数字孪生如何驱动智能制造进一步发展？

2020年9月18日，中国工程院在机械运载领域发布了工程研究前沿（一共9个领域，184个前沿研究与开发），题目是：数字孪生驱动的智能制造。数字孪生是当前的热点，智能制造走到了现在，数字孪生已经被大家认为是一个普遍的抓手。这个还是有道理的。下面笔者就结合自己的认识和理解，对这个题目进行一下初步的分析，仅供大家参考。

（1）数字孪生与智能制造的关系

对于智能制造，我们有一个普遍的模式概念，就是涵盖：感知、识别、采集、分析、推理和执行，形成这么一个闭环，其核心的理念就是赛博物理系统（CPS）。

CPS的对象是产品或者制造资源。我们可以建立面向产品的CPS。不管是从产品的功能性能，还是说运行服役，也可以在这个过程当中加入产品形成过程所需要的制造资源，甚至现在也有一些直接面向制造资源的，比如设备状态的预测与维护等等。这些都是从不同的层次或者维度对CPS各种应用形式的一种延伸。

在CPS的各种应用方式上来说，其背后的关键都是要构建与物理实体相对应的或者部分相对应的软件层次的分级推理决策模型。其实这个也不是说，好像数字孪生是完全全新创造出来的概念，而更多的是一种既有一些应用方式的总结，当然了，概念清楚之后，其内涵可以得到更大的明确和发挥可以指导我们后续的工作。比如我们一直在进行的各种独立的物理场或者多个物理层融合的CAE分析，虽然这个CAE分析，很大程度上，在传统当中是一种离线的或者说是一种脱离了实体所进行的（或者结合对一部分实体的抽象，比如半实物仿真等等），后来进一步发展之后，我们加入了实验测试来完善我们的CAE析模型，使得结果能够更加的准确或者得到修正。比如我们经常对于产品来进行一些遥操作，而这种遥操作的本质是建立了物理实体产品的行为动作模型，我们可以将我们的指令干预进去，使得实体产品能够按照模型所表达的以及与实物相对应的行为方式进行运行。其实这些也都是CPS的一些传统应用，而其中所见的非物理实体这一部分。现在将其称之为数字孪生体。

其实不管是CPS还是数字孪生，其表现形式上来说，是基于物理实体附加软件或者赛博层面的系统进行融合，其目的是为了能够更加精准精确精细的描述物理实体的行为内涵，也有利于我们对物理实体的功能性能和行为进行更加准确的分析和预测。

在融合的基础上，这个链条其实是一个闭环的链条。我们可以借助于工业互联或者物联来获得产品或者产品制造过程当中的各种状态数据，并进一步的构建基于这些状态数据的分析推理模型，在做出分析推理决策之后，对物理实体或系统进行干预，这是一个完整的闭环控制过程也是典型的赛博物理系统所追求的要点。而在这个链条当中，最重要的是所构建的分析推理模型。其核心的目的是决策。一般来说这种决策都是比较复杂的，这种分级推理决策模型也是很难建立的，但这正是我们努力的方向。

智能制造不管是从字面的含义，还是说是从技术的角度来说，其落脚点都是制造，都是在为制造赋予智能化或者说赋能。而制造的对象就是产品积极制造过程以及产品的服役运行，围绕着这些来开展GPS或者数字孪生，是非常贴切的，也是直接面向了问题。

从产品本身来说。这个产品都是对物理规律的某种运用。我们所做的CAE分析，也是在试图。主动的掌握产品背后的物理机理模型。而这些物理机理模型。目前在实际运用过程当中，主要还是掌握在产品设计人员的头脑之中的，也就是他们的知识与经验。因此这种物理机理模型的构建一定是需要非常好的专业背景机器，多专业的一种综合。这是企业的实际业务。如果是简单的事情，可能大家也会发现，就没有必要使用那么多设计分析人员了，正是因为这些设计分析人员的知识和经验无可替代或者说难以替代。才为我们的技术发展指明了方向，这是与实际业务直接密切相关的。

而对于产品的形成过程来说。最主要涉及到两个方面，一是管理决策，二是工艺决策。这个一般来说也是企业的核心竞争优势重点，否则的话，也就无从来区分各个企业之间的差别了。数字孪生的提出，其本意或者说出发点更多的是面向工艺决策（建立产品形成过程当中，各个工艺环节的工艺推理决策时间类似自适应加工等等典型的智能制造的特点），是对我们之前关于智能制造或者说CPS更多地关注于管理层是方面或者说过于关注管理层次方面的一种纠正。当然了，我们也不能走向极端。因为对于制造运行过程来说。管理也是极其重要的。面向管理所构建的这种模型与我们传统的工艺机理分析决策模型相比来说。可能在显示度上面要差一些，但是这个也是绝对必要的，比如我们面向产线车间或者工厂运行所构建的APS模型，其实也是一种数字孪生在管理决策方面的一种体现。

通过上面的一些分析和描述，我们可以看到。数字孪生所关注的东西与智能制造所应该关注的东西其实是高度契合的。因此将数字男生当做智能制造的抓手是很有必要也是非常正确的。

多说一句，既然大家都接受了数字孪生这个东西，其实也没有必要非的纠结于说数字孪生与CPS没有本质上的区别，我们干脆就用CPS来说吧，其实这些都是无所谓的，可能数字孪生更加平易近人或者这个词语就能够比较明要做哪些事情，而赛博物理系统相对来说比较抽象，虽然赛博物理系统更加学术化一些或者严谨一些，但不可否认，数字孪生这个词儿还是比较形象的。