新冠肺炎疫情的爆發(fā)與蔓延，讓制造業(yè)數字化轉型的需求和市場(chǎng)被激活。無(wú)論是“在線(xiàn)辦公”還是“企業(yè)上云”，都體現出企業(yè)對數字化技術(shù)的現實(shí)需求。

在新冠肺炎疫情沖擊、國內外需求受到雙重擠壓、我國經(jīng)濟下行壓力增加的背景下，3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì )會(huì )議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò )、數據中心等新型基礎設施建設進(jìn)度?！靶禄ā背蔀榱水斍盁嶙h的話(huà)題。

新基建主要聚焦于5G、人工智能、大數據中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓、城際高鐵和軌道交通以及新能源充電樁等基礎設施的建設。毫無(wú)疑問(wèn)，在國際疫情爆發(fā)、我國抗疫初顯成效之際，“新基建”的部署與開(kāi)發(fā)對于推動(dòng)我國新舊動(dòng)能轉換進(jìn)程、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級、加速數字經(jīng)濟發(fā)展等有著(zhù)積極的現實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景。

區別于傳統基建側重的以發(fā)展交通運輸、水利設施等為例的實(shí)體規模及固定資產(chǎn)等概念，“新基建” 的內涵更加豐富，涵蓋范圍更廣，更能體現數字經(jīng)濟特征，它更強調的是創(chuàng )新化、數字化、智能化、綠色化的新型發(fā)展理念。

阿里研究院副院長(cháng)安筱鵬博士在最近的演講中表示，未來(lái)十年是新型基礎設施的安裝期，全球數字經(jīng)濟最重要的主題之一是數字基礎設施的重構、切換與遷徙，以及基于新型數字基礎設施的商業(yè)生態(tài)再造。數字基建是通向數字孿生世界的“鐵公基”。數字技術(shù)在與傳統基礎設施融合創(chuàng )新中，伴隨著(zhù)新需求的不斷迭代，正在形成新的技術(shù)架構體系，建立一個(gè)數字孿生的世界。

在新基建中提到的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也與數字孿生技術(shù)有著(zhù)密不可分的關(guān)系。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，德國工業(yè)4.0架構中也將數字孿生作為重要內容進(jìn)行了強調。數字孿生的核心在于實(shí)現虛實(shí)融合，物理模型和數字孿生模型實(shí)現雙向映射。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是對設備的進(jìn)行廣泛連接，實(shí)現海量數據的匯集，繼而利用算法模型，對數據進(jìn)行深度分析，從而獲得對生產(chǎn)設備運行的認知，最后通過(guò)工業(yè)應用結合業(yè)務(wù)邏輯，把分析得到的結論轉為最佳的決策并賦予其可執行的行動(dòng)，實(shí)現工業(yè)領(lǐng)域的整體優(yōu)化?？梢哉f(shuō)，數字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要的應用場(chǎng)景，二者相互依存，互不分割。

除工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以外，數字孿生技術(shù)在新基建涉及的很多領(lǐng)域中都起到了非常重要的作用，因此企業(yè)應當重視數字孿生技術(shù)的應用，尋找到合適的應用場(chǎng)景來(lái)為企業(yè)創(chuàng )造價(jià)值。

數字孿生，通向“零”成本的新產(chǎn)品生產(chǎn)驗證和生產(chǎn)線(xiàn)優(yōu)化之路

生產(chǎn)制造環(huán)節是數字孿生技術(shù)的一個(gè)重要應用場(chǎng)景。當前個(gè)性化、多元化的市場(chǎng)消費需求成為主流，制造業(yè)正面對日益激烈的市場(chǎng)競爭，面臨著(zhù)巨大的時(shí)間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等方面的壓力。企業(yè)難以適應市場(chǎng)環(huán)境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術(shù)手段迅速實(shí)現復工復產(chǎn)，是每個(gè)制造企業(yè)需要面對的問(wèn)題；

除此以外，企業(yè)還面臨著(zhù)很多棘手的問(wèn)題需要解決，例如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過(guò)長(cháng)，無(wú)法實(shí)現從“以產(chǎn)定銷(xiāo)”到“按需生產(chǎn)”模式轉變；企業(yè)投入大量的人力物力財力進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng )新，卻無(wú)法準確評估新產(chǎn)品是否可以在現有的制造條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因為新設計的產(chǎn)品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設備、新的生產(chǎn)線(xiàn)，如果在產(chǎn)品創(chuàng )新設計之初不仔細評估新產(chǎn)品的可制造性，則必然帶來(lái)巨大的隱患。

另外，工藝是連接設計和制造的橋梁。在產(chǎn)品越來(lái)越復雜的情況下，對制造工藝的要求也越來(lái)越高。但目前中國制造企業(yè)的工藝設計和工藝驗證的手段相對落后。同時(shí)，生產(chǎn)車(chē)間信息不透明，難以達成優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低成本的目標；無(wú)法做到設備的預測性維護，工廠(chǎng)產(chǎn)能難以保證；無(wú)法實(shí)現產(chǎn)品質(zhì)量追溯，售后服務(wù)水平難以提高；在新工廠(chǎng)規劃時(shí)，如何利用現有的技術(shù)手段，打造現代化智能工廠(chǎng)，還存在一定的困惑。

這些問(wèn)題也與傳統車(chē)間復雜制造系統設計思路相關(guān)，過(guò)去基本都為線(xiàn)性開(kāi)發(fā)的方式，結合經(jīng)驗進(jìn)行工程設計，再進(jìn)行實(shí)體建造，這種方式無(wú)法充分反應實(shí)際問(wèn)題，缺乏對系統進(jìn)行全局考慮，存在對設計人員經(jīng)驗依賴(lài)性強等問(wèn)題，已經(jīng)難以滿(mǎn)足制造企業(yè)對于生產(chǎn)系統優(yōu)化的需求。

而搭建基于數字孿生技術(shù)的數字化工廠(chǎng)是解決這些問(wèn)題的最佳途徑，通過(guò)依托產(chǎn)品整個(gè)周期的真實(shí)相關(guān)數據，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化及重構。通過(guò)創(chuàng )建虛擬模型來(lái)模擬生產(chǎn)過(guò)程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠(chǎng)車(chē)間里所有連接的機器、工具和設備進(jìn)行數字操作。這就可以使企業(yè)能夠快速配置生產(chǎn)系統，以最大限度地提高效率，提高資產(chǎn)利用率，防止停機，具備一定的靈活性。

因此，企業(yè)在數字化工廠(chǎng)建設中，通過(guò)數字孿生技術(shù)能夠并行完成“實(shí)物設備數字化、運動(dòng)過(guò)程腳本化、系統整線(xiàn)集成化、控制指令下行同步化、現場(chǎng)信息上行并行化”，形成整線(xiàn)的執行引擎，實(shí)物設備與所對應的虛擬模型進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)、指令與信息同步，形成一個(gè)支持實(shí)物設備連線(xiàn)的車(chē)間快速設計、規劃、裝配與測試平臺。

數字化工廠(chǎng)建設的核心需求是對真實(shí)的產(chǎn)品制造過(guò)程進(jìn)行嚴謹虛擬規劃和仿真分析優(yōu)化，分析過(guò)程在數字化環(huán)境中進(jìn)行，并在分析后將仿真和優(yōu)化結果反饋到相關(guān)系統，用來(lái)驗證其可行性和系統生產(chǎn)能力。那么在構建數字化工廠(chǎng)時(shí)，如何實(shí)現這一目的來(lái)幫助系統架構師進(jìn)行早期驗證？如何使得結構工程師了解動(dòng)態(tài)行為？如何幫助軟件工程師進(jìn)行早期驗證？面對這些難題，構建數字化工廠(chǎng)過(guò)程中需要用到一項叫做虛擬調試的關(guān)鍵的技術(shù)。

虛擬調試技術(shù)作為數字化工廠(chǎng)建設的一個(gè)功能，作為未來(lái)智能制造領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，它具有很多優(yōu)點(diǎn)。在計算機上模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，包括機器人和自動(dòng)化設備、PLC、變頻器、電機等單元，例如，機器人單元模型創(chuàng )建完成就可以在虛擬世界中進(jìn)行測試和驗證。

虛擬調試技術(shù)可以在仿真模型“預演”的基礎之上，進(jìn)行分析、評估、驗證，迅速發(fā)現系統運行中存在的問(wèn)題和有待改進(jìn)之處，并及時(shí)進(jìn)行調整與優(yōu)化，減少實(shí)體產(chǎn)品系統的更改與返工次數，從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。

Prespective是基于實(shí)時(shí)3D內容開(kāi)發(fā)平臺Unity的一款數字孿生軟件平臺，通過(guò)導入工程系統設計文件在賽博空間生成數字雙胞胎，應用于虛擬系統驗證、虛擬樣機、碰撞檢測、計劃優(yōu)化、產(chǎn)線(xiàn)虛擬調試等場(chǎng)景。

在真正的嵌入式和高級控制軟件的驅動(dòng)下，機械、裝備或工廠(chǎng)在賽博空間進(jìn)行了完全建模，可再現系統組件的動(dòng)態(tài)過(guò)程和行為。此外，模擬中還可以包括外部因素和環(huán)境因素的影響，例如人員，產(chǎn)品甚至交通，這樣就可以實(shí)現硬件和軟件的并行開(kāi)發(fā)，極早期錯誤檢測，和“零缺陷”工程質(zhì)量管理。

Prespective集成了工業(yè)軟件和數據接口、第三方模擬軟件接口、工業(yè)模型組件庫、仿真測試工具，支持各種工業(yè)動(dòng)態(tài)數據傳輸以及XR等高級仿真技術(shù)。

虛擬樣機

工程技術(shù)人員通過(guò)在Prespective中上傳新產(chǎn)品CAD模型、定義產(chǎn)品行為、連接到邏輯化的可編程邏輯控制器（PLC）以及控制軟件進(jìn)行虛擬測試和系統調試，及時(shí)找出問(wèn)題、反饋和修改。Prespective能夠縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間，大幅減少總擁有成本（TCO）。

計劃優(yōu)化

Prespective提供了一個(gè)虛擬的世界，可以知道所有事物并可對其進(jìn)行跟蹤；可以虛擬地進(jìn)行計劃優(yōu)化，驗證物理車(chē)間的生產(chǎn)計劃調整后的可行性；向系統中添加虛擬傳感器以增加數據收集并改進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。

 碰撞檢測

在新產(chǎn)品驗證時(shí)，物理系統中的碰撞可能會(huì )造成破壞，因此產(chǎn)生額外的風(fēng)險和成本。Prespective可以提供一個(gè)安全的虛擬環(huán)境來(lái)檢測對象與機器人之間的碰撞，完成驗證。

一些知名企業(yè)正利用Prespective來(lái)改善工廠(chǎng)的產(chǎn)品驗證和測試效率：

FESTO是一家總部位于德國埃斯林根的跨國工業(yè)控制和自動(dòng)化公司，2018年收入達31億歐元。FESTO通過(guò)設計虛擬樣機機架，并連接到帶有Prespective的可編程控制器（PLC），使工廠(chǎng)能夠在開(kāi)始制造機器之前進(jìn)行測試。LAN Handling正在使用Prespective為客戶(hù)在工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上測試產(chǎn)品；豐田（Toyota）、范德蘭德（Vanderlande），通過(guò)使用Prespective，在不同的用戶(hù)場(chǎng)景下，對控制軟件進(jìn)行測試和驗證?，斒鲜称罚∕ars）在Prespective中模擬系統流程，節省了大量時(shí)間、空間和成本。

通過(guò)大量的實(shí)踐驗證，Prespective在數字化工廠(chǎng)建設中有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

• 第一，Prespective產(chǎn)品對于那些希望應用數字孿生技術(shù)來(lái)實(shí)現智能制造轉型并創(chuàng )造實(shí)際效益的企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的突破口，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用的最直觀(guān)可視化呈現的方式之一，值得企業(yè)去應用實(shí)踐。

同時(shí)，Prespective產(chǎn)品充分發(fā)揮了企業(yè)應用三維建模的優(yōu)勢，凸顯了三維設計的價(jià)值，使三維模型不僅只是應用在產(chǎn)品設計階段，同時(shí)在生產(chǎn)階段也能夠充分發(fā)揮三維模型的價(jià)值，為打造基于模型的企業(yè)提供了重要支撐作用。

• 第二，從產(chǎn)品研發(fā)角度來(lái)講“質(zhì)量是設計出來(lái)的”，Prespective可以將產(chǎn)品的加工過(guò)程、裝配過(guò)程用可視化的方式真實(shí)展現在設計人員面前，讓設計人員可以在產(chǎn)品正式生產(chǎn)前就對產(chǎn)品設計的可制造性進(jìn)行調整，真正實(shí)現DFM（面向制造的設計）和面向維護的設計，從而使得產(chǎn)品的質(zhì)量設計水平得以提高。

• 第三，Prespective可以提供一個(gè)近似于現實(shí)工廠(chǎng)的二維或者三維車(chē)間布局的數字孿生模型，為下一步根據工藝規劃和工序進(jìn)行物流仿真提供了有利條件。Prespective虛擬調試技術(shù)能夠極大程度上對工廠(chǎng)的生產(chǎn)組織模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗證和調整，對于車(chē)間產(chǎn)能狀況能夠迅速做出評估，指導工廠(chǎng)合理優(yōu)化配置生產(chǎn)資源。

• 第四，越來(lái)越多的中國制造企業(yè)開(kāi)始引入工業(yè)機器人完成抓舉、焊接、鉆孔、拋光、噴漆等工藝過(guò)程。由于客戶(hù)的需求的變化，生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)的產(chǎn)品可能每隔一段時(shí)間就會(huì )進(jìn)行調整；同時(shí)，由于產(chǎn)能需求不恒定，因此生產(chǎn)節拍可能也需要每隔一段時(shí)間進(jìn)行調整。Prespective能夠確保這些工業(yè)機器人的控制程序可以及時(shí)調整以及仿真其工作狀態(tài)，保障工業(yè)機器人的合理運動(dòng)軌跡，使生產(chǎn)線(xiàn)變的更加柔性化，加快生產(chǎn)組織切換調整效率。

總的來(lái)說(shuō)，中國制造業(yè)“大而不強”，制造能力的不足是其中的一個(gè)軟肋，尤其是對于高精度、高可靠性、產(chǎn)品結構高度復雜、需要高度自動(dòng)化加工、對產(chǎn)品質(zhì)量要求很高的產(chǎn)品。在國家大力推進(jìn)“新基建”這一背景下，Prespective通過(guò)對生產(chǎn)系統進(jìn)行仿真優(yōu)化與管理，對于制造業(yè)企業(yè)提升制造能力，提升制造質(zhì)量、精度和產(chǎn)品的可靠性等方面，正是一劑良方，在中國的應用前景十分廣闊。

來(lái)源：數字化企業(yè)