数字孪生能为制造业带来什么价值？

戚锋 方志刚 杨朔

我们必须强调，虽然规模较小的组织可能不需要数字孪生的所有元素，但很小的制造公司也有一些将数字孪生变得至关重要的因素。

自”工业4.0”愿景被广泛接受以来，产业界一直在谈数字孪生。数字孪生究竟能为制造业带来什么价值？商业竞争，“快鱼吃慢鱼”。数字孪生彻底改变了工程师设计和制造产品的方式，能够快速从失败中学习，快速迭代和演变，成为“快鱼”，没有利用数字孪生技术的落后者将很难赶上竞争对手，终将被市场淘汰。

数字孪生的价值，就是能够减少产品设计、制造过程、系统规划和生产设施设计所需的时间，缩短上市时间；通过快速迭代持续优化产品技术性能；帮助公司变得更加灵活，降低成本，提高质量，提高公司各层次的生产力；支持新的商业模式，创造颠覆性机会。

什么是数字孪生？

数字孪生有很多的定义，在我们看来，数字孪生是一套计算机高保真仿真模型，这种计算机模型可以在虚拟世界中提供设计、验证和优化一个零件、一件产品、一套制作工艺或一套生产设备的方法。它处理问题迅速、精准，并且十分接近实物—那些可以交付客户使用的产品。数字孪生利用从安装在实体对象上的传感器反馈的数据来描绘最接近真实的实时状态、工作状态或位置。

很长时间以来，我们已经认识到了数字孪生的价值。例如，25年前，当我们开始为高级机器人开发软件时，我们启用了汽车车身装配单元的完整3D模型。这些模型可以在机器人进入车间生产前进行模拟、验证和优化机器人操作。我们的应用程序不仅可以模拟一个单元，而且可以使其虚拟调试达到几乎完美。

尽管如此，计算机科学的发展使我们持续提高数字孪生的仿真建模的颗粒度和置信度，使更多的能力、信息、输入和输出的范围成为可能，它还能帮助客户更快地开发和向市场推出新产品。今天，我们可以通过智能工厂和智能产品来支持数字孪生的产品设计、生产流程计划和生产。

数字孪生的核心技术

数字孪生技术包括三个支柱：数字化产品设计、制造过程规划和反馈循环。

1.在产品设计方面。数字孪生包括一个产品的所有设计元素，即：

1）3D模型（使用CAD系统）

2）系统模型（使用系统工程产品开发解决方案，例如基于模型的系统工程MBSE）

3）材料清单BOM

4）1D、2D和3D分析模型（使用CAE系统，如 Simcenter）

5）数字软件设计和测试（使用诸如 Polarion 的ALM系统）

6）子设计（使用Mentor Graphics）

使用这些元素会产生一个全面的计算机化的产品模型—接近100%的虚拟验证和测试产品的设计。所有这些都消除了对原型的需求，减少了开发所需的时间，提高了最终产品的质量，并且能够更快地对客户的反馈做出回应。

2.在制造流程规划方面。今天的西门子解决方案可以开发出对任何制造商都至关重要的三种模型：

1）制造过程模型，如何准确描述该产品的生产过程。

2）生产设备模型，提供一个完整的生产和组装生产线所需的数字表现。

3）生产设备自动化模型，描述自动化系统（SCADA、PLC、HMI等）如何支持生产系统。

3.在制造业中，数字孪生的价值提供了一个独一无二的机会来模拟、验证和优化整个生产系统。它还能够测试如何依靠生产流程、生产线和自动化来构建产品的所有主要部件和子组件。依靠数字孪生，我们也可以整合物流方面的内容。厂内物流系统的数字孪生可以帮助计划团队设计一个有效的物流解决方案来满足生产线的需要。厂内物流可能是制造过程的数字孪生的一部分，也是物流系统的物理组成部分。自动导向的车辆AGV、机架、箱子和运输工具将成为生产系统的数字双体的一部分—即“智能工厂”。

我们必须强调，虽然规模较小的组织可能不需要数字孪生的所有元素，但更小的制造公司也有一些将数字孪生变得至关重要的因素。如果没有这些，一个小型的、敏捷的制造商将无法继续在竞争中取得成功。

3.闭环反馈循环。有两个反馈循环对大多数制造商产生了巨大的影响—智能工厂循环和智能产品循环。反馈循环从智能工厂开始。这是一个全数字化的工厂模型，一个生产系统通过传感器、SCADA系统、PLC自动化设备连接到主PLM数据存储库。在一个智能工厂里，在生产过程中所有的事件都会被记录下来，然后直接或者通过云计算提交回PLM系统中。在云端，使用人工智能算法技术研究和分析这些信息，其主要发现被反馈到生产计划的产品开发或设施规划中。

这个为什么很重要？投产后，生产设备和制造工艺过程将会发生变更。新的想法将被实现，新的工作方法将被部署，新的供应商可能被选择—所有的需求都可能改变生产系统或工艺过程。由于这些变更肯定会影响未来，因此在这个阶段更新它们将成为必然。生产系统比产品的生命周期要更长久，我们的许多客户使用他们的生产系统来制造多种产品，这些因素促使越来越多的人需要定期地在PLM系统中捕捉这些变化，这样就可以将这些信息分发给各方。在生产过程中收集的信息也可以作为提高生产资源的、可维护性的基础。有了这些信息，我们就可以启用更好的、基于条件的维护，从而提高正常运行时间和生产效率。

当今社会，我们生产的所有产品基本上都是智能产品。我们的许多客户正在寻找方法来改善他们使用过程中的智能产品与他们之间的联系。监控产品的使用可以为将来改进产品提供大量的信息。不仅如此，将一些智能产品彼此连接可能产生一种新的商業模式，这可能会带来更多的竞争性产品。

例如，飞机引擎制造商可以出售“飞行时间”，而不是直接销售引擎。当一家航空公司购买引擎“飞行时间”的时候，它会花费更少的资本预算，甚至得到更好的服务，从制造商承诺提供更高水平的服务维护中受益。引擎制造商只有在引擎投入实际使用后才会得到付款，所以它必须确保它不断地监控引擎，提供关于如何使用和服务这些引擎的建议，并且还需要做一些维护、修理和检修工作。

我们可以在任何地方找到智能产品。例如，我们有一个客户生产重型吊车。几年前，客户修改了产品，生产智能起重机。该公司的终端客户可以按小时购买“起重能力”，而不是购买起重机。通过安装传感器，公司收集使用信息，然后向终端客户提供如何使用起重机才能实现更长的生命周期和更大的提升力的反馈。

成功部署数字孪生的三大关键理念

欲发挥数字孪生赋能产品创新能力升级，为你的公司打造一个成功的、可持续的业务，必须转变观念，深刻理解三个重要理念。

数字线的角色会变得更重要

数字线可以连接产品性能的信息，以及需求、设计、制造和车间检查点。仅仅建立世界的数字影像并没有带来多大的价值，真正的价值来自于数字线程，打破流程之间的藩篱，实现充分必要的信息在价值链上的自由流动。数字线程的目标就是“让边界消失”。

数字化转型充满挑战但回报巨大

许多公司在考虑数字化时面临的最大障碍之一是人。在西门子Amberg工厂，自动化程度高达75%，但经历了长时间的演进。一些人起初并不知道如何使用电脑，我们必须对他们进行培训。

现在，员工们围绕数据和虚拟世界展开协作，以解决问题，这是一种完全不同的思维方式。在这一变化中，劳动力并没有减少。在Amberg现有1200名员工，和2001年持平，虽然同期产能已经扩大了近10倍。

成为数字企业也可以让你在工作方式上有更多的选择。例如不需要屏幕，就可以使用微软Hololens的虚拟现实头戴设备，浏览Teamcenter提供的实时互动信息，利用现实和虚拟世界的指令共同指导操作人员。

向初创公司学习，自我颠覆

许多航空公司都在研究如何执行去火星的整体设想，试图颠覆航天航空业。其中一个创新的思想家是埃隆·马斯克和他的公司SpaceX。SpaceX的着陆和再利用曾经一度被認为是异想天开，他通过大量使用数字孪生技术，推出了新型运载火箭，并将价格降低了40%，他们仍在努力将价格进一步拉低。

SpaceX正在颠覆航天业，而其他公司也在跟进。联合发射联盟公司现在有一个管理团队，他们希望降低成本。斯派克航空公司，一家试图制造超音速喷气式飞机的公司，正在加速开发和增加资金。年轻的公司正在让投资者有信心为这些新项目提供资金，而这些资金正在让年轻的、有创新精神的公司进入市场—这一市场产生了巨大的颠覆性影响。

在“工业4.0”时代，数字孪生将如何改变你的行业？