智能制造解決方案的探索與研究
本文介紹了一種智能制造的解決方案和途徑，在探索和研究智能制造原理、方法以及措施的基礎之上，提出了采用“數字化雙胞胎”模型為核心支撐的智能制造解決方案，并結合國內制造企業(yè)現狀和條件，提出對傳統制造業(yè)實現智能制造采取三步走的戰(zhàn)略和措施，為正在和即將進行智能制造改造、建設的企業(yè)和技術人員提供參考和指導。
一、引言
全球產業(yè)競爭格局正在發(fā)生重大調整，發(fā)達國家紛紛實施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，重塑制造業(yè)競爭新優(yōu)勢。一些發(fā)展中國家也在加快謀劃和布局，積極參與全球產業(yè)再分工，承接產業(yè)及資本轉移，拓展國際市場空間。我國制造業(yè)面臨發(fā)達國家和其他發(fā)展中國家“雙向擠壓”的嚴峻挑戰(zhàn)，必須放眼全球，加緊戰(zhàn)略部署，著眼建設制造強國，搶占制造業(yè)新一輪競爭制高點。基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革，引領我國制造業(yè)向智能化轉型升級。
按照“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”的相關要求，制造企業(yè)通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統（Cyber-Physical System) 相結合的手段，實現企業(yè)由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，實現企業(yè)向智能化轉型，打造智能制造企業(yè)。
由此，智能制造涉及諸多不同企業(yè)、部門和領域，以不同速度發(fā)展的漸進性過程，跨行業(yè)、跨部門的協作成為必然。智能制造涉及到諸多技術，諸如物聯網、大數據、云計算等等，但是企業(yè)要緊緊圍繞智能制造“三大主題”，包括智能工廠、智能生產以及智能物流建設，結合自身發(fā)展現狀，一步一個腳印地推進企業(yè)智能制造落地。
本文通過智能制造解決方案的探索和研究，提出一種基于“數字化雙胞胎”模型為核心的智能制造解決方案，提供給企業(yè)建設智能制造作參考和思考。
二、智能制造解決方案
1.總體架構
圖1是經典的智能制造解決方案的總體架構，以智能工廠為載體、以生產關鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端的數據流等為基礎、以全面深度互聯為支撐是智能制造的主要特征。打造生產企業(yè)智能制造，主要打造智能生產、智能物流和智能能源三個方面，但核心還是建立以智能生產、智能物流為依托的智能工廠。具體目標如下：
一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；
二是“智能生產”，主要涉及整個企業(yè)的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業(yè)生產過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業(yè)生產技術的創(chuàng)造者和供應者；
三是“智能物流”，主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，充分發(fā)揮現有物流資源供應方的效率，而需求方則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。
數字化雙胞胎是實際產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測對應物的性能特點。應用數字化雙胞胎在整個產品生命周期中仿真、預測和優(yōu)化產品與生產系統。 通過結合多物理場景仿真、數據分析和機器學習功能，數字化雙胞胎不再需要搭建實體原型，即可展示設計變更、使用場景、環(huán)境條件和其他無限變量所帶來的影響。數字化雙胞胎采用了安裝在實際對象上的傳感器數據來確定對象的實時性能、操作條件，以及隨時間產生的更改。 使用這些數據，數字化雙胞胎將不斷演進并持續(xù)更新，從而反映整個產品生命周期中實際對應物的變化，在虛擬環(huán)境中打造閉環(huán)反饋，使公司能夠以最低的成本不斷優(yōu)化其產品、生產和性能。
“數字化雙胞胎”智能制造核心模型，如圖2，
模型架構支持企業(yè)進行整個價值鏈的整合及數字化轉型，為從產品設計、生產規(guī)劃、工程組態(tài)、生產實施直至服務的各個環(huán)節(jié)打造一致的、無縫的數據平臺，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現實企業(yè)鏡像。涉及到數字化從業(yè)務架構到生產流程等領域的多重需要，包括“產品數字化雙胞胎”、“生產數字化雙胞胎“、“工藝流程數字化雙胞胎”和“設備數字化雙胞胎”、“物流數字化雙胞胎”以及“績效數字化雙胞胎”，完整真實地再現了整個企業(yè)，幫助企業(yè)在實際投入生產之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產過程中也可同步優(yōu)化整個企業(yè)流程，最終實現高效的柔性生產、智能制造。數字化雙胞胎智能制造核心模型由以下幾個核心部分組成：
（1）信息物理系統網絡
將物理設備連到互聯網上,讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能,實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。信息物理系統可以將資源、信息、物體以及人緊密聯系在一起,從而創(chuàng)造物聯網及相關服務，并將生產工廠轉變?yōu)橐粋€智能基礎網絡環(huán)境。包括傳統互聯網、移動互聯網、工業(yè)互聯網、物聯網等。網絡、云計算與大數據之間關系，如圖3。
（2）系統仿真“訓練”學習模型
仿真是是數字化雙胞胎智能制造核心模型的基石，利用三維模型和VR技術，建立研發(fā)、生產、工藝、物流、設備等仿真模型，利用仿真技術建立虛擬世界中與物理系統的映射，利用該映射展示產品的性能或工藝過程。模擬并監(jiān)控物理系統的真實使用，對物理系統的性能進行評估，對故障或使用問題進行診斷，尋找根本原因。預測系統故障，提前制定規(guī)劃或者維護方案，優(yōu)化系統的使用性能，提高系統使用壽命。通過云計算和大數據平臺的數據，對仿真模型進行不斷“訓練”，達到自學習目的，形成解決方案庫，數字化雙胞胎就是類似仿真模擬一些工廠的實際操作空間（如生產線），真實而精確系統是否在現實當中能承受各種條件，取得成功。
（3）大數據、云計算平臺
將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過信息物理系統形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，實現機器、設備、系統、人、物等關聯對象的數據采集，通過清洗、轉換、加載等過程，建立大數據平臺。云計算提供海量數據按照仿真模型模擬驗證和數字化雙胞胎模型的計算，形成最優(yōu)的解決方案。
（4）虛擬企業(yè)“鏡像”物理企業(yè)
利用數字、統計、圖形、邏輯規(guī)則等元素，通過仿真感知方式，采用數字化技術手段建立企業(yè)數字化模型，包括“產品數字化雙胞胎”、“生產數字化雙胞胎”、“工藝流程數字化雙胞胎”和“設備數字化雙胞胎”、“物流數字化雙胞胎”以及“績效數字化雙胞胎”等，完整的實現企業(yè)場景、工藝流程、生產執(zhí)行、故障處理、物流配送、設備執(zhí)行、產品研發(fā)等的“畫像”。采用自動化實現技術，通過傳感、實驗等感知方式，完成對物理企業(yè)的驅動、設備、遠程I/O、HMI、移動控制、電機一體化工程等執(zhí)行動作。從而實現虛擬企業(yè)和物理企業(yè)的互動。通過大數據平臺對數字化雙胞胎模型的處理，不斷“訓練”仿真模型，不斷地優(yōu)化仿真模型，充實仿真模型庫，不斷實現映射、監(jiān)控與操縱、診斷、預測等的閉環(huán)優(yōu)化與控制，使得整個智能制造涵蓋的主體與對象不斷的賦予智慧，從而實現智能制造。
三、智能制造實施路徑
目前，我國制造企業(yè)所處的行業(yè)、領域不同，發(fā)展程度各異，所以企業(yè)發(fā)展智能制造不能一蹴而就，而要根據所處的行業(yè)情況，自身發(fā)展階段而定，實實在在推進企業(yè)轉型。企業(yè)在幾年數字化、網絡化、智能化相互遞進和促進下，未來工廠會以數字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，來模擬現實場景中的各種行為，通過構建整個制造流程的企業(yè)數字化雙胞胎模型，將實現企業(yè)智能制造，賦能企業(yè)成功轉型。由此，企業(yè)實現智能制造大致分三個階段：
首先，實現企業(yè)數字化和全自動控制，通過大量數據采集，包括工業(yè)過程數據采集以及過程數字化，工業(yè)傳感器數據采集以及設備、環(huán)境數字化，換言之也就是對場景、環(huán)境、設備、對象、過程、流程等一切數據的數字化，在此基礎上實現“數控一代”。
其次，充分的網絡化，其目標將向著充分互聯互通、高速傳輸、云端計算發(fā)展，互聯網將向著與人類大腦高度相似的方向進化，它將具備自己的視覺、聽覺、觸覺、運動神經系統，也會擁有自己的記憶神經系統、中樞神經系統、自主神經系統，也就是說，互聯網正在形成一個互聯網大腦。
最后，在“數控一代”的基礎之上，對工廠內部、外部以及產品整個生命周期過程的充分網絡化，在企業(yè)數字化雙胞胎模型的支撐下，利用云計算大數據等技術，實現“智能一代”。