製造業數字化轉型的核心：數字孿生與MBSE

來源：金融IT那些事兒

製造業是我國實體經濟的基礎，國家高度重視製造業發展。在數字經濟蓬勃發展的背景下，製造業要實現高質量發展，必須實現資訊化和工業化在更廣範圍、更深程度、更高水平上的融合發展。而數字孿生和基於模型的系統工程，是實現智慧製造、完成製造業數字化轉型的核心和重要基礎。製造業複雜產品的設計和生產製造如此複雜，居然要使用企業架構EA方法。這也就難怪《TOGAF 標準9.1版》中文版是由中國航空工業集團有限公司組織人員翻譯的了。

01 製造業產品生命週期

製造業的產品全生命週期分為四個階段：方案階段、工程研製階段、批次生產階段和執行與維護維修階段。

方案階段主要是從產品需求出發開展產品策劃、產品定義、概念設計，再到總體方案設計。

工程研製階段包括產品初步設計、詳細設計、試製和試驗。產品初步設計和詳細設計包括了每個零件的設計、產品各系統的設計以及工藝設計。然後根據產品的設計圖紙和工藝設計的工藝路線，使用現有裝置，完成產品試製，並組裝成樣機、樣車。最後從零件到整機都要進行反覆試驗，找出產品問題和工藝問題，反覆修改產品設計和工藝設計，直到滿足要求之後，就是設計定型。設計定型並進行小批次生產之後，工藝成熟度進一步提高，就可以進行生產定型。這時就具備批次生產的條件了。

批次生產階段，關鍵是解決產品的一致性問題。需要制定各種標準和嚴格的管理制度，包括作業指導書等。用定型之後的圖紙、工藝手冊、各類圖表、表單、作業指導書以及產品質量標準、檢測標準來控制批產中產品的一致性。

產品在批次生產之後就可以交付客戶，這時就進入執行與維護維修階段。透過維修維護，可以延長產品的生命週期。最後產品達到報廢標準了，就進行回收，產品生命週期結束。

02 從實體模型到虛擬模型

模型，是透過主觀意識，藉助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件（物件並不等於物體，不限實體或虛擬、不限平面或立體）。

過去整個工業的發展都是基於愛迪生的試錯法，傳統的設計、製造、試驗與管理都是在實物的基礎上進行。研製一個新產品，需要在設計圖紙基礎上將實物製作出來，透過一系列功能與效能試驗來測試產品是否滿足設計指標。使用實物模型進行各類試驗也被稱為實物模擬。實物模擬的成本是巨大的。最典型的案例就是愛迪生發明點燈的故事。

為了研製電燈，愛迪生花了三年時間，在實驗室裡常常一天工作十幾個小時，有時連續幾天試驗，發明炭絲作燈絲後，他又接連試驗了6000多種植物纖維，最後又選用竹絲，透過高溫密閉爐燒焦，再加工，得到炭化竹絲，裝到燈泡裡，再次提高了燈泡的真空度，電燈竟可連續點亮1200個小時。他的試驗筆記簿多達二百多本，共計四萬餘頁。

隨著技術的發展，現在人類可以透過計算機建立產品的三維數字模型。基於數字模型的各類虛擬試驗和數字模擬也在廣泛開展。

03 數字孿生和MBD

現代的設計方法是使用數字虛擬模型為主線的數字主線。體現在飛機的全生命週期中就是，先在計算機上構建飛機的數字模型，然後以數字模型為基礎來開展飛機各系統及整機的模擬試驗工作，根據三維數字模型資料完成排產交付後，再基於數字化飛機的各項實時資料指標對日常執行的實體飛機進行維護維修，物理主線和數字主線一一對應就形成了數字孿生（Digital Twin）。

當複雜產品完成工程研製階段，進入產品批次生產階段後，就涉及到生產該複雜產品的材料資料以及生產過程中所需要的工藝資料。MBD，即基於模型的定義，模型不但表達了產品的三維資料，還表達了它的材料資料、工藝資料以及生產製造過程中需要的所有資料，甚至包括生產結束後的質量和檢驗資料。這相當於將整個產品研製過程和生產過程全部數字化，並能夠由計算機來理解、分析和執行。實際上，沒有實現MBD，就不可能實現智慧製造。

04 系統工程V模型

系統工程是開發複雜系統的跨學科的方法和工具。系統工程的V模型從需求分析開始。一個複雜產品涉及到多個利益相關者，這就需要利益相關者對龐大且複雜的系統進行逐層分解，透過系統分解與定義一級一級將龐大的系統分解到最底層，最終實現利益相關者的所有需求。需求實現後，再不斷對其進行整合測試、綜合驗證，直至最終的確認。

05 基於模型的系統工程MBSE

MBSE，即基於模型的系統工程（Model Base Systems Engineering），透過以模型為中心進行系統分析和系統設計，使整個系統達到預定的工程目標。

基於模型的系統工程，是模型驅動的系統工程方法論，透過標準系統建模語言構建需求模型、功能模型、架構模型，實現需求、功能到架構的分解和分配，透過模型執行實現系統需求和功能邏輯的“驗證”和“確認”，並驅動聯合模擬、產品設計、實現、測試、綜合、驗證和確認環節。

基於模型的系統工程，以綜合視角審視產品的整個研發執行體系，包括產品設計、生產、交付、維護維修，以及產品執行過程中的方方面面，是一個非常龐大的體系。這一體系化的審視方法就是美國國防部的DoDAF2.0。

要實現基於模型的系統工程，首先需要構建基於模型的產品研發環境。第一步是基於模型的定義，第二步是基於模型的工藝，第三步是基於模型的作業指導書，最後是基於模型的製造（包括檢測、組裝、製造、部裝、總裝）。這三步是基於模型的工程，是MBSE的核心，基於模型的工程做不好，MBSE就不可能做好。

在做好基於模型的工程的基礎上，向前可以延伸到基於模型的系統工程。這就涉及到產品的創新能力，包括需求分析、概念設計和方案設計等內容，要採用系統建模語言、遵循建模規範來進行產品建模。

06 結語

數字孿生是製造業實現數字化轉型的不二法門。透過建立數字模型並進行虛擬模擬，可以加快產品的研發過程。透過數字模型可以指導產品的柔性生產製造。透過數字模型，還可以幫助對產品進行診斷和維修維護，延長產品的生命，實現製造業的服務化。

參考：《智慧製造的本質》，寧振波著，機械工業出版社。