在國家大力推動 “新基建” 的浪潮中，制造業迎來了前所未有的變革契機。基于數字孿生的生產仿真應用，就像一把寶貴的鑰匙，為制造業打開了提升制造能力、質量以及產品可靠性的新大門，在中國制造業的應用前景一片光明。
“新基建” 和傳統基建可不一樣，它內涵豐富、涵蓋廣泛，充分體現了數字經濟的特點，秉持著創新化、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曾說，未來十年是新型基礎設施的安裝時期。全球數字經濟的一個關鍵主題，就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。
數字基建是通往數字孿生世界的重要基礎。數字技術與傳統基礎設施深度融合創新，隨著新需求不斷更新迭代，正搭建起全新的技術架構體系，逐步營造出一個數字孿生的奇妙世界。
在 “新基建” 中占據重要地位的工業互聯網，和數字孿生技術緊密相連。美國工業互聯網聯盟把數字孿生視為工業互聯網落地的核心與關鍵，德國工業 4.0 架構也著重強調了數字孿生的重要性。
數字孿生的核心是實現虛實融合，物理模型和數字孿生模型能夠雙向映射。工業互聯網則是通過廣泛連接設備，匯聚海量數據，運用算法模型進行深度剖析，從而了解生產設備的運行狀況。最終結合工業應用和業務邏輯，把分析結論轉化為最佳決策并付諸實踐，實現工業領域的整體優化。
由此可見，數字孿生是工業互聯網重要的應用場景，二者相互依存。鑒于數字孿生技術在 “新基建” 涉及的眾多領域都起著關鍵作用，企業應該重視它的應用，積極尋找合適的應用場景，為自身創造價值。
生產制造環節是數字孿生技術大顯身手的地方。如今，個性化、多元化的市場消費需求成為主流，制造業面臨著越來越激烈的市場競爭，承受著時間、成本、質量和產品差異化等方面的巨大壓力。
企業面對市場環境的突然變化，常常會手忙腳亂。就拿疫情來說，如何借助技術手段迅速實現復工復產，成了每個制造企業都要解決的難題。
除此之外，企業還面臨著很多棘手的問題。新產品研發和生產周期過長，很難從 “以產定銷” 轉變為 “按需生產”。企業投入大量資源進行產品創新，卻無法精準評估新產品在現有制造條件下的可生產性。
因為新設計的產品通常需要新的工藝、工裝、設備和生產線，如果在產品創新設計之初不仔細評估其可制造性，肯定會埋下很大的隱患。
同時，工藝是連接設計和制造的橋梁，隨著產品越來越復雜，對制造工藝的要求也越來越高。然而，目前中國制造企業的工藝設計和驗證手段相對落后。
生產車間信息不透明，很難實現優化生產工藝、降低成本的目標。無法進行設備的預測性維護，工廠產能難以保障。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，如何利用現有技術打造現代化智能工廠，也讓人有些困惑。
這些問題和傳統車間復雜制造系統的設計思路有關。過去采用線性開發方式結合經驗進行工程設計和實體建造，不能充分反映實際問題，缺乏全局考量，對設計人員經驗的依賴性較強，已經很難滿足制造企業對生產系統優化的需求了。
搭建基于數字孿生技術的數字化工廠，是解決上述問題的最好辦法。通過依托產品全周期的真實數據，在虛擬環境中對生產全過程進行仿真、優化和重構。
創建虛擬模型來模擬生產過程，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。這樣一來，企業就能快速配置生產系統，提高效率，提升資產利用率，防止停機，變得更加靈活。
在數字化工廠建設中，數字孿生技術能夠同時完成 “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，實現實物設備與虛擬模型的虛實互動、指令與信息同步，為車間的快速設計、規劃、裝配和測試提供有力支持。
虛擬調試技術是數字化工廠構建的核心技術之一。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的虛擬規劃、仿真分析和優化，并將結果反饋到相關系統，驗證其可行性和系統生產能力。
在構建數字化工廠時，如何幫助系統架構師進行早期驗證、讓結構工程師了解動態行為、協助軟件工程師進行早期驗證，是需要解決的難題。
虛擬調試技術作為數字化工廠建設的重要功能和未來智能制造領域的技術趨勢，有很多優點。它可以在計算機上模擬整個生產過程，包括機器人、自動化設備、PLC、變頻器、電機等單元。
比如，機器人單元模型創建完成后，可在虛擬世界中進行測試和驗證。通過在仿真模型 “預演” 的基礎上進行分析、評估和驗證，能夠快速發現系統運行中存在的問題和需要改進的地方，并及時進行調整和優化。
它可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，減少實體產品系統的更改和返工次數，有效降低成本、縮短工期、提高效率。
在真正的嵌入式和高級控制軟件驅動下，機械、裝備或工廠在賽博空間進行完全建模，可再現系統組件的動態過程和行為。此外，模擬還可考慮外部因素和環境因素的影響，如人員、產品和交通等，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。
基于數字孿生的生產仿真應用有很多明顯的優勢。對于希望借助數字孿生技術實現智能制造轉型并創造實際效益的企業來說，它是重要的突破口，也是工業互聯網平臺應用最直觀的可視化呈現方式之一，為打造基于模型的企業提供了重要支撐。
從產品研發的角度看，它能把產品的加工和裝配過程以可視化的方式真實地呈現給設計人員，讓他們在產品正式生產前就能對設計的可制造性進行調整，真正實現 DFM 和面向維護的設計，提高產品質量設計水平。
通過近似現實工廠的二維或三維車間布局數字孿生模型，為物流仿真提供了有利條件，能對工廠生產組織模式進行動態驗證和調整，快速評估車間產能狀況，指導企業合理配置生產資源。
越來越多的中國制造企業引入了工業機器人，由于客戶需求和產能需求的變化，生產線和生產節拍需要不斷調整。基于數字孿生的生產仿真應用可確保工業機器人的控制程序及時調整并仿真其工作狀態，保障其合理運動軌跡，使生產線更加柔性化，加快生產組織切換調整效率。
總體來說，中國制造業存在 “大而不強” 的問題，制造能力不足是短板，特別是在高精度、高可靠性、產品結構高度復雜、需要高度自動化加工和對產品質量要求極高的產品制造方面。
在 “新基建” 的大背景下，基于數字孿生的生產仿真應用無疑是提升中國制造業制造能力、質量和產品可靠性的好辦法。它在中國制造業的應用前景十分廣闊，值得企業積極探索和應用。
