當前，世界主要國家都在科技發(fā)展的新機遇中大力推動制造業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，在這樣的背景下德國提出了“工業(yè)４.０”概念，美國發(fā)布了先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃，我國也確定了以智能制造為核心建設制造強國的總體戰(zhàn)略，這些戰(zhàn)略計劃都將實現(xiàn)智能制造作為新一輪制造業(yè)發(fā)展的核心。
隨著智能制造的深入推進，目前以“人－網(wǎng)絡－物理”系統(tǒng)為技術(shù)機制，貫穿于產(chǎn)品全生命周期的新一代智能制造正加速發(fā)展著，旨在進一步融合先進制造技術(shù)和智能技術(shù)，降低浪費，減少環(huán)境與資源的約束，并提升制造業(yè)的個性化與智能化水平。新一代智能制造的發(fā)展離不開新技術(shù)和管理體系的融入。
01
數(shù)字孿生與精益管理
１.１數(shù)字孿生
早在美國系列載人登月飛行任務阿波羅計劃中，就有了用“孿生體（Ｔｗｉｎ）”對登月飛船進行遠程模擬仿真和地面輔助決策的應用實例。“數(shù)字孿生”的概念最早出現(xiàn)于２０１１年，在航空航天領(lǐng)域的研究中被應用于飛機結(jié)構(gòu)壽命預測等方面。
２０１６年數(shù)字孿生的理論首次拓展到制造系統(tǒng)的研發(fā)和管理當中，并迅速受到學術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。２０１７年中國科協(xié)智能制造學術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進展之一。數(shù)字孿生的最大技術(shù)優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)物理層和信息層的雙向映射。通過數(shù)據(jù)分析、高保真仿真模型等，數(shù)字孿生可以完成對現(xiàn)實物理系統(tǒng)的設計、監(jiān)控、評估、預測、優(yōu)化和控制，進而達到信息世界和物理世界互聯(lián)互通的效果。
總之，數(shù)字孿生的應用增強了信息數(shù)據(jù)和物理環(huán)境的交互性，降低了物理系統(tǒng)設計運行的成本，減少了故障情況發(fā)生，提高了系統(tǒng)的魯棒性、柔性與敏捷性。近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域顯現(xiàn)出巨大潛力，成為航空航天、汽車制造和機器人制造等行業(yè)所關(guān)注和探索的關(guān)鍵技術(shù)。
１.２精益管理
精益管理（精益生產(chǎn)）最初起源于豐田汽車制造公司，是日本企業(yè)在資源稀缺和市場競爭激烈的背景下所推行的管理模式的代表，其主要內(nèi)容包括準時制（ＪＩＴ）物流系統(tǒng)、看板拉動式生產(chǎn)、全員參與、尊重員工、重視經(jīng)驗積累，以及自動防錯等方面。精益管理的核心是消除一切浪費、創(chuàng)造價值和持續(xù)改進。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，精益管理的應用早已不只限于制造生產(chǎn)領(lǐng)域而是滲透到各個行業(yè)之中，并被視為是能提高商業(yè)實踐效果的成果性理論。實踐證明，精益管理是現(xiàn)代制造業(yè)競爭優(yōu)勢的核心，沒有精益管理打基礎，智能制造也很難實施或做得更好。精益管理在消除浪費和創(chuàng)造價值上能取得卓越成效，可以顯著提高生產(chǎn)力水平并改善行業(yè)現(xiàn)狀。但在精益管理運用過程中也存在一定的局限性，例如難以應對生產(chǎn)波動和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代等問題。
很多企業(yè)在面對精益管理時處于“小動作不解渴，大動作不敢嘗試”的兩難情境，精益管理似乎成為了一種難以落地的“時尚”或“藝術(shù)”。當前市場環(huán)境下，消費者的購買能力相較過去有了很大程度提高，并且對于產(chǎn)品多樣化和個性化的需求不斷增加，這就使得制造企業(yè)必須同時實現(xiàn)定制化和批量化，應運而生的大規(guī)模定制生產(chǎn)使得精益管理面臨新問題，這些問題的解決，亟需新信息技術(shù)的應用。不斷出現(xiàn)的智能制造新技術(shù)為精益管理持續(xù)創(chuàng)新提供了必要支持。
02
精益數(shù)字孿生體的提出
２.１精益管理與數(shù)字孿生的關(guān)系
新一代智能制造的目標與核心在于融合先進制造技術(shù)和智能技術(shù)，這也就意味著實現(xiàn)制造環(huán)境物理層與信息層的共融將成為智能制造實現(xiàn)的關(guān)鍵點，而數(shù)字孿生技術(shù)正可以實現(xiàn)物理層和信息層的相互映射。數(shù)字孿生將物理層運行情況真實再現(xiàn)到信息層，同時信息層通過一系列運算實現(xiàn)對物理層的評估、預測和控制，使得物理系統(tǒng)能以最佳狀態(tài)運行，兩者相互作用形成了“感知—分析—決策—執(zhí)行”的數(shù)字孿生閉環(huán)。
精益管理覆蓋產(chǎn)品整個生命周期，貫穿產(chǎn)品研發(fā)、工廠設計、產(chǎn)品制造、分銷服務和退市回收的全價值鏈，并且致力于通過精益管理實現(xiàn)流程標準化、全面質(zhì)量管理和消除浪費等。在智能制造系統(tǒng)中，精益管理強調(diào)全過程持續(xù)改善，通過采用自働化和準時化等方法，消除各種形式的浪費，不斷提升價值流動效率，而數(shù)字孿生技術(shù)的目的就是要打破物理因素限制，實現(xiàn)對變化的及時響應和實時優(yōu)化。在企業(yè)全價值鏈和產(chǎn)品全生命周期管理中的精益管理和數(shù)字孿生技術(shù)如圖１所示。數(shù)字孿生本身作為一項新信息技術(shù)，目前技術(shù)流程還不穩(wěn)定，相關(guān)標準和關(guān)鍵績效指標也還不盡完善，亟需引入成熟的管理思想和方法工具來幫助其真正發(fā)揮作用。
圖１企業(yè)全價值鏈和產(chǎn)品全生命周期中的精益管理與數(shù)字孿生技術(shù)
精益管理恰好能為數(shù)字孿生提供成熟的管理思想、體系和方法工具。反過來，數(shù)字孿生技術(shù)也能為精益管理提供數(shù)字化手段，促進精益管理升級創(chuàng)新。面向智能制造應用，精益管理與數(shù)字孿生技術(shù)的相互提升作用如圖２所示。
圖２精益管理與數(shù)字孿生技術(shù)的相互提升作用
２.２“精益數(shù)字孿生體”的提出
綜上所述，文中提出“精益數(shù)字孿生體”的概念。精益數(shù)字孿生體是以精益管理思想為指導，精益管理方法工具為基礎條件，利用數(shù)字孿生技術(shù)對運營系統(tǒng)進行仿真、監(jiān)控、評估、預測、優(yōu)化和控制，面向企業(yè)全價值鏈和產(chǎn)品全生命周期流程管理，助力智能制造整體提升的一種數(shù)字孿生技術(shù)應用新范式。精益數(shù)字孿生體在智能制造領(lǐng)域內(nèi)與精益管理、數(shù)字孿生的關(guān)系如圖３所示。
圖３精益數(shù)字孿生體與精益管理、數(shù)字孿生的關(guān)系
數(shù)字孿生是關(guān)鍵技術(shù)支撐，其核心在于建模仿真。數(shù)字孿生首先要將實體系統(tǒng)拆分成若干子系統(tǒng)并進行系統(tǒng)對象屬性和對象間關(guān)系分析，接著要根據(jù)物理對象的功能進行行為邏輯設計建立仿真模型，最后還要進行模型融合并檢查模型的精度和現(xiàn)實滿足情況。精益管理是核心和主線，在這個過程中要利用精益方法工具來劃分建模對象，并從精益管理的內(nèi)容出發(fā)進行模型頂端邏輯設計，使系統(tǒng)按照持續(xù)優(yōu)化、減少浪費、提升價值的管理模式運行，最后要依據(jù)精益管理目標對系統(tǒng)運行效果進行評價。而在數(shù)據(jù)實時感知過程中，也要用精益管理的思想和方法對整個感知數(shù)據(jù)進行管理，使數(shù)據(jù)按需、按量進入系統(tǒng)，減少數(shù)字浪費的發(fā)生。
03
精益數(shù)字孿生體的應用研究
３.１精益數(shù)字孿生體
企業(yè)管理應用框架基于精益數(shù)字孿生體的概念和內(nèi)涵，文中設計了如圖４所示的精益數(shù)字孿生體面向企業(yè)全價值鏈的應用框架。該框架以ＰＤＣＡ閉環(huán)管理為基礎，共包括３個層級和６個組成部分。３個層級分別是：
（１）物理實體層，該層由人員、智能工裝設備和現(xiàn)場活動組成，負責現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能自動采集并開展現(xiàn)場精益管理實施過程；
（２）虛實交互層，該層在整個框架中承上啟下，負責收集處理物理實體層傳輸進的數(shù)據(jù)并上傳給數(shù)字虛擬層，同時接收數(shù)字虛擬層下達的優(yōu)化控制信息并控制物理實體層實施；
（３）數(shù)字虛擬層，該層包括數(shù)字孿生部分和精益管理部分，數(shù)字孿生部分在對物理實體建模仿真的基礎上開展監(jiān)控、評估、預測、優(yōu)化和控制，給出優(yōu)化控制信息并交給下一層執(zhí)行；精益管理部分指導支撐數(shù)字孿生進行建模仿真和決策優(yōu)化，并在企業(yè)研發(fā)、設計、制造、物流、服務全價值鏈上實施精益管理。
圖４精益數(shù)字孿生體面向企業(yè)全價值鏈的應用框架
３.２精益數(shù)字孿生體產(chǎn)品管理應用框架
面向產(chǎn)品從設計到退市的全生命周期階段流程，文中設計了如圖５所示的精益數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全生命周期管理中的應用框架，充分發(fā)揮了數(shù)字孿生技術(shù)和精益管理的集成優(yōu)勢。
圖5精益數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全生命周期管理中的應用框架
產(chǎn)品設計階段在精益設計方法和要求的指導下主導實施，數(shù)字孿生技術(shù)則在這個階段提供完整的產(chǎn)品設計“數(shù)字足跡”，并可通過構(gòu)建產(chǎn)品虛擬設計空間加速產(chǎn)品迭代優(yōu)化，使產(chǎn)品設計周期和成本大大降低。產(chǎn)品制造階段在精益生產(chǎn)體系下開展，并由數(shù)字孿生提供大數(shù)據(jù)實時優(yōu)化決策支持，大大提高生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵績效指標。產(chǎn)品售后服務階段引入精益多功能服務團隊，在數(shù)字孿生技術(shù)的模型服務、數(shù)據(jù)服務、算法服務支持下，可以有效實現(xiàn)客戶的個性化管理與服務業(yè)務的高效運行。在這個應用框架下，數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)了對產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的精益感知映射，也為下一代產(chǎn)品的精益創(chuàng)新和企業(yè)精益能力提升奠定了堅實基礎。
04
結(jié)論與展望
智能制造成功的關(guān)鍵之一在于實現(xiàn)物理層和信息層的融合，因此探索數(shù)字孿生技術(shù)的應用模式是重要且必要的。文中通過研究精益管理、數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域內(nèi)的相互作用關(guān)系，論證提出了“精益數(shù)字孿生體”的新概念，在理論上闡明了在智能制造背景下將數(shù)字孿生技術(shù)與精益管理進行融合是可行且有利的。精益數(shù)字孿生體的提出給數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造全價值鏈中的應用指出了一個新方向，相信在未來該范式會在實踐中得到豐富和發(fā)展，成為助力我國制造強國戰(zhàn)略實現(xiàn)的新力量。
原文刊載于《機械工程》2022年1月作者：劉亮姚春琦李曉梅
轉(zhuǎn)載自數(shù)字孿生實驗室公眾號
