十八世紀(jì)中葉開啟工業(yè)文明以來，世界強(qiáng)國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國的必由之路。
——《中國制造2025》
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制造業(yè)的發(fā)展需求與趨勢
近年來，隨著市場環(huán)境的日趨復(fù)雜，面對追求多品種多批量、高質(zhì)量低成本、柔性制造快速響應(yīng)、節(jié)能減排環(huán)境友好等復(fù)雜多元的需求，制造業(yè)面臨著個性化、定制化、綠色化等方面的諸多挑戰(zhàn)。
在這樣的趨勢下，我們發(fā)現(xiàn)全球制造業(yè)的核心競爭力也正在發(fā)生深刻的變化，并且變化的速度比以往任何時候都要快速。世界制造業(yè)發(fā)達(dá)國家針對當(dāng)前變化，逐步形成了新一輪工業(yè)革命，并相繼推出了自己的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，如德國的工業(yè)4.0、美國的第三次工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮。中國也相繼推出了《中國制造2025》、《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》等。
中國是制造業(yè)工業(yè)大國，從傳統(tǒng)低端的勞動密集型低成本制造業(yè)，轉(zhuǎn)換成新技術(shù)主導(dǎo)的智能制造，逐步完成制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，已然成為可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等多種數(shù)字技術(shù)的集群式創(chuàng)新突破及其與制造業(yè)的深度融合，智能制造的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展也將成為必然。
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智能制造與數(shù)字孿生
制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基，《中國制造2025》為中國制造業(yè)未來10年設(shè)計(jì)了頂層規(guī)劃和路線圖，提高國家制造業(yè)的創(chuàng)新能力，推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向是《中國制造2025》的戰(zhàn)略任務(wù)之一。
2014年-2015年開始，中國智能制造行業(yè)新成立企業(yè)數(shù)量驟增，處上升風(fēng)口時期。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，智能制造發(fā)展需經(jīng)歷自動化、信息化、互聯(lián)化、智能化四個階段，在智能化發(fā)展的目標(biāo)上，智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展起著決定性的作用。自 2015 年開始，數(shù)字孿生等新興技術(shù)已吸引了許多著名企業(yè)（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如Gartner、德勤、中國科協(xié)智能制造協(xié)會）的高度重視，并且開始探索基于數(shù)字孿生的智能制造生產(chǎn)新模式。
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數(shù)字孿生驅(qū)動智能制造數(shù)字化發(fā)展
數(shù)字孿生被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段，多年來，行業(yè)內(nèi)對數(shù)字孿生的具體定義和能力存在著不同的看法。從廣義來看，任何數(shù)字化的設(shè)備和生產(chǎn)流程都可以被認(rèn)為是數(shù)字孿生的一種形態(tài)。數(shù)字孿生在智能制造領(lǐng)域的探索和應(yīng)用，總體來說，可以分為4個層次：
虛擬仿真
高度仿真的虛擬模型可以在前期設(shè)計(jì)工作階段有效地縮短設(shè)計(jì)時間，簡化流程，同時，能在設(shè)計(jì)階段及早發(fā)現(xiàn)潛在缺陷和風(fēng)險，為設(shè)計(jì)可行性、成本、效率等方面提供模擬分析等。
基礎(chǔ)數(shù)字孿生
在虛擬仿真的基礎(chǔ)上，融合實(shí)際物理工廠中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，搭建能夠真實(shí)反映物理工廠運(yùn)行狀況的數(shù)字孿生模型。通過數(shù)字孿生，可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代、設(shè)備管理、生產(chǎn)線管理、工作流程優(yōu)化等的監(jiān)測、分析決策等，針對不同的極端運(yùn)行情況還可在虛擬模型中進(jìn)行模擬測試，起到提高設(shè)備與工作流程的安全性的作用。
適應(yīng)性數(shù)字孿生
3D數(shù)字孿生模型能接收到運(yùn)行的實(shí)時數(shù)據(jù)，除了可呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)時的數(shù)據(jù)信息外，還能通過機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，反映真實(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)場景中的數(shù)據(jù)研判和智能決策分析。
智能數(shù)字孿生
智能的數(shù)字孿生是數(shù)字孿生發(fā)展的最終形態(tài)，數(shù)字孿生不僅能夠獲取物理孿生的實(shí)時數(shù)據(jù)，也能夠與其他設(shè)備和環(huán)境實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生能根據(jù)不斷變化的物理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)物理與虛擬的互聯(lián)與同步，幫忙使用者及時的決策和優(yōu)化。
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數(shù)字孿生升級智能制造生產(chǎn)模式
發(fā)展智能制造，我們必須同時從精益化、自動化、信息化同時考慮，三者缺一不可，這就要求企業(yè)的制造生產(chǎn)模式不斷的往柔性化、標(biāo)準(zhǔn)化、少人化、數(shù)字化、透明化的方向升級和改善，最終實(shí)現(xiàn)品質(zhì)好、成本低、效率高、交期短的生產(chǎn)目標(biāo)。當(dāng)我們把精益化、自動化、信息化按生產(chǎn)模式和單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解細(xì)化時，我們發(fā)現(xiàn)，以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的智能制造可以細(xì)分成5個不同的等級：
產(chǎn)品級智能化
融合多功能感知、智能識別、數(shù)字孿生、信息融合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、自適應(yīng)工況、自主決策的功能，將數(shù)字化貫穿產(chǎn)品全生命周期的個性化定制與服務(wù)過程中，如原材料信息、設(shè)計(jì)信息、制造信息、物流信息、銷售信息、回收信息等等。
裝備級智能化
將專家的知識和經(jīng)驗(yàn)融入感知、決策、執(zhí)行等制造生產(chǎn)活動中，賦予產(chǎn)品制造自我學(xué)習(xí)和知識進(jìn)化的能力，實(shí)現(xiàn)自學(xué)制造。
車間級智能化
實(shí)現(xiàn)工位協(xié)同的精益管理和智能化決策，解決該生產(chǎn)什么、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、作業(yè)指導(dǎo)、質(zhì)量控制、物料準(zhǔn)時配送、產(chǎn)品及時發(fā)運(yùn)等生產(chǎn)制造過程中的問題。
工廠級智能化
通過狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)信息流與實(shí)物流的一致性，并通過工業(yè)智能、自主控制等手段實(shí)現(xiàn)對工廠的動態(tài)調(diào)度和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多車間多組織間協(xié)同精益管理目標(biāo)。
供應(yīng)鏈級智能化
通過數(shù)字孿生、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、自動化和區(qū)塊鏈等技術(shù)，打造端到端的供應(yīng)鏈可視性、實(shí)時發(fā)現(xiàn)深度洞察和行動建議，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈協(xié)同精益管理，加強(qiáng)企業(yè)自身的供應(yīng)鏈運(yùn)營彈性，創(chuàng)新供應(yīng)鏈的管理模式。
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總結(jié)與展望
近年來，我國智能制造業(yè)數(shù)字化水平不斷提升，但相對德國、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家的制作業(yè)發(fā)展而言，我國智能制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體還處于起步階段。數(shù)字孿生智能制造未來的發(fā)展和應(yīng)用還面臨著數(shù)字孿生多技術(shù)融合、數(shù)字孿生多場景應(yīng)用、數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈待形成等諸多挑戰(zhàn)和難題。
真正實(shí)現(xiàn)智能制造工業(yè)，需要實(shí)現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的互聯(lián)互通。數(shù)字孿生在工業(yè)顯示場景中已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用的巨大潛力，伴隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度和提升以及AI算法的成熟，數(shù)字孿生在智能制造行業(yè)將得到更廣泛、深刻的應(yīng)用。
