制造业的数字孪生之路

导读：本文由三位业界大咖围绕制造业的数字孪生之路展开探讨。数字孪生来到了一个新的时间节点，这是基于传感器、智能装备、工业软件、工业互联网、IoT、云计算和边缘计算的成熟和更广泛的商业实践积累。展望未来，数字孪生在未来5到10年将会持续加速和更广泛地普及。

数字化领域任何新概念的涌现、传播都是一个大浪淘沙的过程。今天对数字孪生的理解需要更长的历史尺度。回顾过去20-30年制造业数字化的进程，数字技术带来的最重要的变革之一是，制造体系的信息通过什么载体、以何种方式在产品全生命周期的传递、共享，产品信息传递经历了从纸张、2D、3D到基于MBE，几十年来人们一砖一瓦地不断构筑一个数字世界，从部件到整机，从产品到产线，从生产到服务，从静态到动态，这一进程的加速也是基于传感、物联、通信、计算等新技术扩散和商业模式的验证。今天，数字孪生来到了一个新的时间节点，这是基于传感器、智能装备、工业软件、工业互联网、IoT、云计算和边缘计算的成熟和更广泛的商业实践积累。展望未来，数字孪生在未来5到10年将会持续加速和更广泛地普及。

制造业数字孪生的前世今生

从二维到全三维数字化设计

人类工业发展史就是实物制造的历史。爱迪生试错法是根据设计蓝图和生产工艺造出实物产品，反复实验、测试，来满足产品的功能和性能的要求。计算机和软件的出现改变了这一切。1980年，达索系统三维交互设计软件CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)之父弗朗西斯·伯纳德（Francis Bernard）开创了曲面设计简单实体设计，造型功能强大，通过操作光笔在计算机屏幕上用三维曲面和简单的实体表现形式，远远超过过去的表达形式，奠定了世界工业设计从二维到三维建模的转变。

随后，达索飞机公司使用简单的三维建模技术生产了飞机零件部件组件。1986-1990年间波音公司使用三维建模技术进行飞机装配验证，并形成大量初步规范来指导三维设计的使用。随着计算机性能的提高、集成电路的小型化、计算速度的提高， UNIX工作站出现，三维设计成本大幅降低。

1990年世界第一台数字样机波音777研制启动，波音777的结构件300多万个、标准件1500多万个，采用了全三维数字化设计技术和预装备技术，3000台三维设计工作站做零件设计，200台做装配设计，取代了过去新飞机设计需要成千上万人手工画图工作。全三维数字化设计，波音777飞机研制周期缩短了40%，减少返工量50%。低价生产出来的777的质量却比已经生产400架的波音747质量还好，成为历史上最赚钱的飞机。

新飞豹，中国第一架全机数字样机

1999年“新飞豹”飞机要求在两年半时间上天，研制周期只有常规进度的一半，传统的设计手段满足不了要求，最后决定采用全机三维数字化设计、数字化装配，做出中国的全数字化设计的飞机。从组织到技术的突破，使得新飞豹两年半的设计周期缩短为一年，新飞豹总计54000多个结构件，43万个标准件，工程更改单由常规的六七千张减少至1082张，最终，新飞豹两年半的时间飞上了天。飞豹比波音晚了八年，但是飞豹的数字样机相当于波音777的水平。新飞豹是中国第一架全机数字样机，也是中国数字化的开始。

数字孪生，猎鹰九号成功回收火箭关键

搭载两名宇航员的SpaceX猎鹰九号（Falcon 9）运载火箭成功升空，并在海上回收一级火箭。SpaceX快速崛起的背后，也必须从数字样机说起。三维模型最重要的是机械结构，包括静力、动力、强度、疲劳等性能，以前这些性能是要靠实验来检测的，现在利用三维数字化模型进行虚拟实验。猎鹰九号成功的核心就是用三维数字化建模的方法注入材料数据，然后通过大量的仿真分析软件，用计算、仿真、分析或者叫虚拟实验的方法来指导、简化、减少甚至取消物理实验，这就是智能制造的高层次的问题。

数字孪生技术的演变

技术的发展是一个演进与迭代的过程。从达索的角度来看，工业设计经历了80年代初所见即所得，90年代物理等多学科综合，90年代产品全生命周期数字化，2012年达索系统推出三维体验平台(3DExperiencePlatform)。除对产品本身进行建模，还对产品的外部环境和内部原材料构成进行数字化。三维体验平台是一个实时在线、随时在线的版本，也是一个完整的协同版本。多专业专家在单一数据源、统一平台上协同工作。任何一个人做了任何动作，有权限的人都可以看到，并行评估、检查和协同，大幅提高了研发和生产效率。随着数字化技术的发展应用，创新形态发生了巨大变化，与客户共创、协同演变正在成为新的趋势。今天，无论是在飞机、汽车领域，还是其他消费品等领域，工业软件都是软件公司和用户之间协同创新的过程。从这个意义来讲，软件是用出来的。

全三维建筑设计，创造敦煌奇迹

敦煌文博会建筑群从设计、建造到装修、维护，整个方式跟传统的建筑有很大的区别，采用数字化的设计方式、数字化的金属结构远程建造方式，用了8个月时间建造完成，这是我国第一个全维的数字建筑。短时间内在沙漠上平地起这么多的建筑，是有很大难度的，其中敦煌大剧院的设计要求是最高的，各种乐器要保证声响、音响、灯光，难度非常大。整个设计建筑过程采用了并行工程，设计和施工并行，边挖地基，边三维数字化设计，通过异地传输到酒泉钢铁厂生产钢结构三维设计模型。敦煌大剧院则是在计算机里对声音做了仿真模型，在模型上做大量的声学的分析、计算、仿真。敦煌文博会的建筑奇迹的核心，就是数字化的设计制造技术，异地设计制造。项目的参与方都是按照三维数字化设计的模型来精准加工，精准装配到现场的现场制造。

从thing到life，数字孪生向生命科学演进

今年年初达索系统提出了数字化革命从原来物质世界中没有生命的thing扩展到有生命的life。数字孪生作为一种技术，应用从原子、器件扩展到细胞、心脏、人体，未来整个地球和宇宙都可以在虚拟赛博空间重建数字孪生世界。数字孪生从过去飞机、汽车、船舶这样的高端复杂的制造业，制造这些产品的工业装备行业，发展到高科技电子行业的电子产品，日常生活消费行业的时装鞋帽、化妆品、家居家具、食品饮料消费产品。在基础设施行业中，数字孪生的应用也日益增加，包括铁路、公路、核电站、水电站、火电站、城市建筑乃至整个城市，以及矿山开采。

生命科学行业，将是数字孪生应用最重要的行业，包括数字化的人体、数字化的医疗设备、药物的研发、药物的临床测试等。从造物来讲，人体比机械要复杂得太多了。人体有37万亿个细胞，每一个细胞生命周期里又有4200万的蛋白质。人体数字化，是基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究，并将这些知识全部注入人体的数字孪生体中。人体数字化模型的好处，在于降低各种手术风险，提高成功率，改进药物研发，提高药物的效用。仿真在未来一定会是极致的个人化的世界。

数字孪生与工业互联网不断融合

数字孪生与人工智能深度结合，带来设计革命

数字孪生正在与人工智能深度结合，带来一场设计革命。数字孪生的技术手段，一是“所见即所得”，设计师设计产品用鼠标键盘在屏幕上画出所见。二是“所画即所得”，戴上VR眼镜和数据手套，用手比划就可以代替过去用手画图。三是“所想即所得”，这将是未来数字孪生的技术手段。“聪明帽”通过电极可以读取我们大脑里的想法，通过读取产品的设计就可以在电脑上直接呈现。获得产品最佳设计方案的实现方式，依赖于人工智能的技术，进行人机交互的创成式设计（Generative Design）。

在过去几年时间里，达索系统和空中客车、波音公司，以及汽车行业的捷豹，路虎等做了大量尝试，已经实现借助于人工智能的手段对零件进行创成式设计。只要规定一个空间，这个空间里面零件要起到什么样的功能，可以用人工智能的方式去做剪裁设计，最终形成能够满足我们性能要求的合适的零件。最近两三年开始尝试用人工智能的方式设计部件，再下一步就是用人工智能的方式把整车设计出来，这需要我们用AI 学习以前所有的车的所有的知识，把这些知识都数字化，建立所有这些汽车产品的数字孪生之后，就可以做到利用人工智能的技术、机器学习的方法去掌握这些知识，然后自动生成一个完整的汽车出来。其他的产品也是一样的道理。这可能在未来的五年之内或者更长一点的时间内达到。

管理创新：并行工程理念从工业过程引申到管理运营

敦煌文博会建筑项目从头到尾、从设计到建造全三维，开创了中国建筑的先河，无论是对建筑业还是制造业的数字化转型都有启示。敦煌奇迹在这么短的时间内完成，在于方法创新、工具创新、组织创新、管理创新。使用新技术手段，打通全链条、全生命周期的数据管理应用，从局部优化到全局，创造更大价值，这也是数字化本质，如果仅仅在局部创造价值，是有限的。在组织管理模式，敦煌成立并行工作组，从设计、建造并行，到运行、维护、服务、使用并行，工程预算、招投标、合同签订、审计并行。整个项目的管理把并行工程的理念从工业过程引申到管理营运，这是极大的管理创新。

数字孪生提升体验感，体验是一切的开始

数字孪生承载着人类积累的产品知识、文明知识，各个行业的产品莫不如此。达索系统强调体验是一切的开始，利用数字孪生提升体验感，从高大上的航空航天、汽车工业的复杂产品，扩展到普通的制造业、建筑行业，再到微观的生命科学领域。所有的产品，最重要的是要给人带来最好的体验。人生其实就是一个完整的体验。每一个产品的使用都是一个体验，各个行业都是需要用数字孪生方式做各种各样的仿真、优化，让我们的体验更好，生活更美好。事实上，当你发现一个产品的体验不好时，或者说我们生活的体验不好的时候，你是发现一个非常好的商机，只要把这个体验改造好了，那么你的竞争力就会提高。数字孪生是提升体验的工具和方法。

正确理解数字化孪生对应关系

数字孪生要正确理解、正确应用。数字孪生，不是简单的一虚一实的对应关系。数字孪生的对应关系有零对零、一对零、零对一、一对一、一对多、多对一、多对多。过去传统的物理主线（Physical thread）的研制方式是根据蓝图来造产品，维护维修也是纸制的技术手册，靠人和零件来维护。现在数字化主线（Digital thread）的研制方式，则是用现代设计方法，用大量软件进行设计仿真。如果把整个研制过程细化，30吨的飞机研制的数字化孪生就有几百万个对应关系。一个复杂产品对应的数字化孪生，成千上万，不但有上下关联关系，还有前后关联关系。越复杂的产品，关联关系也越复杂。数字孪生对工业和制造业有重大的意义，可以指导我们在产品研制、工艺、生产制造、交付、运行维护和回收过程中的整个全生命周期的能力提升。

三维体验平台：设计、模型、制造融合

2012年达索系统推出三维体验平台，把产品整个全生命周期里涉及的所有的模型都放在一个平台里，将设计、模型、制造融合在一起。事实上，很多行业在三维体验平台里已经实现设计、模型、制造的融合，一个数字孪生就可以解决设计的问题、几何的问题、多物理场的问题、多学科的问题，以及制造的问题，工艺的问题。这意味着只要是相同的数据，就不用出现不同的版本。以前设计用设计的版本，制造用制造的版本，仿真用仿真的版本，每一次数据的传递都可能会带来数据的损失，集成版本的管理也会有很多的问题。有了三维体验平台，我们在一个数字孪生里就能解决从研发设计到仿真再到制造，都指向单一的数据源，而不产生冗余数据，这是三维体验平台的核心理念。

数字孪生与消费新品开发

产品如何提高体验水平，能够精准锁定和表达客户的需求，对服装食品等日常产品尤为重要。2018年和2019年，天猫新品占比已经到整个销量的31%-36%，尤其是美妆、食品、服装新品的比重越来越高，新品销量增速平均是销售增速的两倍多，是非新品增速的3倍。仅2018年新品增速就是77%。过去3年左右的时间，无论是3C，还是美妆、个护，开发周期也都在大幅度压缩，就和飞机这样的复杂产品研制周期被压缩一样。这背后重要的原理就是企业要精准地锁定用户和表达用户需求，然后按照用户需求创新出一个新的产品，不是把它在物理世界实际生产出来，而是把这个生产流程在平台上去做模拟，让大家去点击测试，然后再生产出来，精准去派样给消费者体验，这样，过去这些产品需要两三年的研发周期就被压缩到了一年甚至半年的时间，大幅提高效率，同时也可以精准测算这些产品的销量。事实上，这是一种新的商业模式：在数字世界中对企业的生产流程进行模拟、优化，降低成本，提高效率。

制造业数字化的美好未来

数字孪生，通向零成本试错之路

数字孪生技术和工业互联网不断融合，推动制造业快步走在数字化转型发展的大道上。数字孪生技术只有和行业结合在一起，才具有真正的生命。制造业追求不断逼进零库存。数字孪生最大的价值，就是使制造业走上零成本试错之路。我们大量的工艺、产品、开发都是不断试错、不断调试的过程，数字孪生给整个制造体系提供了一种新的方法论，从而降低创新的成本，提高创新的效率。这个方法论使我们的制造业企业走在了零成本试错大道上。

数字孪生制造美好未来

经过过去20-30年的发展，不同的技术不断集成，包括软件技术、计算机本身，以及大量的实验数据本身的积累，使得仿真的技术更加成熟，成本在降低，效率在提高，应用也更加广泛。在工业体系中，除了制造的复杂产品，日常产品也在使用数字孪生的技术和方法，这种技术方法正在各个行业普及，但是总体上来看还处在起步的阶段。因为这个技术真正要做到跟物理世界的产品能够一一对应，实时映射，快速优化迭代，可能还需要走很长的时间。

数字孪生带来了工具革命、决策革命、组织革命。工具中看得见的“硬装备”，各种各样的复杂的有型的硬装备、机器人、数控机床、AGV小车、切片机的智能化水平越来越高，帮助我们不断提高产品生产的精度，然后降低成本，提高效率。工具革命的“软装备”，各种各样的软件是我们看不见的工具。这种软装备跟硬装备的结合，给人类社会改造自然创造了新的方法论，从一百多年前爱迪生的实验验证，演进到今天的模拟择优，这仅仅是一个开始，未来的5-10年，数字孪生的技术应用会更加的广泛和普及。

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