張龍

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

一、智能制造發(fā)展三大重點趨勢

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

廣義而論，智能制造是一個大概念，是先進制造技術(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)全生命周期的各個環(huán)節(jié)及制造系統(tǒng)集成，實現(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，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享發(fā)展。數(shù)十年來，智能制造在實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、計算機集成制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、云制造、智能化制造等，在指導制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型中發(fā)揮了積極作用。面對智能制造不斷涌現(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、迭代升級。一方面，三種基本范式體現(xiàn)著國際上智能制造發(fā)展歷程中的三個階段；另一方面，對中國而言，必須發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，采取三個基本范式“并行推進、融合發(fā)展”的技術(shù)路線。

（二）柔性化生產(chǎn)需求激增促進制造過程軟硬件深度協(xié)同

我國是制造業(yè)大國，但是面對國際上制造業(yè)“雙向回流”的局面，如何提升我國制造業(yè)柔性化水平，將決定我國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)過程中更多使用智能制造裝備，更要通過快速換模（SMED）、單件流（onepieceflow）等生產(chǎn)方式的創(chuàng)新來實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

與此同時，在市場競爭愈發(fā)激烈、人力成本加速上升的大環(huán)境下，如何實現(xiàn)軟件的柔性化、敏捷編程，或自動編程，將生產(chǎn)管理、人力資源、信息化管理等“軟件”與生產(chǎn)線的硬件進行同步規(guī)劃，加強軟件與硬件的深度協(xié)同，才是實現(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)展推動智能制造系統(tǒng)集成高速興起

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是自動化與信息化深度融合的突破口，在工廠內(nèi)部主要實現(xiàn)自動化設(shè)備與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的連接，從而實現(xiàn)數(shù)字化管理；在工廠外部，則依托工業(yè)云平臺提供數(shù)據(jù)采集、云端分析，進而實現(xiàn)企業(yè)間的聯(lián)動協(xié)同。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將推動智能制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)的構(gòu)建，即在實現(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)間的各類資源進行整合、優(yōu)化、再分配，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系中各企業(yè)間的價值協(xié)同共贏。

二、智能制造發(fā)展尚存在難以解決的問題

（一）國內(nèi)智能制造發(fā)展基礎(chǔ)參差不齊亟待強基固本

隨著我國深入實施制造強國戰(zhàn)略，我國智能制造正在實現(xiàn)飛速突破，以智能制造裝備產(chǎn)業(yè)為例，2017年中國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)規(guī)?？傊颠_到12745億元，較2016年增長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、長三角、粵港澳大灣區(qū)為代表的發(fā)展先行區(qū)域，在個別產(chǎn)業(yè)方向、個別產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)具備了國際先進水平，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”式地鼓勵企業(yè)瞄準智能化進行改造升級，難以有的放矢地深入展開，更可能出現(xiàn)違背工業(yè)發(fā)展規(guī)律的揠苗助長，逐步夯實數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)，才是提升我國制造業(yè)綜合實力的主要方向。

（二）軟件硬件發(fā)展脫節(jié)導致智能化升級進程緩慢

隨著智能制造概念的不斷普及，越來越多的企業(yè)將智能化改造升級作為提升企業(yè)核心競爭力、進行高質(zhì)量發(fā)展的主要手段。但是目前存在一個普遍誤區(qū)，即最行之有效的智能化改造升級就是大量使用工業(yè)機械手、AGV物流機器人等自動化裝備，同時增設(shè)自動化生產(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器換人有過之而無不及。單獨更新硬件設(shè)備猶如四肢發(fā)達但是不受大腦控制，而單獨完善軟件系統(tǒng)則猶如高位截癱毫無行動力可言，因此軟件與硬件發(fā)展的脫節(jié)將極大阻礙智能化升級進程。

（三）智能化改造投入需求過高阻礙中小型企業(yè)發(fā)展

由于國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)較弱，需要從自動化、信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化再到智能化逐層補課，導致企業(yè)需要在軟件、硬件等方面均進行較大的資金投入，從自動化生產(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)建等多個層面進行升級改造。

如此動輒百萬、千萬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)難以在短時間內(nèi)快速實現(xiàn)生產(chǎn)效率的大幅提升和投資資金的快速回籠，甚至會出現(xiàn)企業(yè)由于盲目重金布局設(shè)備更新而導致資金鏈緊張或斷裂，最終迫使企業(yè)倒閉的極端案例。

鑒于國內(nèi)智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)基金布局仍處于初級階段，尚未形成完善的資本支持模式，智能化改造升級所需的高額投入將成為我國企業(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)字孿生有望推動智能制造實現(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

數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。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、機器的物理動作轉(zhuǎn)化為電腦可接收、可編輯、可分析的數(shù)字信號，同時將所有數(shù)據(jù)捕獲終端進行網(wǎng)絡(luò)化鏈接，從而實現(xiàn)虛擬空間中各層線路、各臺設(shè)備的有機整合，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，完成完整的映射過程。

數(shù)字孿生技術(shù)的普及應(yīng)用將極大地推動企業(yè)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化兩個層級的發(fā)展，助力企業(yè)加速智能制造范式演進的進程，為企業(yè)實現(xiàn)智造升級進行雙重賦能。

（二）有效連接實體生產(chǎn)車間與數(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體空間中的實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體與虛擬數(shù)字模型進行協(xié)同，這種連接不是簡單的信息拷貝和流程形態(tài)的簡單呈現(xiàn)，而是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)和信息，在數(shù)字虛擬空間進行未來工作流程的演繹和模擬，通過數(shù)字模擬先行的方式提前預知可能出現(xiàn)的技術(shù)漏洞、工藝瑕疵和質(zhì)量問題，實現(xiàn)“先預防”模式對于打破實體生產(chǎn)過程中“后維修”模式的升級。

（三）投入低、見效快有助于技術(shù)快速普及

由于數(shù)字孿生并不是一個極度復雜并且系統(tǒng)龐大的技術(shù)，既不會因為漫長的設(shè)計過程而導致過多的資金投入從而影響企業(yè)現(xiàn)實收益，也不會因為出現(xiàn)技術(shù)問題而導致生產(chǎn)線大面積停產(chǎn)，為企業(yè)帶來不可估量的損失。

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)與基于云的機器學習和熟悉的CAD可視化系統(tǒng)結(jié)合起來，以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，來模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，并通過搭建整合制造流程的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化。數(shù)字孿生將現(xiàn)實與虛擬世界無縫連接，覆蓋制造業(yè)全生命周期，并有望在未來借助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展實現(xiàn)對于產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的數(shù)字孿生，進而助力制造業(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)字虛擬空間中對于制造流程的各個環(huán)節(jié)進行單獨模擬、任意整合，使得以汽車、電子制造、機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，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，為實體制造過程虛擬數(shù)字化提供更加便利的條件。因此，目前國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)均主要應(yīng)用于汽車制造、電子制造、機械制造等產(chǎn)業(yè)方向，代表企業(yè)包括西門子、GE、吉利等，而在未來，隨著AI算法的不斷提升，數(shù)字孿生可應(yīng)用的領(lǐng)域也將迅速擴大，并最終實現(xiàn)智慧城市等超復雜架構(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)場景中，專注于實體設(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，即通過反復的模擬計算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫，并利用深度學習等人工智能技術(shù)，逐步實現(xiàn)數(shù)字孿生對于實體流程的自適應(yīng)、自決策，從而在生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)場景發(fā)展新變化時，生產(chǎn)流程能夠完成自發(fā)性的智能化、柔性化調(diào)整，進而真正實現(xiàn)智能工廠的無人化。