在國家大力推動 “新基建” 的浪潮中，制造業(yè)迎來了前所未有的變革契機?；跀?shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用，就像一把寶貴的鑰匙，為制造業(yè)打開了提升制造能力、質(zhì)量以及產(chǎn)品可靠性的新大門，在中國制造業(yè)的應(yīng)用前景一片光明。
“新基建” 和傳統(tǒng)基建可不一樣，它內(nèi)涵豐富、涵蓋廣泛，充分體現(xiàn)了數(shù)字經(jīng)濟的特點，秉持著創(chuàng)新化、數(shù)字化、智能化、綠色化的新型發(fā)展理念。阿里研究院副院長安筱鵬博士曾說，未來十年是新型基礎(chǔ)設(shè)施的安裝時期。全球數(shù)字經(jīng)濟的一個關(guān)鍵主題，就是數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的重構(gòu)、切換與遷徙，以及基于新型數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的商業(yè)生態(tài)再造。
數(shù)字基建是通往數(shù)字孿生世界的重要基礎(chǔ)。數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施深度融合創(chuàng)新，隨著新需求不斷更新迭代，正搭建起全新的技術(shù)架構(gòu)體系，逐步營造出一個數(shù)字孿生的奇妙世界。
在 “新基建” 中占據(jù)重要地位的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，和數(shù)字孿生技術(shù)緊密相連。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟把數(shù)字孿生視為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心與關(guān)鍵，德國工業(yè) 4.0 架構(gòu)也著重強調(diào)了數(shù)字孿生的重要性。
數(shù)字孿生的核心是實現(xiàn)虛實融合，物理模型和數(shù)字孿生模型能夠雙向映射。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是通過廣泛連接設(shè)備，匯聚海量數(shù)據(jù)，運用算法模型進行深度剖析，從而了解生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況。最終結(jié)合工業(yè)應(yīng)用和業(yè)務(wù)邏輯，把分析結(jié)論轉(zhuǎn)化為最佳決策并付諸實踐，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的整體優(yōu)化。
由此可見，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用場景，二者相互依存。鑒于數(shù)字孿生技術(shù)在 “新基建” 涉及的眾多領(lǐng)域都起著關(guān)鍵作用，企業(yè)應(yīng)該重視它的應(yīng)用，積極尋找合適的應(yīng)用場景，為自身創(chuàng)造價值。
生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)大顯身手的地方。如今，個性化、多元化的市場消費需求成為主流，制造業(yè)面臨著越來越激烈的市場競爭，承受著時間、成本、質(zhì)量和產(chǎn)品差異化等方面的巨大壓力。
企業(yè)面對市場環(huán)境的突然變化，常常會手忙腳亂。就拿疫情來說，如何借助技術(shù)手段迅速實現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，成了每個制造企業(yè)都要解決的難題。
除此之外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問題。新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過長，很難從 “以產(chǎn)定銷” 轉(zhuǎn)變?yōu)?“按需生產(chǎn)”。企業(yè)投入大量資源進行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻無法精準評估新產(chǎn)品在現(xiàn)有制造條件下的可生產(chǎn)性。
因為新設(shè)計的產(chǎn)品通常需要新的工藝、工裝、設(shè)備和生產(chǎn)線，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計之初不仔細評估其可制造性，肯定會埋下很大的隱患。
同時，工藝是連接設(shè)計和制造的橋梁，隨著產(chǎn)品越來越復(fù)雜，對制造工藝的要求也越來越高。然而，目前中國制造企業(yè)的工藝設(shè)計和驗證手段相對落后。
生產(chǎn)車間信息不透明，很難實現(xiàn)優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本的目標。無法進行設(shè)備的預(yù)測性維護，工廠產(chǎn)能難以保障。無法實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯，售后服務(wù)水平難以提高。在新工廠規(guī)劃時，如何利用現(xiàn)有技術(shù)打造現(xiàn)代化智能工廠，也讓人有些困惑。
這些問題和傳統(tǒng)車間復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計思路有關(guān)。過去采用線性開發(fā)方式結(jié)合經(jīng)驗進行工程設(shè)計和實體建造，不能充分反映實際問題，缺乏全局考量，對設(shè)計人員經(jīng)驗的依賴性較強，已經(jīng)很難滿足制造企業(yè)對生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的需求了。
搭建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠，是解決上述問題的最好辦法。通過依托產(chǎn)品全周期的真實數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)全過程進行仿真、優(yōu)化和重構(gòu)。
創(chuàng)建虛擬模型來模擬生產(chǎn)過程，這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設(shè)備進行數(shù)字操作。這樣一來，企業(yè)就能快速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，提高效率，提升資產(chǎn)利用率，防止停機，變得更加靈活。
在數(shù)字化工廠建設(shè)中，數(shù)字孿生技術(shù)能夠同時完成 “實物設(shè)備數(shù)字化、運動過程腳本化、系統(tǒng)整線集成化、控制指令下行同步化、現(xiàn)場信息上行并行化”，形成整線的執(zhí)行引擎，實現(xiàn)實物設(shè)備與虛擬模型的虛實互動、指令與信息同步，為車間的快速設(shè)計、規(guī)劃、裝配和測試提供有力支持。
虛擬調(diào)試技術(shù)是數(shù)字化工廠構(gòu)建的核心技術(shù)之一。數(shù)字化工廠建設(shè)的核心需求是對真實的產(chǎn)品制造過程進行嚴謹?shù)奶摂M規(guī)劃、仿真分析和優(yōu)化，并將結(jié)果反饋到相關(guān)系統(tǒng)，驗證其可行性和系統(tǒng)生產(chǎn)能力。
在構(gòu)建數(shù)字化工廠時，如何幫助系統(tǒng)架構(gòu)師進行早期驗證、讓結(jié)構(gòu)工程師了解動態(tài)行為、協(xié)助軟件工程師進行早期驗證，是需要解決的難題。
虛擬調(diào)試技術(shù)作為數(shù)字化工廠建設(shè)的重要功能和未來智能制造領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，有很多優(yōu)點。它可以在計算機上模擬整個生產(chǎn)過程，包括機器人、自動化設(shè)備、PLC、變頻器、電機等單元。
比如，機器人單元模型創(chuàng)建完成后，可在虛擬世界中進行測試和驗證。通過在仿真模型 “預(yù)演” 的基礎(chǔ)上進行分析、評估和驗證，能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中存在的問題和需要改進的地方，并及時進行調(diào)整和優(yōu)化。
它可應(yīng)用于虛擬系統(tǒng)驗證、虛擬樣機、碰撞檢測、計劃優(yōu)化、產(chǎn)線虛擬調(diào)試等場景，減少實體產(chǎn)品系統(tǒng)的更改和返工次數(shù)，有效降低成本、縮短工期、提高效率。
在真正的嵌入式和高級控制軟件驅(qū)動下，機械、裝備或工廠在賽博空間進行完全建模，可再現(xiàn)系統(tǒng)組件的動態(tài)過程和行為。此外，模擬還可考慮外部因素和環(huán)境因素的影響，如人員、產(chǎn)品和交通等，實現(xiàn)硬件和軟件的并行開發(fā)、極早期錯誤檢測和 “零缺陷” 工程質(zhì)量管理。
基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用有很多明顯的優(yōu)勢。對于希望借助數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造實際效益的企業(yè)來說，它是重要的突破口，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用最直觀的可視化呈現(xiàn)方式之一，為打造基于模型的企業(yè)提供了重要支撐。
從產(chǎn)品研發(fā)的角度看，它能把產(chǎn)品的加工和裝配過程以可視化的方式真實地呈現(xiàn)給設(shè)計人員，讓他們在產(chǎn)品正式生產(chǎn)前就能對設(shè)計的可制造性進行調(diào)整，真正實現(xiàn) DFM 和面向維護的設(shè)計，提高產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計水平。
通過近似現(xiàn)實工廠的二維或三維車間布局數(shù)字孿生模型，為物流仿真提供了有利條件，能對工廠生產(chǎn)組織模式進行動態(tài)驗證和調(diào)整，快速評估車間產(chǎn)能狀況，指導(dǎo)企業(yè)合理配置生產(chǎn)資源。
越來越多的中國制造企業(yè)引入了工業(yè)機器人，由于客戶需求和產(chǎn)能需求的變化，生產(chǎn)線和生產(chǎn)節(jié)拍需要不斷調(diào)整?；跀?shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用可確保工業(yè)機器人的控制程序及時調(diào)整并仿真其工作狀態(tài)，保障其合理運動軌跡，使生產(chǎn)線更加柔性化，加快生產(chǎn)組織切換調(diào)整效率。
總體來說，中國制造業(yè)存在 “大而不強” 的問題，制造能力不足是短板，特別是在高精度、高可靠性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、需要高度自動化加工和對產(chǎn)品質(zhì)量要求極高的產(chǎn)品制造方面。
在 “新基建” 的大背景下，基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)仿真應(yīng)用無疑是提升中國制造業(yè)制造能力、質(zhì)量和產(chǎn)品可靠性的好辦法。它在中國制造業(yè)的應(yīng)用前景十分廣闊，值得企業(yè)積極探索和應(yīng)用。
