數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用

數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業(yè)推進數(shù)字化營銷和自助式服務(wù);工廠數(shù)字孿生在工廠設(shè)計、建造，生產(chǎn)線調(diào)試、安裝，工廠運行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以給企業(yè)帶來價值;數(shù)字孿生也可應(yīng)用于供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域，例如車間物流調(diào)度、運輸路徑優(yōu)化等。

全球著名IT研究機構(gòu)Gartner曾在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大新興技術(shù)之一。北京航空航天大學(xué)陶飛教授團隊對數(shù)字孿生技術(shù)進行了長期的深入研究，撰寫了一批國際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)論文。近期，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）、IDC、埃森哲、賽迪研究院、信通院等研究機構(gòu)相繼發(fā)表了相關(guān)白皮書，我國從政府主管部門到企業(yè)也十分關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)。但是，如果不能正確理解數(shù)字孿生技術(shù)的基本內(nèi)涵就囫圇吞棗地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，很可能會“走入歧途”。

數(shù)字孿生在制造業(yè)的典型應(yīng)用場景

數(shù)字孿生技術(shù)在各個行業(yè)有廣泛的應(yīng)用場景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統(tǒng)》2018年第1期刊登的“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”一文中，歸納了14種應(yīng)用場景，后來又在論文中介紹了數(shù)字孿生在航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫(yī)療、船舶航運、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護等11個領(lǐng)域，45個細分類的應(yīng)用。

筆者認(rèn)為，數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。其中，產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業(yè)推進數(shù)字化營銷和自助式服務(wù)，有助于企業(yè)提升維護服務(wù)收入，創(chuàng)新商業(yè)模式;工廠數(shù)字孿生在工廠設(shè)計、建造，生產(chǎn)線調(diào)試、安裝，工廠運行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以對企業(yè)帶來價值;數(shù)字孿生在供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域也可以應(yīng)用，例如車間物流調(diào)度、運輸路徑優(yōu)化等。

以下是數(shù)字孿生在制造業(yè)的典型應(yīng)用：

產(chǎn)品的運行監(jiān)控和智能運維

對于能夠?qū)崿F(xiàn)智能互聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品，尤其是高端智能裝備，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型進行仿真分析，可以對裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進行診斷，并進行故障預(yù)測;如果產(chǎn)品運行的工況發(fā)生改變，對于擬采取的調(diào)整措施，可以先對其數(shù)字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產(chǎn)品的運行參數(shù)進行調(diào)整。ANSYS的數(shù)字孿生技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)，可以幫助風(fēng)電企業(yè)避免非計劃性停機，實現(xiàn)預(yù)測性維護和運行控制與優(yōu)化。

對于航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應(yīng)用，由于每臺發(fā)動機的飛行履歷不同，飛行的環(huán)境不同，健康服役的壽命以及維護歷史差別很大，因此，應(yīng)當(dāng)對每臺航空發(fā)動機建立其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發(fā)動機進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障隱患，可以通過對數(shù)字孿生模型的分析來預(yù)測風(fēng)險等級，及時進行維修維護，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數(shù)字孿生模型記錄每臺航空發(fā)動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習(xí)慣和對應(yīng)的油耗，通過分析和優(yōu)化，可以延長發(fā)動機的服役周期，并改進發(fā)動機的設(shè)計方案。

在數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域，GE與ANSYS公司開展了戰(zhàn)略合作。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務(wù)。通過結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和仿真技術(shù)，幫助客戶分析特定的工作條件并預(yù)測故障，從而節(jié)約運維成本。GE航空通過匯總設(shè)計、制造、運行、完整飛行周期的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測航空發(fā)動機的性能表現(xiàn)：

1.將發(fā)動機傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，根據(jù)運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構(gòu)建自適應(yīng)模型，精準(zhǔn)監(jiān)測航空發(fā)動機的部件和整機性能;

2.將發(fā)動機歷史維修數(shù)據(jù)中的故障模式注入三維結(jié)構(gòu)模型和性能模型，構(gòu)建故障模型，應(yīng)用于故障診斷和預(yù)測;

3.將航空公司歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合并融合數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，構(gòu)建性能預(yù)測模型，預(yù)測整機性能和剩余壽命;

4.將局部線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構(gòu)建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)發(fā)動機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動機在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。

西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數(shù)據(jù)，以及來自數(shù)字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結(jié)果傳遞到Mindsphere平臺，通過進行對比和評估，來判斷產(chǎn)品的可用性、運行績效和是否需要更換備件。

在復(fù)雜裝備的運維方面，可以通過AR技術(shù)，基于產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型生成產(chǎn)品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環(huán)境下，透過各種穿戴設(shè)備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應(yīng)用平臺。

工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控

對于正在運行的工廠，通過其數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)工廠運行的可視化。包括生產(chǎn)設(shè)備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設(shè)備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態(tài)。對于出現(xiàn)故障的設(shè)備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，在煙草行業(yè)進行了工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控實踐，中煙集團在北京就可以實現(xiàn)對分布在各地的工廠進行遠程監(jiān)控。海爾、美的在工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用方面也開展了卓有成效的實踐。

生產(chǎn)線虛擬調(diào)試

在虛擬調(diào)試領(lǐng)域，西門子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開展了很多實踐。虛擬調(diào)試技術(shù)在數(shù)字化環(huán)境中建立生產(chǎn)線的三維布局，包括工業(yè)機器人、自動化設(shè)備、PLC和傳感器等設(shè)備。在現(xiàn)場調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進行機械運動、工藝仿真和電氣調(diào)試，讓設(shè)備在未安裝之前已經(jīng)完成調(diào)試。

應(yīng)用虛擬調(diào)試技術(shù)，在虛擬調(diào)試階段，將控制設(shè)備連接到虛擬站/線;完成虛擬調(diào)試后，控制設(shè)備可以快速切換到實際生產(chǎn)線;可隨時切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗證正在運行的生產(chǎn)線上的問題，避免長時間且昂貴的生產(chǎn)停頓。

虛擬調(diào)試技術(shù)對企業(yè)的價值體現(xiàn)在：早期驗證優(yōu)化研發(fā)+工藝+制造的可行性，減少物理樣機投入成本;減少去用戶現(xiàn)場做機器人調(diào)試時間和出錯率，節(jié)約出差成本;虛實融合后為整個工廠的數(shù)字孿生打好基礎(chǔ)，工廠建成之后可以與SCADA系統(tǒng)融合，打造基于三維模型的可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠的數(shù)字孿生。

Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試解決方案。羅克韋爾自動化憑借百年的行業(yè)積累，近期通過戰(zhàn)略投資和加速整合生態(tài)合作伙伴等方法在加速完善數(shù)字化解決方案。2019年，羅克韋爾自動化收購了數(shù)字模擬和仿真的創(chuàng)新型工程軟件開發(fā)商Emulate3D。其軟件使客戶能夠在制造和自動化成本實際發(fā)生和交付最終設(shè)計之前對機器和系統(tǒng)設(shè)計進行虛擬測試，改進系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計決策，以便能夠在最終設(shè)計定型與制造成本落地之前對設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計進行驗證，大大縮短產(chǎn)品上市時間和提高運營效率，還可以利用工廠的數(shù)字孿生模型對員工進行培訓(xùn)，降低工廠運營的風(fēng)險。

美的集團旗下的美云智數(shù)的MIoT.VC系統(tǒng)提供了基于數(shù)字孿生的虛擬調(diào)試解決方案。其組件庫內(nèi)置1400多個機器人組件，內(nèi)置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流機器人協(xié)議;可以通過圖形示教，快速進行機器人姿態(tài)設(shè)計、運動路徑干涉檢查和姿態(tài)合理性分析;支持機器人姿態(tài)和軌跡的離線編程與虛擬調(diào)試，與現(xiàn)場設(shè)備的實時聯(lián)機;支持噴涂、焊接等機器人動作示教、離線編程及虛擬調(diào)試。該系統(tǒng)支持OPC-UA 和西門子S7兩大工業(yè)協(xié)議。

機電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)

對于高度復(fù)雜的機電軟一體化產(chǎn)品，可以在研發(fā)階段通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，并通過工程仿真技術(shù)的應(yīng)用加速產(chǎn)品的研發(fā)， 幫助企業(yè)以更少的成本和更快的速度將創(chuàng)新技術(shù)推向市場。運用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠綜合利用結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁、流體和控制等仿真軟件進行單物理場仿真和多場耦合仿真，對產(chǎn)品進行設(shè)計優(yōu)化、確認(rèn)和驗證，還可以構(gòu)建精確的綜合仿真模型來分析實際產(chǎn)品的性能，實現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新。通過結(jié)合創(chuàng)成設(shè)計技術(shù)（Generative Design）、增材制造技術(shù)、半實物仿真技術(shù)，可以顯著縮短產(chǎn)品上市周期。

GE公司認(rèn)為，從概念設(shè)計階段開始推進航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應(yīng)用，更容易地將設(shè)計和結(jié)構(gòu)模型與運行數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，同時，還有助于優(yōu)化設(shè)計，提高生產(chǎn)效率。精航偉泰測控儀器（北京）有限公司提供了基于模型的衛(wèi)星數(shù)字孿生設(shè)計解決方案，可以最大限度地將驗證后的設(shè)計模型自動轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的物理實現(xiàn)，例如可以根據(jù)相關(guān)設(shè)計模型自動生成星載軟件的代碼。

數(shù)字營銷

對于尚未上市的新產(chǎn)品，通過發(fā)布其概念階段的數(shù)字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設(shè)計方案，然后再進行詳細設(shè)計和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績。同時，通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品的在線選配，實現(xiàn)大批量定制。

數(shù)字孿生對制造企業(yè)的應(yīng)用價值

IDC在2018年5月發(fā)表的《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業(yè)將利用數(shù)字孿生運營產(chǎn)品和/或資產(chǎn)，降低質(zhì)量缺陷成本和服務(wù)交付成本 25%。

產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續(xù)改進產(chǎn)品的性能、為客戶提供更好的體驗，提高產(chǎn)品運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運行的“健康度”，在此基礎(chǔ)上提升產(chǎn)品在市場上的競爭力。同時，通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進，降低產(chǎn)品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力;而工廠數(shù)字孿生應(yīng)用的價值主要體現(xiàn)在構(gòu)建透明工廠，提升工廠的運營管理水平，提高整體OEE，降低能耗，促進安全生產(chǎn)等方面。要真正實現(xiàn)工廠數(shù)字孿生應(yīng)用的價值，需要裝備用戶企業(yè)和裝備制造企業(yè)進行深層次的合作。

GE公司對數(shù)字孿生的應(yīng)用價值給出了一段經(jīng)典描述：數(shù)字孿生通過海量的設(shè)計、制造、檢測、維修、在線傳感器及運營數(shù)據(jù)來建立和獲取信息，運用一系列高保真的計算和基于物理實體的模型，以及高級分析方法來預(yù)測資產(chǎn)設(shè)備在其全生命周期的健康和績效。數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確程度隨著時間推移，通過更多數(shù)據(jù)來對模型進行精煉，以及類似設(shè)備部署其數(shù)字孿生應(yīng)用而提升。模型隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)采集而不斷修正。數(shù)字孿生模型提供了設(shè)備的詳細知識，預(yù)測對各種可能場景的應(yīng)對情況，并作為實時參照來構(gòu)建各種應(yīng)用系統(tǒng)，以實現(xiàn)優(yōu)化各類服務(wù)，提高績效和效率，改善運維、供應(yīng)鏈和業(yè)務(wù)運營等業(yè)務(wù)價值。

數(shù)字孿生技術(shù)最早的倡導(dǎo)者之一，NASA國家先進制造中心主任John Vickers認(rèn)為：“數(shù)字孿生模型的最終目標(biāo)是在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測試和生產(chǎn)所需設(shè)備。只有當(dāng)它滿足我們的需求時，才進行實體生產(chǎn)。然后，又將實體生產(chǎn)過程通過傳感器傳遞給數(shù)字孿生模型，以確保數(shù)字孿生模型包含我們對實體產(chǎn)品進行檢測所能夠獲得的所有信息?！?/p>

另一篇GE發(fā)表于2015年的文章指出：數(shù)字孿生模型的優(yōu)勢是通過結(jié)合從設(shè)計到實時采集設(shè)備的數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，來對設(shè)備在全生命周期進行優(yōu)化。不僅可以降低原型設(shè)計或制造的成本，而且可以通過將實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生模型進行分析，從而預(yù)測故障，降低維護成本，減少停機時間。

數(shù)字孿生的推進策略

數(shù)字孿生是制造業(yè)推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造的戰(zhàn)略舉措和現(xiàn)實途徑之一。對于制造企業(yè)而言，推進數(shù)字孿生應(yīng)用需要建立明確的目標(biāo)，以價值為導(dǎo)向，建立跨部門的推進組織，結(jié)合IT、自動化、研發(fā)、仿真、工藝、測試、設(shè)備運維等部門的團隊，并引入專業(yè)咨詢機構(gòu)，務(wù)實推進。

數(shù)字孿生應(yīng)用是IT/OT融合的典型應(yīng)用，要實現(xiàn)虛實映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，明確應(yīng)用對象的重點是企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是工廠，抑或是供應(yīng)鏈;面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用重點是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣還是運營維護;面向工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用重點是工廠或產(chǎn)線建設(shè)期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運營階段的可視化與優(yōu)化。同時，企業(yè)需要建立全三維設(shè)計、仿真驅(qū)動設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)和組織體系。推進數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結(jié)合具體目標(biāo)，分步實施，不能搞“大而全”的應(yīng)用。推進數(shù)字孿生應(yīng)用必須合理把控風(fēng)險。

埃森哲《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗》白皮書提出了推進數(shù)字孿生應(yīng)用的四個階段。

在數(shù)字孿生的實際應(yīng)用當(dāng)中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數(shù)字孿生模型的“高保真”。因為保真度的提升意味著構(gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數(shù)字孿生模型進行分析的復(fù)雜性和耗時也會迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復(fù)雜，也就越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。在實際應(yīng)用當(dāng)中，對所有零部件的多物理場都進行復(fù)雜的三維仿真耗時很長，往往會進行降階處理，通過一維仿真對產(chǎn)品的整體性能進行分析。因此，企業(yè)需要根據(jù)實際應(yīng)用需求和性能價格比來選擇構(gòu)建不同保真度的數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景展望

數(shù)字孿生是一個既具有前瞻性，又易于被各界理解的創(chuàng)新理念，數(shù)字孿生這個術(shù)語本身的“生命周期”會很長，而不是短期流行的時髦詞匯。數(shù)字孿生理念經(jīng)過概念炒作階段之后，會逐漸走向務(wù)實推進的階段。

目前，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)的討論更多地還集中在概念探討階段，我國制造企業(yè)真正開展的實際應(yīng)用還處于初期階段。正如前一階段各方面熱議，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)缺乏“殺手級”應(yīng)用一樣，企業(yè)也應(yīng)該在產(chǎn)品數(shù)字孿生和工廠數(shù)字孿生領(lǐng)域找到自己的“殺手級”應(yīng)用。

即使沒有數(shù)字孿生，很多裝備制造企業(yè)也已經(jīng)開始通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）平臺，對正在服役的裝備進行遠程監(jiān)控，并利用工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進行預(yù)測性維護。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實融合，可以進一步通過對這些裝備運行過程的實時仿真和優(yōu)化，提升設(shè)備運行績效，避免異常事故。同樣，即使沒有數(shù)字孿生，很多制造企業(yè)也在建設(shè)生產(chǎn)監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠的可視化、透明化。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實映射，可以更加精準(zhǔn)地把控工廠、車間、產(chǎn)線和設(shè)備的生產(chǎn)、能耗、質(zhì)量、物流供應(yīng)的實時狀態(tài)，從而提升工廠的運行績效，避免設(shè)備非計劃性停機。因此，數(shù)字孿生應(yīng)用給制造企業(yè)帶來的價值是實實在在的。

筆者建議，制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)組織針對數(shù)字孿生的培訓(xùn)，深入研究數(shù)字孿生的理念、數(shù)字孿生相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)特點和實際需求，找到數(shù)字孿生應(yīng)用的突破口。在此基礎(chǔ)上，制定數(shù)字孿生應(yīng)用規(guī)劃。

數(shù)字孿生應(yīng)用，長路漫漫，但路就在腳下！從數(shù)字孿生應(yīng)用中獲益的機會，屬于有準(zhǔn)備的企業(yè)！