中國工程院院士李培根：新一代製造的鮮明特點是數字孿生

經濟觀察網 記者 李靖恆 10月11日，在深圳舉辦的的中國國際先進製造技術展覽會上，中國工程院院士李培根發表了題爲“企業數字化轉型的深化與拓展”的演講。李培根表示，新一代製造的鮮明特點是數字孿生，數字孿生在5G、物聯網、大數據、工業互聯網、仿真、虛擬現實/增強現實、人工智能等技術的應用中得以發展。

所謂數字孿生，是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科的仿真過程，在虛擬數字空間中建立數學模型完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命週期過程。簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”，通過某種軟件界面將真實運行的物體的實際情況在數字體上覆現。

例如，據李培根介紹，羅羅公司是世界上最大的航空發動機生產公司。UltraFan 是羅羅公司“智能發動機”願景的一部分，其每個風扇葉片都有一個數字孿生數據模型，可以存儲真實的測試數據，從而使得工程師可以預測使用中的性能。UltraFan試驗檯Testbed 80耗資9000萬英鎊，可以從10000多個參數中獲取數據，能以每秒200000個樣本的速度監測出最小振動。

另外，GE航空發動機也爲每臺航空發動機建立了孿生模型，通過實時分析發動機的傳感器數據，並對數字孿生進行仿真，在地面監控每臺正在空中飛行的航空發動機的實時狀態。這樣可以預測每臺發動機何時和如何進行維修，還可以進一步分析出每個飛行員的駕駛習慣。

李培根介紹稱，產品在運行過程中所收集的各種數據就成爲其數字孿生體的一部分，在一個設備的運行過程中，通過對加工狀態，如工藝參數、生產環境數據的監控，建立狀態改變對於加工質量影響的數學分析模型。通過趨勢分析預測加工質量的異常，並能夠迅速採取措施，調整設備工藝參數，形成“監控-分析-調整-優化”的閉環，防止廢品、殘次品產生。

比如，對於一個酵母企業，對原料發酵過程的溫度、溼度、酒精含量、PH值等指標進行採集，在一個工段上設置1000個數據採集點，每5ms採集一次，一個生產批次的發酵週期爲15個小時，數據量多達上億條。該企業基於海量數據，通過大數據分析確定“黃金批次”的最佳工藝參數，以還原生產的最佳工藝條件，用以控制和優化工藝。

李培根表示，數字孿生還對機器人焊接領域帶來了改變。比如生產大型船舶發動機，焊接佔據日常工作的70%。車間一般通過信息化系統下發工單到焊接工位，對相應構件進行焊接，工人接受訂單後啓動機器。一旦操作規範性、設備的微觀工藝進程以及各種擾動情況出現，現場就開始與信息化系統失去聯繫。在質檢環節中，這就需要將各個構件吊裝至專門的質檢車間，採用各類無損檢測設備剔除和修復質量不合格的構件。當發現深層次的焊接質量問題時，與焊接行爲本身通常已經脫鉤了3到15天。

如果引入工藝智能，以不低於1000赫茲的頻率進行各類工藝參數的高頻採集，根據材質特性，以極高的頻率快速調用後端封裝好的具體機理算法進行分析，可以使得質量問題在焊接單元之中即刻解決。

“工藝質量可以讓事後質量檢測走向實時在線的監測和預測，這是一種質量管理模式的根本性變化。”李培根說。

李培根還認爲，數字孿生還會對企業的供應鏈帶來影響。有學者指出，現在企業不再作爲獨立實體競爭，而是作爲供應鏈競爭。我們現在正進入網絡競爭時代，競爭贏家將是那些更好地構建、協調和管理與合作伙伴關係的組織。供應鏈數字化的提升有望降低設計和工程成本10%到30%，縮短20%到50%的市場投放時間，將供應鏈管理成本降低80%，並減少20%到50%的庫存持有成本。

例如，保時捷與材料供應商北歐化工和科思創等公司合作，在整個供應鏈中使用數字孿生，確保保時捷汽車的生產使用可持續材料。通過創建材料的數字孿生，在整個過程中建立數字線程，實現材料的可追溯性。並追蹤了其他可持續性指標，如碳足跡和節水情況。同樣，特斯拉上海超級工廠也與捷艾特共建了關務物流平臺，旨在支持全數字化的供應鏈協同。

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李靖恆經濟觀察報記者

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