關鍵詞：裝備 數字孿生 數字孿生裝備 數字化裝備 智慧裝備

縱觀數千年的人類文明發展歷程，各式各樣的工具、裝置、裝備幫助人類大幅提高創新和生產效率，與此同時，人類的創新活動和新的應用需求又不斷反作用於工具、裝置、裝備的創新與改良，推動其功能不斷升級更新。隨著工具、裝置、裝備和相關技術的迭代升級，人類文明已先後跨越了石器時代、青銅時代、鐵器時代、蒸汽時代和電氣時代，進入了當下的資訊時代。在資訊時代中，由具有機械結構和電氣特性的複雜裝置和工具以及相應軟體系統組成的現代裝備，深度參與制造工業、土木工程、醫療衛生、國防軍工、農業生產、資源勘採、倉儲物流、資訊通訊、交通運輸、科學研究、空間探索、生活娛樂等各大領域的相關活動，對人類的生產和生活產生重要積極影響。然而，不斷變化的國際競爭環境和國內經濟發展趨勢，以及不斷湧現並逐漸成熟的新一代資訊科技，對裝備的未來發展提出了新的挑戰和新的需求。

1.1

新環境、新趨勢、新挑戰

經濟全球化迫使裝備進一步高質量發展。當前，經濟全球化引導著各種生產要素和資源在全球範圍內最佳化組合和配置，在促進多方合作和全球經濟迅速發展的同時，加速了各行業從增量發展轉變為存量競爭與多方博弈。為提高行業競爭力以面對新的挑戰，要求未來裝備進一步提高質量、增加效率、豐富功能[1]。

疫情/後疫情時代凸顯裝備遠端/自治執行重要性。2020年新冠疫情全面爆發，導致大量勞動力被迫在家隔離防護，各類裝備/裝置因缺少操控人員而無法正常執行，大批工廠和設施也因此被迫關閉，對全球實體經濟造成了重大不利影響。為提高經濟發展對於不確定性事件的韌性，要求未來裝備具備遠端運維管控、自治和自適應執行的能力。

碳達峰/碳中和要求裝備綠色低碳環境友好。自20世紀90年代以來，快速的工業化和城市化造成自然資源的嚴重透支和汙染物的超標排放，引發溫室效應、酸雨、霧霾等一系列環境問題，嚴重威脅人類的生存。為貫徹可持續發展理念，並如期實現碳達峰、碳中和目標，要求未來裝備在製造加工、運維管控、報廢回收等環節降低能耗，減少汙染物排放。

突破裝備自主研製技術瓶頸是實現裝備強國的必由之路。近年來，中外貿易摩擦不斷，對我國依賴高階裝備和核心軟硬體引進的產業產生不利影響，不僅如此，國家重要產業相關裝備的研製技術受制於人，核心軟體依賴於人，還會產生巨大的安全隱患。為突破“被卡脖子”的困境，要求未來裝備關鍵零部件、核心軟體以及研發、製造、組裝、測試等相關技術全面自主化，並增強智慧財產權保護意識，以及提高裝備產業鏈和供應鏈的自主可控能力。

數字經濟亟需數字化裝備大力支援，新一代資訊科技賦能裝備全面升級。自“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃將資訊科技確立為七大戰略性新興產業之一被重點推進以來，網際網路、大資料、5G、人工智慧、區塊鏈等新一代資訊科技發展迅速，與傳統產業融合日益深化，催生了一批有活力有韌性的新產業、新業態、新模式[2]。國家“十四五規劃”再次強調加快數字化發展，大力推進數字產業化和產業數字化，推動數字經濟和實體經濟深度融合，打造具有國際競爭力的數字產業叢集[3]。2021年10月，中央政治局第三十四次集體學習中又一次強調，發展數字經濟是把握新一輪科技革命和產業變革新機遇的戰略選擇[4]。為進一步激發數字經濟潛能，並促進實體經濟健康可持續發展，要求各行業現有裝備應充分融合新一代資訊科技，開創裝備實體、資料和新一代資訊科技的閉環迭代與互補最佳化的良性迴圈模式[5]。

綜上所述，我國亟需實現現有各類裝備的數字化賦能、網路化互聯、智慧化升級，以及裝備軟硬系統的自主可控，並貫徹綠色低碳可持續發展理念，創新裝備全生命週期各階段運作模式，鑄造大國重器，建設裝備強國。

1.2

未來裝備全生命週期新需求

裝備全生命週期可劃分為設計與驗證、製造與測試、交付與培訓、運維與管控、報廢與回收五大階段。為應對新環境、新趨勢和新挑戰，未來裝備在全生命週期各階段存在以下具體新需求。

1.2.1

裝備設計與驗證階段新需求

(1)設計經驗可傳承，模型/資料可複用

裝備在設計及驗證過程中會產生資料和模型，相關人員則不斷獲得經驗和知識，這些資料、模型、經驗和知識對於下一代裝備，甚至是其他裝備的設計或改良具有重要參考價值。為縮短裝備設計與驗證週期，改善設計人員工作體驗，減少裝備設計基礎共性問題，滿足動態市場環境對裝備的快速升級迭代和低成本設計研發需求，要求未來裝備能夠實現：

設計人員的經驗和知識可表示、可儲存、可傳承；

設計模型和資料可複用。

(2)一體化設計

裝備設計通常包括硬體、軟體兩部分，以及需求和市場分析、方案設計與論證、技術設計與論證、試驗研究、詳細設計、試製、驗證改良等環節。為提高裝備設計效率，減少設計隱性缺陷，並充分發揮裝備軟硬體效能，要求未來裝備能夠實現：

軟硬一體化設計，助力裝備實現整合化、小型化和輕量化，增強軟硬相容能力，並弱化短板效應；

設計驗證一體化，縮短裝備設計驗證週期，滿足裝備多樣性和快速響應研發需求。

(3)多學科協同最佳化設計

裝備設計不僅涉及機電液熱力磁等多學科專業知識，還需要考慮其在時間域和空間域中的多場耦合複雜特性，以及如何制定合理的加工製造和裝配工藝路線。為縮短裝備設計週期，探索裝備設計全域性優解，避免由於溝通不暢導致的錯誤、缺漏、衝突、冗餘和歧義，以及因序列重複設計導致的人力、物力、財力浪費，並改善設計人員工作體驗，要求未來裝備能夠有效支援多學科、多場可行性分析和綜合最佳化設計。

1.2.2

裝備製造與測試階段新需求

(1)數字化製造加工

製造加工過程所涉及的排產與排程、監視與測量、管理與控制等多方面，與裝備質量、效率、成本、能耗等密切相關。為進一步最佳化裝備製造過程，提高裝備加工質量和效率，降低成本和能耗，要求未來裝備在製造階段能夠實現：

數字化規劃，透過決策預執行實現排產和排程方案動態尋優；

數字化監測，提高製造過程監測全面性、準確性、時效性、直觀性，支援製造過程異常與潛在問題的及時發現與解決；

數字化管控，全面增強裝備製造過程動態響應和精準執行能力。

(2)虛擬增強的質量檢測與出廠測試

裝備質量監測和出廠測試是在裝備製造完成後為裝備製造工藝質量監督、裝備產品質量等級確定、裝備質量改進提供資料依據的重要環節。然而，基於客觀物理過程的裝備質量檢測與出廠測試可能存在以下不足：

檢測週期長，變相增加庫存壓力和成本；

檢測不全面，易導致漏檢的殘次品流入市場，造成安全隱患；

檢測過程可能對裝備造成損害，縮短裝備的使用壽命。

因此，要求未來裝備的質量檢測與出廠測試採用物理與虛擬相結合的方式進行，提高檢測效率，降低漏檢風險，減少對受測裝備產品的損害。

(3)過程可復現，質量可溯源

裝備質量分析、管控與溯源，對於裝備迭代設計和製造工藝最佳化具有重要意義。而基於成品抽檢方式的裝備質量分析可能存在以下不足：

僅能從統計學角度宏觀掌握裝備質量分佈情況，無法掌握未抽檢裝備的質量水平；

難以準確溯源裝備質量問題，從而無法有效支援裝備迭代設計和製造工藝最佳化；

難以區分裝備效能和質量的個體差異，無法準確指導裝備運維和報廢回收階段的具體決策。

因此，要求未來裝備的製造過程可準確復現，裝備質量可精準溯源。

1.2.3

裝備交付與培訓階段新需求

(1)物理與數字雙交付

現有裝備交付以物理裝備交付為主，在產業數字化轉型和裝備智慧化升級的大趨勢下，裝備使用者、合作開發商、運營商和售後服務提供商等各方對於裝備的模型、資料、文件和知識等資料資產的需求在快速上升。然而，由上述需求方自行獲取裝備的資料資產可能存在以下不足：

時間及人力成本高；

資料資產獲取難度大，精度和全面性難保證；

資料資產所有權和使用權不明確。

因此，建議未來裝備在交付過程中，除提供完好的物理裝備外，還應提供精準的裝備數字化模型和資料，實現物理與數字雙交付，助力裝備的智慧化運維和數字經濟的深入發展。

(2)虛擬模擬實訓

現有裝備售後操作培訓和員工技能培訓通常需要依賴物理裝備進行，受到場地、時間、裝備數量等多方面因素的限制，易造成培訓不全面、週期長、成本高等問題。為突破技能培訓資源的客觀條件限制，實現受訓人員技能水平的實時評估與反饋，以及為受訓人員提供更全的培訓專案、更好的培訓體驗、更多的試錯機會，要求未來裝備能夠提供基於物理裝備的數字化模型和資料實現虛擬模擬實訓。

1.2.4

裝備運維與管控階段新需求

(1)執行狀態及趨勢可感知、可認知、可預知

運維與管控是裝備在全生命週期中實現自身價值的重要階段。為使裝備運維管控過程更安全、更高效、更靈活，需要全面掌握裝備的任務需求、自身能力、當前行為和所處環境，並超前預測和評估決策方案執行結果，從而更早地發現、解決和預防未來可能發生的異常和問題。為實現上述理想功能，未來裝備需首先實現：

執行狀態資料精準感知；

多維狀態特徵精準認知；執行狀態及趨勢動態預知。

(2)執行過程可控制、可最佳化、可自治

裝備執行過程充滿不確定性，裝備效能改變、裝備執行環境變化、人力資源排程異常、任務變更等客觀原因都會直接影響裝備的正常執行，而且即便裝備能夠在上述事件發生時繼續正常執行，也難以根據當前實際情況動態改變執行策略，實現高效高質執行。為使裝備面對不確定性事件時能夠保持韌性，提高裝備執行的效率和質量，未來裝備在執行過程中除現場人工控制外，還應具備以下三種能力：

裝備執行過程可遠端控制，弱化現場環境對裝備執行的約束限制；

執行決策可動態最佳化，弱化不確定性事件對裝備執行的負面影響；

裝備可自治執行，弱化裝備執行對人力資源的依賴程度。

(3)軟體化、整合化、平臺化

裝備在完成大型複雜任務時，不僅需要提供多種功能服務，還要與其他裝備和人進行功能互補和互動協作。為實現裝備功能的靈活排程和動態重構，以及人機物的高效協作，未來裝備需實現：

裝備軟體化，基於軟體定義裝備的標準硬體面向個性需求提供專用功能，以低成本、低風險和高度靈活的方式實現裝備功能的擴充與裝備價值的提升；

功能整合化，透過對裝備功能進行模組化封裝和整合，加速功能請求、匹配和呼叫過程，快速響應動態需求；

運營平臺化，透過雲平臺和網際網路平臺突破裝備個體能力侷限，實現多類異構裝備能力的高效共享與協同，從而為客戶提供端到端的優質體驗和差異化服務，保持運營效率和靈活性。

(4)低碳綠色環境友好

各類裝備在推動經濟社會快速發展的同時，也在迅速消耗能源和破壞環境。為助力碳達峰、碳中和目標順利實現，貫徹落實可持續發展戰略，要求未來裝備提高資源和能源的利用效率，減少汙染物產生和排放。

1.2.5

裝備報廢與回收階段新需求

報廢裝備蘊含大量可迴圈利用的再生資源和對環境極具破壞性的有害物質，裝備的報廢與回收對於生態環境保護和經濟可持續發展具有重要意義。為進一步提高再生資源回收利用率，降低裝備回收成本，要求未來裝備：

最佳化報廢決策，從根據固定時限或固定使用次數進行裝備報廢決策，轉變為根據運維歷史資料決定裝備何時報廢，避免裝備因過早報廢而浪費資源，或因過度使用而產生安全隱患；

完善回收工藝及途徑，提高資源回收利用率，降低資源回收及再利用成本。

未來裝備探索：數字孿生裝備

相關文章