數(shù)字孿生能為制造業(yè)帶來什么價(jià)值？

戚鋒 方志剛 楊朔

我們必須強(qiáng)調(diào)，雖然規(guī)模較小的組織可能不需要數(shù)字孿生的所有元素，但很小的制造公司也有一些將數(shù)字孿生變得至關(guān)重要的因素。

自”工業(yè)4.0”愿景被廣泛接受以來，產(chǎn)業(yè)界一直在談數(shù)字孿生。數(shù)字孿生究竟能為制造業(yè)帶來什么價(jià)值？商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，“快魚吃慢魚”。數(shù)字孿生徹底改變了工程師設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品的方式，能夠快速?gòu)氖≈袑W(xué)習(xí)，快速迭代和演變，成為“快魚”，沒有利用數(shù)字孿生技術(shù)的落后者將很難趕上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，終將被市場(chǎng)淘汰。

數(shù)字孿生的價(jià)值，就是能夠減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程、系統(tǒng)規(guī)劃和生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)所需的時(shí)間，縮短上市時(shí)間；通過快速迭代持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品技術(shù)性能；幫助公司變得更加靈活，降低成本，提高質(zhì)量，提高公司各層次的生產(chǎn)力；支持新的商業(yè)模式，創(chuàng)造顛覆性機(jī)會(huì)。

什么是數(shù)字孿生？

數(shù)字孿生有很多的定義，在我們看來，數(shù)字孿生是一套計(jì)算機(jī)高保真仿真模型，這種計(jì)算機(jī)模型可以在虛擬世界中提供設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化一個(gè)零件、一件產(chǎn)品、一套制作工藝或一套生產(chǎn)設(shè)備的方法。它處理問題迅速、精準(zhǔn)，并且十分接近實(shí)物—那些可以交付客戶使用的產(chǎn)品。數(shù)字孿生利用從安裝在實(shí)體對(duì)象上的傳感器反饋的數(shù)據(jù)來描繪最接近真實(shí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、工作狀態(tài)或位置。

很長(zhǎng)時(shí)間以來，我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了數(shù)字孿生的價(jià)值。例如，25年前，當(dāng)我們開始為高級(jí)機(jī)器人開發(fā)軟件時(shí)，我們啟用了汽車車身裝配單元的完整3D模型。這些模型可以在機(jī)器人進(jìn)入車間生產(chǎn)前進(jìn)行模擬、驗(yàn)證和優(yōu)化機(jī)器人操作。我們的應(yīng)用程序不僅可以模擬一個(gè)單元，而且可以使其虛擬調(diào)試達(dá)到幾乎完美。

盡管如此，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使我們持續(xù)提高數(shù)字孿生的仿真建模的顆粒度和置信度，使更多的能力、信息、輸入和輸出的范圍成為可能，它還能幫助客戶更快地開發(fā)和向市場(chǎng)推出新產(chǎn)品。今天，我們可以通過智能工廠和智能產(chǎn)品來支持?jǐn)?shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程計(jì)劃和生產(chǎn)。

數(shù)字孿生的核心技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)包括三個(gè)支柱：數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程規(guī)劃和反饋循環(huán)。

1.在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面。數(shù)字孿生包括一個(gè)產(chǎn)品的所有設(shè)計(jì)元素，即：

1）3D模型（使用CAD系統(tǒng)）

2）系統(tǒng)模型（使用系統(tǒng)工程產(chǎn)品開發(fā)解決方案，例如基于模型的系統(tǒng)工程MBSE）

3）材料清單BOM

4）1D、2D和3D分析模型（使用CAE系統(tǒng)，如 Simcenter）

5）數(shù)字軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試（使用諸如 Polarion 的ALM系統(tǒng)）

6）子設(shè)計(jì)（使用Mentor Graphics）

使用這些元素會(huì)產(chǎn)生一個(gè)全面的計(jì)算機(jī)化的產(chǎn)品模型—接近100%的虛擬驗(yàn)證和測(cè)試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。所有這些都消除了對(duì)原型的需求，減少了開發(fā)所需的時(shí)間，提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，并且能夠更快地對(duì)客戶的反饋?zhàn)龀龌貞?yīng)。

2.在制造流程規(guī)劃方面。今天的西門子解決方案可以開發(fā)出對(duì)任何制造商都至關(guān)重要的三種模型：

1）制造過程模型，如何準(zhǔn)確描述該產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。

2）生產(chǎn)設(shè)備模型，提供一個(gè)完整的生產(chǎn)和組裝生產(chǎn)線所需的數(shù)字表現(xiàn)。

3）生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化模型，描述自動(dòng)化系統(tǒng)（SCADA、PLC、HMI等）如何支持生產(chǎn)系統(tǒng)。

3.在制造業(yè)中，數(shù)字孿生的價(jià)值提供了一個(gè)獨(dú)一無二的機(jī)會(huì)來模擬、驗(yàn)證和優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。它還能夠測(cè)試如何依靠生產(chǎn)流程、生產(chǎn)線和自動(dòng)化來構(gòu)建產(chǎn)品的所有主要部件和子組件。依靠數(shù)字孿生，我們也可以整合物流方面的內(nèi)容。廠內(nèi)物流系統(tǒng)的數(shù)字孿生可以幫助計(jì)劃團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)有效的物流解決方案來滿足生產(chǎn)線的需要。廠內(nèi)物流可能是制造過程的數(shù)字孿生的一部分，也是物流系統(tǒng)的物理組成部分。自動(dòng)導(dǎo)向的車輛AGV、機(jī)架、箱子和運(yùn)輸工具將成為生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字雙體的一部分—即“智能工廠”。

我們必須強(qiáng)調(diào)，雖然規(guī)模較小的組織可能不需要數(shù)字孿生的所有元素，但更小的制造公司也有一些將數(shù)字孿生變得至關(guān)重要的因素。如果沒有這些，一個(gè)小型的、敏捷的制造商將無法繼續(xù)在競(jìng)爭(zhēng)中取得成功。

3.閉環(huán)反饋循環(huán)。有兩個(gè)反饋循環(huán)對(duì)大多數(shù)制造商產(chǎn)生了巨大的影響—智能工廠循環(huán)和智能產(chǎn)品循環(huán)。反饋循環(huán)從智能工廠開始。這是一個(gè)全數(shù)字化的工廠模型，一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)通過傳感器、SCADA系統(tǒng)、PLC自動(dòng)化設(shè)備連接到主PLM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)。在一個(gè)智能工廠里，在生產(chǎn)過程中所有的事件都會(huì)被記錄下來，然后直接或者通過云計(jì)算提交回PLM系統(tǒng)中。在云端，使用人工智能算法技術(shù)研究和分析這些信息，其主要發(fā)現(xiàn)被反饋到生產(chǎn)計(jì)劃的產(chǎn)品開發(fā)或設(shè)施規(guī)劃中。

這個(gè)為什么很重要？投產(chǎn)后，生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝過程將會(huì)發(fā)生變更。新的想法將被實(shí)現(xiàn)，新的工作方法將被部署，新的供應(yīng)商可能被選擇—所有的需求都可能改變生產(chǎn)系統(tǒng)或工藝過程。由于這些變更肯定會(huì)影響未來，因此在這個(gè)階段更新它們將成為必然。生產(chǎn)系統(tǒng)比產(chǎn)品的生命周期要更長(zhǎng)久，我們的許多客戶使用他們的生產(chǎn)系統(tǒng)來制造多種產(chǎn)品，這些因素促使越來越多的人需要定期地在PLM系統(tǒng)中捕捉這些變化，這樣就可以將這些信息分發(fā)給各方。在生產(chǎn)過程中收集的信息也可以作為提高生產(chǎn)資源的、可維護(hù)性的基礎(chǔ)。有了這些信息，我們就可以啟用更好的、基于條件的維護(hù)，從而提高正常運(yùn)行時(shí)間和生產(chǎn)效率。

當(dāng)今社會(huì)，我們生產(chǎn)的所有產(chǎn)品基本上都是智能產(chǎn)品。我們的許多客戶正在尋找方法來改善他們使用過程中的智能產(chǎn)品與他們之間的聯(lián)系。監(jiān)控產(chǎn)品的使用可以為將來改進(jìn)產(chǎn)品提供大量的信息。不僅如此，將一些智能產(chǎn)品彼此連接可能產(chǎn)生一種新的商業(yè)模式，這可能會(huì)帶來更多的競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)品。

例如，飛機(jī)引擎制造商可以出售“飛行時(shí)間”，而不是直接銷售引擎。當(dāng)一家航空公司購(gòu)買引擎“飛行時(shí)間”的時(shí)候，它會(huì)花費(fèi)更少的資本預(yù)算，甚至得到更好的服務(wù)，從制造商承諾提供更高水平的服務(wù)維護(hù)中受益。引擎制造商只有在引擎投入實(shí)際使用后才會(huì)得到付款，所以它必須確保它不斷地監(jiān)控引擎，提供關(guān)于如何使用和服務(wù)這些引擎的建議，并且還需要做一些維護(hù)、修理和檢修工作。

我們可以在任何地方找到智能產(chǎn)品。例如，我們有一個(gè)客戶生產(chǎn)重型吊車。幾年前，客戶修改了產(chǎn)品，生產(chǎn)智能起重機(jī)。該公司的終端客戶可以按小時(shí)購(gòu)買“起重能力”，而不是購(gòu)買起重機(jī)。通過安裝傳感器，公司收集使用信息，然后向終端客戶提供如何使用起重機(jī)才能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的生命周期和更大的提升力的反饋。

成功部署數(shù)字孿生的三大關(guān)鍵理念

欲發(fā)揮數(shù)字孿生賦能產(chǎn)品創(chuàng)新能力升級(jí)，為你的公司打造一個(gè)成功的、可持續(xù)的業(yè)務(wù)，必須轉(zhuǎn)變觀念，深刻理解三個(gè)重要理念。

數(shù)字線的角色會(huì)變得更重要

數(shù)字線可以連接產(chǎn)品性能的信息，以及需求、設(shè)計(jì)、制造和車間檢查點(diǎn)。僅僅建立世界的數(shù)字影像并沒有帶來多大的價(jià)值，真正的價(jià)值來自于數(shù)字線程，打破流程之間的藩籬，實(shí)現(xiàn)充分必要的信息在價(jià)值鏈上的自由流動(dòng)。數(shù)字線程的目標(biāo)就是“讓邊界消失”。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型充滿挑戰(zhàn)但回報(bào)巨大

許多公司在考慮數(shù)字化時(shí)面臨的最大障礙之一是人。在西門子Amberg工廠，自動(dòng)化程度高達(dá)75%，但經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的演進(jìn)。一些人起初并不知道如何使用電腦，我們必須對(duì)他們進(jìn)行培訓(xùn)。

現(xiàn)在，員工們圍繞數(shù)據(jù)和虛擬世界展開協(xié)作，以解決問題，這是一種完全不同的思維方式。在這一變化中，勞動(dòng)力并沒有減少。在Amberg現(xiàn)有1200名員工，和2001年持平，雖然同期產(chǎn)能已經(jīng)擴(kuò)大了近10倍。

成為數(shù)字企業(yè)也可以讓你在工作方式上有更多的選擇。例如不需要屏幕，就可以使用微軟Hololens的虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備，瀏覽Teamcenter提供的實(shí)時(shí)互動(dòng)信息，利用現(xiàn)實(shí)和虛擬世界的指令共同指導(dǎo)操作人員。

向初創(chuàng)公司學(xué)習(xí)，自我顛覆

許多航空公司都在研究如何執(zhí)行去火星的整體設(shè)想，試圖顛覆航天航空業(yè)。其中一個(gè)創(chuàng)新的思想家是埃隆·馬斯克和他的公司SpaceX。SpaceX的著陸和再利用曾經(jīng)一度被認(rèn)為是異想天開，他通過大量使用數(shù)字孿生技術(shù)，推出了新型運(yùn)載火箭，并將價(jià)格降低了40%，他們?nèi)栽谂r(jià)格進(jìn)一步拉低。

SpaceX正在顛覆航天業(yè)，而其他公司也在跟進(jìn)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司現(xiàn)在有一個(gè)管理團(tuán)隊(duì)，他們希望降低成本。斯派克航空公司，一家試圖制造超音速噴氣式飛機(jī)的公司，正在加速開發(fā)和增加資金。年輕的公司正在讓投資者有信心為這些新項(xiàng)目提供資金，而這些資金正在讓年輕的、有創(chuàng)新精神的公司進(jìn)入市場(chǎng)—這一市場(chǎng)產(chǎn)生了巨大的顛覆性影響。

在“工業(yè)4.0”時(shí)代，數(shù)字孿生將如何改變你的行業(yè)？