字孪生的定义不一,“独立技术平台”是目前存在对数字孪生的一种狭义理解,然而这种理解过度强调其“承载容器”而非“实质内涵”,逐渐脱离了业务,而广义的数字孪生包含了对物理空间所有实体、信息、关系等内容的数字化映射,是需要反映真实世界建筑企业的业务内涵。

 

如何才能真正让数字孪生的内涵在建筑企业得以落地发挥,实现业务转型提升其效率、效能呢?

 

笔者借鉴过往给建筑、银行、制造业、地产等企业进行IT规划的方法论,结合建筑企业的特性,引入数字孪生,并在与多名资深专家及合作建企共同研讨后,摸索出了一套数字化转型针对具体业务流程专题的转型方法,如下图:

图1:基于“数字孪生”的转型方法

 

整个的方法分成两个大的阶段,即规划阶段与实施阶段。

 

为什么要分成这两个阶段呢?核心是为了能够让数字化与业务转型深度融合,而非教条式地直搬数字孪生概念。

 

规划阶段融合了企业架构(EA)、流程再造(BPR)和系统工程思想,并与数字孪生结合,突出了数字孪生在数据驱动业务转型的关键作用,并从业务与IT两个视角进行充分的沙盘推演确保业务与IT的融合;

 

实施阶段则是将规划成果落到具体的业务优化和IT系统建设工作中,将数字孪生解构为实际的功能、接口,使得数字孪生无处不在,驱动企业资源配置效率的优化和竞争力的提升。

 

规划阶段的主要目的是结合企业的战略发展、专题涉及的业务现状,引入数字孪生实现数据驱动的业务优化,并形成指导后续实施的蓝图、关键任务及路线图,大体包含如下的工作步骤。

 

1)工作准备

 

根据企业总体的战略发展要求和实际情况,选择需要进行数字化转型的业务流程,并确定总体的工作节奏、资源投入、计划、方法与原则。如果资源充足的话可以多个流程并行,也可以逐个分析。

 

2)调研与流程梳理

 

该步骤主要目的一方面了解企业总体的战略布局,另一方面从当前的具体业务流程入手,定性,定量地了解现状及暴露出的问题。调研的手段包括问卷、访谈等,需要重点收集当前业务流程的目的、衡量标准、信息化工具覆盖情况以及各节点的当前效率、产生和消费的数据等信息,以及关键的样本数据,为下阶段的业务分析打下基础。

 

3)业务分析

 

需要基于对业务本质的深刻理解,结合国内外先进的业务与管理理念和实践,基于当前业务的现象与痛点挖掘问题,寻找差距,分析差距产生的原因,为后续业务优化提供输入。

 

4)业务优化方案设计

 

根据业务现状及分析的结果,引入业务流程再造(BPR)等方法,对业务流程、组织结构进行优化设计,形成数据驱动的业务优化方案,并提出对数字化的需求,以及业务优化后的改进效益分析;

 

5)数字孪生建模

 

基于业务优化方案以及需求,指定数字化应对策略,识别出物理空间与数字孪生空间涉及的实体、关联关系等要素,并在业务流程的各节点中标识出数据驱动引发的事件,为IT方案设计、业务实施提供输入;

 

6)IT方案设计

 

即基于数字孪生建模结果,结合平台化等原则,定义总体IT架构,包括应用架构、数据架构、技术架构,并识别关键的数字化技术;

 

7)实施路径设计

 

这里需要基于业务优化方案以及IT方案,识别出后续实施阶段需要实现的关键任务,并对任务的优先级、资源投入进行定义,为实施工作的开展做好准备。

 

8)方案共识

 

上述方案的制订、研讨需要业务与IT人员的共同参与,达成共识后才能进入实施阶段。

 

实施阶段主要包括业务与IT两个层面的工作,业务层面的主要工作包括对制度、流程文件的修订、公司和项目层面的推广等;

 

IT层面包括对业务的信息化工具业务覆盖、平台建设、模型训练、数据分析、试点、培训、推广等工作。此外为有效保证实施工作的有序开展,需要有配套的政策、组织支持,并建立持续推进的长效机制。

 

该方法无论是规划还是实施阶段,都需要业务与IT的深度融合与相应的资源投入。传统企业的IT建设方法是由业务部门提出需求,IT团队建设系统的被动模式,然而在数字化时代有必要引入全新的BT/IT模式,建立既熟悉业务,又了解信息技术的复合型人才队伍,抓住流程(代表业务)和规划(代表IT)两条线,对流程和IT规划进行总体控制。

 

该模式已在国内外多个行业的企业得到了良好的应用,部分建筑企业也已开始尝试该模式,如下图:

图2:BT/IT机制

2、案例分析

 

前述转型方法既结合了时下数字化转型热点以及建筑企业的特征,同时也具备一定程度的可操作性。为了验证方法的可行性,近期笔者与团队成员基于BT/IT模式在与一家建筑企业就部分安全相关专题领域实践了该方法,以安全技术交底为例:

 

1)工作准备,设立业务与IT融合的工作小组

 

由于是小范围试点,在准备环节基于BT/IT模式建立了业务与IT融合的工作小组,选择安全技术交底作为分析对象,制定了相应的工作计划、人员安排。

 

2)调研与流程梳理,共梳理12个流程节点

 

在这一阶段通过调研访谈等形式,了解到该企业安全技术交底的当前总体流程,涵盖了交底内容编制审核、三级交底(总包向分包、分包向班组,班组向工人)、交底过程监督、交底记录归档等共计12个流程节点,流程的衡量标准主要包括时间、人员覆盖数等,目前所有业务全部在线下完成,相关联的数据包括工程技术方案、安全交底方案、安全交底相关的标准规范、交底签字记录等内容。业务调研过程中也发现,该企业实际执行与流程文件描述存在诸多不一致的情况。

 

3)业务分析,发现9个问题根因

 

安全技术交底的核心本质在于让项目所有的相关人员充分了解项目可能存在的安全问题和防范措施,杜绝安全事故的发生,经分析发现该企业当前的安全技术交底流于形式,流程节点缺失,管理未形成闭环、缺乏评估以据等9个问题根因,当前交底效率、效果与质量过度依赖个人能力与意识,存在进一步的提升空间。

 

4)业务优化方案设计,优化后流程节点经增减、归并及数字化处理后变为11个,形成15个数字化高阶需求

 

通过多次研讨,基于戴明环(PDCA)等管理思想以及数据驱动的业务转型思路,结合现存问题构建了交底编制自动化、交底投放精准化、交底形式多样化、交底评估数据化、交底改善持续化五大策略,对该企业安全技术交底流程及交底方案模板进行了重新设计,使得交底流程实现数字化闭环,优化交底效果、效率、质量。

 

同时,识别了数字化的需求,包括交底方案自动生成、内容结构化拆解、精准投放、BIM模型关联、交底效果评估等共计15个需求条目,并对需求的业务优先级以及实现复杂度进行了分析。

 

5)数字孪生建模,按照分层原则形成三个层次的模型。

 

由于现实中的安全技术交底不可能凭空存在,一定是归口于具体项目中的某个分项工程,因此在定义数字孪生空间时需要结合实际情况,定义了三个层次:

 

作业层、项目层与专题层。作业层物理空间包含了建筑、作业班组、设备、物料、工序工法、环境等物理实体,与之对应的数字孪生空间则包含了BIM模型、班组数据、设备数据、物料数据、工序工法数据、环境数据等虚拟实体;

 

项目层物理空间包含了项目概况、合同、策划、计划、技术方案、成本、分包商等项目信息,与之对应的数字孪生空间则包含了对应的项目管理的数据实体。

 

安全技术交底属于专题层,物理空间中包含了交底方案、交底执行记录、评估报告等实体,与之对应的数字孪生空间则包含了知识图谱、交底执行数据、违规告警数据、效果分析数据等虚拟实体。

 

此外,新的安全技术交底流程中将会产生大量的数字化事件,包括数据推送、内容生成、内容更新、交底行为触发等事件,通过数据触发业务事件,处理业务事件,实现数据驱动业务。

 

6)IT方案设计,规划了26个应用功能组件,22个数据实体,15个技术组件

 

基于业务优化方案与数字孪生建模,完成了IT方案的总体规划设计,包括应用架构、数据架构、技术架构的设计。应用架构实现对安全交底计划、内容编制、审核、交底执行、监控、评估改善的全过程覆盖,共计形成26个功能组件;

 

数据架构针对交底全过程产生的业务实体及关系进行了统一建模,共形成22个概念实体;

 

技术架构引入平台化的设计原则,通过构建安全前端应用与AI中台、数据中台、技术中台的能力整合,引入知识图谱技术,实现安全技术交底的业务支撑,总共涉及15个技术组件。

 

7)实施路径,主要包括业务与IT两个层面的工作

 

业务层面的主要工作包括对安全技术交底制度、流程文件的修订、培训、项目试点、推广工作;IT层面包括应用功能开发、中台能力建设、知识图谱构建、试点、培训、推广等工作。

 

8)方案共识

 

上述方案在编制过程中,业务与IT人员进行了多轮的沟通研讨,基本上达成了共识。由于工作尚未最终完成,仍处于规划阶段,存在局部调整的可能。

 

经专家研讨初步预测,安全技术交底经数字化优化后能达成如下的效益:

 

  • 交底方案平均编制时间缩短75%

  • 交底方案平均审核时间缩短80%

  • 交底执行沟通时间缩短50%,覆盖率100%

  • 交底效果,即违章行为下降20%

  • 管理效率提升15%

 

从安全技术交底的数字化方案编制情况来看,本文提出的方法具备业务价值以及一定程度的可实现性,然而仍然存在大量的完善空间。

 

后续笔者也会通过应用该方法探索更多的业务领域并与更多的领域专家进行交流,不断对方法进行完善,最终构建建筑企业通用的数字化转型实施方法,与广大建筑行业数字化转型的实践人员共同实现转型目标。

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