面向智能制造全价值链的精益数字孪生体

作者：刘亮 姚春琦

当前，世界主要国家都在科技发展的新机遇中大力推动制造业产业创新，在这样的背景下德国提出了“工业４.０”概念，美国发布了先进制造业国家战略计划，我国也确定了以智能制造为核心建设制造强国的总体战略，这些战略计划都将实现智能制造作为新一轮制造业发展的核心。

随着智能制造的深入推进，目前以“人－网络－物理”系统为技术机制，贯穿于产品全生命周期的新一代智能制造正加速发展着，旨在进一步融合先进制造技术和智能技术，降低浪费，减少环境与资源的约束，并提升制造业的个性化与智能化水平。新一代智能制造的发展离不开新技术和管理体系的融入。

１.１数字孪生

早在美国系列载人登月飞行任务阿波罗计划中，就有了用“孪生体（Ｔｗｉｎ）”对登月飞船进行远程模拟仿真和地面辅助决策的应用实例。“数字孪生”的概念最早出现于２０１１年，在航空航天领域的研究中被应用于飞机结构寿命预测等方面。

2０１６年数字孪生的理论首次拓展到制造系统的研发和管理当中，并迅速受到学术界和工业界的关注。２０１７年中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生列为世界智能制造十大科技进展之一。数字孪生的最大技术优势在于能够实现物理层和信息层的双向映射。通过数据分析、高保真仿真模型等，数字孪生可以完成对现实物理系统的设计、监控、评估、预测、优化和控制，进而达到信息世界和物理世界互联互通的效果。

总之，数字孪生的应用增强了信息数据和物理环境的交互性，降低了物理系统设计运行的成本，减少了故障情况发生，提高了系统的鲁棒性、柔性与敏捷性。近年来，数字孪生技术在智能制造领域显现出巨大潜力，成为航空航天、汽车制造和机器人制造等行业所关注和探索的关键技术。

１. ２精益管理

精益管理（精益生产）最初起源于丰田汽车制造公司，是日本企业在资源稀缺和市场竞争激烈的背景下所推行的管理模式的代表，其主要内容包括准时制（ＪＩＴ）物流系统、看板拉动式生产、全员参与、尊重员工、重视经验积累，以及自动防错等方面。精益管理的核心是消除一切浪费、创造价值和持续改进。经过半个多世纪的发展，精益管理的应用早已不只限于制造生产领域而是渗透到各个行业之中，并被视为是能提高商业实践效果的成果性理论。实践证明，精益管理是现代制造业竞争优势的核心，没有精益管理打基础，智能制造也很难实施或做得更好。精益管理在消除浪费和创造价值上能取得卓越成效，可以显著提高生产力水平并改善行业现状。但在精益管理运用过程中也存在一定的局限性，例如难以应对生产波动和产品的快速更新换代等问题。

很多企业在面对精益管理时处于“小动作不解渴，大动作不敢尝试”的两难情境，精益管理似乎成为了一种难以落地的“时尚”或“艺术”。当前市场环境下，消费者的购买能力相较过去有了很大程度提高，并且对于产品多样化和个性化的需求不断增加，这就使得制造企业必须同时实现定制化和批量化，应运而生的大规模定制生产使得精益管理面临新问题，这些问题的解决，亟需新信息技术的应用。不断出现的智能制造新技术为精益管理持续创新提供了必要支持。 

２. １精益管理与数字孪生的关系

新一代智能制造的目标与核心在于融合先进制造技术和智能技术，这也就意味着实现制造环境物理层与信息层的共融将成为智能制造实现的关键点，而数字孪生技术正可以实现物理层和信息层的相互映射。数字孪生将物理层运行情况真实再现到信息层，同时信息层通过一系列运算实现对物理层的评估、预测和控制，使得物理系统能以最佳状态运行，两者相互作用形成了“感知—分析—决策—执行”的数字孪生闭环。

精益管理覆盖产品整个生命周期，贯穿产品研发、工厂设计、产品制造、分销服务和退市回收的全价值链，并且致力于通过精益管理实现流程标准化、全面质量管理和消除浪费等。在智能制造系统中，精益管理强调全过程持续改善，通过采用自働化和准时化等方法，消除各种形式的浪费，不断提升价值流动效率，而数字孪生技术的目的就是要打破物理因素限制，实现对变化的及时响应和实时优化。在企业全价值链和产品全生命周期管理中的精益管理和数字孪生技术如图１所示。数字孪生本身作为一项新信息技术，目前技术流程还不稳定，相关标准和关键绩效指标也还不尽完善，亟需引入成熟的管理思想和方法工具来帮助其真正发挥作用。 

精益管理恰好能为数字孪生提供成熟的管理思想、体系和方法工具。反过来，数字孪生技术也能为精益管理提供数字化手段，促进精益管理升级创新。面向智能制造应用，精益管理与数字孪生技术的相互提升作用如图２所示。

２.２“精益数字孪生体”的提出

综上所述，文中提出“精益数字孪生体”的概念。精益数字孪生体是以精益管理思想为指导，精益管理方法工具为基础条件，利用数字孪生技术对运营系统进行仿真、监控、评估、预测、优化和控制，面向企业全价值链和产品全生命周期流程管理，助力智能制造整体提升的一种数字孪生技术应用新范式。精益数字孪生体在智能制造领域内与精益管理、数字孪生的关系如图３所示。 

３. １精益数字孪生体

企业管理应用框架基于精益数字孪生体的概念和内涵，文中设计了如图４所示的精益数字孪生体面向企业全价值链的应用框架。该框架以ＰＤＣＡ闭环管理为基础，共包括３个层级和６个组成部分。３个层级分别是：

（１）物理实体层，该层由人员、智能工装设备和现场活动组成，负责现场生产数据的智能自动采集并开展现场精益管理实施过程；

（２）虚实交互层，该层在整个框架中承上启下，负责收集处理物理实体层传输进的数据并上传给数字虚拟层，同时接收数字虚拟层下达的优化控制信息并控制物理实体层实施；

（３）数字虚拟层，该层包括数字孪生部分和精益管理部分，数字孪生部分在对物理实体建模仿真的基础上开展监控、评估、预测、优化和控制，给出优化控制信息并交给下一层执行；精益管理部分指导支撑数字孪生进行建模仿真和决策优化，并在企业研发、设计、制造、物流、服务全价值链上实施精益管理。

３. ２精益数字孪生体产品管理应用框架

面向产品从设计到退市的全生命周期阶段流程，文中设计了如图５所示的精益数字孪生体在产品全生命周期管理中的应用框架，充分发挥了数字孪生技术和精益管理的集成优势。

图5 精益数字孪生体在产品全生命周期管理中的应用框架

产品设计阶段在精益设计方法和要求的指导下主导实施，数字孪生技术则在这个阶段提供完整的产品设计“数字足迹”，并可通过构建产品虚拟设计空间加速产品迭代优化，使产品设计周期和成本大大降低。产品制造阶段在精益生产体系下开展，并由数字孪生提供大数据实时优化决策支持，大大提高生产系统的关键绩效指标。产品售后服务阶段引入精益多功能服务团队，在数字孪生技术的模型服务、数据服务、算法服务支持下，可以有效实现客户的个性化管理与服务业务的高效运行。在这个应用框架下，数字孪生技术实现了对产品全生命周期数据的精益感知映射，也为下一代产品的精益创新和企业精益能力提升奠定了坚实基础。

智能制造成功的关键之一在于实现物理层和信息层的融合，因此探索数字孪生技术的应用模式是重要且必要的。文中通过研究精益管理、数字孪生技术在智能制造领域内的相互作用关系，论证提出了“精益数字孪生体”的新概念，在理论上阐明了在智能制造背景下将数字孪生技术与精益管理进行融合是可行且有利的。精益数字孪生体的提出给数字孪生技术在智能制造全价值链中的应用指出了一个新方向，相信在未来该范式会在实践中得到丰富和发展，成为助力我国制造强国战略实现的新力量。

原文刊载于《机械工程》2022年1月 作者：刘亮 姚春琦 李晓梅