前言
本文由三位業(yè)界大咖圍繞制造業(yè)的數(shù)字孿生之路展開探討。數(shù)字孿生來到了一個新的時間節(jié)點，這是基于傳感器、智能裝備、工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IoT、云計算和邊緣計算的成熟和更廣泛的商業(yè)實踐積累。展望未來，數(shù)字孿生在未來5到10年將會持續(xù)加速和更廣泛地普及。
對話嘉賓：
安筱鵬
阿里研究院副院長、數(shù)字化企業(yè)研習社副理事長
寧振波
中國航空工業(yè)集團信息中心原首席顧問、中國船舶獨立董事
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
數(shù)字化領域任何新概念的涌現(xiàn)、傳播都是一個大浪淘沙的過程。今天對數(shù)字孿生的理解需要更長的歷史尺度。回顧過去20-30年制造業(yè)數(shù)字化的進程，數(shù)字技術帶來的最重要的變革之一是，制造體系的信息通過什么載體、以何種方式在產(chǎn)品全生命周期的傳遞、共享，產(chǎn)品信息傳遞經(jīng)歷了從紙張、2D、3D到基于MBE，幾十年來人們一磚一瓦地不斷構(gòu)筑一個數(shù)字世界，從部件到整機，從產(chǎn)品到產(chǎn)線，從生產(chǎn)到服務，從靜態(tài)到動態(tài)，這一進程的加速也是基于傳感、物聯(lián)、通信、計算等新技術擴散和商業(yè)模式的驗證。
今天，數(shù)字孿生來到了一個新的時間節(jié)點，這是基于傳感器、智能裝備、工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IoT、云計算和邊緣計算的成熟和更廣泛的商業(yè)實踐積累。展望未來，數(shù)字孿生在未來5到10年將會持續(xù)加速和更廣泛地普及。
01 / 制造業(yè)數(shù)字孿生的前生今世
寧振波
中國航空工業(yè)集團信息中心原首席顧問、中國船舶獨立董事
從二維到全三維數(shù)字化設計
人類工業(yè)發(fā)展史就是實物制造的歷史。愛迪生試錯法是根據(jù)設計藍圖和生產(chǎn)工藝造出實物產(chǎn)品，反復實驗、測試，來滿足產(chǎn)品的功能和性能的要求。計算機和軟件的出現(xiàn)改變了這一切。1980年，達索系統(tǒng)三維交互設計軟件CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)之父弗朗西斯·伯納德（Francis Bernard）開創(chuàng)了曲面設計簡單實體設計，造型功能強大，通過操作光筆在計算機屏幕上用三維曲面和簡單的實體表現(xiàn)形式，遠遠超過過去的表達形式，奠定了世界工業(yè)設計從二維到三維建模的轉(zhuǎn)變。
隨后，達索飛機公司使用簡單的三維建模技術生產(chǎn)了飛機零件部件組件。1986-1990年間波音公司使用三維建模技術進行飛機裝配驗證，并形成大量初步規(guī)范來指導三維設計的使用。隨著計算機性能的提高、集成電路的小型化、計算速度的提高， UNIX工作站出現(xiàn)，三維設計成本大幅降低。
1990年世界第一臺數(shù)字樣機波音777研制啟動，波音777的結(jié)構(gòu)件300多萬個、標準件1500多萬個，采用了全三維數(shù)字化設計技術和預裝備技術，3000臺三維設計工作站做零件設計，200臺做裝配設計，取代了過去新飛機設計需要成千上萬人手工畫圖工作。全三維數(shù)字化設計，波音777飛機研制周期縮短了40%，減少返工量50%。低價生產(chǎn)出來的777的質(zhì)量卻比已經(jīng)生產(chǎn)400架的波音747質(zhì)量還好，成為歷史上最賺錢的飛機。
新飛豹，中國第一架全機數(shù)字樣機
1999年“新飛豹”飛機要求在兩年半時間上天，研制周期只有常規(guī)進度的一半，傳統(tǒng)的設計手段滿足不了要求，最后決定采用全機三維數(shù)字化設計、數(shù)字化裝配，做出中國的全數(shù)字化設計的飛機。從組織到技術的突破，使得新飛豹兩年半的設計周期縮短為一年，新飛豹總計54000多個結(jié)構(gòu)件，43萬個標準件，工程更改單由常規(guī)的六七千張減少至1082張，最終，新飛豹兩年半的時間飛上了天。飛豹比波音晚了八年，但是飛豹的數(shù)字樣機相當于波音777的水平。新飛豹是中國第一架全機數(shù)字樣機，也是中國數(shù)字化的開始。
數(shù)字孿生，獵鷹九號成功回收火箭關鍵
搭載兩名宇航員的SpaceX獵鷹九號（Falcon 9）運載火箭成功升空，并在海上回收一級火箭。SpaceX快速崛起的背后，也必須從數(shù)字樣機說起。三維模型最重要的是機械結(jié)構(gòu)，包括靜力、動力、強度、疲勞等性能，以前這些性能是要靠實驗來檢測的，現(xiàn)在利用三維數(shù)字化模型進行虛擬實驗。獵鷹九號成功的核心就是用三維數(shù)字化建模的方法注入材料數(shù)據(jù)，然后通過大量的仿真分析軟件，用計算、仿真、分析或者叫虛擬實驗的方法來指導、簡化、減少甚至取消物理實驗，這就是智能制造的高層次的問題。
火箭發(fā)射出去后扔掉的捆綁火箭，靠爆炸螺栓和主火箭連接，到一定高度后引爆螺栓爆炸釋放衛(wèi)星。貴重的金屬結(jié)構(gòu)爆炸不能回收使用。馬斯克想用機械結(jié)構(gòu)的強力彈簧彈射分離，回收火箭。歷史上美、蘇都做過大量相關實驗，但受限于早期計算機能力、軟件、材料，都沒有成功，但產(chǎn)生了大量的實驗數(shù)據(jù)。馬斯克彈射分離實驗用了NASA大量的公開數(shù)據(jù)，在計算機上做建模仿真分析強力彈簧的彈射、彈射螺栓，沒有做一次物理實驗，最后彈射螺栓分離成功，火箭外殼的回收大幅度降低了發(fā)射的價格。
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
數(shù)字孿生技術的演變
技術的發(fā)展是一個演進與迭代的過程。從達索的角度來看，工業(yè)設計經(jīng)歷了80年代初所見即所得，90年代物理等多學科綜合，90年代產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化，2012年達索系統(tǒng)推出三維體驗平臺(3DExperiencePlatform)。除對產(chǎn)品本身進行建模，還對產(chǎn)品的外部環(huán)境和內(nèi)部原材料構(gòu)成進行數(shù)字化。三維體驗平臺是一個實時在線、隨時在線的版本，也是一個完整的協(xié)同版本。多專業(yè)專家在單一數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一平臺上協(xié)同工作。任何一個人做了任何動作，有權限的人都可以看到，并行評估、檢查和協(xié)同，大幅提高了研發(fā)和生產(chǎn)效率。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展應用，創(chuàng)新形態(tài)發(fā)生了巨大變化，與客戶共創(chuàng)、協(xié)同演變正在成為新的趨勢。今天，無論是在飛機、汽車領域，還是其他消費品等領域，工業(yè)軟件都是軟件公司和用戶之間協(xié)同創(chuàng)新的過程。從這個意義來講，軟件是用出來的。
寧振波
中國航空工業(yè)集團信息中心原首席顧問、中國船舶獨立董事
全三維建筑設計，創(chuàng)造敦煌奇跡
敦煌文博會建筑群從設計、建造到裝修、維護，整個方式跟傳統(tǒng)的建筑有很大的區(qū)別，采用數(shù)字化的設計方式、數(shù)字化的金屬結(jié)構(gòu)遠程建造方式，用了8個月時間建造完成，這是我國第一個全維的數(shù)字建筑。短時間內(nèi)在沙漠上平地起這么多的建筑，是有很大難度的，其中敦煌大劇院的設計要求是最高的，各種樂器要保證聲響、音響、燈光，難度非常大。整個設計建筑過程采用了并行工程，設計和施工并行，邊挖地基，邊三維數(shù)字化設計，通過異地傳輸?shù)骄迫撹F廠生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)三維設計模型。敦煌大劇院則是在計算機里對聲音做了仿真模型，在模型上做大量的聲學的分析、計算、仿真。敦煌文博會的建筑奇跡的核心，就是數(shù)字化的設計制造技術，異地設計制造。項目的參與方都是按照三維數(shù)字化設計的模型來精準加工，精準裝配到現(xiàn)場的現(xiàn)場制造。
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
從thing到life，數(shù)字孿生向生命科學演進
今年年初達索系統(tǒng)提出了數(shù)字化革命從原來物質(zhì)世界中沒有生命的thing擴展到有生命的life。數(shù)字孿生作為一種技術，應用從原子、器件擴展到細胞、心臟、人體，未來整個地球和宇宙都可以在虛擬賽博空間重建數(shù)字孿生世界。數(shù)字孿生從過去飛機、汽車、船舶這樣的高端復雜的制造業(yè)，制造這些產(chǎn)品的工業(yè)裝備行業(yè)，發(fā)展到高科技電子行業(yè)的電子產(chǎn)品，日常生活消費行業(yè)的時裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費產(chǎn)品。在基礎設施行業(yè)中，數(shù)字孿生的應用也日益增加，包括鐵路、公路、核電站、水電站、火電站、城市建筑乃至整個城市，以及礦山開采。
生命科學行業(yè)，將是數(shù)字孿生應用最重要的行業(yè)，包括數(shù)字化的人體、數(shù)字化的醫(yī)療設備、藥物的研發(fā)、藥物的臨床測試等。從造物來講，人體比機械要復雜得太多了。人體有37萬億個細胞，每一個細胞生命周期里又有4200萬的蛋白質(zhì)。人體數(shù)字化，是基于人體相關的多學科、多專業(yè)知識的系統(tǒng)化研究，并將這些知識全部注入人體的數(shù)字孿生體中。人體數(shù)字化模型的好處，在于降低各種手術風險，提高成功率，改進藥物研發(fā)，提高藥物的效用。仿真在未來一定會是極致的個人化的世界。
02 / 數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷融合
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
數(shù)字孿生與人工智能深度結(jié)合，帶來設計革命
數(shù)字孿生正在與人工智能深度結(jié)合，帶來一場設計革命。數(shù)字孿生的技術手段，一是“所見即所得”，設計師設計產(chǎn)品用鼠標鍵盤在屏幕上畫出所見。二是“所畫即所得”，戴上VR眼鏡和數(shù)據(jù)手套，用手比劃就可以代替過去用手畫圖。三是“所想即所得”，這將是未來數(shù)字孿生的技術手段。“聰明帽”通過電極可以讀取我們大腦里的想法，通過讀取產(chǎn)品的設計就可以在電腦上直接呈現(xiàn)。獲得產(chǎn)品最佳設計方案的實現(xiàn)方式，依賴于人工智能的技術，進行人機交互的創(chuàng)成式設計（Generative Design）。
在過去幾年時間里，達索系統(tǒng)和空中客車、波音公司，以及汽車行業(yè)的捷豹，路虎等做了大量嘗試，已經(jīng)實現(xiàn)借助于人工智能的手段對零件進行創(chuàng)成式設計。只要規(guī)定一個空間，這個空間里面零件要起到什么樣的功能，可以用人工智能的方式去做剪裁設計，最終形成能夠滿足我們性能要求的合適的零件。最近兩三年開始嘗試用人工智能的方式設計部件，再下一步就是用人工智能的方式把整車設計出來，這需要我們用AI 學習以前所有的車的所有的知識，把這些知識都數(shù)字化，建立所有這些汽車產(chǎn)品的數(shù)字孿生之后，就可以做到利用人工智能的技術、機器學習的方法去掌握這些知識，然后自動生成一個完整的汽車出來。其他的產(chǎn)品也是一樣的道理。這可能在未來的五年之內(nèi)或者更長一點的時間內(nèi)達到。
寧振波
中國航空工業(yè)集團信息中心原首席顧問、中國船舶獨立董事
管理創(chuàng)新：并行工程理念從工業(yè)過程引申到管理運營
敦煌文博會建筑項目從頭到尾、從設計到建造全三維，開創(chuàng)了中國建筑的先河，無論是對建筑業(yè)還是制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型都有啟示。敦煌奇跡在這么短的時間內(nèi)完成，在于方法創(chuàng)新、工具創(chuàng)新、組織創(chuàng)新、管理創(chuàng)新。使用新技術手段，打通全鏈條、全生命周期的數(shù)據(jù)管理應用，從局部優(yōu)化到全局，創(chuàng)造更大價值，這也是數(shù)字化本質(zhì)，如果僅僅在局部創(chuàng)造價值，是有限的。在組織管理模式，敦煌成立并行工作組，從設計、建造并行，到運行、維護、服務、使用并行，工程預算、招投標、合同簽訂、審計并行。整個項目的管理把并行工程的理念從工業(yè)過程引申到管理營運，這是極大的管理創(chuàng)新。
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
數(shù)字孿生提升體驗感，體驗是一切的開始
數(shù)字孿生承載著人類積累的產(chǎn)品知識、文明知識，各個行業(yè)的產(chǎn)品莫不如此。達索系統(tǒng)強調(diào)體驗是一切的開始，利用數(shù)字孿生提升體驗感，從高大上的航空航天、汽車工業(yè)的復雜產(chǎn)品，擴展到普通的制造業(yè)、建筑行業(yè)，再到微觀的生命科學領域。所有的產(chǎn)品，最重要的是要給人帶來最好的體驗。人生其實就是一個完整的體驗。每一個產(chǎn)品的使用都是一個體驗，各個行業(yè)都是需要用數(shù)字孿生方式做各種各樣的仿真、優(yōu)化，讓我們的體驗更好，生活更美好。事實上，當你發(fā)現(xiàn)一個產(chǎn)品的體驗不好時，或者說我們生活的體驗不好的時候，你是發(fā)現(xiàn)一個非常好的商機，只要把這個體驗改造好了，那么你的競爭力就會提高。數(shù)字孿生是提升體驗的工具和方法。
寧振波
中國航空工業(yè)集團信息中心原首席顧問、中國船舶獨立董事
正確理解數(shù)字化孿生對應關系
數(shù)字孿生要正確理解、正確應用。數(shù)字孿生，不是簡單的一虛一實的對應關系。數(shù)字孿生的對應關系有零對零、一對零、零對一、一對一、一對多、多對一、多對多。過去傳統(tǒng)的物理主線（Physical thread）的研制方式是根據(jù)藍圖來造產(chǎn)品，維護維修也是紙制的技術手冊，靠人和零件來維護?，F(xiàn)在數(shù)字化主線（Digital thread）的研制方式，則是用現(xiàn)代設計方法，用大量軟件進行設計仿真。如果把整個研制過程細化，30噸的飛機研制的數(shù)字化孿生就有幾百萬個對應關系。一個復雜產(chǎn)品對應的數(shù)字化孿生，成千上萬，不但有上下關聯(lián)關系，還有前后關聯(lián)關系。越復雜的產(chǎn)品，關聯(lián)關系也越復雜。數(shù)字孿生對工業(yè)和制造業(yè)有重大的意義，可以指導我們在產(chǎn)品研制、工藝、生產(chǎn)制造、交付、運行維護和回收過程中的整個全生命周期的能力提升。
馮升華
達索系統(tǒng)大中華區(qū)渠道技術總監(jiān)、達索系統(tǒng)中國大學校長
三維體驗平臺：設計、模型、制造融合
2012年達索系統(tǒng)推出三維體驗平臺，把產(chǎn)品整個全生命周期里涉及的所有的模型都放在一個平臺里，將設計、模型、制造融合在一起。事實上，很多行業(yè)在三維體驗平臺里已經(jīng)實現(xiàn)設計、模型、制造的融合，一個數(shù)字孿生就可以解決設計的問題、幾何的問題、多物理場的問題、多學科的問題，以及制造的問題，工藝的問題。這意味著只要是相同的數(shù)據(jù)，就不用出現(xiàn)不同的版本。以前設計用設計的版本，制造用制造的版本，仿真用仿真的版本，每一次數(shù)據(jù)的傳遞都可能會帶來數(shù)據(jù)的損失，集成版本的管理也會有很多的問題。有了三維體驗平臺，我們在一個數(shù)字孿生里就能解決從研發(fā)設計到仿真再到制造，都指向單一的數(shù)據(jù)源，而不產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，這是三維體驗平臺的核心理念。
安筱鵬
阿里研究院副院長、數(shù)字化企業(yè)研習社副理事長
數(shù)字孿生與消費新品開發(fā)
產(chǎn)品如何提高體驗水平，能夠精準鎖定和表達客戶的需求，對服裝食品等日常產(chǎn)品尤為重要。2018年和2019年，天貓新品占比已經(jīng)到整個銷量的31%-36%，尤其是美妝、食品、服裝新品的比重越來越高，新品銷量增速平均是銷售增速的兩倍多，是非新品增速的3倍。僅2018年新品增速就是77%。過去3年左右的時間，無論是3C，還是美妝、個護，開發(fā)周期也都在大幅度壓縮，就和飛機這樣的復雜產(chǎn)品研制周期被壓縮一樣。這背后重要的原理就是企業(yè)要精準地鎖定用戶和表達用戶需求，然后按照用戶需求創(chuàng)新出一個新的產(chǎn)品，不是把它在物理世界實際生產(chǎn)出來，而是把這個生產(chǎn)流程在平臺上去做模擬，讓大家去點擊測試，然后再生產(chǎn)出來，精準去派樣給消費者體驗，這樣，過去這些產(chǎn)品需要兩三年的研發(fā)周期就被壓縮到了一年甚至半年的時間，大幅提高效率，同時也可以精準測算這些產(chǎn)品的銷量。事實上，這是一種新的商業(yè)模式：在數(shù)字世界中對企業(yè)的生產(chǎn)流程進行模擬、優(yōu)化，降低成本，提高效率。
03 / 制造業(yè)數(shù)字化的美好未來
安筱鵬
阿里研究院副院長、數(shù)字化企業(yè)研習社副理事長
數(shù)字孿生，通向零成本試錯之路
數(shù)字孿生技術和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷融合，推動制造業(yè)快步走在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的大道上。數(shù)字孿生技術只有和行業(yè)結(jié)合在一起，才具有真正的生命。制造業(yè)追求不斷逼進零庫存。數(shù)字孿生最大的價值，就是使制造業(yè)走上零成本試錯之路。我們大量的工藝、產(chǎn)品、開發(fā)都是不斷試錯、不斷調(diào)試的過程，數(shù)字孿生給整個制造體系提供了一種新的方法論，從而降低創(chuàng)新的成本，提高創(chuàng)新的效率。這個方法論使我們的制造業(yè)企業(yè)走在了零成本試錯大道上。
數(shù)字孿生制造美好未來
經(jīng)過過去20-30年的發(fā)展，不同的技術不斷集成，包括軟件技術、計算機本身，以及大量的實驗數(shù)據(jù)本身的積累，使得仿真的技術更加成熟，成本在降低，效率在提高，應用也更加廣泛。在工業(yè)體系中，除了制造的復雜產(chǎn)品，日常產(chǎn)品也在使用數(shù)字孿生的技術和方法，這種技術方法正在各個行業(yè)普及，但是總體上來看還處在起步的階段。因為這個技術真正要做到跟物理世界的產(chǎn)品能夠一一對應，實時映射，快速優(yōu)化迭代，可能還需要走很長的時間。
數(shù)字孿生帶來了工具革命、決策革命、組織革命。工具中看得見的“硬裝備”，各種各樣的復雜的有型的硬裝備、機器人、數(shù)控機床、AGV小車、切片機的智能化水平越來越高，幫助我們不斷提高產(chǎn)品生產(chǎn)的精度，然后降低成本，提高效率。工具革命的“軟裝備”，各種各樣的軟件是我們看不見的工具。這種軟裝備跟硬裝備的結(jié)合，給人類社會改造自然創(chuàng)造了新的方法論，從一百多年前愛迪生的實驗驗證，演進到今天的模擬擇優(yōu)，這僅僅是一個開始，未來的5-10年，數(shù)字孿生的技術應用會更加的廣泛和普及。
