智能制造與數(shù)字孿生：關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

2019年9月11日，2019江西（新余）智能制造高端論壇暨全省智能制造工作推進(jìn)會(huì)成功舉辦。中國(guó)工程院院士/浙江大學(xué)設(shè)計(jì)工程及自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)譚建榮為現(xiàn)場(chǎng)觀眾帶來(lái)了《智能制造與數(shù)字孿生：關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)》的主題演講，針對(duì)制造業(yè)與數(shù)字孿生的重要性進(jìn)行了詳細(xì)分析。

近年來(lái)，智能制造成為了世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的主要焦點(diǎn)，美國(guó)率先強(qiáng)調(diào)先進(jìn)制造的感知控制、智能制造的技術(shù)平臺(tái)和先進(jìn)材料制造;德國(guó)推出工業(yè)4.0主要強(qiáng)調(diào)三大主題，包括智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流。

事實(shí)上，除了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，大洋彼岸的中國(guó)也在開(kāi)始堅(jiān)定不移的推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)。譚院士表示，在中國(guó)工程院的建議和推動(dòng)下，我國(guó)正在逐漸強(qiáng)化制造業(yè)發(fā)展，而智能制造系統(tǒng)是多技術(shù)集成創(chuàng)新的產(chǎn)物，如何深入理解數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系與趨勢(shì)，更是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)——了解智能制造是前提

正是看到了政府對(duì)于智能制造的積極性提升，激發(fā)了企業(yè)對(duì)于智能制造的熱情。經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放40年，中國(guó)制造業(yè)企業(yè)取得了顯著的成績(jī)，但整體來(lái)說(shuō)中國(guó)制造業(yè)企業(yè)多數(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中下端，隨著經(jīng)濟(jì)下行壓力加大，極易出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩，各類型制造業(yè)企業(yè)面對(duì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的壓力將日益加大。

具體來(lái)看，制造業(yè)企業(yè)光靠政策和措施是不夠的，更加需要從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，其中重要的一條就是數(shù)字化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造。結(jié)合中國(guó)制造業(yè)企業(yè)的實(shí)際情況，譚院士表示，目前國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信息化、數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，但距離智能化還有較大差距。

展開(kāi)來(lái)說(shuō)，智能制造是智能技術(shù)與制造技術(shù)的融合，是運(yùn)用智能技術(shù)來(lái)解決制造的問(wèn)題。智能制造是對(duì)復(fù)雜裝備、復(fù)雜產(chǎn)品，在全生命周期中加工、裝備等環(huán)節(jié)的制造活動(dòng)，并進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)、信息感知與分析、智能決策與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程、制造系統(tǒng)與制造裝備的知識(shí)推理、動(dòng)態(tài)傳感與自主決策。

對(duì)于企業(yè)而言，智能制造需要從知識(shí)工程起步，一個(gè)企業(yè)能為行業(yè)提供哪些新的知識(shí)、新的技術(shù)、新的工藝、新的產(chǎn)品，如果企業(yè)離開(kāi)了這四個(gè)“新”字，是無(wú)法擺脫普通加工型企業(yè)的身份，在行業(yè)里的地位也只能處于中下端。

實(shí)際上，智能制造應(yīng)該包括4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，首先是智能設(shè)計(jì)，沒(méi)有確定做什么產(chǎn)品，智能制造便無(wú)從談起。只要這個(gè)問(wèn)題解決了，后面的智能加工、智能裝備、智能服務(wù)才能發(fā)揮更大的價(jià)值。

數(shù)字孿生——智能制造的源動(dòng)力

毫無(wú)疑問(wèn)，智能制造已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展方向。在智能制造的各個(gè)環(huán)節(jié)中，所做的工作千頭萬(wàn)緒，不少企業(yè)對(duì)于未來(lái)的發(fā)展仍是摸不著頭腦。譚院士認(rèn)為，智能制造應(yīng)從數(shù)字孿生入手，數(shù)字孿生技術(shù)充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能，并集成多學(xué)科技術(shù)，面向產(chǎn)品全生命周期，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

圖1 數(shù)字孿生的8 大關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生共有八項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)圖

數(shù)字孿生最早由美國(guó)的一位教授提出的，其主要實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型跟虛擬模型之間的連接。具體而言，以數(shù)字孿生八項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的第二項(xiàng)，復(fù)雜裝備幾何-物理-行為-工況建模技術(shù)為例，運(yùn)用復(fù)雜裝備數(shù)字孿生多性能耦合分析，在大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行數(shù)字孿生行為仿真與復(fù)雜裝備全生命周期作業(yè)過(guò)程仿真，實(shí)現(xiàn)了智能車間布局硅化與生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)、運(yùn)行狀態(tài)可視分析與故障智能預(yù)測(cè)技術(shù)、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的維修維護(hù)操作等技術(shù)。

為了更好地讓企業(yè)理解數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系，譚院士也舉出幾個(gè)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的成功案例：

案例一，達(dá)索公司，法國(guó)的飛機(jī)制造商，在2014年推出一個(gè)3D Experience平臺(tái)，利用用戶交互反饋的信息不斷改進(jìn)信息世界中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，并反饋到物理實(shí)體產(chǎn)品當(dāng)中，使得戰(zhàn)斗機(jī)降低浪費(fèi)25%，質(zhì)量改進(jìn)提升15%。其主要是推動(dòng)社交協(xié)作，三維建模、虛擬仿真、智能信息處理，實(shí)時(shí)體驗(yàn)。譚院士還強(qiáng)調(diào)，達(dá)索既是飛機(jī)制造公司同時(shí)又是軟件公司。

案例二，西門子公司，其提出了工業(yè)4.0，西門子公司利用數(shù)字孿生構(gòu)建一個(gè)安貝格數(shù)字化工廠，最大程度實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化、個(gè)性化、彈性化、自我優(yōu)化和提高生產(chǎn)資源效率、降低生產(chǎn)成本。目前，西門子公司在中國(guó)成都建立了一個(gè)工業(yè)4.0工廠，它主要實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程數(shù)字化，在硬件不提升的情況下產(chǎn)能提升了8倍，產(chǎn)品的追溯性可以達(dá)到100%。

案例三，通用公司，其推出了Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，Predix使領(lǐng)域?qū)＜液烷_(kāi)發(fā)人員能夠使用一套成熟的數(shù)據(jù)和建模技術(shù)構(gòu)建并運(yùn)行數(shù)字雙胞胎。但是最終通用公司賣掉了Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，也有人認(rèn)為是美國(guó)通用推廣Predix失敗了。

通過(guò)實(shí)例可以看到，所提到的三大制造公司均可以實(shí)現(xiàn)自行研發(fā)工業(yè)軟件。由于工業(yè)軟件包含大量的專業(yè)知識(shí)，所以需要工業(yè)企業(yè)有能力把工業(yè)知識(shí)、管理知識(shí)、加工知識(shí)、裝配知識(shí)等研發(fā)集成在軟件內(nèi)。在譚院士看來(lái)，工業(yè)軟件作為企業(yè)的精華所在，如果工業(yè)軟件要最終實(shí)現(xiàn)商品化、要產(chǎn)業(yè)化，還是要與專業(yè)的軟件公司合作研發(fā)的。

數(shù)字孿生技術(shù)作為驅(qū)動(dòng)智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，在談到數(shù)字孿生對(duì)智能制造的影響時(shí)，譚院士表示，以PTC美國(guó)參數(shù)公司為例，現(xiàn)在它通過(guò)衍生傳感器和仿真模型，將仿真與現(xiàn)實(shí)世界在產(chǎn)品中相結(jié)合，通過(guò)仿真模型來(lái)進(jìn)行診斷和求解速度，再依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將仿真產(chǎn)品有序的連接起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格把控。

如今，中國(guó)企業(yè)也正在積極推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，主要圍繞虛擬裝備、工作環(huán)境等場(chǎng)景，解決了裝配的干濕問(wèn)題以及裝配順序問(wèn)題，同時(shí)保證了裝配過(guò)程的正確性、科學(xué)性。雖然中國(guó)企業(yè)在部分制造業(yè)領(lǐng)域取得了突破，做到了國(guó)產(chǎn)化、自主設(shè)計(jì)、自主制造，但仍要牢記用智能技術(shù)來(lái)解決制造問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（根據(jù)2019江西新余智能制造高端論壇速記整理，未經(jīng)本人確認(rèn)，有刪節(jié)。）