前言：數(shù)字孿生、MBSE和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是目前炙手可熱的先進(jìn)或智能制造概念。不管是數(shù)字孿生、MBSE還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其實(shí)都是一個(gè)相對(duì)較大的概念或者模式而非具體的技術(shù)，都具有非常豐富的內(nèi)涵，彼此之間也具有很大的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

      數(shù)字孿生（Digital Twin）是以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則的決策技術(shù)，是踐行智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的先進(jìn)使能技術(shù)，是體現(xiàn)大數(shù)據(jù)、人工智能、AR/VR融合的載體支撐技術(shù)，是推動(dòng)產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、運(yùn)維保障轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效推進(jìn)技術(shù)。

　　軍工行業(yè)是國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，是國(guó)家安全和國(guó)防建設(shè)的脊梁，一直以來是我國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的策源地和引領(lǐng)者。

　　當(dāng)前高功能/性能密度武器裝備更新?lián)Q代速度明顯加快、高效柔性快速響應(yīng)制造要求越來越高、實(shí)戰(zhàn)化服役保障運(yùn)維服務(wù)要求益發(fā)嚴(yán)格，迫切需要擁抱智能制造發(fā)展浪潮，強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化、智能化為特征的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)自主可控的跨越式發(fā)展，已經(jīng)到了刻不容緩的地步。

　　就國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期普遍性的實(shí)際發(fā)展規(guī)律而言，先進(jìn)的制造技術(shù)一般都是起源于軍工行業(yè)。雖然我們目前在民口行業(yè)相對(duì)于國(guó)防軍工行業(yè)，在智能制造等先進(jìn)技術(shù)方面的聲音似乎更大，但對(duì)于國(guó)家的實(shí)力來說，軍工行業(yè)的智能制造技術(shù)的深入應(yīng)用，必將也應(yīng)該是更大的舞臺(tái)和戰(zhàn)場(chǎng)。一、數(shù)字孿生與智能制造的關(guān)系

　　數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造深入發(fā)展的必然階段，是智能制造的推進(jìn)抓手和運(yùn)行體現(xiàn)。數(shù)字孿生的核心是分析推理決策，與當(dāng)前制造業(yè)智能化提升的本質(zhì)內(nèi)涵是直接呼應(yīng)的。智能制造是感知、分析、推理、決策和控制的閉環(huán)過程，與數(shù)字孿生所強(qiáng)調(diào)的充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程的理念一脈相承。以CPS模式為核心的智能制造是面向產(chǎn)品、裝備、系統(tǒng)，目前數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也已經(jīng)從傳統(tǒng)的產(chǎn)品孿生向產(chǎn)線、車間、工廠的系統(tǒng)級(jí)孿生方向發(fā)展，已經(jīng)從傳統(tǒng)基于三維可視化模型向直指本質(zhì)的決策推理模型轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生是當(dāng)前智能制造理念的物化落實(shí)的具體體現(xiàn)。

　　（1）數(shù)字孿生與賽博物理系統(tǒng)的關(guān)系

　　賽博物理系統(tǒng)作為智能制造的核心模式，體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)過程，支持了裝備/系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織的智能化發(fā)展理念，數(shù)字孿生是CPS的具體體現(xiàn)，重點(diǎn)是突出虛實(shí)融合下的數(shù)據(jù)處理、仿真分析、虛擬驗(yàn)證及運(yùn)行決策等，但是與傳統(tǒng)的 CPS相比，數(shù)字孿生更加強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和閉環(huán)這兩個(gè)特征。

　　（2）數(shù)字孿生與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

　　數(shù)字孿生是閉環(huán)CPS過程的典型體現(xiàn)，具有“虛實(shí)同步、以實(shí)融虛、以虛控時(shí)”特點(diǎn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源狀態(tài)及控制的泛在化基礎(chǔ)設(shè)施能力是支持?jǐn)?shù)字孿生得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，同時(shí)數(shù)字孿生也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)貫通軟硬環(huán)節(jié)的有效支撐。

　　（3）數(shù)字孿生與工業(yè)軟件/工業(yè)APP的關(guān)系

　　工業(yè)軟件是產(chǎn)品研發(fā)過程中知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的軟件物化，是工業(yè)APP所強(qiáng)調(diào)的服務(wù)化特點(diǎn)的源頭支撐。數(shù)字孿生閉環(huán)過程中的數(shù)字孿生體是工業(yè)軟件的重要體現(xiàn)方式，體現(xiàn)了對(duì)物理對(duì)象的幾何、物理、行為、規(guī)則及約束的多維、不同粒度的多空間、推進(jìn)演化/實(shí)時(shí)過程/外部干擾的多時(shí)間等尺度的綜合。

　　（4）數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)/人工智能的關(guān)系

　　數(shù)字孿生體是數(shù)字孿生的核心，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、推理決策等，大數(shù)據(jù)所體現(xiàn)對(duì)工業(yè)物聯(lián)/互聯(lián)支持下海量狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，人工智能所體現(xiàn)的對(duì)案例訓(xùn)練和規(guī)則推理，大數(shù)據(jù)/人工智能是支撐數(shù)字孿生體向智能化縱深發(fā)展的重要技術(shù)。

　　（5）數(shù)字孿生與AR/VR/MR的關(guān)系

　　雖然數(shù)字孿生的本質(zhì)是推理決策，但目前數(shù)字孿生比較多的應(yīng)用領(lǐng)域還是具有三維可視化外在展示需求，從而與目前AR/VR/MR等新型顯示及應(yīng)用技術(shù)具有自然的密切關(guān)系，能夠構(gòu)建一個(gè)更加豐富的全態(tài)化擬真展示模型，提升虛擬融合的交互直觀度和深度。

　　（6）數(shù)字孿生與設(shè)備健康管理的關(guān)系

　　數(shù)字孿生在資產(chǎn)密集型行業(yè)應(yīng)用主要是以設(shè)備維護(hù)為重點(diǎn)的，涉及到以設(shè)備健康管理為核心的數(shù)字化移交及運(yùn)行監(jiān)控。設(shè)備性能數(shù)字雙胞胎用于故障預(yù)測(cè)、健康管理及預(yù)測(cè)性維護(hù)，并反饋運(yùn)行信息給設(shè)計(jì)以優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善產(chǎn)品性能。

　　（7）數(shù)字孿生與基于模型系統(tǒng)工程的關(guān)系

　　基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是實(shí)現(xiàn)全生命周期集成研發(fā)的核心思想，數(shù)字化孿生體將促進(jìn)建模、仿真與優(yōu)化技術(shù)無(wú)縫集成到產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段，也是面向加工、裝配等DFX技術(shù)發(fā)展的重要使能基礎(chǔ)，是推動(dòng)MBSE核心思想發(fā)展的重要著力點(diǎn)。

　　（8）數(shù)字孿生與數(shù)字主線的關(guān)系

　　數(shù)字主線是從過程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的角度建立全生命周期集成的重要技術(shù)，從狹義角度而言，為全生命周期各階段業(yè)務(wù)模型的處理提供數(shù)據(jù)銜接傳遞支持，從廣義角度而言，為整個(gè)全生命周期鏈條提供統(tǒng)一的信息模型規(guī)范支持，是數(shù)字孿生體在不同尺度方面的數(shù)據(jù)獲取與分析的具體體現(xiàn)，是數(shù)字孿生閉環(huán)控制模型的重要支撐。

二、差距與問題

　　數(shù)字孿生與軍工裝備研制全生命周期的各個(gè)階段具有融合的體現(xiàn)關(guān)系。在產(chǎn)品研發(fā)階段的設(shè)計(jì)分析的擬實(shí)仿真評(píng)估、工藝設(shè)計(jì)階段的工藝系統(tǒng)虛擬驗(yàn)證、生產(chǎn)制造階段的生產(chǎn)制造運(yùn)行大數(shù)據(jù)/人工智能決策、制造資源狀態(tài)評(píng)估與預(yù)防性維護(hù)等、試驗(yàn)測(cè)試階段的虛擬試驗(yàn)測(cè)試評(píng)估、服役運(yùn)維階段的裝備性能動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)評(píng)估等方面，并且能夠有效地與面向全生命周期跨地域/專業(yè)的綜合研制集成融合，從而能夠有效地支撐和發(fā)展形成軍工行業(yè)研制生產(chǎn)新模式。

　　（1）設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)化仍需大力提升

　　無(wú)論是民口還是軍工企業(yè)，在智能制造領(lǐng)域中鮮見設(shè)計(jì)研發(fā)的示范。軍工設(shè)計(jì)院所承擔(dān)了大量高新復(fù)雜裝備研制任務(wù)，具有技術(shù)密集、學(xué)科融合的特點(diǎn)，具備沉淀長(zhǎng)期形成的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)并將其融合到工業(yè)APP中實(shí)現(xiàn)復(fù)用和支撐后續(xù)發(fā)展的潛質(zhì)和需求，但目前先進(jìn)的數(shù)字孿生等智能制造技術(shù)應(yīng)用體現(xiàn)嚴(yán)重不足。軍工設(shè)計(jì)研發(fā)院所在經(jīng)驗(yàn)知識(shí)沉淀的自主化核心工業(yè)軟件方面存在較大差距，這種局面急需引導(dǎo)改觀。

　　（2）工藝裝備的研發(fā)對(duì)智能化重視不夠

　　在當(dāng)前緊迫的國(guó)際態(tài)勢(shì)下，發(fā)展自主可控和迭代升級(jí)的工藝裝備是重中之重的任務(wù)，軍工行業(yè)在此方面尤其需要重視。目前工藝裝備研發(fā)多偏重于自動(dòng)化執(zhí)行的特征，對(duì)在裝備中物化沉淀工藝知識(shí)并支持智能決策存在認(rèn)識(shí)不足和效果不好的雙重差距。在工藝研發(fā)中重視智能化提升是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的有效途徑支持之一，當(dāng)前的重視程度存在巨大不足，難以支撐實(shí)現(xiàn)從跟仿向領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。

　　（3）制造生產(chǎn)管控智能化水平嚴(yán)重不足

　　智能制造背景下的制造單元、生產(chǎn)線、車間乃至工廠呈現(xiàn)出明顯的業(yè)務(wù)流程管理自動(dòng)化、軟硬一體化融合、決策功能突出的特點(diǎn)，軍工企業(yè)雖然經(jīng)過長(zhǎng)期甚至反復(fù)建設(shè)，限于管理水平、技術(shù)限制和認(rèn)知深度，整體發(fā)展效果不容樂觀，與民口先進(jìn)企業(yè)水平相比差距明顯并呈拉大趨勢(shì)，需要更有魄力的打破習(xí)慣并強(qiáng)化先進(jìn)智能制造技術(shù)的運(yùn)用，務(wù)實(shí)提高生產(chǎn)效率和效能。

　　（4）試驗(yàn)測(cè)試智能化水平亟待提高

　　復(fù)雜裝備的試驗(yàn)測(cè)試是國(guó)防科技工業(yè)的重要特色。但在試驗(yàn)測(cè)試業(yè)務(wù)流程的智能管控、試驗(yàn)測(cè)試大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)字孿生智能試驗(yàn)測(cè)試等方面技術(shù)的探索，仍然亟待從范圍和深度上進(jìn)行全面的提高，實(shí)現(xiàn)降低試驗(yàn)測(cè)試成本和提高試驗(yàn)測(cè)試效果的雙重改善。

　　（5）運(yùn)維保障智能化存在較大差距

　　對(duì)裝備運(yùn)用要求提升是必須的，運(yùn)維保障的智能化是提高支撐能力的關(guān)鍵。尤其在國(guó)外和民口已經(jīng)有大量成功遠(yuǎn)程運(yùn)維案例的局面下，復(fù)雜裝備的運(yùn)維保障智能化水平差距明顯，已經(jīng)與保障作戰(zhàn)能力要求不相適應(yīng)，不利于對(duì)軍工發(fā)展的持續(xù)支持。

三、數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)重

　　軍工行業(yè)是我國(guó)制造行業(yè)發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)，高性能/高功能密度復(fù)雜裝備的快速迭代研制、快速響應(yīng)制造、試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證、服役運(yùn)維保障等為數(shù)字孿生技術(shù)提供了發(fā)展場(chǎng)景與契機(jī)，數(shù)字孿生技術(shù)可以與武器裝備全生命周期實(shí)現(xiàn)深度的融合。結(jié)合軍工行業(yè)的發(fā)展需求和發(fā)展優(yōu)勢(shì)，梳理軍工行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域。

　　（1）基于數(shù)字孿生的研發(fā)設(shè)計(jì)擬實(shí)仿真

　　軍工裝備屬于復(fù)雜精密的產(chǎn)品，其產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)涉及到復(fù)雜的多學(xué)科專業(yè)的協(xié)同，軍工行業(yè)已經(jīng)具有較好的積累基礎(chǔ)，具備開展基于數(shù)字孿生的研發(fā)設(shè)計(jì)擬實(shí)仿真的能力和需求。重點(diǎn)結(jié)合復(fù)雜裝備系統(tǒng)及其關(guān)鍵部件子系統(tǒng)，發(fā)展基于傳感的智能產(chǎn)品、綜合幾何、物理、行為、規(guī)則和約束等多維、多尺度動(dòng)態(tài)模型建模技術(shù)，從機(jī)理、行為方面深入解釋和揭示產(chǎn)品的內(nèi)在運(yùn)行及演變機(jī)制，同時(shí)可進(jìn)一步歷史試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行校核驗(yàn)證和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)研發(fā)的擬實(shí)仿真。

　　（2）基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)工藝優(yōu)化

　　工藝能力是軍工行業(yè)的核心能力，是制約武器裝備快速響應(yīng)研制的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的試湊式工藝試驗(yàn)的發(fā)展模式應(yīng)向虛擬驗(yàn)證方向轉(zhuǎn)變，但目前這些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)大多在“大國(guó)工匠”的頭腦中，軍工行業(yè)的高技能人才資源豐富，也具有開展基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)。重點(diǎn)結(jié)合國(guó)防科技工業(yè)加工、裝配、焊接、成形等專業(yè)工藝的實(shí)際需求，開展多維多尺度動(dòng)態(tài)工藝過程建模與仿真，并形成與工藝系統(tǒng)狀態(tài)采集和反饋執(zhí)行的閉環(huán)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)工藝能力。

　　（3）基于數(shù)字孿生的制造執(zhí)行過程決策

　　快速響應(yīng)生產(chǎn)是提高裝備研制效率的關(guān)鍵，其核心是對(duì)制造系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)的決策分析，才能形成有序、協(xié)調(diào)、可控、高效的運(yùn)行效果。軍工行業(yè)數(shù)字化制造方面已經(jīng)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，具備向基于數(shù)字孿生的制造執(zhí)行過程分析方向發(fā)展的條件。依托已經(jīng)建設(shè)的大量MES、ERP、BI等數(shù)字化業(yè)務(wù)管控系統(tǒng)，重點(diǎn)開展計(jì)劃排產(chǎn)與動(dòng)態(tài)調(diào)度的優(yōu)化決策、產(chǎn)品質(zhì)量問題快速診斷決策、物料供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)分析決策、安全生產(chǎn)危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)分析決策等，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的制造執(zhí)行過程決策。

　　（4）基于數(shù)字孿生的制造裝備資源狀態(tài)評(píng)估與預(yù)防性維護(hù)

　　制造裝備資源是武器裝備研制生產(chǎn)的關(guān)鍵支撐，軍工行業(yè)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，已經(jīng)積累了豐富的高端制造裝備資源，實(shí)現(xiàn)潛力挖掘以及高效利用是軍工行業(yè)發(fā)展的直接需求。制造資源狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)性維護(hù)也是當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生最為成熟的技術(shù)，軍工行業(yè)具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景。結(jié)合軍工重點(diǎn)單位的重大關(guān)鍵制造裝備資源，開展智能化數(shù)據(jù)狀態(tài)采集、制造資源狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析及故障判斷等，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的制造裝備資源狀態(tài)評(píng)估與預(yù)防性維護(hù)。

　　（5）基于數(shù)字孿生的虛擬試驗(yàn)測(cè)試

　　軍工行業(yè)具有大量高規(guī)格的試驗(yàn)測(cè)試裝置，但面臨著現(xiàn)有裝置潛力發(fā)揮和減少物理試驗(yàn)及其裝置高效發(fā)展的需求，具備開展基于數(shù)字孿生的虛擬試驗(yàn)測(cè)試的條件和需求。重點(diǎn)開展基于機(jī)理和數(shù)據(jù)綜合的虛擬性能評(píng)估推理建模、產(chǎn)品模型與試驗(yàn)測(cè)試模型的融合演變、基于物聯(lián)的物理與虛擬試驗(yàn)測(cè)試迭代優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的虛擬試驗(yàn)測(cè)試。

　　（6）基于數(shù)字孿生的服役性能與運(yùn)維評(píng)估

　　復(fù)雜裝備研制向全生命周期一體化綜合保障擴(kuò)展，向?qū)崙?zhàn)化服役性能及運(yùn)維保證方向發(fā)展，武器裝備的服役性能與運(yùn)維評(píng)估是軍工行業(yè)發(fā)展的最終衡量。重點(diǎn)開展基于數(shù)字孿生的在天在軌裝備性能評(píng)估、基于數(shù)字孿生的裝備故障預(yù)測(cè)與健康管控、基于數(shù)字孿生的裝備抗毀傷評(píng)估等，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)的服役性能與運(yùn)維評(píng)估。

　　（7）基于數(shù)字孿生的跨地域/專業(yè)的綜合研制集成

　　裝備研制生產(chǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的縱向集成向廣域范圍內(nèi)的跨領(lǐng)域/專業(yè)協(xié)同研制模式轉(zhuǎn)變，是提高裝備高效協(xié)同研制的發(fā)展趨勢(shì)，基于模型的系統(tǒng)工程和數(shù)字主線的深入發(fā)展也為數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。重點(diǎn)開展基于數(shù)字孿生的協(xié)同研制模型統(tǒng)一建模、基于數(shù)字孿生的協(xié)同研制業(yè)務(wù)流程的集成管控等，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的跨地域/專業(yè)的綜合研制集成。

　　（8）基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)保供生產(chǎn)供應(yīng)集成

　　復(fù)雜裝備的研制必然涉及到廣域范圍的人/物/業(yè)務(wù)的協(xié)同，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也必將為此提供有效的支撐。重點(diǎn)開展組織單位多位業(yè)務(wù)透明擴(kuò)散機(jī)制、基于數(shù)字孿生的聯(lián)動(dòng)保供管控、產(chǎn)業(yè)鏈的韌性重構(gòu)治理等，實(shí)現(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)保供生產(chǎn)供應(yīng)集成。

來源：智能制造隨筆