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新冠肺炎疫情的爆發(fā)與蔓延，讓制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求和市場(chǎng)被激活。無(wú)論是“在線(xiàn)辦公”還是“企業(yè)上云”，都體現(xiàn)出企業(yè)對(duì)數(shù)字化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求。

在新冠肺炎疫情沖擊、國(guó)內(nèi)外需求受到雙重?cái)D壓、我國(guó)經(jīng)濟(jì)下行壓力增加的背景下，3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)會(huì)議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度。“新基建”成為了當(dāng)前熱議的話(huà)題。

新基建主要聚焦于5G、人工智能、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高鐵和軌道交通以及新能源充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。毫無(wú)疑問(wèn)，在國(guó)際疫情爆發(fā)、我國(guó)抗疫初顯成效之際，“新基建”的部署與開(kāi)發(fā)對(duì)于推動(dòng)我國(guó)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換進(jìn)程、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)、加速數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展等有著積極的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。

區(qū)別于傳統(tǒng)基建側(cè)重的以發(fā)展交通運(yùn)輸、水利設(shè)施等為例的實(shí)體規(guī)模及固定資產(chǎn)等概念，“新基建” 的內(nèi)涵更加豐富，涵蓋范圍更廣，更能體現(xiàn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)特征，它更強(qiáng)調(diào)的是創(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(zhǎng)安筱鵬博士在最近的演講中表示，未來(lái)十年是新型基礎(chǔ)設(shè)施的安裝期，全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)最重要的主題之一是數(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)字基建是通向數(shù)字孿生世界的“鐵公基”。數(shù)字技術(shù)在與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施融合創(chuàng)新中，伴隨著新需求的不斷迭代，正在形成新的技術(shù)架構(gòu)體系，建立一個(gè)數(shù)字孿生的世界。

在新基建中提到的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也與數(shù)字孿生技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，德國(guó)工業(yè)4.0架構(gòu)中也將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)。數(shù)字孿生的核心在于實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，物理模型和數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)雙向映射。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是對(duì)設(shè)備的進(jìn)行廣泛連接，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯集，繼而利用算法模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，從而獲得對(duì)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的認(rèn)知，最后通過(guò)工業(yè)應(yīng)用結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯，把分析得到的結(jié)論轉(zhuǎn)為最佳的決策并賦予其可執(zhí)行的行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的整體優(yōu)化。可以說(shuō)，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的應(yīng)用場(chǎng)景，二者相互依存，互不分割。

除工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以外，數(shù)字孿生技術(shù)在新基建涉及的很多領(lǐng)域中都起到了非常重要的作用，因此企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，尋找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。

數(shù)字孿生，通向“零”成本的新產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證和生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化之路

生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前個(gè)性化、多元化的市場(chǎng)消費(fèi)需求成為主流，制造業(yè)正面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，面臨著巨大的時(shí)間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等方面的壓力。企業(yè)難以適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術(shù)手段迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，是每個(gè)制造企業(yè)需要面對(duì)的問(wèn)題；

除此以外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問(wèn)題需要解決，例如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷(xiāo)”到“按需生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變；企業(yè)投入大量的人力物力財(cái)力進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估新產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)有的制造條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)樾略O(shè)計(jì)的產(chǎn)品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設(shè)備、新的生產(chǎn)線(xiàn)，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)之初不仔細(xì)評(píng)估新產(chǎn)品的可制造性，則必然帶來(lái)巨大的隱患。

另外，工藝是連接設(shè)計(jì)和制造的橋梁。在產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜的情況下，對(duì)制造工藝的要求也越來(lái)越高。但目前中國(guó)制造企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證的手段相對(duì)落后。同時(shí)，生產(chǎn)車(chē)間信息不透明，難以達(dá)成優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本的目標(biāo)；無(wú)法做到設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)，工廠(chǎng)產(chǎn)能難以保證；無(wú)法實(shí)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(chǎng)規(guī)劃時(shí)，如何利用現(xiàn)有的技術(shù)手段，打造現(xiàn)代化智能工廠(chǎng)，還存在一定的困惑。

這些問(wèn)題也與傳統(tǒng)車(chē)間復(fù)雜制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路相關(guān)，過(guò)去基本都為線(xiàn)性開(kāi)發(fā)的方式，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，再進(jìn)行實(shí)體建造，這種方式無(wú)法充分反應(yīng)實(shí)際問(wèn)題，缺乏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全局考慮，存在對(duì)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性強(qiáng)等問(wèn)題，已經(jīng)難以滿(mǎn)足制造企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化的需求。

而搭建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠(chǎng)是解決這些問(wèn)題的最佳途徑，通過(guò)依托產(chǎn)品整個(gè)周期的真實(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化及重構(gòu)。通過(guò)創(chuàng)建虛擬模型來(lái)模擬生產(chǎn)過(guò)程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠(chǎng)車(chē)間里所有連接的機(jī)器、工具和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字操作。這就可以使企業(yè)能夠快速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，以最大限度地提高效率，提高資產(chǎn)利用率，防止停機(jī)，具備一定的靈活性。

因此，企業(yè)在數(shù)字化工廠(chǎng)建設(shè)中，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)能夠并行完成“實(shí)物設(shè)備數(shù)字化、運(yùn)動(dòng)過(guò)程腳本化、系統(tǒng)整線(xiàn)集成化、控制指令下行同步化、現(xiàn)場(chǎng)信息上行并行化”，形成整線(xiàn)的執(zhí)行引擎，實(shí)物設(shè)備與所對(duì)應(yīng)的虛擬模型進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)、指令與信息同步，形成一個(gè)支持實(shí)物設(shè)備連線(xiàn)的車(chē)間快速設(shè)計(jì)、規(guī)劃、裝配與測(cè)試平臺(tái)。

數(shù)字化工廠(chǎng)建設(shè)的核心需求是對(duì)真實(shí)的產(chǎn)品制造過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)虛擬規(guī)劃和仿真分析優(yōu)化，分析過(guò)程在數(shù)字化環(huán)境中進(jìn)行，并在分析后將仿真和優(yōu)化結(jié)果反饋到相關(guān)系統(tǒng)，用來(lái)驗(yàn)證其可行性和系統(tǒng)生產(chǎn)能力。那么在構(gòu)建數(shù)字化工廠(chǎng)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)這一目的來(lái)幫助系統(tǒng)架構(gòu)師進(jìn)行早期驗(yàn)證？如何使得結(jié)構(gòu)工程師了解動(dòng)態(tài)行為？如何幫助軟件工程師進(jìn)行早期驗(yàn)證？面對(duì)這些難題，構(gòu)建數(shù)字化工廠(chǎng)過(guò)程中需要用到一項(xiàng)叫做虛擬調(diào)試的關(guān)鍵的技術(shù)。

虛擬調(diào)試技術(shù)作為數(shù)字化工廠(chǎng)建設(shè)的一個(gè)功能，作為未來(lái)智能制造領(lǐng)域的技術(shù)趨勢(shì)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，包括機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備、PLC、變頻器、電機(jī)等單元，例如，機(jī)器人單元模型創(chuàng)建完成就可以在虛擬世界中進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

虛擬調(diào)試技術(shù)可以在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行分析、評(píng)估、驗(yàn)證，迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題和有待改進(jìn)之處，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，減少實(shí)體產(chǎn)品系統(tǒng)的更改與返工次數(shù)，從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。

Prespective是基于實(shí)時(shí)3D內(nèi)容開(kāi)發(fā)平臺(tái)Unity的一款數(shù)字孿生軟件平臺(tái)，通過(guò)導(dǎo)入工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件在賽博空間生成數(shù)字雙胞胎，應(yīng)用于虛擬系統(tǒng)驗(yàn)證、虛擬樣機(jī)、碰撞檢測(cè)、計(jì)劃優(yōu)化、產(chǎn)線(xiàn)虛擬調(diào)試等場(chǎng)景。

在真正的嵌入式和高級(jí)控制軟件的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)械、裝備或工廠(chǎng)在賽博空間進(jìn)行了完全建模，可再現(xiàn)系統(tǒng)組件的動(dòng)態(tài)過(guò)程和行為。此外，模擬中還可以包括外部因素和環(huán)境因素的影響，例如人員，產(chǎn)品甚至交通，這樣就可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的并行開(kāi)發(fā)，極早期錯(cuò)誤檢測(cè)，和“零缺陷”工程質(zhì)量管理。

Prespective集成了工業(yè)軟件和數(shù)據(jù)接口、第三方模擬軟件接口、工業(yè)模型組件庫(kù)、仿真測(cè)試工具，支持各種工業(yè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸以及XR等高級(jí)仿真技術(shù)。

虛擬樣機(jī)

工程技術(shù)人員通過(guò)在Prespective中上傳新產(chǎn)品CAD模型、定義產(chǎn)品行為、連接到邏輯化的可編程邏輯控制器（PLC）以及控制軟件進(jìn)行虛擬測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試，及時(shí)找出問(wèn)題、反饋和修改。Prespective能夠縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間，大幅減少總擁有成本（TCO）。

計(jì)劃優(yōu)化

Prespective提供了一個(gè)虛擬的世界，可以知道所有事物并可對(duì)其進(jìn)行跟蹤；可以虛擬地進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化，驗(yàn)證物理車(chē)間的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整后的可行性；向系統(tǒng)中添加虛擬傳感器以增加數(shù)據(jù)收集并改進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

 碰撞檢測(cè)

在新產(chǎn)品驗(yàn)證時(shí)，物理系統(tǒng)中的碰撞可能會(huì)造成破壞，因此產(chǎn)生額外的風(fēng)險(xiǎn)和成本。Prespective可以提供一個(gè)安全的虛擬環(huán)境來(lái)檢測(cè)對(duì)象與機(jī)器人之間的碰撞，完成驗(yàn)證。

一些知名企業(yè)正利用Prespective來(lái)改善工廠(chǎng)的產(chǎn)品驗(yàn)證和測(cè)試效率：

FESTO是一家總部位于德國(guó)埃斯林根的跨國(guó)工業(yè)控制和自動(dòng)化公司，2018年收入達(dá)31億歐元。FESTO通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)機(jī)架，并連接到帶有Prespective的可編程控制器（PLC），使工廠(chǎng)能夠在開(kāi)始制造機(jī)器之前進(jìn)行測(cè)試。LAN Handling正在使用Prespective為客戶(hù)在工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上測(cè)試產(chǎn)品；豐田（Toyota）、范德蘭德（Vanderlande），通過(guò)使用Prespective，在不同的用戶(hù)場(chǎng)景下，對(duì)控制軟件進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。瑪氏食品（Mars）在Prespective中模擬系統(tǒng)流程，節(jié)省了大量時(shí)間、空間和成本。

通過(guò)大量的實(shí)踐驗(yàn)證，Prespective在數(shù)字化工廠(chǎng)建設(shè)中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

• 第一，Prespective產(chǎn)品對(duì)于那些希望應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型并創(chuàng)造實(shí)際效益的企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的突破口，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用的最直觀(guān)可視化呈現(xiàn)的方式之一，值得企業(yè)去應(yīng)用實(shí)踐。

同時(shí)，Prespective產(chǎn)品充分發(fā)揮了企業(yè)應(yīng)用三維建模的優(yōu)勢(shì)，凸顯了三維設(shè)計(jì)的價(jià)值，使三維模型不僅只是應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，同時(shí)在生產(chǎn)階段也能夠充分發(fā)揮三維模型的價(jià)值，為打造基于模型的企業(yè)提供了重要支撐作用。

• 第二，從產(chǎn)品研發(fā)角度來(lái)講“質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來(lái)的”，Prespective可以將產(chǎn)品的加工過(guò)程、裝配過(guò)程用可視化的方式真實(shí)展現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前，讓設(shè)計(jì)人員可以在產(chǎn)品正式生產(chǎn)前就對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性進(jìn)行調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)DFM（面向制造的設(shè)計(jì)）和面向維護(hù)的設(shè)計(jì)，從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量設(shè)計(jì)水平得以提高。

• 第三，Prespective可以提供一個(gè)近似于現(xiàn)實(shí)工廠(chǎng)的二維或者三維車(chē)間布局的數(shù)字孿生模型，為下一步根據(jù)工藝規(guī)劃和工序進(jìn)行物流仿真提供了有利條件。Prespective虛擬調(diào)試技術(shù)能夠極大程度上對(duì)工廠(chǎng)的生產(chǎn)組織模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證和調(diào)整，對(duì)于車(chē)間產(chǎn)能狀況能夠迅速做出評(píng)估，指導(dǎo)工廠(chǎng)合理優(yōu)化配置生產(chǎn)資源。

• 第四，越來(lái)越多的中國(guó)制造企業(yè)開(kāi)始引入工業(yè)機(jī)器人完成抓舉、焊接、鉆孔、拋光、噴漆等工藝過(guò)程。由于客戶(hù)的需求的變化，生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)的產(chǎn)品可能每隔一段時(shí)間就會(huì)進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)，由于產(chǎn)能需求不恒定，因此生產(chǎn)節(jié)拍可能也需要每隔一段時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。Prespective能夠確保這些工業(yè)機(jī)器人的控制程序可以及時(shí)調(diào)整以及仿真其工作狀態(tài)，保障工業(yè)機(jī)器人的合理運(yùn)動(dòng)軌跡，使生產(chǎn)線(xiàn)變的更加柔性化，加快生產(chǎn)組織切換調(diào)整效率。

總的來(lái)說(shuō)，中國(guó)制造業(yè)“大而不強(qiáng)”，制造能力的不足是其中的一個(gè)軟肋，尤其是對(duì)于高精度、高可靠性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、需要高度自動(dòng)化加工、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求很高的產(chǎn)品。在國(guó)家大力推進(jìn)“新基建”這一背景下，Prespective通過(guò)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化與管理，對(duì)于制造業(yè)企業(yè)提升制造能力，提升制造質(zhì)量、精度和產(chǎn)品的可靠性等方面，正是一劑良方，在中國(guó)的應(yīng)用前景十分廣闊。

來(lái)源：數(shù)字化企業(yè)