無論身處工業(yè)2.0還是3.0階段，許多企業(yè)在懷揣智能工廠夢想的同時，卻往往尚未形成清晰的思路及舉措。隨著“工業(yè)4.0”的熱潮從德國涌向全球及“中國制造2025”的實施，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，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，如何正確的實現(xiàn)數(shù)字化工廠。天拓四方作為智能制造整體解決方案專家，深耕制造業(yè)15載積累了豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗，通過智能制造之路系列文章指導(dǎo)制造企業(yè)實現(xiàn)智能制造之路。本篇文章在上一篇《解讀數(shù)字化工廠頂層設(shè)計與規(guī)劃》基礎(chǔ)上重點解讀數(shù)字化雙胞胎的由來與技術(shù)內(nèi)涵，并就產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎、工藝數(shù)字化雙胞胎、工廠與設(shè)備數(shù)字化雙胞胎技術(shù)進行分析，為制造企業(yè)數(shù)字化工廠頂層架構(gòu)落地實現(xiàn)提供參考和指導(dǎo)。
數(shù)字化雙胞胎的由來
目前世界范圍內(nèi)工業(yè)正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，許多中國制造企業(yè)都面臨著相似的問題：當(dāng)?shù)土膭趧恿Τ杀静荒茉僮鳛?ldquo;中國制造”在全球市場上的優(yōu)勢標(biāo)簽,制造企業(yè)對于變革的需求更為迫切。為了在激烈的全球競爭中保持優(yōu)勢，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)品上市時間，對市場的響應(yīng)更加快速；為滿足市場多元化的需求，制造企業(yè)還要快速實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的靈活變動，將生產(chǎn)變得更加柔性。
作為支撐世界經(jīng)濟發(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)水平得到進一步提升，這是制造業(yè)革命的關(guān)鍵所在，與此同時，引入互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化技術(shù)，對“中國制造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)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)——西門子形象地稱之為“數(shù)字化雙胞胎”(DigitalTwins)，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”，三個層面又高度集成為一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價值鏈，為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實現(xiàn)“工業(yè)4.0”構(gòu)筑了一條自下而上的切實之路。
對于大多數(shù)人來講，我們總是對“雙胞胎”有各種各樣的主觀印象：他們長得完全一樣、他們性格完全一樣、他們其中的一個如果情緒波動，另一個可以立即感知......沒錯，數(shù)字化雙胞胎這個概念的提出就是基于普通人這樣的想象。請看業(yè)內(nèi)頂級專家如何看待“數(shù)字化雙胞”概念：
西門子股份公司數(shù)字化工廠集團首席執(zhí)行官JanMrosik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”能夠完整真實再現(xiàn)整個企業(yè)，從而幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，而在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個企業(yè)流程，最終打造高效的柔性生產(chǎn)，實現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。
同濟大學(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)物理對象，即以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，模擬其在現(xiàn)實環(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，可以從測試、開發(fā)、工藝及運維等角度，打破現(xiàn)實與虛擬之間的藩籬，實現(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，而實現(xiàn)這一切的關(guān)鍵驅(qū)動力是通過“數(shù)字化雙胞胎”實現(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)計到產(chǎn)線設(shè)計，到OEM的機械設(shè)計，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)，對產(chǎn)品、工廠、工廠云，還有產(chǎn)品云的監(jiān)控，“我們是整個實現(xiàn)了讓數(shù)字化在企業(yè)真正實現(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)是智能工廠的虛實互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計、測試、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行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計及安裝調(diào)試時間，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生命周期中去的影像技術(shù)，最終實現(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)化進步，這才是數(shù)字化雙胞胎的目標(biāo)所在。
筆者認為數(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、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生命周期中去的影像技術(shù)，最終實現(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(ModelBasedDefinition，簡稱MBD)的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造企業(yè)實現(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)品的整個生命周期內(nèi)能夠有效充分地進行利用，部分制造企業(yè)已從MBD到MBE(ModelBasedEnterprise：基于模型的企業(yè))方法，就是要基于MBD在整個企業(yè)和供應(yīng)鏈范圍內(nèi)建立一個集成和協(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產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(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為代表的新型客機研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息(ProductManufacturingInformation，PMI)與三維設(shè)計信息共同定義到產(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，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(含工藝設(shè)計)、工裝設(shè)計、零件加工、部件裝配、零部件檢測檢驗的高度集成與協(xié)同，并建立了三維數(shù)字化設(shè)計制造一體化集成應(yīng)用體系，開創(chuàng)了飛機數(shù)字化設(shè)計制造的嶄新模式，確保了波音787客機的研制周期和質(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(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)、信息和知識進行整理，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，通過模型進行多學(xué)科、跨部門、跨企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計、制造和管理，通過數(shù)字化技術(shù)與自動化技術(shù)的融合，使制造企業(yè)在邁向MBE企業(yè)的同時，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)品上市時間。
性能數(shù)字雙胞胎-實現(xiàn)預(yù)測性工程分析
復(fù)雜產(chǎn)品的工程設(shè)計非常困難，產(chǎn)品團隊必須將電子裝置和控件集成入機械系統(tǒng)，使用新的材料和制造流程，滿足更嚴格法規(guī)，同時必須在更短期限內(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)測性，使用實際產(chǎn)品的“DigitalTwin”驅(qū)動設(shè)計并使其隨著產(chǎn)品進化保持同步，此外還要求具有可支撐的智能報告和數(shù)據(jù)分析功能的仿真和測試技術(shù)。
為了應(yīng)對復(fù)雜挑戰(zhàn)，產(chǎn)品工程設(shè)計團隊需要一個統(tǒng)一且共享的平臺來處理所有仿真學(xué)科，而且該平臺應(yīng)具備易于使用的先進分析工具，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)動產(chǎn)品設(shè)計，以獲得更佳、成本更低且更可靠的產(chǎn)品，并能更早在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)根據(jù)所有關(guān)鍵屬性精確預(yù)測性能。
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)字化工藝與驗證能夠以虛擬方式設(shè)計和評估裝配工藝方案，以迅速制定用于制造產(chǎn)品的最佳計劃�？梢酝疆a(chǎn)品和制造需求，管理更加全面的流程驅(qū)動型設(shè)計(裝配設(shè)計)。通過使用工具提供對裝配順序、資源和活動持續(xù)時間的清晰可見性，制定更明智的制造決策。
此外，數(shù)字化工廠采用自動化生產(chǎn)的設(shè)備設(shè)施盡可能地取代人工，客觀上會降低生產(chǎn)線的柔性，要求生產(chǎn)各個工序之間盡可能地做到線平衡，同時為保證生產(chǎn)過程的流暢，對車間內(nèi)物流和配送的能力和及時性也提出了更高的要求。如果不能在工廠規(guī)劃階段對工廠和生產(chǎn)線的生產(chǎn)計劃、資源利用、設(shè)備產(chǎn)能和效率、物流供需等進行有效控制和優(yōu)化，企業(yè)的生產(chǎn)利潤將逐漸流失。生產(chǎn)與物流仿真可以對各種規(guī)模的生產(chǎn)系統(tǒng)和物流系統(tǒng)，包括生產(chǎn)線進行建模、仿真；可以對各種生產(chǎn)系統(tǒng)，包括工藝路徑，生產(chǎn)計劃和管理，進行優(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，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)運營和質(zhì)量管理提供了端到端的透明化，將車間的自動化設(shè)備與產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝設(shè)計及生產(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)計與相關(guān)制造工藝中需要改進的地方，并進行相應(yīng)的運營調(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-虛實結(jié)合應(yīng)用
數(shù)字化工廠柔性自動化生產(chǎn)線建設(shè)投資大，周期長，自動化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場調(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)境中對生產(chǎn)線進行模擬調(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估生產(chǎn)線的可行性。生產(chǎn)周期長、更改成本高的機械結(jié)構(gòu)部分采用虛擬環(huán)境中進行展示和模擬，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)實現(xiàn)，由實物PLC控制系統(tǒng)生成控制信號，虛擬環(huán)境中的機械結(jié)構(gòu)作為受控對象，模擬整個生產(chǎn)線的動作過程，從而發(fā)現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的問題，在物理樣機建造前予以解決。
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)--機電一體化產(chǎn)品：驗證產(chǎn)品功能，是否存在問題，機電匹配；
生產(chǎn)線/生產(chǎn)工位--設(shè)備運動機構(gòu)、機器人等：干涉檢查，動作邏輯，機電匹配，機器人時間信號；
工廠/自動化：生產(chǎn)線的邏輯控制、輸送系統(tǒng)的仿真、自動化物流系統(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，它能虛擬出真實的生產(chǎn)環(huán)境，在線瀏覽整個生產(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。以一種簡單熟悉的方式在生產(chǎn)設(shè)施中進行導(dǎo)航，生產(chǎn)管理人員可以通過工廠虛擬形象平臺進行遠程監(jiān)控工廠，使管理人員隨時隨地及時獲取生產(chǎn)、質(zhì)量、訂單等各種信息，提高管理響應(yīng)速度和透明度，促進各部門間的知識共享和協(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)潛在價值，實現(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。
