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新冠肺炎疫情的爆發與蔓延，讓制造業數字化轉型的需求和市場被激活。無論是“在線辦公”還是“企業上云”，都體現出企業對數字化技術的現實需求。

在新冠肺炎疫情沖擊、國內外需求受到雙重擠壓、我國經濟下行壓力增加的背景下，3月4日，中共中央政治局常務委員會會議提出，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。“新基建”成為了當前熱議的話題。

新基建主要聚焦于5G、人工智能、大數據中心、工業互聯網、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。毫無疑問，在國際疫情爆發、我國抗疫初顯成效之際，“新基建”的部署與開發對于推動我國新舊動能轉換進程、推動產業鏈升級、加速數字經濟發展等有著積極的現實意義和廣闊的發展前景。

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

阿里研究院副院長安筱鵬博士在最近的演講中表示，未來十年是新型基礎設施的安裝期，全球數字經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生態再造。數字基建是通向數字孿生世界的“鐵公基”。數字技術在與傳統基礎設施融合創新中，伴隨著新需求的不斷迭代，正在形成新的技術架構體系，建立一個數字孿生的世界。

在新基建中提到的工業互聯網也與數字孿生技術有著密不可分的關系。美國工業互聯網聯盟將數字孿生作為工業互聯網落地的核心和關鍵，德國工業4.0架構中也將數字孿生作為重要內容進行了強調。數字孿生的核心在于實現虛實融合，物理模型和數字孿生模型實現雙向映射。

工業互聯網的核心是對設備的進行廣泛連接，實現海量數據的匯集，繼而利用算法模型，對數據進行深度分析，從而獲得對生產設備運行的認知，最后通過工業應用結合業務邏輯，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，實現工業領域的整體優化。可以說，數字孿生是工業互聯網重要的應用場景，二者相互依存，互不分割。

除工業互聯網以外，數字孿生技術在新基建涉及的很多領域中都起到了非常重要的作用，因此企業應當重視數字孿生技術的應用，尋找到合適的應用場景來為企業創造價值。

數字孿生，通向“零”成本的新產品生產驗證和生產線優化之路

生產制造環節是數字孿生技術的一個重要應用場景。當前個性化、多元化的市場消費需求成為主流，制造業正面對日益激烈的市場競爭，面臨著巨大的時間、成本、質量、產品差異化等方面的壓力。企業難以適應市場環境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術手段迅速實現復工復產，是每個制造企業需要面對的問題；

除此以外，企業還面臨著很多棘手的問題需要解決，例如新產品研發和生產周期過長，無法實現從“以產定銷”到“按需生產”模式轉變；企業投入大量的人力物力財力進行產品創新，卻無法準確評估新產品是否可以在現有的制造條件下進行生產，因為新設計的產品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設備、新的生產線，如果在產品創新設計之初不仔細評估新產品的可制造性，則必然帶來巨大的隱患。

另外，工藝是連接設計和制造的橋梁。在產品越來越復雜的情況下，對制造工藝的要求也越來越高。但目前中國制造企業的工藝設計和工藝驗證的手段相對落后。同時，生產車間信息不透明，難以達成優化生產工藝、降低成本的目標；無法做到設備的預測性維護，工廠產能難以保證；無法實現產品質量追溯，售后服務水平難以提高；在新工廠規劃時，如何利用現有的技術手段，打造現代化智能工廠，還存在一定的困惑。

這些問題也與傳統車間復雜制造系統設計思路相關，過去基本都為線性開發的方式，結合經驗進行工程設計，再進行實體建造，這種方式無法充分反應實際問題，缺乏對系統進行全局考慮，存在對設計人員經驗依賴性強等問題，已經難以滿足制造企業對于生產系統優化的需求。

而搭建基于數字孿生技術的數字化工廠是解決這些問題的最佳途徑，通過依托產品整個周期的真實相關數據，在虛擬環境中對生產全過程進行仿真、優化及重構。通過創建虛擬模型來模擬生產過程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設備進行數字操作。這就可以使企業能夠快速配置生產系統，以最大限度地提高效率，提高資產利用率，防止停機，具備一定的靈活性。

因此，企業在數字化工廠建設中，通過數字孿生技術能夠并行完成“實物設備數字化、運動過程腳本化、系統整線集成化、控制指令下行同步化、現場信息上行并行化”，形成整線的執行引擎，實物設備與所對應的虛擬模型進行虛實互動、指令與信息同步，形成一個支持實物設備連線的車間快速設計、規劃、裝配與測試平臺。

數字化工廠建設的核心需求是對真實的產品制造過程進行嚴謹虛擬規劃和仿真分析優化，分析過程在數字化環境中進行，并在分析后將仿真和優化結果反饋到相關系統，用來驗證其可行性和系統生產能力。那么在構建數字化工廠時，如何實現這一目的來幫助系統架構師進行早期驗證？如何使得結構工程師了解動態行為？如何幫助軟件工程師進行早期驗證？面對這些難題，構建數字化工廠過程中需要用到一項叫做虛擬調試的關鍵的技術。

虛擬調試技術作為數字化工廠建設的一個功能，作為未來智能制造領域的技術趨勢，它具有很多優點。在計算機上模擬整個生產過程，包括機器人和自動化設備、PLC、變頻器、電機等單元，例如，機器人單元模型創建完成就可以在虛擬世界中進行測試和驗證。

虛擬調試技術可以在仿真模型“預演”的基礎之上，進行分析、評估、驗證，迅速發現系統運行中存在的問題和有待改進之處，并及時進行調整與優化，減少實體產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是基于實時3D內容開發平臺Unity的一款數字孿生軟件平臺，通過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、計劃優化、產線虛擬調試等場景。

在真正的嵌入式和高級控制軟件的驅動下，機械、裝備或工廠在賽博空間進行了完全建模，可再現系統組件的動態過程和行為。此外，模擬中還可以包括外部因素和環境因素的影響，例如人員，產品甚至交通，這樣就可以實現硬件和軟件的并行開發，極早期錯誤檢測，和“零缺陷”工程質量管理。

Prespective集成了工業軟件和數據接口、第三方模擬軟件接口、工業模型組件庫、仿真測試工具，支持各種工業動態數據傳輸以及XR等高級仿真技術。

虛擬樣機

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

計劃優化

Prespective提供了一個虛擬的世界，可以知道所有事物并可對其進行跟蹤；可以虛擬地進行計劃優化，驗證物理車間的生產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產品開發和生產。

 碰撞檢測

在新產品驗證時，物理系統中的碰撞可能會造成破壞，因此產生額外的風險和成本。Prespective可以提供一個安全的虛擬環境來檢測對象與機器人之間的碰撞，完成驗證。

一些知名企業正利用Prespective來改善工廠的產品驗證和測試效率：

FESTO是一家總部位于德國埃斯林根的跨國工業控制和自動化公司，2018年收入達31億歐元。FESTO通過設計虛擬樣機機架，并連接到帶有Prespective的可編程控制器（PLC），使工廠能夠在開始制造機器之前進行測試。LAN Handling正在使用Prespective為客戶在工廠生產線上測試產品；豐田（Toyota）、范德蘭德（Vanderlande），通過使用Prespective，在不同的用戶場景下，對控制軟件進行測試和驗證。瑪氏食品（Mars）在Prespective中模擬系統流程，節省了大量時間、空間和成本。

通過大量的實踐驗證，Prespective在數字化工廠建設中有以下幾點優勢：

• 第一，Prespective產品對于那些希望應用數字孿生技術來實現智能制造轉型并創造實際效益的企業來說是一個重要的突破口，也是工業互聯網平臺應用的最直觀可視化呈現的方式之一，值得企業去應用實踐。

同時，Prespective產品充分發揮了企業應用三維建模的優勢，凸顯了三維設計的價值，使三維模型不僅只是應用在產品設計階段，同時在生產階段也能夠充分發揮三維模型的價值，為打造基于模型的企業提供了重要支撐作用。

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

• 第三，Prespective可以提供一個近似于現實工廠的二維或者三維車間布局的數字孿生模型，為下一步根據工藝規劃和工序進行物流仿真提供了有利條件。Prespective虛擬調試技術能夠極大程度上對工廠的生產組織模式進行動態驗證和調整，對于車間產能狀況能夠迅速做出評估，指導工廠合理優化配置生產資源。

• 第四，越來越多的中國制造企業開始引入工業機器人完成抓舉、焊接、鉆孔、拋光、噴漆等工藝過程。由于客戶的需求的變化，生產線上生產的產品可能每隔一段時間就會進行調整；同時，由于產能需求不恒定，因此生產節拍可能也需要每隔一段時間進行調整。Prespective能夠確保這些工業機器人的控制程序可以及時調整以及仿真其工作狀態，保障工業機器人的合理運動軌跡，使生產線變的更加柔性化，加快生產組織切換調整效率。

總的來說，中國制造業“大而不強”，制造能力的不足是其中的一個軟肋，尤其是對于高精度、高可靠性、產品結構高度復雜、需要高度自動化加工、對產品質量要求很高的產品。在國家大力推進“新基建”這一背景下，Prespective通過對生產系統進行仿真優化與管理，對于制造業企業提升制造能力，提升制造質量、精度和產品的可靠性等方面，正是一劑良方，在中國的應用前景十分廣闊。

來源：數字化企業