當(dāng)前，世界主要國(guó)家都在科技發(fā)展的新機(jī)遇中大力推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，在這樣的背景下德國(guó)提出了“工業(yè)４.０”概念，美國(guó)發(fā)布了先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃，我國(guó)也確定了以智能制造為核心建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的總體戰(zhàn)略，這些戰(zhàn)略計(jì)劃都將實(shí)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(jìn)，目前以“人－網(wǎng)絡(luò)－物理”系統(tǒng)為技術(shù)機(jī)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(jìn)一步融合先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)，降低浪費(fèi)，減少環(huán)境與資源的約束，并提升制造業(yè)的個(gè)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(guó)系列載人登月飛行任務(wù)阿波羅計(jì)劃中，就有了用“孿生體（Ｔｗｉｎ）”對(duì)登月飛船進(jìn)行遠(yuǎn)程模擬仿真和地面輔助決策的應(yīng)用實(shí)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(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)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(dāng)中，并迅速受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。２０１７年中國(guó)科協(xié)智能制造學(xué)術(shù)聯(lián)合體在世界智能制造大會(huì)上將數(shù)字孿生列為世界智能制造十大科技進(jìn)展之一。數(shù)字孿生的最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(duì)現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、監(jiān)控、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制，進(jìn)而達(dá)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(yīng)用增強(qiáng)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(shè)計(jì)運(yùn)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(lái)，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(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(zhǔn)時(shí)制（ＪＩＴ）物流系統(tǒng)、看板拉動(dòng)式生產(chǎn)、全員參與、尊重員工、重視經(jīng)驗(yàn)積累，以及自動(dòng)防錯(cuò)等方面。精益管理的核心是消除一切浪費(fèi)、創(chuàng)造價(jià)值和持續(xù)改進(jìn)。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，精益管理的應(yīng)用早已不只限于制造生產(chǎn)領(lǐng)域而是滲透到各個(gè)行業(yè)之中，并被視為是能提高商業(yè)實(shí)踐效果的成果性理論。實(shí)踐證明，精益管理是現(xiàn)代制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的核心，沒有精益管理打基礎(chǔ)，智能制造也很難實(shí)施或做得更好。精益管理在消除浪費(fèi)和創(chuàng)造價(jià)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(yùn)用過程中也存在一定的局限性，例如難以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)波動(dòng)和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代等問題。
很多企業(yè)在面對(duì)精益管理時(shí)處于“小動(dòng)作不解渴，大動(dòng)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(shí)尚”或“藝術(shù)”。當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境下，消費(fèi)者的購(gòu)買能力相較過去有了很大程度提高，并且對(duì)于產(chǎn)品多樣化和個(gè)性化的需求不斷增加，這就使得制造企業(yè)必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)定制化和批量化，應(yīng)運(yùn)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(yīng)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(biāo)與核心在于融合先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)，這也就意味著實(shí)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，而數(shù)字孿生技術(shù)正可以實(shí)現(xiàn)物理層和信息層的相互映射。數(shù)字孿生將物理層運(yùn)行情況真實(shí)再現(xiàn)到信息層，同時(shí)信息層通過一系列運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層的評(píng)估、預(yù)測(cè)和控制，使得物理系統(tǒng)能以最佳狀態(tài)運(yùn)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(gè)生命周期，貫穿產(chǎn)品研發(fā)、工廠設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、分銷服務(wù)和退市回收的全價(jià)值鏈，并且致力于通過精益管理實(shí)現(xiàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化、全面質(zhì)量管理和消除浪費(fèi)等。在智能制造系統(tǒng)中，精益管理強(qiáng)調(diào)全過程持續(xù)改善，通過采用自働化和準(zhǔn)時(shí)化等方法，消除各種形式的浪費(fèi)，不斷提升價(jià)值流動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)變化的及時(shí)響應(yīng)和實(shí)時(shí)優(yōu)化。在企業(yè)全價(jià)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(xiàng)新信息技術(shù)，目前技術(shù)流程還不穩(wěn)定，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)也還不盡完善，亟需引入成熟的管理思想和方法工具來(lái)幫助其真正發(fā)揮作用。
圖１企業(yè)全價(jià)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(lái)，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(jìn)精益管理升級(jí)創(chuàng)新。面向智能制造應(yīng)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(dǎo)，精益管理方法工具為基礎(chǔ)條件，利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、監(jiān)控、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制，面向企業(yè)全價(jià)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(yīng)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(shí)體系統(tǒng)拆分成若干子系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)象屬性和對(duì)象間關(guān)系分析，接著要根據(jù)物理對(duì)象的功能進(jìn)行行為邏輯設(shè)計(jì)建立仿真模型，最后還要進(jìn)行模型融合并檢查模型的精度和現(xiàn)實(shí)滿足情況。精益管理是核心和主線，在這個(gè)過程中要利用精益方法工具來(lái)劃分建模對(duì)象，并從精益管理的內(nèi)容出發(fā)進(jìn)行模型頂端邏輯設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)按照持續(xù)優(yōu)化、減少浪費(fèi)、提升價(jià)值的管理模式運(yùn)行，最后要依據(jù)精益管理目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。而在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知過程中，也要用精益管理的思想和方法對(duì)整個(gè)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，使數(shù)據(jù)按需、按量進(jìn)入系統(tǒng)，減少數(shù)字浪費(fèi)的發(fā)生。
03
精益數(shù)字孿生體的應(yīng)用研究
３.１精益數(shù)字孿生體
企業(yè)管理應(yīng)用框架基于精益數(shù)字孿生體的概念和內(nèi)涵，文中設(shè)計(jì)了如圖４所示的精益數(shù)字孿生體面向企業(yè)全價(jià)值鏈的應(yīng)用框架。該框架以ＰＤＣＡ閉環(huán)管理為基礎(chǔ)，共包括３個(gè)層級(jí)和６個(gè)組成部分。３個(gè)層級(jí)分別是：
（１）物理實(shí)體層，該層由人員、智能工裝設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能自動(dòng)采集并開展現(xiàn)場(chǎng)精益管理實(shí)施過程；
（２）虛實(shí)交互層，該層在整個(gè)框架中承上啟下，負(fù)責(zé)收集處理物理實(shí)體層傳輸進(jìn)的數(shù)據(jù)并上傳給數(shù)字虛擬層，同時(shí)接收數(shù)字虛擬層下達(dá)的優(yōu)化控制信息并控制物理實(shí)體層實(shí)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(duì)物理實(shí)體建模仿真的基礎(chǔ)上開展監(jiān)控、評(píng)估、預(yù)測(cè)、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(dǎo)支撐數(shù)字孿生進(jìn)行建模仿真和決策優(yōu)化，并在企業(yè)研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、物流、服務(wù)全價(jià)值鏈上實(shí)施精益管理。
圖４精益數(shù)字孿生體面向企業(yè)全價(jià)值鏈的應(yīng)用框架
３.２精益數(shù)字孿生體產(chǎn)品管理應(yīng)用框架
面向產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到退市的全生命周期階段流程，文中設(shè)計(jì)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(yīng)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(shì)。
圖5精益數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全生命周期管理中的應(yīng)用框架
產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段在精益設(shè)計(jì)方法和要求的指導(dǎo)下主導(dǎo)實(shí)施，數(shù)字孿生技術(shù)則在這個(gè)階段提供完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)“數(shù)字足跡”，并可通過構(gòu)建產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)空間加速產(chǎn)品迭代優(yōu)化，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)優(yōu)化決策支持，大大提高生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。產(chǎn)品售后服務(wù)階段引入精益多功能服務(wù)團(tuán)隊(duì)，在數(shù)字孿生技術(shù)的模型服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、算法服務(wù)支持下，可以有效實(shí)現(xiàn)客戶的個(gè)性化管理與服務(wù)業(yè)務(wù)的高效運(yùn)行。在這個(gè)應(yīng)用框架下，數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
04
結(jié)論與展望
智能制造成功的關(guān)鍵之一在于實(shí)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(yīng)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(jìn)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(jià)值鏈中的應(yīng)用指出了一個(gè)新方向，相信在未來(lái)該范式會(huì)在實(shí)踐中得到豐富和發(fā)展，成為助力我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的新力量。
原文刊載于《機(jī)械工程》2022年1月作者：劉亮姚春琦李曉梅
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