科技峰会丨中国工程院院士谭建荣:科学设计是走向制造强国的关键

21世纪经济报道 21财经APP 杨清清
2022-09-23

21世纪经济报道记者杨清清北京报道

我国从制造大国走向制造强国,离不开制造企业的转型升级。而制造企业转型升级过程中的关键环节是什么?

9月23日,由南方财经全媒体集团旗下《21世纪经济报道》主办的“2022年度21世纪科技峰会”正式召开。在峰会“战略趋势篇”的主题演讲上,中国工程院院士谭建荣给出了自己的答案。

“科学设计是从制造大国走向制造强国的关键。我们要自主创新,设计要先行。要成为制造强国,首先要科学制造,科学制造则首先需要科学设计,而设计程序化、可视化则是科学设计的保证。”谭建荣认为,在这个过程中,数字孪生技术的应用值得期待。

制造业转型强调科学设计

谭建荣指出,新一代信息技术拥有四个显著特点,包括从互联网到物联网、从虚拟现实到增强现实再到近来的元宇宙、从网络计算到云计算、从机器学习到深度学习,在这些技术演变的过程中,也形成了包括工业互联、混合现实、大数据、人工智能等交叉领域。

与此同时,我国制造企业仍处于产业链中下端,需要进行转型升级。“中国制造企业转型升级根本上而言是需要依靠先进技术来实现,即依靠数字化制造、网络化制造和智能化制造。”谭建荣表示。

需要注意的是,谭建荣认为,企业利用数字化、网络化和智能化技术进行转型升级的过程中,数字制造是核心体系。“我们要做智能制造,首先需要做好数字制造,用数字制造的方法来实现数字化转型。”

谭建荣指出,数字制造主要涉及数字设计、智能加工、智能装配、数字化装配以及数字化、智能化服务等环节,这些背后则需要大量使用数字孪生技术。数字设计叠加数字孪生,能够帮助企业在产品设计过程中实现交互反馈、数据融合,从而实现决策迭代的优化。

“设计是从制造大国走向制造强国的关键,我们要自主创新,设计要先行。要成为制造强国,首先要科学制造,科学制造则首先需要科学设计,而设计程序化、可视化则是科学设计的保证。”谭建荣强调。

当前工程科学中存在三大手段,包括理论建模、实验验证以及模拟仿真。在谭建荣看来,将虚拟现实与实际技术结合是一场划时代的革命,通过数字样机替代实验样机进行产品功能验证、性能分析,能够降低产品开发成本、缩短产品开发周期,亦是帮助企业自主研发、自主设计、自主创新的主要手段。 

数字孪生存三大趋势

在解读数字样机及数字孪生等技术时,谭建荣列举了诸多案例。

谭建荣指出,数字样机技术最早可追溯到1965年虚拟现实概念的提出,美国国防部则在1987年提出科学计算可视化,此后在1994年,波音公司率先在大飞机上实现了数字样机的产品设计,2000年IBM则提出产品全生命周期数字化管理,福特公司亦应用数字样机技术提升产品核心竞争力,将数字化设计、数字孪生技术应用至汽车设计、装备制造的各环节中。

数字孪生概念则诞生于2003年,涉及实体模型、虚拟产品及两者之间的连接。“数字孪生包括产品信息建模、装配建模、模拟仿真等知识产品性能和功能的测试与验证,并通过产品的历史数据、制造数据、使用维护数据等进行优化迭代,改善产品设计。”谭建荣介绍称,“数字孪生强调虚实融合、语序控制,通过展示、统计、分析和处理多渠道信息、多通道交互,来实现对实体产品及周围环境的实时监控和控制。”

目前,应用数字孪生技术进行产品设计已拥有较为成功的先例。谭建荣举例称,在达索公司幻影系列战斗机的设计过程中,达索公司开发出基于数字孪生的3DExperience平台,包括社交协作、三维建模、虚拟仿真、智能信息处理及实时体验等功能。

据介绍,3DExperience平台通过利用用户交互反馈的信息,持续改进信息世界中的产品设计模型,并反馈到物理实体的产品改进中。该平台在幻影系列战斗机的设计制造中进行应用,降低了25%的浪费并将质量改进首次提升15%以上。

此外,谭建荣提及,西门子基于数字孪生理念构建了整合制造流程的生产系统模型,形成了基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的企业镜像,并在安贝电子制造工厂中实现了应用,亦最大程度实现了生产过程自动化、个性化、弹性化、自我优化和提高生产资源效率、降低生产成本的全新生产方式,从而大大提升了生产效率、节约生产资源、降低生产成本。

谭建荣指出,在数字孪生和数字化设计中拥有八大关键技术,包括复杂装备多源异构数据转换与集成技术、复杂装备几何-物理-行为-工况建模技术、复杂装备数字孪生多性能耦合分析技术、大数据驱动下的数字孪生行为仿真技术、复杂装备全生命周期作业过程仿真技术、智能车间布局规划与生产调度优化技术、运行状态可视分析与故障智能预测技术以及基于增强状态的维修维护操作导航技术。

面向未来,谭建荣认为孪生存在三大发展趋势。首先是拟实化趋势,涉及多物理建模。“产品数字孪生体在工业领域应用的成功程度,取决于产品数字孪生体的拟实化程度,研究如何将基于不同物理属性的模型关联在一起,是建立产品数字孪生体、继而充分发挥产品数字孪生体模拟、诊断、预测和控制作用的关键。”

第二个趋势则是全生命周期化,亦即从产品设计和服务阶段向产品制造阶段延伸。谭建荣指出,现阶段有关产品数字孪生体的研究主要侧重于产品设计或售后服务阶段,较少涉及产品制造阶段,数字孪生体则将会在产品生产制造阶段的研究与应用方面成为全新热点。

此外,集成化、与其它先进技术融合也将成为全新趋势。谭建荣认为,现阶段数字孪生体的各个环节之间仍然存在断点,如何将数字纽带技术作为基础技术,并结合新一代信息与通信技术、大数据分析技术、增强现实(AR)技术等先进技术有机融为一体,是数字孪生的下一个研究方向。