数字孪生在F1赛车、航空航天和国防领域的应用价值

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在本次采访中,我们与麦肯锡合伙人Kimberly Borden和高级顾问Will Roper博士一起探讨了数字技术在生产应用中的价值,以及数字方法在F1赛车、航空航天和国防领域的设计和开发中的应用,展示了软件开发方式如何深刻影响硬件生产。

数字设计和产品开发可以提供解决复杂问题的新方法。正确的执行意味着深思熟虑地将伟大的想法转化为实际行动。

在本次采访中,我们与麦肯锡合伙人Kimberly Borden和高级顾问Will Roper博士一起探讨了数字技术在生产应用中的价值,以及数字方法在F1赛车、航空航天和国防领域的设计和开发中的应用,展示了软件开发方式如何深刻影响硬件生产。

采访摘录

Christian Johnson:企业未来的成功需要敏捷、灵活和有弹性的运营。我是主持人克里斯蒂安·约翰逊(Christian Johnson),今天我们将与麦肯锡的专家们一起探索如何创造新的运营现实。

上一期,我们介绍了工业数字化转型中最令人兴奋的例子之一——数字孪生(digital twin),讨论了什么是数字孪生,它们可以在哪里增加价值,以及最重要的是,如何利用它。在本期采访中,麦肯锡合伙人金伯利·博登(Kimberly Borden)将与威尔·罗珀(Will Roper)共同探讨研究和开发领域(数字孪生已经在该应用领域产生了巨大价值)的数字化需求。让我们一起来看详细采访内容。

Kimberly Borden:今天,我们邀请到了Will Roper,他是前空军助理部长,领导过空军的许多数字化转型和采办工作。

Will Roper:其实我会在任何场合、任何时间谈论数字化转型这个话题,不过我认为,围绕飞机和太空系统进行数字化转型格外有意义,因为这是非常适合数字化转型的领域。

Kimberly Borden:考虑到您在空军的数字化转型和采办经验,您能告诉我们是什么让您意识到需要改变,以及您又是如何实施这种变革的吗?

Will Roper:好问题。当我进入空军和太空部队负责采办工作时,我并没有想到“数字化转型”这个概念,也没有想到数字工程将成为我要推动的平台。实际上,当我们获得了T-7项目——我们目前教练机的替代品——的合同时,我才意识到数字化的一些不同之处。它的成本明显低于往常,而且新飞机的建造速度也比我们过去看到的要快得多。因此,我开始深入研究数字技术,试图了解它的不同之处,并意识到数字工程技术已经在其他行业——汽车行业和F1赛车——得到了完善,现在已经开始跨越到国防领域。我想,这种技术确实非常强大。它应该能够改变我们开展业务的方式,但我需要从别人身上获取经验,避免走太多弯路。

我取经的对象就是F1赛车。我非常幸运,因为在我探索这条道路的过程中,McLaren车队非常慷慨地公开了他们每周的比赛情况。我意识到他们每周所做的事情就像我们做软件的方式一样——用于软件的敏捷性也被用于硬件。这是我今天想和你们讨论的一个强大的概念,也是让我感到兴奋的地方,我意识到这种方法可以改变我们与其他军队的竞争方式。它可以改变将新技术引入项目的节奏,并真正为国防采办公司创造更多机会。所以我毅然投入数字化转型和数字工程。我甚至为此写了很多相关文章,因为我非常热爱它。

Kimberly Borden:有远见是一回事;让整个空军和主要承包商都参与进来又是另一回事。您是采取了什么方式来完成这一过程的?

Will Roper:其实,我一开始尝试的方法也失败了。不过,正所谓“失败是成功之母”。第一次尝试失败后,我便四处奔走宣传数字工程和基于模型的系统工程,并抱着电脑四处展示效果。但在此过程中,我意识到这种方法收效甚微,我需要一种截然不同的消息传递方式,一种与众不同的影响力塑造方法。

在这一点上,我要特别感谢我的妻子。她让我利用假期写了一份名为《There Is No Spoon》的文件,这是一个以科幻小说《黑客帝国(Matrix)》为灵感的报告,内容是关于我们的空军和太空部队的数字化转型战略。我故意这么写是有几个原因的。首先,我不想让它看起来像催眠的政府文件。这种文件不仅写得不好,而且通常也并非署名人所写。

这36页左右的内容都是我自己写的。我试着用另一种方式来写出一份与众不同的文件。我非常喜欢《黑客帝国》的概念,即你可以创造一个数字现实,这个数字现实几乎在每个方面都可以取代物理现实。我们还没有到那一步,但从工程的角度来说,我们可以做到,而且我们应该采用这种方法。

我还想让报告更具可读性。为了让人们能够消化它,所以我并未使用太多的技术术语。事实证明,我们真的可以用它来激励人们在其项目中寻找数字化转型的机会,并取得一些进展,包括“陆基战略威慑”(Ground Based Strategic Deterrent, GBSD)新型导弹,现已取代民兵3型导弹;下一代空中优势(Next Generation Air Dominance,NGAD),B-52商用发动机更换计划;以及A-10机翼更换计划。这样做的项目越多,就会有越多的团队受到鼓舞,效仿他们。

Kimberly Borden:听起来您是用愿景和策略激励了其他人。那么在为公司提供建议的过程中,您有没有学到什么您认为其他公司应该效仿的经验?

Will Roper:事实上,加入麦肯锡后,我确实学到了很多东西。凭借在空军数字化转型项目中的经验,我成功加入了麦肯锡,并成为了一名高级顾问,我被咨询最多的事情就是数字化转型。当与客户初次见面时,他们常用的开场白就是,“我们落后了多少?”人们普遍认为,特别是在航空航天和国防领域,所有人都落后了,但事实并非如此。这是好消息。现在,F1遥遥领先,这一点我们之后再说。通常情况下,我对这些公司强调的第一件事是,“你们并没有想象得那么落后;你实际上是在推动这个行业的发展。”

第二件事是必须要有C级管理层的参与。你不能简单地把它放在你的变革管理引擎中,然后让数字化转型作为副产品产出。这必须通过离散事件(discrete event)来驱动,这些事件通常难以组织,而且可能十分复杂,特别是建模和模拟过程。这就需要获得高层的支持和投资。我认为我们接触过的大多数客户都明白这一点,并做得很好。但这其实并不容易,因为如果它很容易的话,应该早就实现了。如果你有合适的团队和足够的数据,你将能够为公司开辟新的道路。其他人已经这么做了,你当然也可以。

Kimberly Borden:您提到了团队。在空军和麦肯锡公司中,您如何告诉他们具备所需的能力?毕竟许多数字能力与今天存在的能力有很大的不同。

Will Roper:这个问题并非一两句能够说清的。如果现在你和我要开一家软件公司,我们可以在开工的当天部署代码,因为拥有一个惊人的用于开发代码的技术栈,将能为开发和部署提供很多的自动化流程。这种持续集成、持续交付的软件方法非常强大。现在,容器化(containerization)使得软件可以被安装到具有不同计算类型的设备上,它甚至比大约八年前第一次出现时更强大。软件有一个惊人的工具集来完成现在被应用到硬件上的工作。大多数公司将不得不从创建一个支持数字化的开发平台开始。我认为当他们知道自己需要在其中投入时间时,他们中的很多人便会失去些许热情,因为他们真正想要的是速战速决。

好消息是,在完成全部工具集之前,您可以快速获得具有重要价值的胜利。公司对于能够并行地做更多的事情感到非常兴奋。当你可以并行地做事情时,就会拥有更多的周期时间(Cycle time)。在数字化转型中,周期时间是您通常想要跟踪的一个重要指标。你有更多的时间进行工程设计,而不是集成。当您将集成嵌入到工具本身中时,集成就变得更加容易。你可以在很早的时候就看到这些“意外之财”,比如在你做F1之类的事情之前,你就可以用数字技术认证一些东西。这是好消息;有了合适的策略,你就能迅速获得投资回报,从而保持热情和势头。但大多数公司都需要建议才能实现这一目标。

我确实看到大多数公司倾向于认为他们有很多数字化转型的想法和路线图,但没有一个公司真正明确和交付一些东西。在空军时,我的做法是,我们有不切实际的想法是很好的;我们应该有远大的梦想。但是,如果一个项目没有让创新想法落地实践的计划,那么什么都无法坚持下来,也就没有可扩展的模板。自从加入麦肯锡团队以来,我一直在做的事就是帮助公司发现,在他们的投资组合中,他们可以在哪里创造这些创新想法,在这些想法落地实践后,又在哪里获取重复的价值。

Kimberly Borden:我们看到,很多时候,公司很难实际上获取价值。您在空军做了什么来确保这一点?是指标吗?

Will Roper:指标是所有企业都要依赖的东西,因为当你正确地进行数字化转型时,你实际上是在把硬件变成软件。这就是F1做得很对的地方。他们把由硬件组成的汽车变成软件。数字化转型也将让硬件通过软件“吞噬世界”。在敏捷技术中,有很多方法可以用来跟踪一些领域,比如你如何管理你的待办事项,你的周期时间如何等等。所有这些都适用;你只需要把它放在一个时间表上。还有一件奇怪的事情:有时候,如果你想突破一个界限,物理测试和原型仍然是需要的,因为硬件是在现实世界中编译的。这一点在飞机领域有体现,它们的计算机就是宇宙,而我们正试图用一个元宇宙来代替它。

如果您没有数据来锚定元宇宙,您仍然需要创建原型并进行测试。但你永远无法在现实世界中做你可以在数字世界中做的事情。这正是F1所擅长的。在空军,我们很早就知道什么是可以完全数字化的。我认为,如果没有数字化,“哨兵”(Sentinel)计划(民兵iii的替代品)是不可能成功的,因为你只能偶尔测试洲际弹道导弹。这些数据不足以验证物理测试,所以绝对需要数字化。是必然性使我们清醒地认识到什么可以代替现实,什么不能。

Kimberly Borden:你多次提到数据。许多公司表示,这对他们来说是一个挑战。你发现人们在解决这个问题上有什么好的方法吗?

Will Roper:没有人有足够的数据。这是一个普遍存在的问题,即便对我们空军和太空部队来说也是如此。如果你没有一个数据路线图——一个严肃的、负责的、资源充足的、授权的数据战略——你最终将无法在数字化转型中走到最后。关于数据,最常见的建议是,你需要一个处理数据的团队。他们正在考虑如何解锁、收集和改变数据演算。

当和麦肯锡的客户一起时,他们会说,“我们无法理解在我们的过程生命周期的这一部分发生了什么。”我告诉他们你可以改变系统的设计,这样一来,你所说的不可知的东西就变成了可知的。从该程序的数据视图来看,这个过程变成了输入,而不是从基于硬件的视图来看的输出。如果你碰巧有一个项目经理,他既像数据科学家又像项目经理,那你就很幸运了。

Kimberly Borden:您觉得利用生态系统和其他伙伴关系来运用这些能力或数据源如何?您见过这种方法奏效吗?

Will Roper:很奏效。特别是在太空中,有很多商业上可用的数据,你可以开始训练算法,所以你不应该重新创建已经存在的东西。我认为最大的挑战是当你进行建模和模拟时,航空航天和国防领域的模型尤为丰富。我不知道空军到底有多少模型和模拟,但肯定有几千个。有一个专家团队知道如何使用它们,但如果你不是专家,你就不能恰当地使用这个模型。你可能会得到一个答案,但它不是一个有效的答案。因此,如果你问一个问题,比如我们能否在特定情况下驾驶F-22战机进入危险地带,答案很简单:要么是,要么不是,有一定的概率。

但要回答这个问题,你必须将它分解为针对特定模型的问题的正确子集。人们进行分解,运行模型,得到结果,把它们整合在一起,最后把答案写在纸上交给决策者。如果你想对硬件进行数字化转型,首先要做的就是直接连接这些模型。这并不简单。你可能会想,这能有多难?确实,模型可以复制现实,但没人能做到完美。

Kimberly Borden:您是如何让人们信任您所创造的虚拟现实模型的?

Will Roper:当我们设计了一个东西,看到它被实际建造和测试时,它会让我们感觉良好,感觉更自信。这是人类的天性使然。它也很有趣——让我们不要剥夺这一点。建造东西并看着它们运行是很有趣的过程。人们倾向于认为这些东西是真实的,因为你可以触摸到它们,而数字的东西不是。但是如果你从认证的角度来看,物理的东西在单位到单位(unit to unit)之间是不一样的,有变化。测试条件每天也都不一样,并不完全准确或精确。我们所说的“真实”实际上只是一种估计。这是电子信号,不是由我们的大脑来解释的,正如Morpheus在《黑客帝国》中所说,它只是由计算机解释的。模型和模拟只是具有不同误差源的估计。真正的问题是,我们能否将误差最小化到一个可接受的程度,就像物理数据一样。

我们获得空军认同的方法是尽早引进认证机构。及早让这些人参与进来,并让他们开始考虑不同的错误统计数据——从物理数据到虚拟数据——那么您很可能会找到一种路径,可以在其中对物理测试进行一些早期替代。这是建立信心的开始。确实,我们现在可以充分复制现实的许多方面,我们不必再去建造物理物体并进行测试。但这只是重新创建旧数据。我们应该强烈希望终结“非循环”工程。工程应该是重复的或可重用的;这就是完成数字化转型后真正会实现的事情。

Kimberly Borden:你所谈论的是一个公司中相当基本和大规模的文化转变——不仅仅是我们之前所谈论的能力,还包括人们日常工作的方式。你在空军时做了什么来推动这种文化变革?

Will Roper:我有一个很大的优势,那就是运气。运气永远是你取得成功的最佳途径。当我去空军的时候,我知道不能把注意力集中在太多的事情上,因为如果没有深度,就无法实现扩展。如果不能扩展,也就无法获得影响力。因此我想要非常非常专注,我首先关注的是软件,因为我一直在国防创新委员会与埃里克·施密特(Eric Schmidt)合作,了解很多私营部门开发软件的方式,并意识到它不再是一个真正的产品,而是一个过程。他们已经把它“操作化(operationalized)”了,所以我们也需要把它操作化。我非常非常关注这一点。

一开始很艰难。但一旦我们取得了第一次成功,空军就开始像谷歌一样,其他人也复制了这个过程,因为这不是一个一次性的实验,而是一个可扩展的过程。这意味着要引进承包专业人员和业务经理,所以这不是一个实验,这是一种新的业务开展方式。

之后,我将从软件中学到的东西转移到硬件中,在实现敏捷硬件的过程中,这种文化变革便开始日见成效。但我确实看到,空军的某些部门仍然坚持“以产品为中心”的狭隘思维。在对硬件领域进行数字化转型时,诸如“太冒险了;这将耗时太久,成本太高”之类的质疑声不断。这种情况下你会怎么做?你把脚步放慢了。这在航空航天领域尤为如此,那里的系统非常复杂,充斥着各种子系统。假如你有10个孩子,约定在某个时间集合时,其中一个孩子迟到的可能性非常高,这将导致整个团队都迟到。这就是国防项目总是“迟到”的原因所在,太多的子系统加剧了转型的难度和变数。

这是一种错误的思维方式吗?不,这正是“前数字化(pre-digital)”工作的正确思路。由于集成十分困难,而且风险太大,我们必须同时设计所有的集成,这样当我们进入生产时,我们就不会有从设计到生产的任何质量问题。但在数字化转型中,没有理由等待还在准备的孩子。我见过一些公司为还不存在的东西设计产品。他们继续使用自己的平台,在可用的情况下把丢失的东西投进去,并在投进去的同一天投入运行。当我看到这些时,我想,“哇,这正是流程思维(process thinking)。”

顺便说一下,F1的一个惊人之处在于,在一个赛车赛季中,85%的赛车都得到了改进。F1生产赛车不是为了获胜,而是在享受赛车制造过程的胜利。他们已经“操作化”了一个过程,并将其应用到赛车中。现在,这种心态很难在政府、航空航天和国防领域根深蒂固。“产品思维(product thinking)”可能是最大的障碍。

Kimberly Borden:除了您举的例子之外,您还见过其他在这方面做得很好的公司吗?您见过军队以外的其他公司或子行业正在取得进展吗?

Will Roper:我看到了很多这样的惊喜,比如农业领域就已经取得了一些真正伟大的进步。毫不夸张地说,农业现在看起来就像科幻小说,人工智能的精确应用几乎覆盖了所有发生的事情。例如,当你收割的时候,人工智能会观察你收割的高度,调整切割模式,喷洒多少除草剂,甚至实时回收有机废物作为肥料。所有这一切的发生都是因为物理农业设备连接到它的数字云。此外,我在医疗设备和制药行业也见过这种情况。

我也看到它开始出现在汽车行业的工业4.0制造中,这几乎是完全自动化的。我热衷研究F1的原因是,这是唯一一个已经完全转型的行业,它向我们展示了未来竞争的速度可能有多快。在航空航天和国防领域,如果我们每年都要处理85%的报废,情况会如何?F1的淘汰率并不是因为供应链耗尽。从竞争的角度来看,它们的淘汰是过时的结果。如果我们要在空军处理这个问题,我们的流程就会中断,因为我们要购买产品。这就是未实现完全转型的结果,也是我们要以F1为目标的原因。

在我离开政府机构后,让我感到惊讶的是,成功的数字化转型案例并没有更多。数据显示,大多数公司都将数字化转型列为他们的三大优先事项之一,但很少有公司认为自己看到了价值。

Kimberly Borden:您希望在五年内看到产品开发或研发发展成什么样?你觉得它会发展到哪一步?

Will Roper:因为大多数行业不是比赛,必须大量生产产品,所以它们永远不会达到F1今天的程度。我真正想要的,特别是在航空航天和国防领域,是看到研发和生产之间的差距缩小。随着软件驱动的制造和高度自动化进入许多行业,我认为大规模生产的可能性不会很大。制造业正在成为一个软件驱动的行业。事实上,您可以单独为您的制造业创建一个微型元宇宙。我认为这将是一种趋势。我们可以缩小研发和生产之间的差距。你可能不像过去那样拥有规模经济,但自动化和先进的制造技术可以让你加快产品的研发周期,这将进一步增加创新。

我的预测是,率先利用这一点的公司将真正撼动他们所在的市场。这是一种竞争优势。他们必须做关键的事情——不要把自己看成是生产产品的公司,而要把自己看成管理着卓越产品生产流程的公司。真正给你灵活性的是这个流程。你可以适应任何情况,就像F1赛车可以适应赛车季节和天气的变化一样。

流程赋予你适应性。我不知道未来会是什么样子。但如果我确信自己拥有最灵活、适应性最强的流程,我就会觉得自己将引领行业,因为我可以击败我的对手。如果我能击败对手,我就能第一个占据有利位置。

Kimberly Borden:对于那些试图承担这项相当艰巨任务的公司,您还有什么其他的思考或建议吗?

Will Roper:确实有几点建议。第一,去做。这很有趣。这并不像人们想象得那么难,但也确实有难度,所以要知道这不是一件容易的事;第二,寻求帮助。我从以前做过这种事的人那里得到了帮助。这就是我能指挥空军进行数字化转型的原因。结束“非循环”工程——你不应该重新学习别人学过的东西。寻求帮助,这样你就能少走弯路。最重要的是不要等待。通过数字化转型,创新的速度将达到令人惊叹得程度。如果你不这样做,情况会变得更糟,如果你这样做,情况会更好,因为数字化转型正在使人工智能从物联网进入物理世界。

软件并没有真正吞噬世界和互联网。它吞噬了“数据空间(dataverse)”,吞噬了产生数据的地方;这是自然的过程。它还没有跨越到物理世界,因为它需要物理世界的表现形式作为软件。我们已经看到了这样的例子,比如其他赛车的例子:车队使用AI来训练车手,不仅要表现出色,而且最终要比任何一支人类车队都表现得更好,因为这些车队拥有如此频繁、丰富的数字数据来源,可能最有趣的是,它们挑战了这项运动的旧逻辑。如果这种情况发生在竞技比赛中——我们已经在国际象棋和围棋中看到了这一点——人工智能将如何改变行业?又将挑战怎样的旧逻辑来主宰行业?

这就是为什么我认为这将是一场工业革命,把硬件变成软件,让人工智能能够接触到它能掌握的物理事物。一旦这种情况发生,我预计创新的步伐将进一步加快。你一定不想落后于权力曲线。它已经很快了,而且还会更快。

责任编辑:姜华 来源: 企业网D1Net
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