基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)框架構(gòu)建

袁 峰，李清蕾，邱愛(ài)蓮

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870）

0 引言

伴隨新一代信息與制造技術(shù)的深度融合發(fā)展，眾多國(guó)家紛紛提出新型工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，實(shí)現(xiàn)智能制造［1］，如美國(guó)的“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”、中國(guó)出臺(tái)的《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等。而智能制造企業(yè)的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)也從傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)向研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和運(yùn)維服務(wù)環(huán)節(jié)延伸［2］。其中，研發(fā)設(shè)計(jì)作為智能制造的首要環(huán)節(jié)，其智能制造價(jià)值鏈涵蓋了跨領(lǐng)域、跨行業(yè)和跨區(qū)域的上下游企業(yè)之間數(shù)據(jù)整合和端到端價(jià)值鏈集成，成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程活動(dòng)［3］，需要實(shí)現(xiàn)整個(gè)價(jià)值鏈的協(xié)同合作。李浩等［4］提出了一個(gè)協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)供應(yīng)商管理的三層模型，并對(duì)協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)供應(yīng)商管理活動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。姜?jiǎng)诺龋?］關(guān)注供應(yīng)商的參與背景，在滿足顧客對(duì)產(chǎn)品研發(fā)需求的同時(shí)，建立基于新產(chǎn)品開發(fā)鏈的三層架構(gòu)的協(xié)同研發(fā)模型，解決了供應(yīng)商等參與者之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題。譚躍進(jìn)等［6］提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的系統(tǒng)工程是互聯(lián)、互操作、互感知的系統(tǒng)集成，并通過(guò)體系結(jié)構(gòu)框架技術(shù)和系統(tǒng)工程“V”模型，構(gòu)建了高端裝備制造創(chuàng)新研制任務(wù)集成管理理論方法體系。

數(shù)字孿生作為一種新技術(shù)，是通過(guò)數(shù)字化方式創(chuàng)建與物理實(shí)體一比一映射的虛擬模型，實(shí)時(shí)模擬物理實(shí)體在虛擬環(huán)境中的狀態(tài)與行為，為物理實(shí)體賦予新的能力［7］。同時(shí)，作為充分利用模型與數(shù)據(jù)、融合多學(xué)科的技術(shù)［8］，數(shù)字孿生能夠通過(guò)數(shù)字模型在產(chǎn)品研發(fā)全過(guò)程傳遞，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的管理服務(wù)，為當(dāng)前價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)提供新的理念和工具［9］。數(shù)字孿生使智能制造背景下的產(chǎn)品研發(fā)范式進(jìn)一步升級(jí)，產(chǎn)品數(shù)字孿生體作為數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中最重要的應(yīng)用之一［10］，其與智能制造價(jià)值鏈的融合更有利于實(shí)現(xiàn)協(xié)同研發(fā)過(guò)程中組織和資源的快速集成，使智能制造各價(jià)值鏈主體能夠在統(tǒng)一的社會(huì)空間、物理空間和信息空間中進(jìn)行集成協(xié)作，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過(guò)程跨空間、跨地域的快速迭代優(yōu)化。但是當(dāng)前將數(shù)字孿生技術(shù)用于優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)的研究較少，很難體現(xiàn)數(shù)字孿生體對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中各價(jià)值鏈主體跨空間、跨地域的協(xié)同研發(fā)的作用，需要進(jìn)行更為深度、全面的探究。

基于此，本研究構(gòu)建了基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的全價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)框架，從全局角度出發(fā)，將產(chǎn)品數(shù)字孿生體與智能制造價(jià)值鏈相結(jié)合，借助數(shù)字孿生體強(qiáng)大的整合能力實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈研發(fā)系統(tǒng)的互聯(lián)、互操作和互感知，以期提升智能制造價(jià)值鏈各主體協(xié)同研發(fā)的透明化、實(shí)時(shí)化、智能化水平，改變傳統(tǒng)研發(fā)決策的局部性、離散性與孤立性的弊端，使分布于不同時(shí)空的智能制造各價(jià)值鏈主體并行協(xié)同完成產(chǎn)品研發(fā)，為縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供理論參考。

1 產(chǎn)品數(shù)字孿生體和智能制造價(jià)值鏈的內(nèi)涵

1.1 產(chǎn)品數(shù)字孿生體

數(shù)字孿生是利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過(guò)程和性能等進(jìn)行描述和建模的過(guò)程和方法［11］。產(chǎn)品數(shù)字孿生體能夠在虛擬空間中全面重建并數(shù)字化映射產(chǎn)品實(shí)體的工作進(jìn)展和狀態(tài)，是一個(gè)多物理屬性和多尺度的綜合模型［12］。通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體，可以對(duì)產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的形成過(guò)程、狀態(tài)和行為進(jìn)行模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)和控制。基于主體視角，不同的研發(fā)主體都有內(nèi)部的數(shù)字孿生體，通過(guò)數(shù)字孿生體的集成性和層次性，跨空間的數(shù)字孿生體可以進(jìn)行拆解和組合，形成一個(gè)包含全價(jià)值鏈數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)研發(fā)主體的跨時(shí)空訪問(wèn)和合作?；谶^(guò)程視角，物理世界與產(chǎn)品模型的緊密關(guān)聯(lián)能夠?qū)Ξa(chǎn)品研發(fā)流程進(jìn)行綜合管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程的快速迭代優(yōu)化。通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體的應(yīng)用，分散的利益相關(guān)方可以共享產(chǎn)品模型的信息，以協(xié)同合作的方式進(jìn)行決策和優(yōu)化，更高效地進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的優(yōu)化和改進(jìn)，從而提升研發(fā)效率、降低成本。

1.2 智能制造價(jià)值鏈

在當(dāng)前背景下，價(jià)值創(chuàng)造已經(jīng)從企業(yè)的內(nèi)部活動(dòng)擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)業(yè)層面，以核心價(jià)值要素為中心，整合了制造商、供應(yīng)商等的活動(dòng)和關(guān)系。智能制造價(jià)值鏈包括行業(yè)內(nèi)的價(jià)值主體和行業(yè)外的價(jià)值主體。行業(yè)外的價(jià)值主體指供應(yīng)商、服務(wù)商和客戶等與產(chǎn)品研發(fā)需求相關(guān)的主體；行業(yè)內(nèi)的價(jià)值主體指研究所、原料商、承制廠、備料廠、主機(jī)廠等與產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程密切相關(guān)的主體［13］。智能制造以實(shí)現(xiàn)更大范圍的價(jià)值創(chuàng)造和交付，從而推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和增長(zhǎng)。從分散視角來(lái)看，智能制造價(jià)值鏈中的各個(gè)主體都有各自的研發(fā)職責(zé)，在研發(fā)的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)作。由于掌握著各自領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，各主體能夠在其職能范圍內(nèi)提出科學(xué)合理的局部研發(fā)方案，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的局部功能最優(yōu)。從整體視角來(lái)看，產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程需要智能制造價(jià)值鏈各主體合作進(jìn)行，完整的產(chǎn)品從構(gòu)想到實(shí)現(xiàn)需要考慮多個(gè)方面的因素，局部功能最優(yōu)不代表整體功能最優(yōu)，需要進(jìn)行跨時(shí)空的知識(shí)共享、資源整合來(lái)推動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)［14］，實(shí)現(xiàn)合作共贏。智能制造價(jià)值鏈?zhǔn)且灾悄芙K端產(chǎn)品為核心，通過(guò)信息互通、互操作等智能互聯(lián)技術(shù)，從系統(tǒng)的角度，整合跨產(chǎn)業(yè)鏈和跨價(jià)值鏈的參與者，自主集成多層次、多維度的價(jià)值要素，實(shí)現(xiàn)工業(yè)全業(yè)務(wù)流程的閉環(huán)優(yōu)化和深度協(xié)同。

1.3 協(xié)同研發(fā)

德國(guó)教授哈肯［15］最早提出了“協(xié)同”的概念，是指不同子系統(tǒng)之間通過(guò)調(diào)節(jié)和目的性的自組織過(guò)程實(shí)現(xiàn)彼此協(xié)作，從而產(chǎn)生新的穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)能夠良好地配合和協(xié)同工作時(shí)，多種力量就能匯集成一個(gè)總力量，形成遠(yuǎn)超過(guò)各自功能總和的新功能［16］。研發(fā)是指企業(yè)為了獲取新的知識(shí)，創(chuàng)新性地運(yùn)用科學(xué)技術(shù)的新知識(shí)，或者開發(fā)實(shí)質(zhì)性的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)而進(jìn)行的有明確目標(biāo)的系統(tǒng)性活動(dòng)［17］。因此，協(xié)同研發(fā)的概念是不同研發(fā)主體利用各自不同的屬性、社會(huì)角色和活動(dòng)方式，將彼此具備的特長(zhǎng)或資源相互搭配，形成一個(gè)相互銜接、相互促進(jìn)的整體，有目的地進(jìn)行知識(shí)、技術(shù)的創(chuàng)造、升級(jí)或改革，以實(shí)現(xiàn)超過(guò)累加效應(yīng)的既定目標(biāo)。其動(dòng)機(jī)在于獲得協(xié)同效應(yīng)以降低研發(fā)活動(dòng)所固有的不確定性，并與研發(fā)伙伴共同承擔(dān)研發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。

2 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)的邏輯機(jī)制

智能制造價(jià)值鏈在協(xié)同研發(fā)過(guò)程中需要滿足數(shù)據(jù)的集成共享、整體方案優(yōu)化和過(guò)程實(shí)時(shí)控制的要求，產(chǎn)品數(shù)字孿生體為整個(gè)過(guò)程提供了功能保障，兩者進(jìn)行結(jié)合能夠促進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)優(yōu)化和快速迭代。

2.1 形成研發(fā)閉環(huán)

智能制造價(jià)值鏈的協(xié)同研發(fā)主要體現(xiàn)在為了滿足個(gè)體特有的價(jià)值期望，而愿意把其擁有的異質(zhì)性資源投入到產(chǎn)品研發(fā)中。實(shí)現(xiàn)智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)，首先要進(jìn)行各主體之間的數(shù)據(jù)集成共享，為研發(fā)行為提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)多維數(shù)據(jù)的分析，快速計(jì)算初代新成品的外形和功能，形成產(chǎn)品研發(fā)的初步方案；其次，要以全局視角對(duì)整體研發(fā)方案進(jìn)行脫離最終物理產(chǎn)品的可視化驗(yàn)證，綜合考慮方案的可行性，以成本最優(yōu)、資源配置最優(yōu)、功能最優(yōu)等為目標(biāo)，合作進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)方案的優(yōu)化；最后，在方案確定的前提下，指導(dǎo)物理空間進(jìn)行產(chǎn)品的試制，同時(shí)將實(shí)際過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便各研發(fā)主體進(jìn)行及時(shí)控制，確保產(chǎn)品的順利完成，因此需要?jiǎng)?chuàng)建互聯(lián)、互操作、互感知的研發(fā)空間來(lái)實(shí)現(xiàn)各主體的數(shù)據(jù)集成共享、方案協(xié)同優(yōu)化以及過(guò)程實(shí)時(shí)控制。產(chǎn)品數(shù)字孿生體作為一個(gè)顛覆空間局限的綜合模型［18］，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)高度集成、高度仿真、實(shí)時(shí)交互的虛擬環(huán)境，能夠?yàn)楦鲀r(jià)值鏈主體協(xié)同研發(fā)過(guò)程的閉環(huán)提供支持。

2.2 實(shí)現(xiàn)功能重塑

產(chǎn)品數(shù)字孿生體具備模擬、監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)和控制物理產(chǎn)品在實(shí)際物理環(huán)境中形成和運(yùn)行的能力，為全價(jià)值鏈的高效協(xié)同提供了多方面保障。在數(shù)據(jù)資源集成方面，通過(guò)傳感器、監(jiān)控設(shè)備等對(duì)企業(yè)內(nèi)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)收集，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各自的數(shù)字孿生體中，形成企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)中心。各研發(fā)主體可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式和接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的全價(jià)值鏈共享。在方案優(yōu)化方面，產(chǎn)品數(shù)字孿生體的互操作功能可以對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)拆解和整合，通過(guò)在模型中模擬和分析不同決策的結(jié)果，各主體可以更全面地評(píng)估不同研發(fā)方案的風(fēng)險(xiǎn)和收益，從而共同作出決策優(yōu)化。在過(guò)程控制方面，通過(guò)虛實(shí)空間雙向感知功能，離散企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和狀態(tài)能夠反饋到同一個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生體模型中，進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和反饋；同時(shí)產(chǎn)品數(shù)字孿生體也可以將各研發(fā)主體對(duì)于某一環(huán)節(jié)的決策結(jié)果傳遞到物理空間，對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行控制改進(jìn)。通過(guò)將產(chǎn)品數(shù)字孿生體引入智能制造價(jià)值鏈中，可以為各價(jià)值鏈主體提供一個(gè)互聯(lián)、互操作、互感知的研發(fā)系統(tǒng)，幫助解決協(xié)同研發(fā)過(guò)程中“數(shù)據(jù)孤島”、優(yōu)化決策分散、控制滯后的問(wèn)題。

簡(jiǎn)言之，將產(chǎn)品數(shù)字孿生體引入智能制造價(jià)值鏈中，是為了構(gòu)建動(dòng)態(tài)研發(fā)場(chǎng)景、形成智能研發(fā)場(chǎng)域。產(chǎn)品數(shù)字孿生體使企業(yè)的內(nèi)部狀態(tài)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)和任何階段進(jìn)行可視化、可控制和可追溯管理［19］，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過(guò)程的資源共享、協(xié)同決策和實(shí)時(shí)控制。在這種友好互動(dòng)的孿生體環(huán)境中，能夠更高效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的快速迭代，提高各價(jià)值鏈主體的協(xié)同效率。

3 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)框架構(gòu)建

基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)框架，由價(jià)值鏈數(shù)據(jù)資源、虛擬空間的產(chǎn)品數(shù)字孿生體、物理空間的分散價(jià)值鏈主體3 個(gè)方面構(gòu)成，如圖1 所示。其中，價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)資源包括原料數(shù)據(jù)、需求數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、運(yùn)輸數(shù)據(jù)等；虛擬空間的產(chǎn)品數(shù)字孿生體包括零件數(shù)字孿生體、部件數(shù)字孿生體等；物理空間分散的價(jià)值主體包括研究院所、主機(jī)廠、承制廠、原材料供應(yīng)商、備品備料廠商等。智能制造價(jià)值鏈的協(xié)同研發(fā)，首先需要實(shí)時(shí)收集全過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)等，存儲(chǔ)在數(shù)字模型中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源集成；其次，不同層次、不同企業(yè)的數(shù)字孿生體模型通過(guò)實(shí)時(shí)傳遞的物理實(shí)體相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在虛擬空間中不斷演化，借助產(chǎn)品數(shù)字孿生體的互操作功能實(shí)現(xiàn)與實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程的同步呈現(xiàn)，使各研發(fā)主體能夠更好地理解和預(yù)測(cè)物理實(shí)體的行為，作出科學(xué)合理的方案優(yōu)化；最后，企業(yè)可以通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體擺脫現(xiàn)實(shí)環(huán)境的約束，在統(tǒng)一的虛擬空間與物理空間進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全研發(fā)流程快速準(zhǔn)確的控制。因此，產(chǎn)品數(shù)字孿生體通過(guò)基于動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)資源集成、基于模型互操作的方案協(xié)同決策和基于虛實(shí)空間雙向感知的過(guò)程實(shí)時(shí)控制來(lái)支撐智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)。

圖1 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)基本框架

3.1 基于動(dòng)態(tài)采集的研發(fā)數(shù)據(jù)集成共享

當(dāng)前智能制造價(jià)值鏈各主體分散，數(shù)據(jù)資源無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效集成，產(chǎn)品數(shù)字孿生體可以實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈上下游企業(yè)間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，形成全價(jià)值鏈的數(shù)據(jù)中心是支持智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)的基礎(chǔ)。如圖2 所示。

圖2 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的全價(jià)值鏈數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集過(guò)程

系統(tǒng)互聯(lián)的關(guān)鍵核心是數(shù)據(jù)融合與集成［20］，孤立數(shù)據(jù)無(wú)法提供全局視角和綜合信息。各價(jià)值鏈主體企業(yè)之間的數(shù)據(jù)集成與多端數(shù)據(jù)之間的互通也是產(chǎn)品數(shù)字孿生體的價(jià)值體現(xiàn)。企業(yè)通過(guò)傳感器技術(shù)將分散主體中各種場(chǎng)景和設(shè)備的數(shù)字孿生體進(jìn)行連接，從而形成多維、多層次的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［21］；通過(guò)收集和存儲(chǔ)各方面的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈的數(shù)字集成并進(jìn)行統(tǒng)一表示［22］。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次數(shù)據(jù)挖掘和分析，從中獲得有價(jià)值的見(jiàn)解和洞察，為產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程提供重要支持和指導(dǎo)。產(chǎn)品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集功能使研發(fā)過(guò)程可用的數(shù)據(jù)資源更集中，能夠?qū)崿F(xiàn)各價(jià)值鏈主體的數(shù)據(jù)互通，為智能制造價(jià)值鏈上各決策主體的協(xié)同奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以手機(jī)研發(fā)為例，手機(jī)作為載體，通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)采集功能，將各部件的組裝過(guò)程、原料資源等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到虛擬空間，使智能制造價(jià)值鏈各主體能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的數(shù)據(jù)共享。

3.2 基于模型互操作的研發(fā)方案協(xié)同優(yōu)化

對(duì)于當(dāng)前上下游企業(yè)的分散，智能制造價(jià)值鏈各主體無(wú)法對(duì)產(chǎn)品研發(fā)方案進(jìn)行全局實(shí)時(shí)的考慮，通過(guò)集成各層次的數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包含部件生產(chǎn)、產(chǎn)品組裝在內(nèi)的所有環(huán)節(jié)，形成以產(chǎn)品數(shù)字孿生體為可視化參考模型的全價(jià)值鏈協(xié)同優(yōu)化。如圖3 所示。

圖3 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的模型互操作

產(chǎn)品數(shù)字孿生體是由多個(gè)組件、部件和零件等構(gòu)成的綜合模型，它涵蓋了多種物理結(jié)構(gòu)模型、幾何模型和材料模型等［23］；這些模型在不同尺度和層次上進(jìn)行集成，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以生成和更新產(chǎn)品數(shù)字孿生體及其各個(gè)層次的數(shù)字孿生體實(shí)例［24］。因此，產(chǎn)品數(shù)字孿生體不是一個(gè)靜態(tài)模型，而是一個(gè)過(guò)程模型和動(dòng)態(tài)模型，會(huì)隨著數(shù)據(jù)的產(chǎn)生而不斷演化。模型互操作的關(guān)鍵在于將不同類型的模型，包括幾何模型、機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行無(wú)縫融合，以實(shí)現(xiàn)從描述分散靜態(tài)映射的物理實(shí)體到構(gòu)建動(dòng)態(tài)整合的物理實(shí)體的轉(zhuǎn)變［25］。通過(guò)數(shù)字孿生模型集中展示各個(gè)領(lǐng)域的信息和設(shè)備的運(yùn)行效果，為價(jià)值鏈上的各個(gè)主體提供了實(shí)時(shí)的、可視化的產(chǎn)品狀態(tài)和性能信息，使得他們能夠更完整地考慮產(chǎn)品研發(fā)方案，并在整個(gè)研發(fā)流程中進(jìn)行更精確的分析和優(yōu)化。以手機(jī)研發(fā)為例，數(shù)字孿生技術(shù)可以在各個(gè)分散的價(jià)值鏈主體內(nèi)部形成數(shù)字孿生體，通過(guò)融合這些模型，智能制造價(jià)值鏈各主體預(yù)演物理空間中手機(jī)從零件、機(jī)架慢慢演化成完整產(chǎn)品的全過(guò)程，在虛擬空間試驗(yàn)后進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

3.3 基于虛實(shí)空間雙向感知的研發(fā)過(guò)程實(shí)時(shí)控制

由于時(shí)空的限制，智能制造價(jià)值鏈各主體對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的控制存在模糊和延遲的問(wèn)題。如圖4所示，借助產(chǎn)品數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)融合和模型互操作功能，結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘、智能算法和新一代信息技術(shù)的支持，能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)控制物理實(shí)體對(duì)象，以達(dá)到去中心化、扁平式的群體協(xié)同控制的研發(fā)目標(biāo)。

圖4 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的虛實(shí)空間雙向感知

通過(guò)虛實(shí)空間的雙向感知，智能制造價(jià)值鏈上的各個(gè)決策主體可以獲得精準(zhǔn)的反饋信息，并通過(guò)數(shù)字孿生模型間接地控制物理實(shí)體的運(yùn)行過(guò)程［26］。產(chǎn)品數(shù)字孿生體通過(guò)數(shù)據(jù)的融合和模型的演化，在信息空間中具備相對(duì)完整的運(yùn)動(dòng)和控制邏輯，可以接收輸入指令，并在信息空間中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)行過(guò)程［27］。通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體與物理世界的交互和連接，研發(fā)主體可以實(shí)時(shí)對(duì)某一環(huán)節(jié)的產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，改變解決了傳統(tǒng)串行研發(fā)造成的操作滯后問(wèn)題。此外，產(chǎn)品數(shù)字孿生體又可以采集虛實(shí)空間交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了研發(fā)過(guò)程的閉環(huán)，使智能制造價(jià)值鏈各主體能夠有更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行新一代產(chǎn)品的研發(fā)。以手機(jī)研發(fā)為例，智能制造價(jià)值鏈各主體形成了研發(fā)方案，通過(guò)虛擬空間的手機(jī)模型來(lái)指導(dǎo)實(shí)際的產(chǎn)品試制，在這個(gè)過(guò)程中，手機(jī)數(shù)字孿生體預(yù)測(cè)了故障信息并及時(shí)傳遞到了相關(guān)價(jià)值鏈主體手中，通過(guò)實(shí)時(shí)控制研發(fā)過(guò)程避免故障的發(fā)生。

4 基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景

將產(chǎn)品數(shù)字孿生體引入智能制造價(jià)值鏈，通過(guò)虛擬世界的產(chǎn)品信息模型實(shí)現(xiàn)跨空間的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)，展現(xiàn)了更廣闊的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

（1）產(chǎn)品數(shù)字孿生體為產(chǎn)品研發(fā)帶來(lái)了創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，通過(guò)打破時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代智能制造價(jià)值鏈系統(tǒng)的互聯(lián)、互操作、互感知，為上下游企業(yè)和客戶提供了一個(gè)協(xié)同研發(fā)的環(huán)境。

（2）產(chǎn)品數(shù)字孿生體賦能智能制造價(jià)值鏈綜合決策和實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)研發(fā)機(jī)制從逐級(jí)串聯(lián)轉(zhuǎn)向去中心化的方向優(yōu)化，各決策主體能夠?qū)崟r(shí)利用整個(gè)價(jià)值鏈的所有資源，在數(shù)字化閉環(huán)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的快速迭代優(yōu)化。

（3）產(chǎn)品數(shù)字孿生體的引入為智能制造價(jià)值鏈帶來(lái)了體系層面的研發(fā)生態(tài)重塑和思想層面的智能演變，不僅促進(jìn)了智能思維從單一到群體的轉(zhuǎn)變，還推動(dòng)了離散環(huán)境的統(tǒng)一融合，實(shí)現(xiàn)了智能制造價(jià)值鏈協(xié)同的全新研發(fā)生態(tài)。

4.1 推動(dòng)智能制造背景下產(chǎn)品跨時(shí)空并行協(xié)同的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變

產(chǎn)品數(shù)字孿生體融入智能制造價(jià)值鏈中，能夠創(chuàng)設(shè)虛實(shí)融合的研發(fā)場(chǎng)景，有效洞見(jiàn)新技術(shù)融入以及智能制造價(jià)值鏈對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新演變。產(chǎn)品數(shù)字孿生體的應(yīng)用不僅為智能制造價(jià)值鏈的協(xié)同研發(fā)提供了更深度的技術(shù)支持，也為“工業(yè)4.0”背景下智能制造的產(chǎn)品研發(fā)帶來(lái)了變革和創(chuàng)新的靈感。傳統(tǒng)的串聯(lián)研發(fā)過(guò)程中，參與研發(fā)過(guò)程的價(jià)值鏈主體因持有不同的利益訴求，對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品持有不同的思考視角與層面，導(dǎo)致產(chǎn)品的研發(fā)決策多是局部的、離散的。產(chǎn)品數(shù)字孿生體模型構(gòu)建了一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)空間，供應(yīng)商、服務(wù)商、客戶等利益相關(guān)方可以通過(guò)動(dòng)態(tài)可視化的統(tǒng)一模型進(jìn)行研發(fā)，在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中不斷進(jìn)行產(chǎn)品的問(wèn)題反饋與優(yōu)化迭代，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后不僅局限于企業(yè)內(nèi)部的分析解決，相關(guān)的價(jià)值鏈主體能夠共同參與進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)了研發(fā)過(guò)程的并行決策和控制，最大限度滿足了各價(jià)值鏈研發(fā)主體的利益需求，保證價(jià)值鏈上資源的最大化利用以及每個(gè)研發(fā)主體的利益需求，實(shí)現(xiàn)了智能制造價(jià)值鏈的共贏。

4.2 引領(lǐng)智能終端產(chǎn)品研發(fā)走向快速迭代

產(chǎn)品數(shù)字孿生體打破了智能制造價(jià)值鏈的端到端壁壘，實(shí)現(xiàn)了智能制造價(jià)值鏈的實(shí)時(shí)互饋和高效協(xié)作，使產(chǎn)品研發(fā)各環(huán)節(jié)的協(xié)同決策與優(yōu)化都將走向精準(zhǔn)高效、迎來(lái)新的突破。

（1）提升研發(fā)決策的科學(xué)性與精準(zhǔn)性。在協(xié)同研發(fā)過(guò)程中，產(chǎn)品數(shù)字孿生體具備自主執(zhí)行和優(yōu)化決策的能力，實(shí)現(xiàn)了更高效和智能的決策過(guò)程，提升了決策的效率和質(zhì)量，使產(chǎn)品研發(fā)能夠以更快的速度對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈進(jìn)行迭代更新。首先，產(chǎn)品數(shù)字孿生體包含了大量實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別等技術(shù)，可以揭示數(shù)據(jù)中的隱藏模式和趨勢(shì)，提供精準(zhǔn)的、科學(xué)的信息支持。其次，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集，產(chǎn)品數(shù)字孿生體提供了一個(gè)可以全面監(jiān)測(cè)的可視化模型，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)等關(guān)鍵信息，作為動(dòng)態(tài)可視化的研發(fā)方案呈現(xiàn)，使得智能制造價(jià)值鏈各研發(fā)主體能夠進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的調(diào)整和優(yōu)化。最后，產(chǎn)品數(shù)字孿生體提供了與物理世界雙向感知的功能，跨時(shí)空的研發(fā)主體可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互連接，建立起一個(gè)龐大的通信網(wǎng)絡(luò)，共同對(duì)研發(fā)過(guò)程進(jìn)行控制。

（2）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的數(shù)字化閉環(huán)。產(chǎn)品數(shù)字孿生體提供了一個(gè)數(shù)字化、綜合性的視角，在一個(gè)統(tǒng)一的信息模型下，將各個(gè)環(huán)節(jié)的需求、反饋和改進(jìn)納入研發(fā)過(guò)程的智能閉環(huán)中，跨時(shí)空的價(jià)值鏈決策主體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的端到端管理和控制，提供了更加緊密、高效和協(xié)同的研發(fā)改進(jìn)機(jī)制。通過(guò)與實(shí)際設(shè)備和傳感器的連接，實(shí)時(shí)自動(dòng)化地收集、記錄和存儲(chǔ)產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字孿生體模型，智能制造價(jià)值鏈各研發(fā)主體通過(guò)共享和訪問(wèn)同一個(gè)信息模型，了解產(chǎn)品的研發(fā)要求，借助各自的專業(yè)知識(shí)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行合作，對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)方案進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，對(duì)研發(fā)方案進(jìn)行快速調(diào)整優(yōu)化，并將優(yōu)化后的研發(fā)方案在物理空間進(jìn)行試制，通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體控制研發(fā)過(guò)程，同時(shí)將研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)上傳到孿生體中供新產(chǎn)品研發(fā)。產(chǎn)品數(shù)字孿生體作為一個(gè)數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生命周期的數(shù)字化表示以及數(shù)據(jù)的閉環(huán)傳遞，將產(chǎn)品生產(chǎn)制造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等階段的需求融入早期的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，完成了產(chǎn)品研發(fā)的快速迭代優(yōu)化。

4.3 重塑智能制造價(jià)值鏈研發(fā)生態(tài)

推進(jìn)數(shù)字化研發(fā)生態(tài)建設(shè)是信息時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，它使得產(chǎn)品研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的轉(zhuǎn)變，提升產(chǎn)品的價(jià)值和效益［28］。隨著產(chǎn)品研發(fā)的變革，產(chǎn)品數(shù)字孿生體的應(yīng)用成為重塑智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)生態(tài)的關(guān)鍵，逐步引領(lǐng)智能終端產(chǎn)品研發(fā)向更高層次的群體智能與協(xié)同系統(tǒng)邁進(jìn)。產(chǎn)品數(shù)字孿生體的生長(zhǎng)發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智等幾個(gè)過(guò)程［29］。共智是通過(guò)產(chǎn)品數(shù)字孿生體以一種高效且安全的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和智慧交換，不同的數(shù)字孿生體可以在云平臺(tái)上互相連接，共享各自的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從而形成一個(gè)集體智慧的網(wǎng)絡(luò)，使得產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的資源調(diào)度更加精確和靈活。每個(gè)產(chǎn)品數(shù)字孿生體都擁有層次性、集成性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，它們可以自主地構(gòu)建研發(fā)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，即使在沒(méi)有外部指令的情況下也能夠自發(fā)地進(jìn)行協(xié)同工作；各個(gè)智能制造價(jià)值鏈主體可以通過(guò)與研發(fā)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的互動(dòng)和連接，不斷加深對(duì)智能終端產(chǎn)品研發(fā)的理解和認(rèn)知，并實(shí)現(xiàn)對(duì)研發(fā)過(guò)程的優(yōu)化和控制。在產(chǎn)品數(shù)字孿生體的支持下，智能制造價(jià)值鏈的各個(gè)主體能夠展開群體層面的智能協(xié)同行為，根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)和角色，在虛擬環(huán)境中選擇適合的研發(fā)場(chǎng)景，并依據(jù)科學(xué)證據(jù)進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)從單一智能向更高層次的群體智能形態(tài)的跨越，促進(jìn)了研發(fā)過(guò)程的智能化。這種智能化的研發(fā)生態(tài)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程協(xié)作和優(yōu)化，推動(dòng)了智能制造的發(fā)展。

5 結(jié)論

基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)，實(shí)質(zhì)上是價(jià)值鏈各研發(fā)主體參與研發(fā)過(guò)程的數(shù)據(jù)、模型和空間的綜合，從系統(tǒng)的角度更完整地把相關(guān)參與者整合在產(chǎn)品研發(fā)流程中。本研究旨在用新的信息技術(shù)解決各價(jià)值鏈主體在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中面臨的“數(shù)據(jù)孤島”、優(yōu)化決策分散和控制滯后問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建基于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的智能制造價(jià)值鏈協(xié)同研發(fā)框架，來(lái)闡述產(chǎn)品數(shù)字孿生體如何通過(guò)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集、模型互操作和虛實(shí)空間雙向感知功能為各價(jià)值鏈主體提供一個(gè)互聯(lián)、互操作、互感知的研發(fā)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)分散價(jià)值鏈研發(fā)主體的數(shù)據(jù)集成和共享、研發(fā)方案協(xié)同優(yōu)化和研發(fā)過(guò)程實(shí)時(shí)控制；此外，還從跨時(shí)空并行協(xié)同、快速迭代和研發(fā)生態(tài)3 個(gè)方面分析了該研發(fā)框架更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。