孫明耀，吳 鋒

(西安交通大學(xué)管理學(xué)院 過程控制與效率工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710049)

0 前言

裝備制造業(yè)是國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，復(fù)雜重型機(jī)械裝備制造如火箭、核電、動(dòng)車組等更是提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力與綜合實(shí)力的重要表現(xiàn)[1]。復(fù)雜的裝備結(jié)構(gòu)與制造工藝是復(fù)雜重型裝備的特點(diǎn)。隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展(如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、人工智能等)，傳統(tǒng)裝備制造模式難以滿足市場(chǎng)對(duì)復(fù)雜重型裝備在智能化、個(gè)性化以及可靠性方面的需求，復(fù)雜重型裝備制造業(yè)亟待變革。

當(dāng)前制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)的融合正在引導(dǎo)制造業(yè)的另一種范式轉(zhuǎn)變，通常被稱為“工業(yè)4.0”，而依托新一代信息技術(shù)的智能制造則被認(rèn)為是“工業(yè)4.0”的主攻方向[2]。數(shù)字孿生概念最初由Grieves于2003年提出，最初被定義為3D模型，其中包含有關(guān)實(shí)物產(chǎn)品、數(shù)字產(chǎn)品及其之間的連接的信息[3]。近些年來，NASA對(duì)數(shù)字孿生的定義得到了學(xué)術(shù)界與實(shí)業(yè)界的廣泛認(rèn)可：集成的產(chǎn)品、系統(tǒng)或過程的多物理場(chǎng)、多尺度的概率模擬，使用可用的物理模型、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等反映現(xiàn)實(shí)世界[4]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)可以將物理世界完全映射在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)世界，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)智能制造核心信息物理系統(tǒng)CPS的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于推動(dòng)制造業(yè)智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型具有重要作用。

基于此，本文首先分析復(fù)雜重型裝備智能化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)，之后針對(duì)相應(yīng)的問題，建立了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜重型裝備協(xié)同制造模式，并以此為基礎(chǔ)，給出了復(fù)雜重型裝備制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型路徑。

1 復(fù)雜重型裝備制造智能化轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)

(1)復(fù)雜重型裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且個(gè)性化程度高。單件小批的定制化制造模式是復(fù)雜重型裝備制造的特征，因其規(guī)模龐大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且每個(gè)產(chǎn)品均需要以用戶的需求為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)或者更改設(shè)計(jì)，導(dǎo)致裝備個(gè)性化程度較高[5]。以工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)為例，工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)用于驅(qū)動(dòng)各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)與泵等，其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)需要依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境以及高溫、高壓、變轉(zhuǎn)速、變工況等條件下綜合確定，因而具有高度的個(gè)性化特征[6]。隨著人類需求的不斷提高以及高科技技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅裝備制造工程越來越龐大，并且裝備的服役環(huán)境也趨向極端化發(fā)展，如百萬千瓦級(jí)核電設(shè)備、深海石油開采鉆探設(shè)備與超臨界發(fā)電機(jī)組等，這些因素導(dǎo)致復(fù)雜重型裝備制造的個(gè)性化程度不斷提升。

(2)集成化程度低。集成化程度低體現(xiàn)在三個(gè)方面。首先，企業(yè)內(nèi)部縱向集成化程度低。企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)自底層向上可劃分為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層以及協(xié)同層?？v向集成方式主要是為了解決各層級(jí)之間信息溝通問題，包括機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)以及運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)等。但是復(fù)雜重型裝備制造在每一層級(jí)均涉及復(fù)雜的系統(tǒng)、設(shè)施、環(huán)境等，導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)部縱向集成化程度低。其次，價(jià)值鏈企業(yè)間橫向集成化程度低。復(fù)雜重型裝備的制造區(qū)別于普通產(chǎn)品的制造，其往往需要多個(gè)模塊、多個(gè)企業(yè)之間的協(xié)同才能完成。然而，由于缺乏有效的數(shù)據(jù)或者信息系統(tǒng)集成手段，導(dǎo)致裝備價(jià)值鏈企業(yè)間的信息系統(tǒng)相互獨(dú)立，產(chǎn)品數(shù)據(jù)流無法在各個(gè)不同企業(yè)信息系統(tǒng)間無縫傳輸，形成“信息孤島”。最后，產(chǎn)品端到端數(shù)字化集成度低。產(chǎn)品端到端的數(shù)字化集成是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售以及服務(wù)的全生命周期的管理；然而，在復(fù)雜重型裝備制造中，產(chǎn)品研發(fā)等高價(jià)值端環(huán)節(jié)數(shù)字化集成程度較高，但是組裝等環(huán)節(jié)的數(shù)字化集成度較低，并且這塊“短板”決定了整體數(shù)字化集成程度不高。

(3)人工參與度高，自動(dòng)化程度低。復(fù)雜裝備通常以模塊化方式生產(chǎn)，各個(gè)模塊在不同的企業(yè)生產(chǎn)，最后進(jìn)行組裝。由于裝備個(gè)性化程度高，為滿足不同用戶的特殊需求，其生產(chǎn)模式經(jīng)常為單價(jià)或者小批量的，且不同類型的產(chǎn)品通常需要不同的裝配物料等，許多制程無法依靠設(shè)備機(jī)器完成，因此各個(gè)模塊的生產(chǎn)均需要不同程度的人工介入，從而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品制程的自動(dòng)化程度低，供應(yīng)鏈效率低下[7]。

(4)用戶參與創(chuàng)新程度低。實(shí)現(xiàn)用戶的需求是復(fù)雜重型裝備研發(fā)的目標(biāo)，因此，用戶參與產(chǎn)品全生命周期的管理對(duì)于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能具有重要意義。然而，在實(shí)際的裝備制造過程中，由于缺乏有效的用戶需求集成方式，如，沒有讓用戶直接參與設(shè)計(jì)的渠道，導(dǎo)致用戶在下了訂單以后，便不再參與裝備的研發(fā)與制造過程。

2 基于數(shù)字孿生的復(fù)雜重型裝備個(gè)性化定制生產(chǎn)模式

復(fù)雜重型裝備定制的主流是通過預(yù)測(cè)客戶需求，增強(qiáng)客戶參與度并提供交互式服務(wù)來使產(chǎn)品適應(yīng)客戶的新需求。但是，當(dāng)前的產(chǎn)品定制框架無法實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，因?yàn)楝F(xiàn)有定制化框架只關(guān)注物理世界的實(shí)體。作為一種虛擬現(xiàn)實(shí)集成技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)充分利用了來自物理和虛擬空間的海量數(shù)據(jù)，并可以通過虛擬模型補(bǔ)償現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)據(jù)的缺失[8]。因此，將數(shù)字孿生技術(shù)與現(xiàn)行框架整合集成可增強(qiáng)復(fù)雜重型裝備定制化功能。

針對(duì)復(fù)雜重型裝備制造個(gè)性化程度高、集成化程度較低、重復(fù)性人工勞作過多以及用戶參與創(chuàng)新程度低的問題，本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的復(fù)雜重型裝備個(gè)性化定制發(fā)展模式，如圖1所示。該模型集成制造商生態(tài)系統(tǒng)、個(gè)性化產(chǎn)品以及用戶環(huán)境等，將現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體與需求等因素以數(shù)字的形式映射于網(wǎng)絡(luò)空間中，以提升數(shù)據(jù)處理的效率與可靠性等。

圖1 基于數(shù)字孿生的復(fù)雜重型裝備制造模式

(1)物理實(shí)體模型層。將實(shí)體世界中的相關(guān)主體分為制造系統(tǒng)、定制化裝備與用戶需求環(huán)境三個(gè)方面[9]。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)到投入使用，制造系統(tǒng)與用戶需求分別通過集成化的信息系統(tǒng)與定制化裝備進(jìn)行信息交互，從而可以實(shí)時(shí)反饋生產(chǎn)端與需求端所了解到的裝備功能需求等信息，進(jìn)而提升復(fù)雜重型裝備的定制化水平。從復(fù)雜重型裝備設(shè)計(jì)到使用階段，制造系統(tǒng)與用戶需求環(huán)境模塊都與產(chǎn)品模塊交互。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)可以持續(xù)地監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和相應(yīng)參數(shù)等，提高裝備綜合利用率。此外，定制化產(chǎn)品模型也可與用戶需求環(huán)境進(jìn)行交互，動(dòng)態(tài)地適應(yīng)用戶不斷變化的行為。

(2)工業(yè)云數(shù)據(jù)處理層。將物理層級(jí)的實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生技術(shù)所需的數(shù)字信號(hào)，并不斷地集成分析虛擬層中的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生對(duì)物理層級(jí)實(shí)體模型的有用信息是工業(yè)云數(shù)據(jù)處理層的主要作用。整體來說，該層級(jí)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析與信息轉(zhuǎn)換等功能[10]。此外，從數(shù)據(jù)分析中得出的模式和知識(shí)也將被適當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)起來，以備將來使用。例如，當(dāng)產(chǎn)品故障時(shí)，數(shù)據(jù)處理層級(jí)會(huì)依據(jù)產(chǎn)品故障的特點(diǎn)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)信息進(jìn)行比對(duì)，如果差別較大，該故障會(huì)以新知識(shí)的形式存儲(chǔ)于產(chǎn)品故障專家知識(shí)庫中。

(3)虛擬數(shù)字孿生層級(jí)。數(shù)字孿生層級(jí)的主要作用是發(fā)現(xiàn)隱含的客戶需求，提高產(chǎn)品質(zhì)量并增強(qiáng)客戶參與度。與物理實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)，數(shù)字孿生層級(jí)同樣包括三個(gè)模塊：制造生態(tài)系統(tǒng)數(shù)字孿生、定制化裝備數(shù)字孿生與用戶需求環(huán)境數(shù)字孿生。制造系統(tǒng)數(shù)字孿生模型通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)制造實(shí)體資源信息的連續(xù)收集與反饋，并將相應(yīng)的資源(人、機(jī)、料、法、環(huán))以數(shù)字的形式反映在虛擬網(wǎng)絡(luò)模型中，實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)字化模塊的信息無縫傳輸與集成。復(fù)雜重型裝備的制造涉及價(jià)值鏈上的諸多主體，包括零部件供應(yīng)商、模塊化制造商、組裝商與售后服務(wù)商等，因此，建立一個(gè)以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)的復(fù)雜重型裝備全球制造商生態(tài)系統(tǒng)，可以使得產(chǎn)品價(jià)值鏈企業(yè)間建立一種共生關(guān)系，從而在彼此之間形成新的協(xié)同效應(yīng)[11]。定制化裝備數(shù)字孿生是實(shí)體產(chǎn)品的數(shù)字化表現(xiàn)形式，反映了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)研發(fā)到使用的各個(gè)階段定制化模式。通過對(duì)實(shí)體模型層級(jí)中用戶行為與使用環(huán)境的不斷監(jiān)控與分析，定制化裝備數(shù)字孿生模塊可以有效地預(yù)測(cè)潛在的用戶不滿意，同時(shí)不斷探索用戶的新需求并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)。用戶需求環(huán)境數(shù)字孿生模型反映了實(shí)體模型中的用戶行為、產(chǎn)品的安裝與使用環(huán)境信息等，其反映產(chǎn)品如何實(shí)現(xiàn)與用戶還有周圍環(huán)境的交互[12]。

3 復(fù)雜重型裝備制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型路徑分析

基于上述數(shù)字孿生與復(fù)雜裝備制造個(gè)性化定制框架，本文建立了依托數(shù)字孿生技術(shù)的復(fù)雜重型裝備制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型路徑。

3.1 建立數(shù)字孿生的建模及仿真平臺(tái)

建立數(shù)字孿生的建模及仿真平臺(tái)的主要內(nèi)容有：

(1)為單元模塊制造企業(yè)創(chuàng)建社區(qū)建模和仿真平臺(tái)，建立具有即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)化開源計(jì)算平臺(tái)(可定制的，開放式訪問軟件，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò))。建立這種平臺(tái)還需要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議來支持通用模塊的整合和匹配以及有效的數(shù)據(jù)交換。

(2)開發(fā)數(shù)字孿生的軟件工具箱和計(jì)算架構(gòu)，去更有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和解決復(fù)雜的用戶相關(guān)問題，并且將決策制定基于更廣的企業(yè)和工廠的數(shù)據(jù)環(huán)境中；同時(shí)，由于從物理實(shí)體所收集到的數(shù)據(jù)量越來越大，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全管理將會(huì)在軟件工具中占有更高的位置；

(3)將用戶因素和決策集成到數(shù)字孿生相關(guān)軟件與用戶界面中，使得用戶的需求可以實(shí)時(shí)地反映在產(chǎn)品制造的各個(gè)階段與環(huán)節(jié)；同時(shí)，數(shù)字孿生建模與仿真平臺(tái)應(yīng)開發(fā)相應(yīng)接口，以確保這些平臺(tái)可以被用戶訪問，供用戶們交流并且能夠提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)保障。

(4)將制造資源決策工具集成應(yīng)用于價(jià)值鏈所有企業(yè)中，來提升制造工廠對(duì)于資源的使用和選擇的實(shí)時(shí)決策能力。開發(fā)出可供操作員使用的決策工具，該工具具有解釋工廠的相關(guān)資源數(shù)據(jù)和做出有效選擇的功能；可以根據(jù)不同的生產(chǎn)流程、產(chǎn)品、資源來對(duì)資源選擇進(jìn)行比較；從資源的角度整合工廠的所有功能。

3.2 建立工業(yè)數(shù)據(jù)收集與管理系統(tǒng)

(1)建立針對(duì)所有制造型企業(yè)的一致的高效的數(shù)據(jù)方法。產(chǎn)品價(jià)值鏈端到端的數(shù)字化集成是數(shù)字孿生技術(shù)的保障。由于復(fù)雜重型裝備涉及企業(yè)眾多，而企業(yè)間的數(shù)據(jù)管理方式又存在差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的使用效率低下。因此，若要實(shí)施數(shù)字孿生系統(tǒng)，需要對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與方法進(jìn)行改進(jìn)，包括更好的數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)。

(2)開發(fā)針對(duì)所有制造企業(yè)的穩(wěn)健的數(shù)據(jù)收集框架。為了獲取更加穩(wěn)定和完整的信息、保證數(shù)據(jù)的真實(shí)度，需要開發(fā)一套信息系統(tǒng)構(gòu)架，并能夠保障與制造設(shè)備和系統(tǒng)相關(guān)的、高效的信息傳遞。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以用在融合來自不同來源的傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度，從而使管理者能夠?qū)S運(yùn)營(yíng)進(jìn)行更全面的分析和優(yōu)化。

3.3 進(jìn)行各維度的高度集成

(1)企業(yè)內(nèi)層級(jí)的縱向集成。完成企業(yè)內(nèi)部自下而上關(guān)于設(shè)備層、控制層、車間層與企業(yè)層信息系統(tǒng)的集成，保障數(shù)據(jù)的無縫銜接與共享。具體工作包括：統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，建立中心數(shù)據(jù)庫；共享生產(chǎn)報(bào)告以優(yōu)化生產(chǎn)；開發(fā)開放的平臺(tái)軟件和硬件設(shè)施；整合產(chǎn)品和制造過程模型。

(2)價(jià)值鏈層級(jí)的橫向集成。通過橫向集成開發(fā)公司間交互的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)；整合價(jià)值鏈上各合作伙伴之間以及企業(yè)與用戶之間的價(jià)值網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈上各環(huán)節(jié)之間的無縫交流與銜接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理等在不同的企業(yè)間的信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同。

(3)端到端的數(shù)字化集成。覆蓋產(chǎn)品及其聯(lián)系的制造系統(tǒng)的完整價(jià)值鏈端到端的數(shù)字化集成；所謂端到端是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的價(jià)值鏈創(chuàng)造。通過整合價(jià)值鏈上涉及產(chǎn)品生命周期的企業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷售以及服務(wù)的全生命周期的管理，重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的價(jià)值體系，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部運(yùn)營(yíng)成本的降低、銷售市場(chǎng)的擴(kuò)大以及更高的客戶滿意度。

3.4 開發(fā)數(shù)字孿生的教育和培訓(xùn)體系

(1)開發(fā)技術(shù)培訓(xùn)和維護(hù)模塊。開發(fā)可用于所有級(jí)別員工的培訓(xùn)包，內(nèi)容包括從數(shù)據(jù)到工廠資產(chǎn)等各方面；

(2)全面考慮相關(guān)部署元素(包括模塊開發(fā)人員、用戶、安裝和維護(hù)等方面)來開發(fā)實(shí)習(xí)和培訓(xùn)項(xiàng)目，加強(qiáng)與高等教育界在數(shù)字孿生相關(guān)課程方面的合作并在教學(xué)方法中納入行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和要求。創(chuàng)建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和直觀的員工用戶界面，以保證員工的持續(xù)學(xué)習(xí)，并制定包括用戶反饋和驗(yàn)證在內(nèi)的問題解決方案。

(3)在開發(fā)新技術(shù)的同時(shí)實(shí)施和完善相關(guān)培訓(xùn)計(jì)劃，并將培訓(xùn)計(jì)劃擴(kuò)展到新的行業(yè)以及大學(xué)中去。

4 結(jié)論

由于復(fù)雜重型裝備制造個(gè)性化程度高、集成化程度低、重復(fù)性人工勞作過多以及用戶參與創(chuàng)新程度低等問題，導(dǎo)致智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展較慢。數(shù)字孿生技術(shù)將繁雜的物理實(shí)體資源等以數(shù)字的形式映射于網(wǎng)絡(luò)空間中，對(duì)于集成化管理制造過程具有重要意義。

針對(duì)復(fù)雜重型裝備智能化轉(zhuǎn)型中遇到的問題，本文建立了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜重型裝備協(xié)同制造模式，從制造生態(tài)系統(tǒng)、定制化產(chǎn)品、用戶需求環(huán)境三個(gè)方面對(duì)該模式進(jìn)行了探析，分析了各數(shù)字孿生模塊的作用與模塊之間的交互機(jī)理。以此為基礎(chǔ)，本文從建立數(shù)字孿生的建模及仿真平臺(tái)，建立工業(yè)數(shù)據(jù)收集與管理系統(tǒng)，進(jìn)行各維度的高度集成與開發(fā)數(shù)字孿生的教育和培訓(xùn)體系四個(gè)方面對(duì)復(fù)雜重型裝備企業(yè)推行數(shù)字孿生技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型路徑與方法進(jìn)行了分析。研究結(jié)果對(duì)復(fù)雜重型裝備企業(yè)推行智能制造具有一定的啟發(fā)。