無論身處工業(yè)2.0還是3.0階段，許多企業(yè)在懷揣智能工廠夢(mèng)想的同時(shí)，卻往往尚未形成清晰的思路及舉措。隨著“工業(yè)4.0”的熱潮從德國(guó)涌向全球及“中國(guó)制造2025”的實(shí)施，越來越多的制造企業(yè)正決意將未來制造的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，以期在數(shù)字化引領(lǐng)的工業(yè)變革中盡早謀篇布局，但越來越多的企業(yè)在智能制造之路上卻不知道從哪里開始，如何正確的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠。
數(shù)字化雙胞胎的由來
目前世界范圍內(nèi)工業(yè)正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，許多中國(guó)制造企業(yè)都面臨著相似的問題：當(dāng)?shù)土膭趧?dòng)力成本不能再作為“中國(guó)制造”在全球市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)標(biāo)簽,制造企業(yè)對(duì)于變革的需求更為迫切。為了在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)，制造企業(yè)要最大化利用資源，將生產(chǎn)變得更加高效;為適應(yīng)不斷變化的客戶需求，制造企業(yè)必須盡可能地縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)更加快速;為滿足市場(chǎng)多元化的需求，制造企業(yè)還要快速實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的靈活變動(dòng)，將生產(chǎn)變得更加柔性。
作為支撐世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫融合也將促使制造企業(yè)的生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平得到進(jìn)一步提升，這是制造業(yè)革命的關(guān)鍵所在，與此同時(shí)，引入互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化技術(shù)，對(duì)“中國(guó)制造2025”、工業(yè)4.0的重大戰(zhàn)略執(zhí)行也有更多助力。作為“工業(yè)4.0”最初的發(fā)起者和重要的構(gòu)建者，西門子率先在市場(chǎng)上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念，即基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)——西門子形象地稱之為“數(shù)字化雙胞胎”(Digital Twins)，包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”，三個(gè)層面又高度集成為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價(jià)值鏈，為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”構(gòu)筑了一條自下而上的切實(shí)之路。
對(duì)于大多數(shù)人來講，我們總是對(duì)“雙胞胎”有各種各樣的主觀印象：他們長(zhǎng)得完全一樣、他們性格完全一樣、他們其中的一個(gè)如果情緒波動(dòng)，另一個(gè)可以立即感知......沒錯(cuò)，數(shù)字化雙胞胎這個(gè)概念的提出就是基于普通人這樣的想象。請(qǐng)看業(yè)內(nèi)頂級(jí)專家如何看待“數(shù)字化雙胞”概念：
西門子股份公司數(shù)字化工廠集團(tuán)首席執(zhí)行官Jan Mrosik博士在2016年西門子工業(yè)論壇(IFS)上著重介紹到：全產(chǎn)品生命周期內(nèi)的“數(shù)字化雙胞胎”能夠完整真實(shí)再現(xiàn)整個(gè)企業(yè)，從而幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，而在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終打造高效的柔性生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競(jìng)爭(zhēng)力。
同濟(jì)大學(xué)陳明教授在2016年西門子工業(yè)論壇(IFS)上指出：數(shù)字化雙胞胎模型指的是以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)物理對(duì)象，即以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型，模擬其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征。數(shù)字化雙胞胎模型具有模塊化、自治性和連接性的特點(diǎn)，可以從測(cè)試、開發(fā)、工藝及運(yùn)維等角度，打破現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的藩籬，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)生產(chǎn)、管理、連接的高度數(shù)字化及模塊化。
西門子數(shù)字化工廠集團(tuán)工業(yè)軟件全球資深副總裁兼大中華區(qū)董事總經(jīng)理梁乃明先生認(rèn)為：制造業(yè)變革歸根結(jié)底要回歸到基礎(chǔ)，即保證速度、靈活性、效率、質(zhì)量和安全，而實(shí)現(xiàn)這一切的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力是通過“數(shù)字化雙胞胎”實(shí)現(xiàn)虛擬世界與物理世界的融合，西門子的“數(shù)字化雙胞胎”則是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)線設(shè)計(jì)，到OEM的機(jī)械設(shè)計(jì)，到工廠的規(guī)劃排產(chǎn)，到最后制造執(zhí)行，到最后的產(chǎn)品大數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品、工廠、工廠云，還有產(chǎn)品云的監(jiān)控，“我們是整個(gè)實(shí)現(xiàn)了讓數(shù)字化在企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)出來的全方位的解決方案。”
數(shù)字化雙胞胎技術(shù)內(nèi)涵
數(shù)字化雙胞技術(shù)是智能工廠的虛實(shí)互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計(jì)、測(cè)試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進(jìn)行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計(jì)及安裝調(diào)試時(shí)間，加快交付周期。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個(gè)生命周期中去的影像技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致，而不是要讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是要發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步，這才是數(shù)字化雙胞胎的目標(biāo)所在。
筆者認(rèn)為數(shù)字化雙胞胎技術(shù)是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過將掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段(產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用)銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對(duì)其做出反應(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。如下圖所說，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個(gè)生命周期中去的影像技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致。
MBE-數(shù)字化雙胞胎的基礎(chǔ)
基于模型定義(Model Based Definition，簡(jiǎn)稱MBD)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。為了更好地使MBD數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)能夠有效充分地進(jìn)行利用，部分制造企業(yè)已從MBD到MBE(Model Based Enterprise：基于模型的企業(yè))方法，就是要基于MBD在整個(gè)企業(yè)和供應(yīng)鏈范圍內(nèi)建立一個(gè)集成和協(xié)同化的環(huán)境，各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)充分利用已有的MBD單一數(shù)據(jù)源開展工作，從而有效地縮短整個(gè)產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
波音公司在以波音787為代表的新型客機(jī)研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，摒棄二維圖樣，直接使用三維標(biāo)注模型作為制造依據(jù)，使工程技術(shù)人員從百年來的二維文化中解放出來，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)(含工藝設(shè)計(jì))、工裝設(shè)計(jì)、零件加工、部件裝配、零部件檢測(cè)檢驗(yàn)的高度集成與協(xié)同，并建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式，確保了波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。
MBE主要由基于模型的工程(MBe)、基于模型的數(shù)字化制造(MBM)、基于模型的維護(hù)(MBS)三大部分組成，制造企業(yè)通過MBE將建立起制造企業(yè)MBE的應(yīng)用使得制造企業(yè)將其在產(chǎn)品全生命周期中所需要的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)進(jìn)行整理，結(jié)合信息系統(tǒng)，建立便于系統(tǒng)集成和應(yīng)用的產(chǎn)品模型和過程模型，通過模型進(jìn)行多學(xué)科、跨部門、跨企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)、制造和管理，通過數(shù)字化技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的融合，使制造企業(yè)在邁向MBE企業(yè)的同時(shí)，可逐步走向真正的數(shù)字化企業(yè)(工廠)，通過MBE能力與數(shù)字化工廠能力的融合，更大程度降低產(chǎn)品研發(fā)成本、縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間。
性能數(shù)字雙胞胎-實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性工程分析
復(fù)雜產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)非常困難，產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)必須將電子裝置和控件集成入機(jī)械系統(tǒng)，使用新的材料和制造流程，滿足更嚴(yán)格法規(guī)，同時(shí)必須在更短期限內(nèi)、在預(yù)算約束下交付創(chuàng)新產(chǎn)品。傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法不再足夠有效?，F(xiàn)代開發(fā)流程必須變得具有預(yù)測(cè)性，使用實(shí)際產(chǎn)品的“Digital Twin”驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并使其隨著產(chǎn)品進(jìn)化保持同步，此外還要求具有可支撐的智能報(bào)告和數(shù)據(jù)分析功能的仿真和測(cè)試技術(shù)。
為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜挑戰(zhàn)，產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要一個(gè)統(tǒng)一且共享的平臺(tái)來處理所有仿真學(xué)科，而且該平臺(tái)應(yīng)具備易于使用的先進(jìn)分析工具，可提供效率更高的工作流程，并能夠生成一致結(jié)果。性能數(shù)字化雙胞胎能幫助用戶比以前更快地驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以獲得更佳、成本更低且更可靠的產(chǎn)品，并能更早在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)根據(jù)所有關(guān)鍵屬性精確預(yù)測(cè)性能。
工藝數(shù)字化雙胞胎-數(shù)字化工廠互聯(lián)互通的橋梁
數(shù)字化工藝與驗(yàn)證能夠以虛擬方式設(shè)計(jì)和評(píng)估裝配工藝方案，以迅速制定用于制造產(chǎn)品的最佳計(jì)劃。可以同步產(chǎn)品和制造需求，管理更加全面的流程驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)(裝配設(shè)計(jì))。通過使用工具提供對(duì)裝配順序、資源和活動(dòng)持續(xù)時(shí)間的清晰可見性，制定更明智的制造決策。
此外，數(shù)字化工廠采用自動(dòng)化生產(chǎn)的設(shè)備設(shè)施盡可能地取代人工，客觀上會(huì)降低生產(chǎn)線的柔性，要求生產(chǎn)各個(gè)工序之間盡可能地做到線平衡，同時(shí)為保證生產(chǎn)過程的流暢，對(duì)車間內(nèi)物流和配送的能力和及時(shí)性也提出了更高的要求。如果不能在工廠規(guī)劃階段對(duì)工廠和生產(chǎn)線的生產(chǎn)計(jì)劃、資源利用、設(shè)備產(chǎn)能和效率、物流供需等進(jìn)行有效控制和優(yōu)化，企業(yè)的生產(chǎn)利潤(rùn)將逐漸流失。生產(chǎn)與物流仿真可以對(duì)各種規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)，包括生產(chǎn)線進(jìn)行建模、仿真;可以對(duì)各種生產(chǎn)系統(tǒng)，包括工藝路徑，生產(chǎn)計(jì)劃和管理，進(jìn)行優(yōu)化和分析?？梢詢?yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈，考慮不同大小的訂單與混合產(chǎn)品的生產(chǎn)。
生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎-數(shù)字的生產(chǎn)與物理的制造融合
制造企業(yè)的業(yè)務(wù)越來越多地受到互聯(lián)網(wǎng)的影響，最終用戶也越來越傾向于直接告訴制造商他們想要什么以及交貨時(shí)間，制造商必須迅速做出反應(yīng)，提高生產(chǎn)的靈活性，以適應(yīng)個(gè)性化大批量生產(chǎn)的需要，另外還要提高效率，降低能源與資源的消耗。同時(shí)，制造企業(yè)越來越關(guān)注產(chǎn)品制造過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與跟蹤、質(zhì)量控制、生產(chǎn)監(jiān)控以及物料管理、制造車間現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和管理、訂單全生命周期管理和智能化決策支持等關(guān)鍵技術(shù)。
生產(chǎn)數(shù)字化雙胞胎為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和質(zhì)量管理提供了端到端的透明化，將車間的自動(dòng)化設(shè)備與產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)和企業(yè)管理領(lǐng)域的決策者緊密連接在一起。借助生產(chǎn)過程的全程透明化，決策者可以很容易地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與相關(guān)制造工藝中需要改進(jìn)的地方，并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)調(diào)整，從而使得生產(chǎn)更順暢，效率更高。
虛擬調(diào)試數(shù)字化雙胞胎-虛實(shí)結(jié)合應(yīng)用
數(shù)字化工廠柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)投資大，周期長(zhǎng)，自動(dòng)化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大。按照生產(chǎn)線建設(shè)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題越早，整改成本越低，因此有必要在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝、調(diào)試之前在虛擬的環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬調(diào)試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC的邏輯控制等問題，在綜合加工設(shè)備、物流設(shè)備、智能工裝、控制系統(tǒng)等各種因素中全面評(píng)估生產(chǎn)線的可行性。生產(chǎn)周期長(zhǎng)、更改成本高的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用虛擬環(huán)境中進(jìn)行展示和模擬，易于構(gòu)建和修改的控制部分采用由PLC搭建的物理控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，由實(shí)物PLC控制系統(tǒng)生成控制信號(hào)，虛擬環(huán)境中的機(jī)械結(jié)構(gòu)作為受控對(duì)象，模擬整個(gè)生產(chǎn)線的動(dòng)作過程，從而發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的問題，在物理樣機(jī)建造前予以解決。
虛擬調(diào)試數(shù)字化雙胞胎涉及的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域包括：
產(chǎn)品研發(fā)--機(jī)電一體化產(chǎn)品：驗(yàn)證產(chǎn)品功能，是否存在問題，機(jī)電匹配;
生產(chǎn)線/生產(chǎn)工位--設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人等：干涉檢查，動(dòng)作邏輯，機(jī)電匹配，機(jī)器人時(shí)間信號(hào);
工廠/自動(dòng)化：生產(chǎn)線的邏輯控制、輸送系統(tǒng)的仿真、自動(dòng)化物流系統(tǒng)的仿真。
工廠數(shù)字化雙胞胎-虛擬世界與物理世界無縫映射
工廠數(shù)字化雙胞胎中的虛擬信息平臺(tái)能提供一種基于互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的Web應(yīng)用程序，它能虛擬出真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，在線瀏覽整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施情況的3D瀏覽及提供3D情境下數(shù)字化制造和生產(chǎn)信息。并能以三維的形式表示生產(chǎn)設(shè)施及周邊地理環(huán)境，可采集匯總查看各種信息，帶來身入其境的體驗(yàn)。以一種簡(jiǎn)單熟悉的方式在生產(chǎn)設(shè)施中進(jìn)行導(dǎo)航，生產(chǎn)管理人員可以通過工廠虛擬形象平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控工廠，使管理人員隨時(shí)隨地及時(shí)獲取生產(chǎn)、質(zhì)量、訂單等各種信息，提高管理響應(yīng)速度和透明度，促進(jìn)各部門間的知識(shí)共享和協(xié)作。
此外，工廠數(shù)字化雙胞胎還涉及到數(shù)字化服務(wù)，通過數(shù)字化服務(wù)提高設(shè)備利用率、提高設(shè)備維保質(zhì)量、優(yōu)化能源效率、提高信息服務(wù)的速度和質(zhì)量，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在價(jià)值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到服務(wù)并將數(shù)字化工廠中的大數(shù)據(jù)變成有意義的信息,使智能決策成為可能。
數(shù)字化要一盤棋更要各自為戰(zhàn)
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