导读：无论身处工业2.0还是3.0阶段，许多企业在怀揣智能工厂梦想的同时，却往往尚未形成清晰的思路及举措。随着“工业4.0”的热潮从德国涌向全球及“中国制造2025”的实施，越来越多的制造企业正决意将未来制造的愿景变为现实，以期在数字化引领的工业变革中尽早谋篇布局，但越来越多的企业在智能制造之路上却不知道从哪里开始，如何正确的实现数字化工厂。天拓四方作为智能制造整体解决方案专家，深耕制造业15载积累了丰富的实战经验，通过智能制造之路系列文章指导制造企业实现智能制造之路。本篇文章在上一篇《解读数字化工厂顶层设计与规划》基础上重点解读数字化双胞胎的由来与技术内涵，并就产品数字化双胞胎、工艺数字化双胞胎、工厂与设备数字化双胞胎技术进行分析，为制造企业数字化工厂顶层架构落地实现提供参考和指导。
一、数字化双胞胎的由来
目前世界范围内工业正面临严峻挑战，许多中国制造企业都面临着相似的问题：当低廉的劳动力成本不能再作为“中国制造”在全球市场上的优势标签,制造企业对于变革的需求更为迫切。为了在激烈的全球竞争中保持优势，制造企业要最大化利用资源，将生产变得更加高效；为适应不断变化的客户需求，制造企业必须尽可能地缩短产品上市时间，对市场的响应更加快速；为满足市场多元化的需求，制造企业还要快速实现各环节的灵活变动，将生产变得更加柔性。
作为支撑世界经济发展的重要支柱，制造业与互联网的无缝融合也将促使制造企业的生产力和生产水平得到进一步提升，这是制造业革命的关键所在，与此同时，引入互联网及数字化技术，对“中国制造2025”、工业4.0的重大战略执行也有更多助力。作为“工业4.0”最初的发起者和重要的构建者，西门子率先在市场上提出“数字化双胞胎”模型概念，即基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业——西门子形象地称之为“数字化双胞胎”（Digital Twins），包括“产品数字化双胞胎”、“生产工艺流程数字化双胞胎”和“设备数字化双胞胎”，三个层面又高度集成为一个统一的数据模型，并通过数字化助力企业整合横向和纵向价值链，为工业生态系统重塑和实现“工业4.0”构筑了一条自下而上的切实之路。
图为：虚拟世界和物理世界的虚拟互联
对于大多数人来讲，我们总是对“双胞胎”有各种各样的主观印象：他们长得完全一样、他们性格完全一样、他们其中的一个如果情绪波动，另一个可以立即感知......没错，数字化双胞胎这个概念的提出就是基于普通人这样的想象。请看业内顶级专家如何看待“数字化双胞”概念：
西门子股份公司数字化工厂集团首席执行官Jan Mrosik博士在2016年西门子工业论坛（IFS）上着重介绍到：全产品生命周期内的“数字化双胞胎”能够完整真实再现整个企业，从而帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，而在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终打造高效的柔性生产，实现快速创新上市，锻造企业持久竞争力。
同济大学陈明教授在2016年西门子工业论坛（IFS）上指出：数字化双胞胎模型指的是以数字化方式在虚拟空间呈现物理对象，即以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟其在现实环境中的行为特征。数字化双胞胎模型具有模块化、自治性和连接性的特点，可以从测试、开发、工艺及运维等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内生产、管理、连接的高度数字化及模块化。
西门子数字化工厂集团工业软件全球资深副总裁兼大中华区董事总经理梁乃明先生认为：制造业变革归根结底要回归到基础，即保证速度、灵活性、效率、质量和安全，而实现这一切的关键驱动力是通过“数字化双胞胎”实现虚拟世界与物理世界的融合，西门子的“数字化双胞胎”则是从产品设计到产线设计，到OEM的机械设计，到工厂的规划排产，到最后制造执行，到最后的产品大数据，对产品、工厂、工厂云，还有产品云的监控，“我们是整个实现了让数字化在企业真正实现出来的全方位的解决方案。”
二、数字化双胞胎技术内涵
数字化双胞技术是智能工厂的虚实互联技术，从构想、设计、测试、仿真、生产线、厂房规划等环节，可以虚拟和判断出生产或规划中所有的工艺流程，以及可能出现的矛盾、缺陷、不匹配，所有情况都可以用这种方式进行事先的仿真，缩短大量方案设计及安装调试时间，加快交付周期。数字化双胞胎技术将带有三维数字模型的信息可以被拓展到整个生命周期中去的影像技术，最终实现虚拟与物理数据同步和一致，而不是要让虚拟世界做现在我们已经做到的事情，而是要发现潜在问题、激发创新思维、不断追求优化进步，这才是数字化双胞胎的目标所在。
笔者认为数字化双胞胎技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的关键技术，通过将掌握产品信息及其生命周期过程的数字思路将所有阶段（产品创意、设计、制造规划、生产和使用）衔接起来，并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。如下图所说，数字化双胞胎技术将带有三维数字模型的信息可以被拓展到整个生命周期中去的影像技术，最终实现虚拟与物理数据同步和一致。
图为：融合虚拟世界和物理世界的融合
三、MBE数字化双胞胎的基础
基于模型定义（Model based Definition，简称MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造企业实现数字化工厂的基础。为了更好地使MBD数据在产品的整个生命周期内能够有效充分地进行利用，部分制造企业已从MBD到MBE（Model based Enterprise：基于模型的企业）方法，就是要基于MBD在整个企业和供应链范围内建立一个集成和协同化的环境，各业务环节充分利用已有的MBD单一数据源开展工作，从而有效地缩短整个产品研制周期，改善生产现场工作环境，提高产品质量和生产效率。
波音公司在以波音787为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，将三维产品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，摒弃二维图样，直接使用三维标注模型作为制造依据，使工程技术人员从百年来的二维文化中解放出来，实现了产品设计（含工艺设计）、工装设计、零件加工、部件装配、零部件检测检验的高度集成与协同，并建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，确保了波音787客机的研制周期和质量。
MBE主要由基于模型的工程（MBe）、基于模型的数字化制造（MBM）、基于模型的维护（MBS）三大部分组成，制造企业通过MBE将建立起制造企业MBE的应用使得制造企业将其在产品全生命周期中所需要的数据、信息和知识进行整理，结合信息系统，建立便于系统集成和应用的产品模型和过程模型，通过模型进行多学科、跨部门、跨企业的产品协同设计、制造和管理，通过数字化技术与自动化技术的融合，使制造企业在迈向MBE企业的同时，可逐步走向真正的数字化企业（工厂），通过MBE能力与数字化工厂能力的融合，更大程度降低产品研发成本、缩短新产品上市时间。
图为：MBE解决方案架构
四、性能数字双胞胎-实现预测性工程分析
复杂产品的工程设计非常困难，产品团队必须将电子装置和控件集成入机械系统，使用新的材料和制造流程，满足更严格法规，同时必须在更短期限内、在预算约束下交付创新产品。传统的验证方法不再足够有效。现代开发流程必须变得具有预测性，使用实际产品的“Digital Twin”驱动设计并使其随着产品进化保持同步，此外还要求具有可支撑的智能报告和数据分析功能的仿真和测试技术。
为了应对复杂挑战，产品工程设计团队需要一个统一且共享的平台来处理所有仿真学科，而且该平台应具备易于使用的先进分析工具，可提供效率更高的工作流程，并能够生成一致结果。性能数字化双胞胎能帮助用户比以前更快地驱动产品设计，以获得更佳、成本更低且更可靠的产品，并能更早在整个产品生命周期内根据所有关键属性精确预测性能。
图为：性能数字化双胞胎推动预测性工程分析流程
五、工艺数字化双胞胎——数字化工厂互联互通的桥梁
数字化工艺与验证能够以虚拟方式设计和评估装配工艺方案，以迅速制定用于制造产品的最佳计划。可以同步产品和制造需求，管理更加全面的流程驱动型设计（装配设计）。通过使用工具提供对装配顺序、资源和活动持续时间的清晰可见性，制定更明智的制造决策。
此外，数字化工厂采用自动化生产的设备设施尽可能地取代人工，客观上会降低生产线的柔性，要求生产各个工序之间尽可能地做到线平衡，同时为保证生产过程的流畅，对车间内物流和配送的能力和及时性也提出了更高的要求。如果不能在工厂规划阶段对工厂和生产线的生产计划、资源利用、设备产能和效率、物流供需等进行有效控制和优化，企业的生产利润将逐渐流失。生产与物流仿真可以对各种规模的生产系统和物流系统，包括生产线进行建模、仿真；可以对各种生产系统，包括工艺路径，生产计划和管理，进行优化和分析。可以优化生产布局、资源利用率、产能和效率、物流和供需链，考虑不同大小的订单与混合产品的生产。
图为：数字的工艺与物理的作业相结合
六、生产数字化双胞胎——数字的生产与物理制造的制造融合
制造企业的业务越来越多地受到互联网的影响，最终用户也越来越倾向于直接告诉制造商他们想要什么以及交货时间，制造商必须迅速做出反应，提高生产的灵活性，以适应个性化大批量生产的需要，另外还要提高效率，降低能源与资源的消耗。同时，制造企业越来越关注产品制造过程中生产数据的采集与跟踪、质量控制、生产监控以及物料管理、制造车间现场网络化监控和管理、订单全生命周期管理和智能化决策支持等关键技术。
生产数字化双胞胎为生产运营和质量管理提供了端到端的透明化，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计及生产和企业管理领域的决策者紧密连接在一起。借助生产过程的全程透明化，决策者可以很容易地发现产品设计与相关制造工艺中需要改进的地方，并进行相应的运营调整，从而使得生产更顺畅，效率更高。
图为：数字的生产与物理的制造相融合
七、虚拟调试数字化双胞胎-虚实结合应用
数字化工厂柔性自动化生产线建设投资大，周期长，自动化控制逻辑复杂，现场调试工作量大。按照生产线建设的规律，发现问题越早，整改成本越低，因此有必要在生产线正式生产、安装、调试之前在虚拟的环境中对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC的逻辑控制等问题，在综合加工设备、物流设备、智能工装、控制系统等各种因素中全面评估生产线的可行性。生产周期长、更改成本高的机械结构部分采用虚拟环境中进行展示和模拟，易于构建和修改的控制部分采用由PLC搭建的物理控制系统实现，由实物PLC控制系统生成控制信号，虚拟环境中的机械结构作为受控对象，模拟整个生产线的动作过程，从而发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机建造前予以解决。
虚拟调试数字化双胞胎涉及的应用范围和应用领域包括：
-
产品研发－－机电一体化产品：验证产品功能，是否存在问题，机电匹配；
-
生产线/生产工位－－设备运动机构、机器人等：干涉检查，动作逻辑，机电匹配，机器人时间信号；
-
工厂/自动化：生产线的逻辑控制、输送系统的仿真、自动化物流系统的仿真。
图为：机电一体化虚拟调试
八、工厂数字化双胞胎-虚拟世界与物理世界无缝映射
工厂数字化双胞胎中的虚拟信息平台能提供一种基于互联网云技术的Web应用程序，它能虚拟出真实的生产环境，在线浏览整个生产设施情况的3D浏览及提供3D情境下数字化制造和生产信息。并能以三维的形式表示生产设施及周边地理环境，可采集汇总查看各种信息，带来身入其境的体验。以一种简单熟悉的方式在生产设施中进行导航，生产管理人员可以通过工厂虚拟形象平台进行远程监控工厂，使管理人员随时随地及时获取生产、质量、订单等各种信息，提高管理响应速度和透明度，促进各部门间的知识共享和协作。
此外，工厂数字化双胞胎还涉及到数字化服务，通过数字化服务提高设备利用率、提高设备维保质量、优化能源效率、提高信息服务的速度和质量，从数据中发现潜在价值，实现数据到服务并将数字化工厂中的大数据变成有意义的信息,使智能决策成为可能。
图为：基于云平台的数字化服务
总结：笔者在前一篇数字化工厂顶层设计：解读数字化工厂顶层设计与规划（可点击名字观看）中指出“数字化工厂建设要有总体规划，数字化工厂建设是系统工程，不能走一步看一步，要在顶层构架上下足功夫”，而数字化双胞胎是制造企业进行数字化工厂规划的数字孪生系统，涵盖制造企业整个价值链的整合及数字化转型，为从产品设计、生产规划、工程组态、生产制造直至服务五大环节打造统一的、无缝的数据平台，形成基于数字模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。制造企业在落实数字化双胞胎技术中会涉及到产品生命周期管理（PLM）、制造运营生命周期管理（MOM）及全集成自动化（TIA）等解决方案，敬请关注作者后续文章。