從智能制造發(fā)展看數(shù)字孿生

張龍

自數(shù)字孿生概念提出以來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)在不斷快速演化，無(wú)論是對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造還是服務(wù)，都產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。

一、智能制造發(fā)展三大重點(diǎn)趨勢(shì)

（一）數(shù)字化到網(wǎng)絡(luò)化再到智能化推進(jìn)智能制造范式演進(jìn)

廣義而論，智能制造是一個(gè)大概念，是先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)的深度融合，貫穿于產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)及制造系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益、服務(wù)水平，推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開(kāi)放、共享發(fā)展。數(shù)十年來(lái)，智能制造在實(shí)踐演化中形成了許多不同的范式，包括精益生產(chǎn)、柔性制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、計(jì)算機(jī)集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，在指導(dǎo)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了積極作用。面對(duì)智能制造不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新理念、新模式，綜合已經(jīng)出現(xiàn)的智能制造相關(guān)范式，經(jīng)過(guò)總結(jié)歸納，可以綜合為三種基本范式，即數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

三種基本范式次第展開(kāi)、迭代升級(jí)。一方面，三種基本范式體現(xiàn)著國(guó)際上智能制造發(fā)展歷程中的三個(gè)階段；另一方面，對(duì)中國(guó)而言，必須發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，采取三個(gè)基本范式“并行推進(jìn)、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。

（二）柔性化生產(chǎn)需求激增促進(jìn)制造過(guò)程軟硬件深度協(xié)同

我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，但是面對(duì)國(guó)際上制造業(yè)“雙向回流”的局面，如何提升我國(guó)制造業(yè)柔性化水平，將決定我國(guó)本土保留中高端制造能力的多少。

柔性化生產(chǎn)的發(fā)展，不僅僅需要企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中更多使用智能制造裝備，更要通過(guò)快速換模（SMED）、單件流（onepieceflow）等生產(chǎn)方式的創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

與此同時(shí)，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈、人力成本加速上升的大環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)軟件的柔性化、敏捷編程，或自動(dòng)編程，將生產(chǎn)管理、人力資源、信息化管理等“軟件”與生產(chǎn)線的硬件進(jìn)行同步規(guī)劃，加強(qiáng)軟件與硬件的深度協(xié)同，才是實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)、滿足下游定制化需求的重要因素。

（三）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展推動(dòng)智能制造系統(tǒng)集成高速興起

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是自動(dòng)化與信息化深度融合的突破口，在工廠內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)備與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理；在工廠外部，則依托工業(yè)云平臺(tái)提供數(shù)據(jù)采集、云端分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的聯(lián)動(dòng)協(xié)同。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將推動(dòng)智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)的構(gòu)建，即在實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部全生命周期的智能化基礎(chǔ)上，打通產(chǎn)業(yè)鏈縱向維度，通過(guò)系統(tǒng)集成的方式，利用數(shù)據(jù)連接的形式，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流閉環(huán)，將企業(yè)間的各類資源進(jìn)行整合、優(yōu)化、再分配，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系中各企業(yè)間的價(jià)值協(xié)同共贏。

二、智能制造發(fā)展尚存在難以解決的問(wèn)題

（一）國(guó)內(nèi)智能制造發(fā)展基礎(chǔ)參差不齊亟待強(qiáng)基固本

隨著我國(guó)深入實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，我國(guó)智能制造正在實(shí)現(xiàn)飛速突破，以智能制造裝備產(chǎn)業(yè)為例，2017年中國(guó)智能制造裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)?？傊颠_(dá)到12745億元，較2016年增長(zhǎng)18.6%，并有望于2020年突破20000億元大關(guān)。雖然宏觀數(shù)據(jù)持續(xù)向好，但是國(guó)內(nèi)各區(qū)域、各產(chǎn)業(yè)之間發(fā)展水平參差不齊，以京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)為代表的發(fā)展先行區(qū)域，在個(gè)別產(chǎn)業(yè)方向、個(gè)別產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)具備了國(guó)際先進(jìn)水平，但是在東北、西北、西南等地區(qū)，還存在諸多高耗能、高污染、低產(chǎn)出的落后生產(chǎn)方式，“一刀切”式地鼓勵(lì)企業(yè)瞄準(zhǔn)智能化進(jìn)行改造升級(jí)，難以有的放矢地深入展開(kāi)，更可能出現(xiàn)違背工業(yè)發(fā)展規(guī)律的揠苗助長(zhǎng)，逐步夯實(shí)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)，才是提升我國(guó)制造業(yè)綜合實(shí)力的主要方向。

（二）軟件硬件發(fā)展脫節(jié)導(dǎo)致智能化升級(jí)進(jìn)程緩慢

隨著智能制造概念的不斷普及，越來(lái)越多的企業(yè)將智能化改造升級(jí)作為提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力、進(jìn)行高質(zhì)量發(fā)展的主要手段。但是目前存在一個(gè)普遍誤區(qū)，即最行之有效的智能化改造升級(jí)就是大量使用工業(yè)機(jī)械手、AGV物流機(jī)器人等自動(dòng)化裝備，同時(shí)增設(shè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，在硬件層面盡可能多地使用智能裝備。

智能制造發(fā)展的核心是新一代信息技術(shù)與先機(jī)制造技術(shù)的深度融合，因此搭建完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，普及MES、ERP、PLM等工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)軟件與設(shè)備更新同等重要，甚至在成本降低、流程縮短、效率提升等方面取得的效果較機(jī)器換人有過(guò)之而無(wú)不及。單獨(dú)更新硬件設(shè)備猶如四肢發(fā)達(dá)但是不受大腦控制，而單獨(dú)完善軟件系統(tǒng)則猶如高位截癱毫無(wú)行動(dòng)力可言，因此軟件與硬件發(fā)展的脫節(jié)將極大阻礙智能化升級(jí)進(jìn)程。

（三）智能化改造投入需求過(guò)高阻礙中小型企業(yè)發(fā)展

由于國(guó)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)較弱，需要從自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化再到智能化逐層補(bǔ)課，導(dǎo)致企業(yè)需要在軟件、硬件等方面均進(jìn)行較大的資金投入，從自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)、關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備更新、基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)、工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)建等多個(gè)層面進(jìn)行升級(jí)改造。

如此動(dòng)輒百萬(wàn)、千萬(wàn)甚至上億元的資金投入讓眾多企業(yè)望而卻步，而且受到建設(shè)周期、生產(chǎn)周期及資金回流周期的影響，企業(yè)難以在短時(shí)間內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的大幅提升和投資資金的快速回籠，甚至?xí)霈F(xiàn)企業(yè)由于盲目重金布局設(shè)備更新而導(dǎo)致資金鏈緊張或斷裂，最終迫使企業(yè)倒閉的極端案例。

鑒于國(guó)內(nèi)智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)基金布局仍處于初級(jí)階段，尚未形成完善的資本支持模式，智能化改造升級(jí)所需的高額投入將成為我國(guó)企業(yè)，尤其是中小型企業(yè)發(fā)展智能制造的巨大障礙。

三、數(shù)字孿生有望推動(dòng)智能制造實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展

（一）兼顧數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化雙向賦能智造升級(jí)

數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生的兩大基礎(chǔ)要素便是數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，即通過(guò)智能傳感器的數(shù)據(jù)捕捉以及現(xiàn)有的工業(yè)原理，將人、機(jī)器的物理動(dòng)作轉(zhuǎn)化為電腦可接收、可編輯、可分析的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)將所有數(shù)據(jù)捕獲終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化鏈接，從而實(shí)現(xiàn)虛擬空間中各層線路、各臺(tái)設(shè)備的有機(jī)整合，使得物理空間中的所有信息都能夠有效地反饋在虛擬數(shù)字空間中，完成完整的映射過(guò)程。

數(shù)字孿生技術(shù)的普及應(yīng)用將極大地推動(dòng)企業(yè)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化兩個(gè)層級(jí)的發(fā)展，助力企業(yè)加速智能制造范式演進(jìn)的進(jìn)程，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智造升級(jí)進(jìn)行雙重賦能。

（二）有效連接實(shí)體生產(chǎn)車(chē)間與數(shù)字虛擬空間

數(shù)字孿生的核心是使數(shù)字虛體空間中的虛擬事物與物理實(shí)體空間中的實(shí)體事物之間具有可以聯(lián)接通道、可以相互傳輸數(shù)據(jù)和指令的交互關(guān)系。

數(shù)字孿生技術(shù)能夠有效地將物理空間實(shí)體與虛擬數(shù)字模型進(jìn)行協(xié)同，這種連接不是簡(jiǎn)單的信息拷貝和流程形態(tài)的簡(jiǎn)單呈現(xiàn)，而是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)和信息，在數(shù)字虛擬空間進(jìn)行未來(lái)工作流程的演繹和模擬，通過(guò)數(shù)字模擬先行的方式提前預(yù)知可能出現(xiàn)的技術(shù)漏洞、工藝瑕疵和質(zhì)量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“先預(yù)防”模式對(duì)于打破實(shí)體生產(chǎn)過(guò)程中“后維修”模式的升級(jí)。

（三）投入低、見(jiàn)效快有助于技術(shù)快速普及

由于數(shù)字孿生并不是一個(gè)極度復(fù)雜并且系統(tǒng)龐大的技術(shù)，既不會(huì)因?yàn)槁L(zhǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程而導(dǎo)致過(guò)多的資金投入從而影響企業(yè)現(xiàn)實(shí)收益，也不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)技術(shù)問(wèn)題而導(dǎo)致生產(chǎn)線大面積停產(chǎn)，為企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。

如今，幾乎任何制造商都可以從支持傳感器和連接IoT的機(jī)器及設(shè)備收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與基于云的機(jī)器學(xué)習(xí)和熟悉的CAD可視化系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型，來(lái)模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，并通過(guò)搭建整合制造流程的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃到制造執(zhí)行的全過(guò)程數(shù)字化。數(shù)字孿生將現(xiàn)實(shí)與虛擬世界無(wú)縫連接，覆蓋制造業(yè)全生命周期，并有望在未來(lái)借助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)對(duì)于產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的數(shù)字孿生，進(jìn)而助力制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型。

四、數(shù)字孿生未來(lái)主要發(fā)展方向

（一）離散型制造仍是主要方向

由于數(shù)字孿生技術(shù)能夠在數(shù)字虛擬空間中對(duì)于制造流程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)模擬、任意整合，使得以汽車(chē)、電子制造、機(jī)械制造為代表的離散型制造與數(shù)字孿生技術(shù)匹配度極高。同時(shí)，成熟度越高的產(chǎn)業(yè)越能夠有效地總結(jié)出通用型生產(chǎn)流程和工藝原理，為實(shí)體制造過(guò)程虛擬數(shù)字化提供更加便利的條件。因此，目前國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)均主要應(yīng)用于汽車(chē)制造、電子制造、機(jī)械制造等產(chǎn)業(yè)方向，代表企業(yè)包括西門(mén)子、GE、吉利等，而在未來(lái)，隨著AI算法的不斷提升，數(shù)字孿生可應(yīng)用的領(lǐng)域也將迅速擴(kuò)大，并最終實(shí)現(xiàn)智慧城市等超復(fù)雜架構(gòu)的完美映射。

（二）由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展

現(xiàn)階段數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用在智能工廠這一制造業(yè)場(chǎng)景中，專注于實(shí)體設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)字虛擬化，而隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將逐步由設(shè)備工序數(shù)字化向流程系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展，即通過(guò)反復(fù)的模擬計(jì)算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫(kù)，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生對(duì)于實(shí)體流程的自適應(yīng)、自決策，從而在生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)場(chǎng)景發(fā)展新變化時(shí)，生產(chǎn)流程能夠完成自發(fā)性的智能化、柔性化調(diào)整，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)智能工廠的無(wú)人化。