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數(shù)字制造的科學體系與技術(shù)架構(gòu)

周祖德, 姚碧濤

10.3901/JME.2023.19.126

引用本文：

周祖德, 姚碧濤. 數(shù)字制造的科學體系與技術(shù)架構(gòu)[J]. 機械工程學報, 2023, 59(19): 126-151.

ZHOU Zude, YAO Bitao. Scientific System and Technology Framework of Digital Manufacturing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(19): 126-151.

原文閱讀（摘要）

摘要：數(shù)字制造作為第三次工業(yè)革命的一個重要內(nèi)容，已成為推動21世紀制造業(yè)向前發(fā)展的強大動力，數(shù)字制造的相關(guān)理論與技術(shù)已逐步融入到制造產(chǎn)品的全生命周期，成為制造產(chǎn)品全生命周期中不可缺少的驅(qū)動因素。從數(shù)字制造科學與技術(shù)的形成背景、數(shù)字制造的概念，數(shù)字制造的理論基礎(chǔ)出發(fā)，提出了數(shù)字制造的科學理論體系和數(shù)字制造技術(shù)的體系框架，詳細闡述了構(gòu)成數(shù)字制造科學的基本理論與關(guān)鍵技術(shù)。其科學理論體系包括數(shù)字制造計算幾何學、數(shù)字制造信息學、數(shù)字制造建模、數(shù)字制造機械動力學、數(shù)字制造智能學、數(shù)字制造仿生制造學、數(shù)字制造測量誤差與可靠性理論、數(shù)字制造技術(shù)管理學等。數(shù)字制造的技術(shù)架構(gòu)包括設(shè)計技術(shù)、工藝技術(shù)、控制技術(shù)、加工技術(shù)、資源共享技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、管理技術(shù)、營銷與服務(wù)技術(shù)等。最后討論了數(shù)字制造的前沿并展望了數(shù)字制造的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：數(shù)字制造；科學體系；技術(shù)架構(gòu)；數(shù)字孿生；制造元宇宙

中圖分類號：TH16

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前言

數(shù)字制造，作為一個全新的制造領(lǐng)域新模式與新理念，1999年國家自然科學基金委員會(簡稱自然科學基金委)在北京香山召開的我國制造領(lǐng)域?qū)＜腋叻逭搲嫌芍茏娴陆淌谔岢觯c會專家一致同意將其列入自然科學基金委“十五”重點支持領(lǐng)域。繼這次會議之后，周祖德教授先后發(fā)表了“數(shù)字制造的概念與科學問題”等論文，出版了《數(shù)字制造》及《Fundamentals of digital manufacturing science》等專著。自此以后，數(shù)字制造作為第三次工業(yè)革命的一個重要內(nèi)容，已成為推動21世紀制造業(yè)向前發(fā)展的強大動力，數(shù)字制造的相關(guān)理論與技術(shù)已逐步融入到制造產(chǎn)品的全生命周期，成為制造產(chǎn)品全生命周期中不可缺少的驅(qū)動因素。

作為一門新興學科，數(shù)字制造的科學問題與關(guān)鍵技術(shù)包括制造產(chǎn)品的數(shù)字化描述與創(chuàng)新設(shè)計；加工對象物體的形位空間和旋量空間的數(shù)字表示、幾何計算和幾何推理；加工過程多物理場的交互作用規(guī)律及其數(shù)字表示，幾何約束、物理約束和產(chǎn)品性能約束的相容性及混合約束問題求解；制造系統(tǒng)中的模糊信息、不確定信息、不完整信息以及經(jīng)驗與技能的形式化和數(shù)字化表示；異構(gòu)制造環(huán)境下的信息融合、信息集成和信息共享；制造能力與制造全生命周期的服務(wù)優(yōu)化等。

當前，發(fā)達國家特別是美國、英國、德國、日本等先進制造技術(shù)發(fā)展的國家，面對近年來制造業(yè)競爭力的下降，大力倡導“再工業(yè)化、再制造化”戰(zhàn)略，明確提出智能機器人、人工智能、3D打印是實現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，并希望通過這三大數(shù)字化制造技術(shù)的突破，鞏固和提升制造業(yè)的主導權(quán)。

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數(shù)字制造的形成背景

20世紀中葉以來，隨著微電子、自動化、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、信息、人工智能等科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，全球掀起了以信息技術(shù)為核心的新浪潮。以“網(wǎng)絡(luò)化”、“信息化”、“智能化”為標志的21世紀，極大地改變了人類獲得、處理、交流及利用信息和知識的方式，使人們的生活方式、生產(chǎn)方式及社會結(jié)構(gòu)發(fā)生了史無前例的變化。在此基礎(chǔ)上，各個行業(yè)的新概念、新理論、新技術(shù)、新思想和新方法層出不窮。冠以數(shù)字的各種新理念不斷出現(xiàn)，如數(shù)字流域、數(shù)字城市、數(shù)字企業(yè)、數(shù)字人、數(shù)字經(jīng)濟，以及作為描述整個地球上各類信息的時間序列與空間分布的共同框架下的數(shù)字地球等概念和研究工作不斷被推出，并已開始進入我們的生活。隨著市場需求的快速變化和全球性的經(jīng)濟競爭以及高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，以信息技術(shù)為核心的新浪潮也進一步推動了制造業(yè)的深刻革命，導致了制造信息的表征、存儲、處理、傳遞和加工的深刻變化，使制造業(yè)由傳統(tǒng)的能量驅(qū)動型逐步轉(zhuǎn)向為信息驅(qū)動型，促進了制造業(yè)朝著自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。數(shù)字化制造也就成為一種以適應(yīng)日益復雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、日趨個性化和多樣化的消費需求及日益形成的龐大制造網(wǎng)絡(luò)的一種全新制造模式。

1.1 制造科學與技術(shù)的進化路線

由美國PrenticeＧHall出版社于2001年出版的《21世紀制造》一書中，WRIGHT在全面論述什么是制造的基礎(chǔ)上明確地提出，制造是一門藝術(shù)、一種技術(shù)、一門科學和一種商務(wù)，他第一次對制造的進化路線給出了非常清晰的論述。

自從有人類以來，制造就伴隨人類的生存而發(fā)展。人類為了生存，用石器制造簡單的工具用來打獵，制造原始的器具用作炊具，加工粗糙的毛皮用于取暖，這種制造方法和制造工藝經(jīng)歷了相當長的發(fā)展時期，從石器時代到青銅器時代再到鐵器時代。這一歷史階段的制造，是以個人的技藝、獨門技巧和工藝而存在。因此，在人類歷史的長河中，在相當長的歷史時期，制造是作為一種技巧、一門獨有的藝術(shù)而存在。

制造作為一種技術(shù)的出現(xiàn)，大概可以追溯到18世紀70年代至20世紀70年代這段歷史時期。將制造從一種純藝術(shù)或至少是工匠活動轉(zhuǎn)變成一種技術(shù)的分水嶺，應(yīng)該是1770～1820年間發(fā)生于英國的工業(yè)革命。由于蒸汽機的發(fā)明和逐步被工業(yè)界采用，以及由蒸汽機驅(qū)動的各類機械在各工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，從而大大提高了生產(chǎn)率，并促進了工商業(yè)活動的發(fā)展。人口的增加、工廠的形成以及市場的繁榮進一步促進了產(chǎn)品的大規(guī)模運作和有中產(chǎn)階級經(jīng)營的小工商活動的興起，制造活動已經(jīng)不能只靠個人的技藝而取得成功，需要更多人的合作，需要先進技術(shù)的推動。由于第一次工業(yè)革命的興起，作為一種技巧、一門藝術(shù)而存在的制造，很自然地逐步發(fā)展，形成了一種可以為更多人掌握、為更多人服務(wù)和應(yīng)用的一門技術(shù)。

隨著制造技術(shù)的進步和社會的不斷發(fā)展，要想在制造業(yè)中取勝，光靠優(yōu)良的技術(shù)是不夠的。要真正在制造業(yè)中取勝，必須要在制造理念和制造本身的概念上適應(yīng)科學和技術(shù)的快速發(fā)展。20世紀80年代以來，先后伴隨著以計算、通信和控制等為代表的數(shù)字化技術(shù)，以互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等為代表的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，以及專家系統(tǒng)、深度學習等為代表的智能化技術(shù)的發(fā)展，在制造領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多新方法、新概念、新理念，極大地推動了制造業(yè)的發(fā)展。這些新概念和新理念(如敏捷制造、精益生產(chǎn)、并行制造、計算機集成制造、虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、智能化制造等)相互促進發(fā)展，充實了制造的內(nèi)涵，促進了制造概念的升華。從此開始，制造不再是一種簡單的技能或技術(shù)，而是逐步形成了一門科學，包括工程科學、管理科學、信息科學在內(nèi)的制造科學。

1.2 第三次工業(yè)革命與數(shù)字制造

隨著全球化加速和信息化的不斷深入，現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)模式正發(fā)生著深刻的變化。2012年，英國的《經(jīng)濟學人》專題論述了《第三次工業(yè)革命》，其中描述了制造業(yè)數(shù)字化將引領(lǐng)第三次工業(yè)革命，在后續(xù)報道中更進一步指出智能軟件、新材料、靈敏機器人、新型制造方法和基于網(wǎng)絡(luò)的制造業(yè)服務(wù)模式將形成合力，產(chǎn)生促進人類經(jīng)濟社會進程變革的巨大力量。制造業(yè)的數(shù)字化所帶來的變革不僅僅是制造領(lǐng)域，而是涉及材料、信息、自動化、管理等諸多領(lǐng)域。

第三次工業(yè)革命具有合作、分散、開放的特征，組織模式扁平化，分散合作更為普遍，創(chuàng)新型中小企業(yè)的作用更為突出，設(shè)計者、生產(chǎn)者與消費者的關(guān)系更為緊密，對制造業(yè)快速響應(yīng)客戶需求的要求也更高。波音公司采用了全數(shù)字化設(shè)計為波音777和波音787開發(fā)了機身，將上市時間縮短了50%以上，采用基于模型的工程和虛擬化、開放架構(gòu)系統(tǒng)和敏捷軟件開發(fā)，正在將整個生產(chǎn)生命周期數(shù)字化，以便向客戶快速提供需要的關(guān)鍵功能。美國于2014年成立了數(shù)字制造和設(shè)計創(chuàng)新中心MxD，數(shù)字化技術(shù)在大飛機制造中應(yīng)用廣泛：在機械零件、橡皮囊成形、蒙皮拉形、復合材料制造、鑄造等多個方面均大量應(yīng)用有限元仿真軟件優(yōu)化工藝，可降低成本，提高質(zhì)量；在飛機裝配階段通過數(shù)字化模擬裝配過程；在新機生產(chǎn)線布局過程中，采用數(shù)字化仿真軟件對飛機生產(chǎn)線、工廠、車間等分析和優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈等。由此可見，隨著科技的迅猛發(fā)展和制造業(yè)競爭的加劇，新一代制造系統(tǒng)必須具備數(shù)字化、柔性化、敏捷化、客戶化等特征。

1.3 數(shù)字制造的研究現(xiàn)狀

數(shù)字制造自提出以來，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。20多年來，數(shù)字制造的一些基本理論和基本概念的研究，已經(jīng)取得了相當多的成果；數(shù)字制造的很多實用子系統(tǒng)乃至全面深入應(yīng)用的數(shù)字制造大系統(tǒng)，已產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展、市場需求的快速變化和全球化經(jīng)濟競爭的日趨激烈，新一代數(shù)字制造系統(tǒng)如雨后春筍般在制造領(lǐng)域成長。

以“Digital manufacturing”為關(guān)鍵詞檢索論文標題(2023年2月25日檢索)，我們可以找到大約1526篇文獻。從圖1到圖4可以看出，從按年份劃分的文獻看，數(shù)字制造文章近幾年呈直線上升的趨勢；按作者劃分看，10位最多文章的作者中，中國作者有3位。而按國家和地域劃分看，數(shù)字制造文章的數(shù)量，中國是第一，美國排第二；按歸屬機構(gòu)劃分，10個發(fā)表文章最多的機構(gòu)，中國有5個；按學科類別劃分，主要還是工程領(lǐng)域。由此可見，數(shù)字制造由我們提出，在我們國家得到廣泛應(yīng)用，同時在英美等發(fā)達國家也得到大量應(yīng)用和推廣。

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展、市場需求的快速變化和全球性經(jīng)濟競爭的日趨激烈，新一代制造系統(tǒng)廣泛體現(xiàn)了數(shù)字化、柔性化、敏捷化、客戶化、網(wǎng)絡(luò)化與全球化等基本特征。制造業(yè)在走向快速響應(yīng)的市場和參與全球制造的競爭中，對數(shù)字制造系統(tǒng)和數(shù)字制造技術(shù)的需求日益迫切。伴隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化的飛速發(fā)展，數(shù)字制造技術(shù)進一步得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。未來相當長的一段時間內(nèi)，在不斷完善數(shù)字制造基本理論和概念體系的基礎(chǔ)上，數(shù)字制造技術(shù)將更日趨完善，數(shù)字制造系統(tǒng)將成為推動制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及形成新一代制造系統(tǒng)的主流，也必將成為各國在制造領(lǐng)域競爭的重要標志。

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數(shù)字制造的概念和體系結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)字制造的概念

這里引用周祖德教授最早在2001年中國機械工程雜志文章中提出的數(shù)字制造概念。所謂數(shù)字制造，指的是在虛擬現(xiàn)實、計算機網(wǎng)絡(luò)、快速原型、信息技術(shù)等支撐技術(shù)的支持下，根據(jù)用戶的需求，迅速收集資源信息，對產(chǎn)品信息、工藝信息制造信息和資源信息進行分析、規(guī)劃和重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和功能的仿真以及原型制造，進而快速生產(chǎn)出達到用戶要求性能的產(chǎn)品的整個制造過程。也就是說，數(shù)字制造實際上就是在對制造過程進行數(shù)字化的描述而建立起的數(shù)字空間中完成產(chǎn)品的制造過程。數(shù)字制造采用數(shù)字化定量、表述、存儲、處理和控制的方法，支持產(chǎn)品全生命周期和企業(yè)的全局優(yōu)化運作，以制造過程的知識融合為基礎(chǔ)、以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征。

數(shù)字制造科學是一門以工程科學、組織科學為基礎(chǔ)，并融合最新科技，如微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能技術(shù)，特別是信息技術(shù)等多學科交叉特點的科學。數(shù)字制造與傳統(tǒng)制造的本質(zhì)區(qū)別在于，數(shù)字制造將力圖從離散的、系統(tǒng)的、動力學的、非線性的和時變的觀點來系統(tǒng)研究制造產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、裝備、控制、組織、管理、營銷和服務(wù)等一系列問題。一般可以從四個方面來大致描述數(shù)字制造，即以控制為中心的數(shù)字制造觀、基于產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字制造觀、基于產(chǎn)品制造的數(shù)字制造觀和基于管理的數(shù)字制造觀。這四者的有機組合與相互支持，周祖德教授將其定義為數(shù)字制造的概念輪圖，如圖5所示。

以控制為中心的數(shù)字制造觀，是指制造過程的數(shù)字控制，最能體系數(shù)字制造的特征。控制過程是以數(shù)字量來實現(xiàn)加工過程的物料流、加工流、控制流、能量流的表征、存儲和控制。以產(chǎn)品設(shè)計為中心的數(shù)字制造觀，是指數(shù)字化貫穿設(shè)計、工藝和制造的全過程，即以數(shù)據(jù)庫為核心，以交互式圖形系統(tǒng)為手段，以工程分析計算為主體的計算機輔助設(shè)計，將CAD產(chǎn)品設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品制造、工程規(guī)則，將包括制造、檢測、裝配等所有信息以及面向產(chǎn)品設(shè)計、制造、工藝、管理、成本核算等全部實現(xiàn)數(shù)字化。以管理為中心的數(shù)字制造觀，是指從市場需求、研究開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、工程制造、銷售、服務(wù)、維護的清單文檔、服務(wù)體系、物料需求、管理系統(tǒng)等實現(xiàn)以“產(chǎn)品”和“供需鏈”，“市場”和“投資決策”等為核心的信息數(shù)字化和過程集成。以制造為中心的數(shù)字制造觀，是指通過制造過程信息的數(shù)字化建模，對制造環(huán)境和制造設(shè)備中各制造單元和制造裝備實施建模、控制、優(yōu)化等，根據(jù)制造過程優(yōu)化和產(chǎn)品性能最優(yōu)指標運用工藝優(yōu)化方法、數(shù)字調(diào)度方法、系統(tǒng)優(yōu)化運行算法等，實現(xiàn)產(chǎn)品制造和制造過程的最優(yōu)化，運用智能理論與智能感知技術(shù)來獲取信息，建立相關(guān)的智能模型，以便于分析、處理、優(yōu)化、控制數(shù)字制造產(chǎn)品的全生命過程。

2.2 數(shù)字制造體系架構(gòu)

數(shù)字制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)字制造中首先需要解決的科學問題。它應(yīng)包含數(shù)字制造的定義、內(nèi)涵、外延；數(shù)字制造的基本特性；數(shù)字制造系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)以及數(shù)字制造的集成策略等。由于市場的全球分布、信息和通信技術(shù)的發(fā)展，以及制造企業(yè)核心知識和競爭力的專一化，傳統(tǒng)的制造向更加集成和復雜的多企業(yè)、多地域協(xié)同發(fā)展，NYLUND和ANDERSSON提出了可擴展的數(shù)字制造系統(tǒng)框架EDMS，實現(xiàn)了制造系統(tǒng)的建模、仿真、分析和變更管理等，并將制造系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在和未來進行數(shù)字化集成，有利于制造系統(tǒng)各實體的集成和協(xié)同，可增強制造系統(tǒng)各實體的智能性。KAISER等對近年來在不同的理念下提出的數(shù)字制造體系架構(gòu)進行了總結(jié)，將數(shù)字制造體系架構(gòu)分為智能制造體系架構(gòu)、制造物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、制造控制體系架構(gòu)、信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)、通用物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)等5類。

周祖德教授提出的數(shù)字制造體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。其基本體系主要包含四個大的部分，即基礎(chǔ)理論和科學問題的支撐體系、關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用體系、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)支持體系以及應(yīng)用領(lǐng)域工程體系等。

2.3 數(shù)字制造與各種制造模式的區(qū)別

美國、日本、韓國、西歐和我國都先后制定過先進制造業(yè)相關(guān)的研究計劃，由此提出了眾多新的制造模式，先后提出了網(wǎng)絡(luò)制造、敏捷制造、虛擬制造、可持續(xù)制造、計算機集成制造、云制造等。不同制造模式的目標、內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)如表1所示。可以這樣理解，從數(shù)字制造的概念出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)制造是數(shù)字制造的全球化實現(xiàn)；虛擬制造的數(shù)字工廠和數(shù)字產(chǎn)品是數(shù)字制造的一種具體體現(xiàn)；敏捷制造是數(shù)字制造的一種動態(tài)聯(lián)盟；計算機集成制造是數(shù)字制造的技術(shù)基礎(chǔ)之一；可持續(xù)制造是數(shù)字制造的一種目標和愿景；云制造的資源服務(wù)化是數(shù)字制造中數(shù)字化的一種體現(xiàn)。其他先進制造技術(shù)與系統(tǒng)還有很多。最近快速發(fā)展的智能制造，其基礎(chǔ)當然是數(shù)字制造。沒有數(shù)字制造就不可能有智能制造，但智能制造將數(shù)字制造上升到了一個新的高度。

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數(shù)字制造的科學體系

3.1 數(shù)字制造的科學理論體系總體框架

數(shù)字制造科學理論體系的總體架構(gòu)如圖7所示，主要由8個模塊組成。其中最重要的模塊是計算幾何學、制造信息學和數(shù)字化建模。這三者構(gòu)成了數(shù)字制造科學最基本的理論基礎(chǔ)。其中計算幾何學和制造信息學，對于數(shù)字制造如何實現(xiàn)制造過程 的可計算性、可控性和可預(yù)測性，以及制造全生命周期各類信息的獲取、傳遞、存儲、處理、轉(zhuǎn)化、利用等，提供理論依據(jù)和數(shù)理基礎(chǔ)。 數(shù)字制造科學與計算機和信息科學是密切相關(guān)的，離開這兩個領(lǐng)域的科學理論支撐，就不可能有數(shù)字制造科學。 數(shù)字化建模則是貫穿 整個數(shù)字制造全生命周期的。 從設(shè)計、工藝、控制到物流、維護和管理，每一個階段都需要數(shù)字化建模，建模是數(shù)字制造系統(tǒng)仿真和優(yōu)化的前提。

仿生制造學、制造智能學和技術(shù)管理學，這三者則是數(shù)字制造科學理論和技術(shù)的發(fā)展和延伸。仿生制造學借鑒生命體在個體復制和進化方面機理，目標是促進制造的自適應(yīng)性、智能性等。制造智能學主要是采用人工智能來研究使用計算機模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考、規(guī)劃等)，在制造產(chǎn)品的全生命周期中，研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。技術(shù)管理學是一個跨學科研究領(lǐng)域，它將科學、工程學、知識管理和實踐結(jié)合起來，和數(shù)字制造的結(jié)合，主要體現(xiàn)關(guān)注制造產(chǎn)品過程中，具有服務(wù)導向和經(jīng)濟激勵的技術(shù)創(chuàng)新，其目的是促進創(chuàng)新、制造高質(zhì)量產(chǎn)品、創(chuàng)造經(jīng)濟增長和促進技術(shù)為制造服務(wù)。

數(shù)字制造機械動力學則主要是對數(shù)字制造機械系統(tǒng)的動力學方程，建立系統(tǒng)的輸入、輸出、運行狀態(tài)之間關(guān)系的數(shù)學表達式。求解機械系統(tǒng)的真實運動狀態(tài)，首先要建立系統(tǒng)的動力學模型，即應(yīng)用基本的動力學原理與方法列出機械系統(tǒng)的動力學方程。

監(jiān)控和可靠性理論則涉及數(shù)字制造中具體應(yīng)用中一些理論問題。其中監(jiān)控包括監(jiān)測與控制兩個方面。就監(jiān)測而言，數(shù)字制造系統(tǒng)零部件的動態(tài)測量中存在著各種影響因素產(chǎn)生的誤差，為了確保系統(tǒng)動態(tài)測量的有效性和準確性，必須研究基于機械理論與信息理論的誤差處理方法。同樣，在研究數(shù)字制造系統(tǒng)過程中，為提高系統(tǒng)的加工精度和使用壽命，不可避免地面臨其加工工序中產(chǎn)生的加工誤差和測量誤差等問題。制造系統(tǒng)的可靠性分析是一項復雜工程，涉及制造技術(shù)、信息技術(shù)、質(zhì)量控制技術(shù)、環(huán)境工程等多個學科。目前，制造系統(tǒng)的可靠性研究正處于探索階段。有學者試圖提出可靠性制造的新理念。而數(shù)字制造系統(tǒng)的控制理論，則涉及系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)、預(yù)測反饋控制等理論、多坐標插補算法、以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與可靠性等理論 問題。

數(shù)字制造科學理論體系總體架構(gòu)的構(gòu)建，體現(xiàn)了從基礎(chǔ)到應(yīng)用、從理論到實踐、從技術(shù)到實現(xiàn)等系統(tǒng)化、層次化的特點。具體表現(xiàn)在：聚焦基礎(chǔ)理論—計算幾何學、制造信息學和數(shù)字化建模；圍繞科學內(nèi)涵的發(fā)展和延伸--仿生制造學、制造智能學和技術(shù)管理學；強化機械應(yīng)用基礎(chǔ)--數(shù)字制造機械動力學；突出兩類應(yīng)用基礎(chǔ)——數(shù)字制造過程的監(jiān)控和可靠性。

3.2 數(shù)字制造計算幾何學

航空發(fā)動機葉輪、大型艦船螺旋槳、飛機機翼、汽車車身、汽車覆蓋件精密模具，以及其他一些具有復雜外形的產(chǎn)品，都需要用數(shù)學方法來描述它們的外形，并在此基礎(chǔ)上建立它們的幾何模型，為制造過程和制造系統(tǒng)的數(shù)字化，為CAD、CAM、CAE等提供基礎(chǔ)。

定義：在數(shù)字制造中，與制造裝備、制造工藝、制造系統(tǒng)相關(guān)的幾何量、物理量和物理過程以及人的經(jīng)驗與技能等均需要離散化表示為可由數(shù)字計算機處理的數(shù)據(jù)和模型。數(shù)字制造的計算幾何學，就是針對具有復雜外形的產(chǎn)品，用離散點擬合等數(shù)學方法來描述它們的外形，并在此基礎(chǔ)上建立它們的幾何模型，主要涉及到微分幾何和計算機輔助幾何設(shè)計。

幾何模型用于描述產(chǎn)品的形狀、大小、結(jié)構(gòu)關(guān)系等幾何信息。利用Bézier曲線和曲面、Coons曲面、B樣條曲線等方法，可在計算機里進行產(chǎn)品幾何建模，把三維形體描述成計算機認知的內(nèi)部模型。此外，反求工程也是建立產(chǎn)品幾何模型的重要途徑，通過對產(chǎn)品數(shù)字化數(shù)據(jù)進行處理，建立數(shù)字化點之間的拓撲關(guān)系，并進一步提取曲面的幾何特征，最后通過基于特征的曲面構(gòu)造，可實現(xiàn)復雜曲面幾何建模。

3.3 數(shù)字制造信息學

新興的信息技術(shù)與制造相融合，使得大部分制造活動在數(shù)字化環(huán)境中以計算機為輔助工具實現(xiàn)，極大提升了信息的獲取、傳遞、存儲、處理、轉(zhuǎn)化、利用等的速度，同時也使制造從人員、物資、能量為主導的傳統(tǒng)制造向以信息為主導的數(shù)字化制造轉(zhuǎn)變。制造信息在計算機中處理與存儲，為制造活動中的一系列數(shù)字化建模和仿真提供了基礎(chǔ)，如圖8所示。此外，信息/數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造正成為制造企業(yè)提高競爭力的重要途徑，制造信息在數(shù)字制造過程占有越來越重要的位置。

定義：數(shù)字制造信息學主要研究有關(guān)制造過程和制造系統(tǒng)信息的合理表述、優(yōu)化配置和有效運作等相關(guān)科學問題。主要包括制造信息的原理屬性；制造信息的度量和物化以及制造信息的自組織與合成。數(shù)字制造是信息驅(qū)動的，制造信息的數(shù)字化，使制造過程、人機交互等做到可視、可控；數(shù)字化了的制造信息，則可在廣域網(wǎng)通過協(xié)議進行安全傳遞，實現(xiàn)資源共享、達到快速協(xié)同制造。

隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，利用制造各環(huán)節(jié)實時采集數(shù)據(jù)進行分析，以促進制造各環(huán)節(jié)的提升成為可能，并成為數(shù)字化制造的基石。然而，數(shù)字制造涉及產(chǎn)品建模、協(xié)同設(shè)計分析、系統(tǒng)仿真、工藝規(guī)劃、制造、測試、產(chǎn)品檢驗、遠程數(shù)字維護與監(jiān)控等許多環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)針對不同的對象有不同的技術(shù)標準和信息表達方式。因此，建立制造信息模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和連接，是數(shù)字制造中數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

3.4 數(shù)字化建模

建模是數(shù)字制造系統(tǒng)仿真和優(yōu)化的前提，建模與仿真廣泛應(yīng)用于驗證產(chǎn)品、工藝、系統(tǒng)等，是數(shù)字制造不可或缺的核心技術(shù)，特別是越來越多的客戶化定制需求，更是要求利用仿真技術(shù)對產(chǎn)品、工藝和制造系統(tǒng)進行快速仿真和驗證。

定義：數(shù)字化建模是數(shù)字制造的重要內(nèi)容。主要研究如何采用數(shù)學的方法合理和準確描述制造全生命周期的各個環(huán)節(jié)。數(shù)字制造模型有多種分類方式。從形式上分，有全局模型、局部結(jié)構(gòu)模型(如FMS模型)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型和生產(chǎn)計劃調(diào)度模型等；從方法上分，有數(shù)學解析模型(如狀態(tài)空間模型)、圖示概念模型(如IDEF模型)、圖示-解析混合模型(如Petri網(wǎng)模型)等；從功能上分，有結(jié)構(gòu)描述模型、系統(tǒng)分析模型(如DEDS離散事件仿真模型)、系統(tǒng)設(shè)計實施模型和系統(tǒng)運行管理模型(如GRAI決策模型)等。在數(shù)字制造中，建模的對象包括產(chǎn)品、資源、信息、組織和決策、生產(chǎn)過程等。建模是制造系統(tǒng)仿真和優(yōu)化的前提，建模與仿真廣泛應(yīng)用于驗證產(chǎn)品、工藝、系統(tǒng)等。

MOURTZIS等對仿真技術(shù)在制造和科研領(lǐng)域的應(yīng)用進行了分析，主要包括CAx，設(shè)備布局設(shè)計，物料和信息流設(shè)計，制造網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，制造系統(tǒng)規(guī)劃與控制，制造網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與控制，產(chǎn)品、工藝設(shè)計、規(guī)劃和驗證中的增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實，人機工效等方面的仿真技術(shù)。本文在此基礎(chǔ)上進行擴展，對近年來產(chǎn)品及其制造全生命周期相關(guān)數(shù)字化建模和仿真技術(shù)進行了歸納，如圖9所示。

在制造全生命周期中，建模和仿真技術(shù)包括布局規(guī)劃仿真、材料流仿真、供應(yīng)鏈仿真、人機工效仿真等、CAQ(Computer-aided quality)、數(shù)字孿生(Digital Twin, DT)等。在離散制造業(yè)中，布局規(guī)劃仿真、材料流仿真和供應(yīng)鏈仿真等都屬于離散事件仿真，常用的仿真軟件包括PlantSim，F(xiàn)lexsim，Promodel，F(xiàn)acts Analyzer，Arena等商業(yè)軟件。此外，還有Salabim，JaamSim，CloudSim等開源生產(chǎn)和物流仿真軟件，其中JaamSim與Arena和PlantSim相比能很好地替代其功能。MOURTZIS還對仿真技術(shù)的里程碑節(jié)點進行了綜述。

預(yù)測是建模和仿真的重要應(yīng)用方向之一，模型復雜度、模型可解釋性、模型可重用性是預(yù)測模型面臨的三個主要挑戰(zhàn)。未來制造中的人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)將深度集成，未來智能制造中的新一代建模和仿真技術(shù)包括新一代數(shù)字化建模技術(shù)、模型工程、智能云仿真、基于工業(yè)大數(shù)據(jù)的建模和仿真、邊緣仿真和嵌入式仿真等技術(shù)，其中，新一代數(shù)字化建模技術(shù)將傳統(tǒng)的建模和仿真技術(shù)與CPS、IoT、AI、VR等技術(shù)相結(jié)合，不僅要能進行離線系統(tǒng)分析和預(yù)測，還要能和物理系統(tǒng)在線交互。

3.5 數(shù)字制造系統(tǒng)的機械動力學

常見的數(shù)字制造機械系統(tǒng)動力學問題主要有機械振動、機械運行狀態(tài)、機械動態(tài)精度、機械系統(tǒng)的動載荷分析、機械動力學性能的主動控制等。這些問題都會對數(shù)字制造機械系統(tǒng)的加工精度、效率等造成影響。

定義：數(shù)字制造機械系統(tǒng)的動力學方程，是建立系統(tǒng)的輸入、輸出、運行狀態(tài)之間關(guān)系的數(shù)學表達式，求解機械系統(tǒng)的真實運動狀態(tài)。動力學問題首先要建立系統(tǒng)的動力學模型，即應(yīng)用基本的動力學原理與方法列出機械系統(tǒng)的動力學方程。常用于建立機械系統(tǒng)動力學方程的原理與方法有牛頓第二定律、達郎貝爾原理、拉格朗日方程、凱恩方程、影響系數(shù)法、傳遞矩陣法等。

機床誤差分析離不開其動力學模型。CUI等分析了五軸超精密銑床橫向誤差的來源，結(jié)合結(jié)構(gòu)力學理論和切削試驗建立了橫向誤差和銑削表面粗糙度之間的關(guān)系模型，并基于該模型補償了機床橫向誤差。LIANG等考慮剛?cè)狁詈咸匦裕⒘思{米精密定位臺的動力學模型，以此分析了空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)、運動平面誤差、基礎(chǔ)振動、驅(qū)動力作用位置等工作臺結(jié)構(gòu)和動力學參數(shù)對其精度的影響。

機床故障的預(yù)測和診斷同樣需要機床動力學模型為支撐。軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對機器的可靠性十分重要，MA等考慮轉(zhuǎn)子的柔性、軸承-轉(zhuǎn)子耦合，基于鐵木辛柯梁理論，并引入半柔性體單元，建立了軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學模型，該模型揭示了軸承接觸角增大會增加滾珠載荷不均勻，造成軸承過早失效。

機械系統(tǒng)的非線性動力學特性和不確定性是機械動力學建模的重要挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生結(jié)合機械系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)動態(tài)修正模型，有助于提高機械動力學模型的準確度。WANG等建立了基于數(shù)字孿生的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷模型，實現(xiàn)了基于參數(shù)敏感性分析的模型自適應(yīng)更新。LUO等基于退化機理建立數(shù)控機床數(shù)字孿生模型，采用粒子濾波算法將孿生模型仿真生成的數(shù)據(jù)和實際機床反饋數(shù)據(jù)進行融合，得到更為準確度的機床剩余壽命，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生模型和數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的數(shù)控機床剩余壽命預(yù)測。LV等提出了基于LIDA(Learning intelligent distribution agent)的認知數(shù)字孿生架構(gòu)，認知數(shù)字孿生的自構(gòu)建、自評估和自優(yōu)化方法，以及數(shù)據(jù)和知識共同驅(qū)動，以滾動軸承維護為例進行了驗證。

3.6 數(shù)字制造智能學

隨著客戶需求的多樣化和要求日益提高，制造系統(tǒng)和產(chǎn)品的復雜性也越來越高，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和產(chǎn)量提出了極高的挑戰(zhàn)，人工智能能夠借助制造過程產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量、成本和產(chǎn)量發(fā)揮作用。人工智能是智能科學的一個分枝，可以追溯到1943年美國伊利諾伊大學Warren McCulloch和Walter Pitts提出的二進制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隨后經(jīng)歷了相當長的起伏期，如圖10所示。自21世紀以來，HINTON等采用逐層初始化的方法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行初始化，解決了深層網(wǎng)絡(luò)訓練中梯度消失的難題，為深度學習奠定了基礎(chǔ)。2016年，SILVER等等結(jié)合深度學習、強化學習和蒙特卡洛樹搜索，開發(fā)了具有自主學習能力的AlphaGo圍棋程序，以5比0戰(zhàn)勝了人類歐洲冠軍棋手，是人工智能在自主學習上的一個突破，人工智能由此進入了快速發(fā)展期。隨著人工智能在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由此產(chǎn)生了制造智能。

定義：制造智能學主要研究數(shù)字制造中采用人工智能工具和計算智能方法(如專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、遺傳算法等)，解決數(shù)字制造過程中的智能數(shù)字化調(diào)度、智能數(shù)字化設(shè)計、智能數(shù)字化加工、智能數(shù)字化控制、智能數(shù)字化工藝規(guī)劃、智能數(shù)字維護與診斷等相關(guān)問題。智能的基礎(chǔ)是數(shù)字化，而數(shù)字制造系統(tǒng)實現(xiàn)智能則使數(shù)字制造系統(tǒng)達到人工智能的高度。隨著人工智能的發(fā)展，及其在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由此產(chǎn)生了制造智能。制造智能表現(xiàn)在智能測量、智能設(shè)計、智能加工、智能工藝規(guī)劃、智能調(diào)度、智能控制、智能診斷等多方面。

制造智能帶來了智能制造這一新型制造模式。智能制造將專家的知識和經(jīng)驗融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動中，賦予產(chǎn)品制造在線學習和知識進化的能力，貫穿于產(chǎn)品全生命周期中的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造全生命周期各環(huán)節(jié)及相應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化集成，不斷提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效益和服務(wù)水平，推動制造業(yè)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放和共享發(fā)展。智能制造的科學內(nèi)涵非常豐富，如圖11所示，包括人工智能、生物智能、腦科學、認知科學、仿生學和材料科學等，和智能化的方方面面，而數(shù)字制造，特別是制造智能，則是智能制造的基礎(chǔ)聚焦。智能制造，包括的產(chǎn)品的設(shè)計、制造和最終的產(chǎn)品服務(wù)，都離不開數(shù)字制造的影子。它起源于設(shè)計、形成于制造，最后以服務(wù)的形式，在用戶端與制造商保持聯(lián)系，而這一切都離不開數(shù)字制造科學與技術(shù)的支撐。

制造智能應(yīng)用在產(chǎn)品生命周期的各個方面。在智能設(shè)計方面，F(xiàn)ENG等從需求分析、概念設(shè)計和詳細設(shè)計等方面綜述了數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀，智能技術(shù)有助于增材制造的高效、經(jīng)濟和有效性。ARINEZ等從加工層、裝備層、系統(tǒng)層等三個層次分析了人工智能在制造階段的研究現(xiàn)狀。XIONG等對智能增材制造進行了分析。CARVALHO等綜述了機器學習在預(yù)測性維護中的應(yīng)用。LI等著重分析了深度強化學習在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用。XIA等分析了圖論(圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識圖譜、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、圖論模型等)在故障檢測、診斷、預(yù)測、維護等方面研究現(xiàn)狀。基于圖論的方法可建立故障部件和檢測信號之間的因果關(guān)系，實現(xiàn)認知預(yù)測性維護。

3.7 數(shù)字制造的仿生制造學

生命過程和制造過程有明顯的相似性，如表2所示。自20世紀以來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，生命科學和先進制造技術(shù)的融合為制造科學帶來了新的模式。仿生制造是先進制造技術(shù)的一個分支，融合了傳統(tǒng)制造技術(shù)、生命科學、信息科學、材料科學等不同學科，是采用生物形式實現(xiàn)制造或以制造生物活體為目標的一種制造方法。

定義：仿生制造學的核心內(nèi)容涉及數(shù)字制造科學與生命科學的交叉。制造過程和制造系統(tǒng)與生命過程、生命系統(tǒng)有很強的相似性。生命系統(tǒng)和制造系統(tǒng)都具有大腦(計算、思維和控制系統(tǒng))、四肢(執(zhí)行系統(tǒng))、傳感和神經(jīng)(信息系統(tǒng))。生命系統(tǒng)和制造系統(tǒng)都有自組織性、自適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性、應(yīng)變性、智能性等，可以說制造過程特別是數(shù)字制造過程的幾乎每一個要素或概念都可以在生命現(xiàn)象中找到它的對應(yīng)物。

圖12給出了仿生制造學的內(nèi)涵，它融合了生物科學、生命科學和工程科學，包含仿生機械與機械工程、生物制造工程、組織工程、醫(yī)學工程和環(huán)境與自然工程等方方面面。

生物界往往能夠人們很多好的啟示，許多解決高復雜度問題和高非線性問題的智能算法都是受生物啟發(fā)產(chǎn)生的。德國弗勞恩霍夫協(xié)會(Fraunhofer-Gesellschaft)利用生物學進化知識創(chuàng)建了新一代制造系統(tǒng)——“生物制造系統(tǒng)”，其基礎(chǔ)是材料科學、生產(chǎn)、數(shù)學和信息技術(shù)等，核心技術(shù)是生物算法、數(shù)字孿生，能夠適應(yīng)新的制造需求和環(huán)境條件，包括利用制造誤差自適應(yīng)完善制造系統(tǒng)和工藝。

3.8 數(shù)字制造系統(tǒng)的監(jiān)控和可靠性理論

除了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，可靠性是制造系統(tǒng)的重要指標。可靠性工程貫穿于制造系統(tǒng)的需求分析、產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、裝配、試驗和使用保障等生命周期的全過程。近年來，隨著市場對個性化生產(chǎn)需求的不斷增長，數(shù)字制造系統(tǒng)也在不斷演進，其性能和功能在不斷地提高和多樣化，這使得數(shù)字制造系統(tǒng)的可靠性越來越重要。

定義：數(shù)字制造系統(tǒng)的可靠性，涉及的事件多數(shù)是隨機事件，如加工設(shè)備的工藝波動和加工誤差、物流系統(tǒng)的協(xié)同誤差、制造信息數(shù)字化系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象、操作人員的操作差異等因素和現(xiàn)象，都可能造成制造系統(tǒng)可靠性的變化，這些因素和現(xiàn)象的隨機變化滿足統(tǒng)計規(guī)律性。制造系統(tǒng)的可靠性事件所表現(xiàn)出的隨機統(tǒng)計性，為制造系統(tǒng)可靠性的分析和設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字制造系統(tǒng)測量誤差的來源主要有三個方面：測量儀器、測量條件和測量者。數(shù)字制造系統(tǒng)動態(tài)測量數(shù)據(jù)大多數(shù)為非平穩(wěn)信號，一般采用時頻分析方法。需要研究實際系統(tǒng)的材料特性、結(jié)構(gòu)模型、制造工序、誤差理論，結(jié)合各性能測試與實驗，提出基于理論與實踐結(jié)合的系統(tǒng)性數(shù)字制造系統(tǒng)測量誤差基礎(chǔ)理論與相關(guān)信號處理方法。

一般來說，制造系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定(或設(shè)計)使用時間內(nèi)，可正常工作的時間是隨機變化的。因此，可用概率來定量描述制造系統(tǒng)的可靠性，包括制造系統(tǒng)的可靠度和失效率。制造系統(tǒng)的可靠度 R(t)與失效率λ(t)有密切的關(guān)系，它們描述了制造系統(tǒng)在服役期間可靠性的不同屬性。在制造系統(tǒng)的服役期間，可靠度反映制造系統(tǒng)可靠性的響應(yīng)屬性，失效率反映制造系統(tǒng)可靠性的穩(wěn)定屬性。可靠度高表示制造系統(tǒng)在服役期間正常工作的可能性就高，失效率低表示制造系統(tǒng)在服役期間能可靠工作的穩(wěn)定性較好。

數(shù)字制造監(jiān)控系統(tǒng)誤差的來源主要有三個方面：測量儀器、測量條件和測量者。測量儀器所引起的儀器誤差主要是由于測量工具的設(shè)計、制造和裝配校正等方面的欠缺所引起的測量誤差，如度盤的裝配偏心，以及儀器調(diào)整校正后的殘留誤差等。測量條件誤差也稱為環(huán)境誤差，是由于測量過程中測量條件變動所引起的。測量者誤差也稱為人為誤差，其主要是由測量者造成的，如測量者的估讀誤差、瞄準誤差等。

常用的測量動態(tài)數(shù)據(jù)分析方法有：快速傅里葉變換方法(Fast Fourier transform，F(xiàn)FT)是常用的數(shù)據(jù)分析處理方法，它主要用來顯示信號的頻域特征，但該方法是信號整體的一種表征，僅適用于平穩(wěn)信號；時頻分析方法如短時傅里葉變換、小波變換、本征模態(tài)分解(Eigen mode decomposition，EMD)等，這類方法的主要目標是表征信號的頻譜分量隨時間的變化情況，它的最終目的是建立一種在時間和頻率上同時表征信號的強度或者能量的一種分布，適用于非平穩(wěn)信號的分析處理。數(shù)字制造系統(tǒng)動態(tài)測量數(shù)據(jù)大多數(shù)為非平穩(wěn)信號，一般都采用時頻分析方法。

3.9 數(shù)字制造系統(tǒng)技術(shù)管理學

隨著當今科技競爭的加劇，技術(shù)已成為制造企業(yè)的核心資產(chǎn)，技術(shù)管理比傳統(tǒng)的資源(設(shè)備、人力、資金)管理更加需要科學的管理方式。為了在日益激烈的技術(shù)競爭中獲得競爭優(yōu)勢，技術(shù)管理成為當前企業(yè)面臨的重要課題。因此，技術(shù)管理學也成為制造領(lǐng)域一個重要研究方向。技術(shù)管理學和數(shù)字制造科學的融合，就形成了數(shù)字制造系統(tǒng)技術(shù)管理學。

技術(shù)管理的經(jīng)典框架如圖13所示，它基于動態(tài)能力理論，將技術(shù)能力看作資源，可通過識別、選擇、獲取、探索、保護、學習等分布在策略、創(chuàng)新和運營三個核心商業(yè)過程中的行為對技術(shù)資源進行管理，并在組織之外，通過技術(shù)能力推動機制和市場需求推動機制之間取得平衡。通過有效的技術(shù)管理，能夠?qū)⒓夹g(shù)資源有效地運用到這些過程中，從而提高企業(yè)的競爭力。

定義：數(shù)字制造的技術(shù)管理學是數(shù)字制造科學與管理科學的融合，涉及數(shù)字企業(yè)的高效經(jīng)濟運籌、生產(chǎn)組織和管理、企業(yè)間的合作與競爭、數(shù)字制造資源的協(xié)同與共享、制造產(chǎn)品質(zhì)量保障體系、快速響應(yīng)市場機制、以及人—機—環(huán)境等協(xié)調(diào)的科學問題。將技術(shù)管理科學、社會人文科學的研究成果同數(shù)字制造科學緊密結(jié)合，將使數(shù)字制造科學更趨完善。

有學者研究認為，技術(shù)管理學原則上可以將其劃分為5個領(lǐng)域，即技術(shù)創(chuàng)新管理、技術(shù)知識管理、技術(shù)應(yīng)用管理、技術(shù)規(guī)劃管理和技術(shù)戰(zhàn)略管理。數(shù)字制造系統(tǒng)技術(shù)管理學則具有制造特別的屬性。數(shù)字制造系統(tǒng)的發(fā)展需要技術(shù)管理學的支持，而技術(shù)管理學和數(shù)字制造的融合，將使技術(shù)管理學更加豐富。

人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、分布式賬本等數(shù)字化技術(shù)是第四次工業(yè)革命的重要技術(shù)，也對技術(shù)管理產(chǎn)生了深遠影響，也帶來了相應(yīng)的挑戰(zhàn)，需要對現(xiàn)有的技術(shù)管理框架進行擴展，包括強化技術(shù)管理專家在技術(shù)資源中的組織等。

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數(shù)字制造的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字制造的關(guān)鍵技術(shù)涉及的內(nèi)容包括數(shù)字化設(shè) 計技術(shù)、數(shù)字產(chǎn)品工藝規(guī)劃技術(shù)、數(shù)字化加工技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、數(shù)字化資源共享技術(shù)、數(shù)字化監(jiān)測與維護技術(shù)、數(shù)字化營銷與服務(wù)技術(shù)以及支持產(chǎn)品全生命周期和企業(yè)的全局優(yōu)化運作與管理技術(shù)等。

4.1 數(shù)字制造技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字制造的關(guān)鍵技術(shù)，是在應(yīng)用和實施中不斷完善、不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展。本文在總結(jié)上述數(shù)字制造形成背景、發(fā)展歷程、數(shù)字制造的理論框架的基礎(chǔ)上，提出了一個數(shù)字制造關(guān)鍵技術(shù)體系架構(gòu)。

數(shù)字制造技術(shù)體系的架構(gòu)，如圖14所示，由8個模塊組成。其中最重要的核心模塊是設(shè) 計技術(shù)、工藝技術(shù)和制造技術(shù)。這三者構(gòu)成了數(shù)字制造技術(shù)架構(gòu)最基本的技術(shù)基礎(chǔ)。設(shè)計技術(shù)是在制造過程中帶有引領(lǐng)性的和全局性的，任何一個產(chǎn)品如果沒有好的設(shè)計技術(shù)和設(shè)計思想，就 不可能有好的產(chǎn)品；同樣制造工藝與產(chǎn)品制造技術(shù)在產(chǎn)品制造全生命周期中有著極為重要的作用，它涉及制造過程的每一個環(huán)節(jié)，缺乏好的制造技術(shù)及工藝技術(shù)和手段，就絕不可能和好的產(chǎn)品。

控制技術(shù)、監(jiān)測和資源共享技術(shù)，這三者則是數(shù)字制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是高端制造產(chǎn)品和裝備，這三者是十分關(guān)鍵的。控制技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展發(fā)生了巨大的變化。數(shù)字控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)內(nèi)涵、控制算法以及控制技術(shù)理念不斷推陳出新。尤其是高端裝備的先進性，某種程度可以說是控制與制造技術(shù)的競爭。監(jiān)測則涉及制造產(chǎn)品全過程和制造裝備本身。監(jiān)測制造裝備，確保裝備的健康運行；監(jiān)測制造過程，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。監(jiān)測的方法和手段，亦隨著各種新技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，監(jiān)測的核心技術(shù)是傳感器，近幾年來，傳感器技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展，其中尤其是光纖光柵傳感器，實現(xiàn)了無接觸感知和光信號傳輸，可以說是傳感技術(shù)的重大創(chuàng)新。

數(shù)字營銷服務(wù)技術(shù)和智能管理技術(shù)，是制造產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用技術(shù)。數(shù)字營銷即數(shù)字傳播，是指以技術(shù)為基礎(chǔ)，數(shù)字平臺為載體，通過數(shù)字化手段整合企業(yè)資源，最終實現(xiàn)營銷活動目的。制造過程的智能管理技術(shù)是先進制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它通常包括基于知識的產(chǎn)品工藝規(guī)劃、支持制造資源共享的優(yōu)化配置決策支持、基于構(gòu)件的可重構(gòu)的制造車間生產(chǎn)管理、可視化制造系統(tǒng)建模仿真和診斷、可重構(gòu)的制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和模塊化生產(chǎn)單元設(shè)計等部分。產(chǎn)品制造全生命周期的各個部分是一個有機的整體，由CAPP、CAM、資源平臺、車間管理和可視化仿真等單元軟件，在制造過程智能軟件的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下有機構(gòu)成，以實現(xiàn)產(chǎn)品制造全程的資源優(yōu)化利用、信息監(jiān)控與反饋處理，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效益和社會效益的最大化。

數(shù)字制造技術(shù)體系總體框架的構(gòu)建，同樣體現(xiàn)了系統(tǒng)化、層次化的特點，具體表現(xiàn)在：聚焦技術(shù)基礎(chǔ)——即設(shè)計技術(shù)、工藝規(guī)劃技術(shù)和加工技術(shù)；圍繞關(guān)鍵技術(shù)——即控制技術(shù)、監(jiān)測和資源共享技術(shù)；強化產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用技術(shù)——即數(shù)字營銷與服務(wù)技術(shù)和智能管理技術(shù)。

4.2 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計利用數(shù)字化的產(chǎn)品建模、仿真、多學科綜合優(yōu)化、虛擬樣機、數(shù)字孿生以及信息集成和過程集成等技術(shù)和方法，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計、工程與結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化、工藝設(shè)計與數(shù)控編程等。數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包括全生命周期數(shù)字化建模、基于知識的創(chuàng)新設(shè)計、多學科綜合優(yōu)化、數(shù)字樣機、數(shù)字孿生、協(xié)同設(shè)計等。

數(shù)字孿生、數(shù)字樣機等是產(chǎn)品早期設(shè)計階段驗證和分析的有力工具，能夠縮短復雜產(chǎn)品的研制周期、降低真實產(chǎn)品試驗成本。TAO等提出了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計框架，涵蓋了產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計、詳細設(shè)計、虛擬驗證等環(huán)節(jié)，并以自行車設(shè)計為例進行了驗證，數(shù)字孿生能夠通過物理空間和數(shù)字空間的交互促進產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本。PANAROTTO等提出了數(shù)字孿生模塊最優(yōu)化組合方法，在保證孿生體性能預(yù)測能力的同時，降低物理產(chǎn)品成本和孿生體成本，開發(fā)了具有通用性、可重用性、可重構(gòu)的數(shù)字孿生模塊，用于電力推動系統(tǒng)早期設(shè)計階段的性能預(yù)測。WAGNER等認為應(yīng)將數(shù)字孿生產(chǎn)品設(shè)計和數(shù)字孿生制造集成起來，其難點在于建立面向設(shè)計和制造的統(tǒng)一數(shù)字孿生框架，具體包括通用的接口和標準化，高效的信息流等。數(shù)字線程(Digital thread)將產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)進行連接，為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)，SINGH和WILLCOX利用數(shù)字線程提供的全生命周期數(shù)據(jù)反饋，提出了不確定性條件下產(chǎn)品迭代設(shè)計方法，用于飛機上的碳纖維復合翼盒肋板的纖維角度和厚度等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，不僅優(yōu)化了當前產(chǎn)品的成本，還通過分析產(chǎn)品運行數(shù)據(jù)考慮了對下一代數(shù)字制造產(chǎn)品設(shè)計的影響。

4.3 數(shù)字化工藝規(guī)劃技術(shù)

數(shù)字化工藝規(guī)劃是以制造工藝知識為基礎(chǔ)，以數(shù)字化技術(shù)、管理技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)為支撐，構(gòu)建面向加工和產(chǎn)品裝配需求的數(shù)字化工藝規(guī)劃系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)包括零件特征提取、工藝數(shù)據(jù)管理以及計算機輔助工藝技術(shù)。

對于零件加工工藝數(shù)字化設(shè)計，第一步就是獲取零件的特征信息。零件特征是零件開發(fā)過程中各種信息的載體，主要包括幾何特征和工藝特征。幾何特征包括零件各基本幾何形體的表面特征、結(jié)構(gòu)特征、零件的尺寸、基本幾何形體在零件中所處的位置等。工藝特征包括表面粗糙度、形狀位置精度要求、形位間的相互位置精度等。

對于裝配工藝數(shù)字化設(shè)計，從20世紀80年代起，計算機開始用于輔助裝配序列規(guī)劃，所使用的方法最初主要是圖搜索法，但其對于復雜產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃存在“組合爆炸”問題，因此，人工智能越來越多地用于復雜產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃。

4.4 數(shù)字化加工技術(shù)

材料切削加工是用切削工具把工件上多余的材料除去，使工件獲得要求的幾何形狀和表面質(zhì)量的加工方法。

與傳統(tǒng)切削加工機床相比，數(shù)控機床在總體布局、結(jié)構(gòu)、性能上有許多明顯的差異。數(shù)控機床的主要的特點是：廣泛采用高效、無間隙傳動裝置，機床靜、動剛度較高，抗振性良好，熱穩(wěn)定性較好，運動精度和低速穩(wěn)定性較高。

切削加工質(zhì)量主要受材料的屬性、工藝參數(shù)、加工裝備、環(huán)境的影響。切削加工中的數(shù)字化技術(shù)主要體現(xiàn)在加工過程的數(shù)字化建模和控制優(yōu)化。加工過程的數(shù)字化建模是優(yōu)化加工質(zhì)量、效率、成本的基礎(chǔ)。金屬切削過程建模的一個重要挑戰(zhàn)是材料本構(gòu)模型參數(shù)。ZHANG等采用原位高分辨率圖像和高速數(shù)字圖像相關(guān)法測量剪切區(qū)實際應(yīng)變和應(yīng)變率，并建立正交切削分析模型，利用實驗數(shù)據(jù)辨識材料本構(gòu)模型參數(shù)。金屬切削應(yīng)變率對于切削參數(shù)選擇十分重要，但通常缺乏應(yīng)變率的原位測量手段。BERGS等采用有限元仿真技術(shù)建立主剪切區(qū)熱力學耦合模型，用于應(yīng)變率預(yù)測，同時采用高速數(shù)字圖像相關(guān)法測量實際應(yīng)變率，仿真模型預(yù)測結(jié)果和測量結(jié)果接近，并發(fā)現(xiàn)切屑壓縮比和切削速度對主剪切區(qū)應(yīng)變率影響最大，仿真模型可用于建立切削過程數(shù)字孿生體，并指導切削參數(shù)優(yōu)化。

加工工藝參數(shù)優(yōu)化是保證加工效率、質(zhì)量、成本的重要因素，加工過程數(shù)字化模型是指導工藝參數(shù)優(yōu)化的重要依據(jù)。MIRKOOHI等基于彈塑性應(yīng)力分析和逆向分析法建立加工殘余應(yīng)力的預(yù)測模型，采用迭代梯度搜索法優(yōu)化切削參數(shù)，以減小加工殘余應(yīng)力。LI等采用加工過程多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立刀具磨損預(yù)測模型，考慮刀具磨損的影響，構(gòu)建基于強化學習的工藝參數(shù)優(yōu)化框架，利用歷史數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)訓練，并持續(xù)利用實際加工數(shù)據(jù)更新網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，降低加工能耗和減小加工時間。LU等針對航空零件多道次側(cè)銑加工，采用SAC(Soft actor critic)深度強化學習算法優(yōu)化工藝參數(shù)，控制零件形變的同時降低加工能耗。WANG等針對碳纖維復合材料切邊時會發(fā)生面外彎曲，進而引起表面破壞，提出了一種新的帶微刃的多齒刀具，采用Abaqus/Explicit軟件建立了有限元模型，如圖15所示，分析刀具結(jié)構(gòu)對碳纖維復合材料切邊時面外彎曲度的影響，并基于此對刀具結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，與傳統(tǒng)刀具相比有效降低了碳纖維復合材料表面破壞。

4.5 數(shù)字化控制技術(shù)

數(shù)字化控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。數(shù)字化控制系統(tǒng)硬件主要包括微處理器、微控制器、外圍芯片、傳感器、電機以及硬件相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)等。數(shù)字化控制系統(tǒng)軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件。

數(shù)控系統(tǒng)通過數(shù)控描述語言(Numerical control description language，NCDL)對加工對象、環(huán)境、功能(如插補算法等)和指標(加工精度)進行描述，對相應(yīng)的控制模塊及組態(tài)軟件模塊進行選擇，實現(xiàn)對機床運動的控制。數(shù)控系統(tǒng)中的各種控制信號、傳感信號，可以經(jīng)過傳感器反饋送入機床主控制器，各種信號經(jīng)過計算機運行計算得到機床的工作狀態(tài)，從而控制機床的可靠運行。

制造業(yè)發(fā)展到今天，種類繁多且日新月異的數(shù)字控制技術(shù)正在形成巨大的推動力，推動傳統(tǒng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。當前數(shù)控系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)使傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不斷提升改造和升級換代。將信息技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)“嵌入”到數(shù)控系統(tǒng)中，不僅將大大增強傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能水平，而且使其具有數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的功能，已成為提高數(shù)字制造產(chǎn)品競爭力的有效和成功的模式。

4.6 數(shù)字化資源共享技術(shù)

制造資源是企業(yè)完成產(chǎn)品整個生命周期所有生產(chǎn)活動的物理元素的總稱。在數(shù)字制造系統(tǒng)中，企業(yè)的硬件和軟件制造資源種類多、數(shù)量大。制造資源在物理范圍上具有分散性，往往分布于不同的位置，隨著制造業(yè)日趨社會化和分散經(jīng)營的特點，制造資源分布在不同的企業(yè)之間，跨域企業(yè)合作急需制造資源的共享。制造資源在功能上具有異構(gòu)性，不同企業(yè)使用的軟硬件平臺差異很大。此外，由于不同企業(yè)的制造資源建設(shè)投入不同，制造資源的區(qū)域分布具有很大的不均勻性。因此，對制造資源進行數(shù)字化的統(tǒng)一管理、協(xié)同和匹配，屏蔽制造資源的異構(gòu)性，實現(xiàn)分布式制造資源的共享，對產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)都有重要的意義。通過建立合理的數(shù)字制造資源智能管控的架構(gòu)模型，分析最優(yōu)化的數(shù)字制造資源的共享方案，有利于提高制造資源檢索率和制造資源的優(yōu)化管理，從而提高對數(shù)字制造資源的共享效率。

制造資源共享的目的是使企業(yè)在正確的地點、正確的時間得到需要的制造資源，并能夠在分布式、異構(gòu)的區(qū)域環(huán)境下有效組織和調(diào)度具有自治性的、不同供應(yīng)商擁有的制造資源，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

隨著多品種、小批量需求的增長，以及制造業(yè)分工的細化，供應(yīng)鏈協(xié)作日益加深，生產(chǎn)日益去中心化，分布式制造、云制造等制造模式應(yīng)運而生。然而，資源共享安全風險仍然是產(chǎn)品供應(yīng)鏈上各主體資源共享的制約因素。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)與分布式計算范式，能夠通過數(shù)據(jù)加密、時間戳、分布式共識等手段，在節(jié)點無需互相信任的分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)可信的點對點通信。通過區(qū)塊鏈創(chuàng)建產(chǎn)品及其零部件的數(shù)字通證(Token)，可實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的產(chǎn)品及其零部件的追溯。區(qū)塊鏈能夠為產(chǎn)品生命周期信息共享、制造資源共享、協(xié)同制造等活動建立一個安全的環(huán)境。

4.7 數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)

隨著制造科學和技術(shù)的迅速發(fā)展及全球高端制造業(yè)的競爭加劇，機械裝備在國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位已顯得十分突出，機械裝備的健康狀況和安全運行對生產(chǎn)至關(guān)重要。因此，深入研究機械裝備的在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的科學和技術(shù)問題，進一步提升機械裝備運行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的科學技術(shù)水平，是數(shù)字制造的重要任務(wù)，也是數(shù)字制造的重要研究內(nèi)容。

機械系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)目前形成了既有傳統(tǒng)理論和方法，又有現(xiàn)代檢測手段和先進故障建模和分析技術(shù)，既能應(yīng)用于工程實際，又與最新技術(shù)密切相關(guān)的學科體系。機械系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)主要研究內(nèi)容有傳感器及系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測及系統(tǒng)、智能診斷系統(tǒng)、監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的集成四部分，不斷吸收數(shù)學、信息、力學、材料、人工智能等領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)明，引導機械系統(tǒng)監(jiān)測和故障診斷研究向深度、廣度擴展。

目前，在機械系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測與故障診斷領(lǐng)域中，傳感技術(shù)和診斷方法是兩個最為活躍的研究方向。在傳感技術(shù)研究方面，重點是突破傳統(tǒng)電磁類傳感器技術(shù)的不足，研究和開發(fā)新型傳感器及其系統(tǒng)。在診斷方法研究方面，重點是結(jié)合最新的人工智能技術(shù)，研究數(shù)據(jù)和機理相結(jié)合的故障診斷和預(yù)測方法。

機床刀具狀態(tài)信息可用于分析刀具的剩余壽命、加工效率、尺寸精度，以及加工表面質(zhì)量等。聲發(fā)射、振動、切削力、表面粗糙度、能耗、溫度等傳感器可用于獲取刀具狀態(tài)，并且近年來隨著人工智能的發(fā)展，深度學習越來越多地用于刀具磨損狀態(tài)預(yù)測模型的構(gòu)建。

光測量是非接觸測量方法，廣泛應(yīng)用于幾何尺寸、表面缺陷的在線測量，包括3D打印過程中粉末床的原位監(jiān)測，從而利用原位信息進行打印缺陷分析，并指導加工工藝的在線修正，但測量速度和數(shù)據(jù)處理瓶頸，幾何復雜性，零件尺寸和表面紋理，惡劣環(huán)境與不確定性等是光測量技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。光纖光柵(Fibre bragg gratings，F(xiàn)BGs)傳感器是一種尺寸小、抗電磁干擾、高精度、高穩(wěn)定性和具有良好環(huán)境適應(yīng)性的傳感器，可以實現(xiàn)多種物理量的大容量、分布式動態(tài)檢測，尤其是對于運行環(huán)境惡劣、工況與結(jié)構(gòu)復雜的高端機械裝備，光纖傳感具有顯著的優(yōu)勢，在數(shù)控機床溫度場監(jiān)測、機床定位誤差監(jiān)測、機床切削力監(jiān)測、碳纖維生產(chǎn)線監(jiān)測、重大和高端機械產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測方面得到了大量的應(yīng)用，通過形成智能材料、實現(xiàn)精準感知、構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)和實現(xiàn)智能閉環(huán)，對智能制造起到了有力的推動作用。

筆者及其團隊將光纖光柵用于重型機床的監(jiān)測，通過大量測點監(jiān)測機床溫度場，并結(jié)合刀具末端位置信息，構(gòu)建了機床熱誤差模型，可補償機床熱誤差和機床結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，如圖16所示。

光纖光柵傳感器技術(shù)是數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)中的典型代表。目前，數(shù)字化監(jiān)測的重點研究方向是新型傳感器、多傳感器系統(tǒng)和信息融合技術(shù)。

4.8 數(shù)字化管理技術(shù)

當前，制造業(yè)呈現(xiàn)個性化定制要求更高，交貨期要求更短，制造業(yè)市場競爭加劇的特點。同時，也存在由于制造資源短缺導致交貨期延誤，以及由于制造資源的富余而導致的制造資源閑置。這要求制造企業(yè)在數(shù)字化資源共享的基礎(chǔ)上，利用ERP(Enterprise resource planning)、MAS(Manufacturing automatic system)、CAQ(Computer-aided quality)、PDM(Product data management)等數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)制造資源的數(shù)字化管理，減少制造資源閑置，最大化制造資源的利用率，并通過優(yōu)化的制造資源組織和管理，提高生產(chǎn)效率。

制造系統(tǒng)層的數(shù)字化管理技術(shù)主要體現(xiàn)在制造系統(tǒng)的建模和優(yōu)化調(diào)度、資源分配等方面，目標是提高制造系統(tǒng)的效率、產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。

制造系統(tǒng)具有很大的隨機性和非線性，如何利用已有的建模工具建立制造系統(tǒng)的模型并進行制造系統(tǒng)性能分析，仍是有待持續(xù)研究和解決的問題。MAGNANINI等面向大型制造系統(tǒng)混合數(shù)字化建模，提出了狀態(tài)相關(guān)的子系統(tǒng)模型偽表示方法，降低模型結(jié)構(gòu)和信息復雜度，易于重用和重組，并以斷路器生產(chǎn)線為例進行了分析，如圖17所示。SAEZ等采用混合建模技術(shù)建立包含裝備層動力學和系統(tǒng)層離散和連續(xù)狀態(tài)變量的制造系統(tǒng)模型，用于裝備層工藝參數(shù)和系統(tǒng)層配置、工序的控制，實現(xiàn)生產(chǎn)效率、可靠性、質(zhì)量和能效等多目標優(yōu)化和管理。

數(shù)字孿生在制造系統(tǒng)建模和優(yōu)化中的研究與應(yīng)用有其獨特的優(yōu)勢。ZHANG等基于數(shù)字孿生五維模型建立了車間生產(chǎn)線的數(shù)字孿生，所建立的數(shù)字孿生體可用于車間裝備可用性預(yù)測、生產(chǎn)擾動檢測、性能評估，通過數(shù)字孿生中物理車間和數(shù)字車間的虛實交互，可提高車間生產(chǎn)效率。SODERBERG等提出了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品幾何誤差實時補償方法，考慮產(chǎn)品和生產(chǎn)工具幾何參數(shù)、產(chǎn)品零件相互接觸狀態(tài)、產(chǎn)品裝夾位置、工藝順序等與產(chǎn)品誤差相關(guān)的因素，建立面向產(chǎn)品幾何誤差仿真的數(shù)字孿生體，將其用于產(chǎn)品制造過程的工藝順序、裝夾位置等參數(shù)的優(yōu)化，對產(chǎn)品的幾何誤差進行實時補償，提高產(chǎn)品精度。LENG等提出了一種基于數(shù)字孿生的制造系統(tǒng)快速重構(gòu)方法，建立了半物理的孿生體，其中，基于本體對具有開放架構(gòu)的制造裝備進行建模，基于REST(Representational state transfer)建立了控制和傳感器網(wǎng)模型，并考慮上層生產(chǎn)效率和底層重構(gòu)成本，對制造系統(tǒng)進行優(yōu)化和重構(gòu)，優(yōu)化結(jié)果可用于物理制造系統(tǒng)控制。ZHANG等提出了基于數(shù)字孿生的制造系統(tǒng)可重構(gòu)建模方法，通過幾何模型、物理模型、能力模型、行為模型和規(guī)則模型等五維模型融合構(gòu)成制造系統(tǒng)的模型，并通過功能模塊的形式實現(xiàn)模塊的重組。

4.9 數(shù)字化營銷與服務(wù)技術(shù)

隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計算、元宇宙等網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的高速發(fā)展，人類社會已經(jīng)完全進入了一個嶄新的數(shù)字時代，制造產(chǎn)業(yè)市場營銷的價值也開始在市場發(fā)展中得到迅速釋放。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，信息呈現(xiàn)碎片化、數(shù)字化和全球化趨勢，其一方面正從用戶、營銷戰(zhàn)略、平臺、效果評估等多個方面拆解了傳統(tǒng)的營銷體系(報紙、電視、廣播等)，另一方面為數(shù)字化時代下全新營銷系統(tǒng)的重組創(chuàng)造了條件，社會正在由“消費紅利”向“數(shù)智創(chuàng)新”演進，從而加速了數(shù)字營銷的進程。在這個背景下，制造產(chǎn)品營銷也全面進入數(shù)字營銷傳播時代。

數(shù)字營銷是指以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)、通過數(shù)字化手段調(diào)動企業(yè)資源進行營銷活動以實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的價值過程，數(shù)字營銷的本質(zhì)是基于虛擬實踐的營銷。數(shù)字營銷的主要途徑包括數(shù)字電視等媒體，基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公眾號、手機APP等。從數(shù)字營銷在制造企業(yè)活動的角度上將數(shù)字營銷定義為，以移動互聯(lián)網(wǎng)和VR(Virtual reality)、AR(Augmented reality)、MR(Mixed reality)等數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，為制造企業(yè)需要開展的產(chǎn)品營銷活動調(diào)配企業(yè)資源，以實現(xiàn)制造企業(yè)產(chǎn)品和服務(wù)的價值過程。

5

數(shù)字制造的前沿與應(yīng)用前景

5.1 3D打印

制造的方式可分為減材制造(切削加工)、等材制造(鑄造、鍛造等)和增材制造(或3D打印)。3D打印技術(shù)最能體現(xiàn)數(shù)字制造的特點，是數(shù)字制造的一種典型形式。簡言之，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過極薄的斷面逐層堆疊的方式來構(gòu)造三維物體的技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)減材制造和等材制造難以加工的復雜結(jié)構(gòu)物體。

3D打印的基本流程是先用計算機輔助設(shè)計(CAD)軟件設(shè)計零件的三維數(shù)字模型，然后把三維數(shù)字模型傳遞到3D打印設(shè)備，在3D打印設(shè)備中，三維數(shù)字模型被離散為一系列相鄰的層，再通過3D打印設(shè)備分層堆積，最后變成實際的三維零件。

3D打印技術(shù)融合了信息技術(shù)、新材料與制造技術(shù)，通過原材料直接打印成產(chǎn)品，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計到制造的無縫銜接，促進了大規(guī)模客戶化定制。此外，3D打印技術(shù)改變了通過對原材料進行切削、裝配進行生產(chǎn)的模式，可縮短加工時間，提高生產(chǎn)效率。3D打印的上述優(yōu)勢給制造工藝帶來了深刻的革命。現(xiàn)在，許多復雜機械產(chǎn)品乃至生物產(chǎn)品都可以通過3D打印進行生產(chǎn)，如人工心臟泵、火箭發(fā)動機、角膜等。

3D打印技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前歸納起來，主要有7大類，包括黏結(jié)劑噴射成型、定向能量沉積、材料擠壓成型、材料噴射成型、粉末床熔融、片材層壓成型、光固化成型等。黏結(jié)劑噴射成型使用液體黏結(jié)劑沉積在粉末材料的薄層上。定向能量沉積將材料融化和逐層沉積在零件上，通常用于修復或在已有零件上增加材料，使用的材料主要是絲狀金屬或金屬混合物，也可以使用陶瓷和聚合物。材料擠壓成型主要用于塑料、食物等材料的打印，使用廣泛且成本低。材料噴射成型通過噴頭將液體光敏材料逐滴沉積到構(gòu)建表面，使用紫外光將材料固化，逐層重復，從而完成產(chǎn)品打印。粉末床熔融采用電子束或激光將粉末材料逐層熔合或燒結(jié)或熔化，包括電子束熔化成型、選擇性激光燒結(jié)、選擇性熱燒結(jié)等技術(shù)。片材層壓成型是將片狀材料結(jié)合起來制造物體的技術(shù)。光固化成型采用特定波長的光使光反應(yīng)性聚合物固化，是3D打印常用的技術(shù)。

3D打印建模與仿真是近年來的一個研究熱點。由于成型方式與傳統(tǒng)切削成型在成型方式上存在顯著區(qū)別，3D打印成型數(shù)字化建模與性能仿真也需要采用新的方法。近年來，越來越多的學者將數(shù)據(jù)和物理模型相結(jié)合建立復雜對象或過程的模型。REN等針對激光粉末床熔融中常見的鎖孔孔隙缺陷局部和瞬間檢測難題，結(jié)合熱成像數(shù)據(jù)、X射線圖像和多物理場仿真，以及機器學習技術(shù)，開發(fā)了亞毫秒級時間分辨率的鎖孔檢測模型。

5.2 面向服務(wù)的數(shù)字制造

在20世紀90年代末，“制造即服務(wù)”作為一個制造業(yè)內(nèi)的新概念，在科技不斷進步以及制造關(guān)系發(fā)生巨大變化的形勢下，逐漸為越來越多業(yè)內(nèi)人士接受，但是受到當時互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)技術(shù)限制，比如數(shù)據(jù)傳輸在速度、距離等方面還十分受限，因此在直至今天，“制造即服務(wù)”藍圖還沒有真正在制造業(yè)中得以廣泛實現(xiàn)。

面向服務(wù)的數(shù)字制造系統(tǒng)，就是要突破地域?qū)χ圃熨Y源共享的約束，開展覆蓋產(chǎn)品全生命周期部分或全部環(huán)節(jié)的制造業(yè)務(wù)活動，實現(xiàn)用戶與服務(wù)供應(yīng)方的協(xié)同和各種制造資源的共享與集成，高效、高質(zhì)量、低成本地為用戶提供所需的制造服務(wù)，從而提升服務(wù)供應(yīng)方核心競爭力，同時取得預(yù)期經(jīng)濟效益。

面向服務(wù)的制造需要面對的關(guān)鍵問題就是處理好用戶、服務(wù)提供方以及服務(wù)管理平臺之間的關(guān)系。通過服務(wù)管理平臺的操作，服務(wù)提供方提供的服務(wù)或服務(wù)組合能夠滿足用戶需求，三方面的關(guān)系如圖18所示。服務(wù)管理平臺在面向服務(wù)的制造中發(fā)揮詮釋與調(diào)度作用，一方面將用戶需求以數(shù)據(jù)形式對所需產(chǎn)品以及約束條件進行描述，比如用數(shù)值模型將用戶所需產(chǎn)品描述成一系列子任務(wù)集合，服務(wù)提供方擁有制造設(shè)備和操作能力，擁有一定制造技術(shù)支撐，比如加工、過程監(jiān)控、測試、包裝等。這些在網(wǎng)絡(luò)化制造中不再受地域等傳統(tǒng)約束條件的束縛，完成基于知識的產(chǎn)品最優(yōu)化生產(chǎn)，執(zhí)行高效、節(jié)能、環(huán)保的制造進程。在面向服務(wù)的制造中，服務(wù)提供方代表市場環(huán)境中具備眾多類型的制造能力，通過服務(wù)管理平臺，為用戶提供接入。服務(wù)管理平臺為服務(wù)提供方輸入制造數(shù)據(jù)，服務(wù)提供方則輸出符合用戶需求產(chǎn)品的最終形式。另一方面根據(jù)注冊服務(wù)資源使用自動感知、調(diào)度與定序技術(shù)，在大量注冊服務(wù)與用戶任務(wù)間完成匹配，定位匹配服務(wù)并發(fā)起制造命令，并對服務(wù)中斷等意外情況實現(xiàn)靈活任務(wù)調(diào)度。面向服務(wù)的數(shù)字制造，其使能關(guān)鍵技術(shù)主要包括：制造資源的感知與數(shù)據(jù)匯聚；制造資源的虛擬化和服務(wù)化；制造能力的動態(tài)評估；制造服務(wù)的管理優(yōu)化以及制造服務(wù)的信息安全保障機制等。

5.3 生物制造與生物機電一體化

隨著科技的發(fā)展，人們對自身健康產(chǎn)生了極大的關(guān)注。生命科學的發(fā)展使人們對生命的機理有了更深入的認識，將細胞及生物材料作為加工對象，在體外構(gòu)建具有一定生理功能的組織和器官，用于病損組織和器官的修復和重建成為可能。在這樣的背景下，生物制造(Bio-manufacturing)一經(jīng)提出就得到了廣泛關(guān)注，得到了快速發(fā)展。

生物制造技術(shù)可分為：① 基于細胞的成形制造技術(shù)，主要包括以單個細胞為操控對象的激光引導直寫技術(shù)，以及以單層細胞為操控對象的細胞片層技術(shù)；② 基于生物材料的成形制造技術(shù)，是將細胞與基質(zhì)或載體支架結(jié)合起來制造新的組織，傳統(tǒng)的支架制造技術(shù)不能支持支架結(jié)構(gòu)的準確控制和個性化定制，以低溫沉積、熔融沉積、選擇性激光燒結(jié)、光固化工等為代表的3D打印技術(shù)以及粉末冶金等技術(shù)為支架的個性化定制和高效制造提供了可能，并且，3D打印等也可用于制造多孔金屬或陶瓷基植入物(如關(guān)節(jié)、骨骼等)，通過表面改性，可提高植入物的生物活性、機械性能、耐腐蝕性、耐疲勞性等；③ 細胞和材料共同參與的成形制造技術(shù)，是將細胞和仿生外基質(zhì)材料同時組裝成類人體組織和器官，然后進行培育的技術(shù)，主要包括細胞打印，細胞三維受控組裝等技術(shù)。

生物制造產(chǎn)品是通過對自然生物系統(tǒng)微觀行為和機理的學習，利用人工主動調(diào)控制造出來的。因此，生物制造是數(shù)字制造科學和生命科學的高度交融。將現(xiàn)代數(shù)字制造科學和技術(shù)用于生物制造和生物機電一體化，能為生物制造和生物機電一體化在感知、建模和控制等方面提供思路。另一方面，隨著生命科學的進步，生物制造也將為數(shù)字制造技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展提供借鑒。

生物組織和器官的數(shù)字化建模能為其協(xié)同制造和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。然而，生物組織和器官復雜性和多樣性使其數(shù)字化與通常的制造過程數(shù)字化不同，往往都具有高度的復雜性。生物制造的數(shù)字化挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在生物制造過程極其復雜，制造過程數(shù)據(jù)采樣困難，而且采樣成本高，制造工藝繁多等方 面。由于上述挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模以及數(shù)據(jù)和機理混合的建模技術(shù)是更為合適的選擇。生物制造過程的監(jiān)測、控制和優(yōu)化也是生物制造數(shù)字化的必要關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比有著很大的不同，迫切需要進一步發(fā)展和完善。

5.4 數(shù)字制造的新材料科學和技術(shù)

新材料是先進制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是其他高新技術(shù)突破的前提，在國民經(jīng)濟以及國防建設(shè)中起到重要的支撐作用。當今，制造業(yè)成為全球競爭的焦點，而材料科學和技術(shù)又是制約制造業(yè)發(fā)展的短板。因此，發(fā)展材料科學和技術(shù)，對制造業(yè)特別是對數(shù)字制造具有重要意義。總體上看，我國在電子信息材料、新能源材料、關(guān)鍵化工新材料、建筑新材料、重大和高端裝備用鋼鐵材料、高性能有色及稀有金屬材料、無機非金屬材料、特種纖維材料、生物醫(yī)用和制藥材料等關(guān)鍵基礎(chǔ)材料方面取得了長足的進步，但產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性仍然有待提高。

當前，制造中的新材料科學和技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要有：① 探索金屬、陶瓷和高分子材料中的共性科學規(guī)律；② 微電子芯片設(shè)計和制造水平的提升離不開材料科學的突破，例如弄清封裝材料組織演化規(guī)律對芯片封裝可靠性十分關(guān)鍵；③ 從大型結(jié)構(gòu)到功能微納器件設(shè)計和制造，都需要研究不同結(jié)構(gòu)、不同功能的材料耦合界面組織和性能演化內(nèi)在機制和原理；④ 器件組裝中微區(qū)形貌調(diào)控。

在第三次工業(yè)革命中，人工智能等新技術(shù)與新材料相結(jié)合，互相影響。例如，機器學習可用于材料相結(jié)構(gòu)、顯微組織、成分-工藝-性能、服役行為預(yù)測等方面，這種大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合的研究范式對材料設(shè)計產(chǎn)生了深刻影響。融合經(jīng)典理論和高科技領(lǐng)域中的成果而形成的數(shù)字制造中新材料制造科學將成為群體性技術(shù)革命的支柱。

可以這樣認為，沒有新材料科學和技術(shù)的進步，就沒有先進的現(xiàn)代數(shù)字制造，未來新材料制造科學將一方面注重材料微觀組織演化機理，另一方面注重與高科技領(lǐng)域中的新成果相結(jié)合，滿足越來越高的產(chǎn)品制造需求，并符合綠色、高效、可循環(huán)使用等數(shù)字制造發(fā)展的要求。

5.5 數(shù)字制造的極端制造

極端制造是指在極端環(huán)境下，制造極端尺度或極高功能的器件和功能系統(tǒng)。其中，極端尺度包括特大尺寸和特小尺度，如空天飛行器超大構(gòu)件精密模鍛、微納機械、芯片的制造等。極高功能體現(xiàn)在功能參數(shù)或極端嚴酷的服役環(huán)境。極端制造將物質(zhì)置于極端環(huán)境下，實現(xiàn)幾何和物理性能的多尺度演變，獲得極端尺度或極高功能產(chǎn)品。這需要通過新效應(yīng)、新工藝、新裝備等構(gòu)造數(shù)字制造技術(shù)的極限。

極端制造的幾個發(fā)展方向包括：① 超大尺度制造；② 超高速裝備制造；③ 超小尺度微納制造；④ 超高精度制造；⑤ 極端環(huán)境下的制造；⑥ 超高能量密度制造。

針對上述發(fā)展方向，極端制造仍然離不開制造過程的監(jiān)測、建模和控制。制造過程監(jiān)測是實現(xiàn)制造過程建模的基礎(chǔ)，光纖傳感具有體積小、抗電磁干擾、耐高溫等優(yōu)良特性，在航天器大應(yīng)變測量、渦扇發(fā)動機進風口高頻動壓測量、航空發(fā)動機高溫測量上已得到應(yīng)用。制造過程建模包括微納制造的微尺度效應(yīng)建模，產(chǎn)品性能與設(shè)計、制造、使役等多參量關(guān)聯(lián)關(guān)系建模等，制造過程的建模是實現(xiàn)數(shù)字化和可計算制造的基礎(chǔ)。制造過程控制是根據(jù)制造過程模型調(diào)控工藝參數(shù)，以滿足極端制造要求。

極端制造的基礎(chǔ)科學主要體現(xiàn)在四個方面：一是物質(zhì)在強場下的多維、多尺度演變規(guī)律與實現(xiàn)技術(shù)；二是微結(jié)構(gòu)在微尺度效應(yīng)下的精密成形、選擇性性能演變與制造技術(shù)，包括微去除、微生長、微改性等制造界面處的物理、化學作用、能量與物質(zhì)的輸運等；三是微系統(tǒng)的組裝與功能形成，包括在微驅(qū)動、微操縱、微連接、微裝配等過程中運用量子力學、微動力學規(guī)律與流體動力學、分子動力學規(guī)律等；四是復雜功能系統(tǒng)創(chuàng)成與功能狀態(tài)的控制。

在極端制造領(lǐng)域，數(shù)字制造科學家主要在微尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)性態(tài)上發(fā)掘與尋求制造技術(shù)的新突破，在極強的能量與物質(zhì)的交互中探索與創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)、新功能產(chǎn)品，在極端環(huán)境與物質(zhì)的交互中提高產(chǎn)品功能狀態(tài)的確定性。

5.6 數(shù)字制造的可持續(xù)制造

可持續(xù)發(fā)展是一種既能滿足人類當前需求，又不犧牲人類后代的利益的發(fā)展模式。制造業(yè)在可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。據(jù)調(diào)查，制造業(yè)占據(jù)了90%的工業(yè)領(lǐng)域能耗。許多國家將可持續(xù)制造作為降低能源和資源消耗以及提高本國制造業(yè)競爭力的重要途徑。由此可見，可持續(xù)制造是數(shù)字制造一個很重要的發(fā)展方向。

從體系結(jié)構(gòu)上來看，可持續(xù)制造包括三個方面——經(jīng)濟、環(huán)境、社會，它的目標是實現(xiàn)這三個方面的平衡。可持續(xù)制造的內(nèi)涵可由圖19表示。

可持續(xù)制造可以定義從具體到抽象、測量方法從簡單到復雜分為廢棄物排放最小化、提高材料有效性、提高資源有效性和提高制造的生態(tài)有效性四個層次。

可持續(xù)制造的關(guān)鍵使能技術(shù)主要包括：一是制造系統(tǒng)的可持續(xù)狀態(tài)監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測為可持續(xù)制造的實施提供必要的決策依據(jù)。可持續(xù)制造狀態(tài)監(jiān)測涉及產(chǎn)品的全生命周期各個階段；二是可持續(xù)制造能力建模與評估。可持續(xù)制造能力是在傳統(tǒng)制造能力概念的基礎(chǔ)上，以可持續(xù)發(fā)展理念為指導，以實現(xiàn)資源、能效、環(huán)境等綜合效益最優(yōu)為目標，對傳統(tǒng)制造能力要素進行擴充；三是能量有效的制造工藝規(guī)劃。以切削加工為例，工藝參數(shù)的選擇(例如：主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度、切削寬度、刀具前角、斜角等)對加工過程的能量有效性具有顯著的影響。加工過程能耗模型可以將工藝參數(shù)和加工能耗關(guān)聯(lián)起來，用于估計切削能耗，是能量有效的制造工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)；四是能量有效的車間調(diào)度。能量有效車間調(diào)度是通過生產(chǎn)調(diào)度對車間制造系統(tǒng)的批量及其加工排程進行優(yōu)化，形成節(jié)能的生產(chǎn)計劃方案，以及在生產(chǎn)過程中通過改變機器的工作能耗狀態(tài)對系統(tǒng)能耗進行總體控制，實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)。

除了考慮資源和環(huán)境，人在工作中的安全和舒適也得到越來越普遍的關(guān)注，以人為中心的制造成為當前的發(fā)展趨勢之一。通過新一代ICT、AR/VR/MR/XR、元宇宙等新技術(shù)，將知識數(shù)字化，彌補工人的知識，提高工人的技能，實現(xiàn)以人為中心的安全、舒適的工作環(huán)境，提高制造業(yè)競爭力。

通過上述技術(shù)，建立數(shù)字化和資源有效工廠，實現(xiàn)數(shù)字化工廠設(shè)計，通過數(shù)據(jù)收集和管理，實現(xiàn)制造系統(tǒng)優(yōu)化，并提高人的安全性和舒適性，最終實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境友好的數(shù)字化可持續(xù)制造。

5.7 數(shù)字制造與數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是數(shù)字化制造發(fā)展的最高形式和必然，而數(shù)字制造是數(shù)字孿生制造的基礎(chǔ)。數(shù)字制造和數(shù)字孿生制造的關(guān)注點如下。

數(shù)字制造專注于制造物理世界本身的數(shù)字化，包括：數(shù)字化設(shè)計，即產(chǎn)品設(shè)計信息的數(shù)字化；數(shù)字化工藝，即制造過程工藝數(shù)據(jù)與信息的數(shù)字化；數(shù)字化控制，即制造過程的數(shù)字化控制；數(shù)字化產(chǎn)品，即制造產(chǎn)品的數(shù)字化描述；數(shù)字化加工，即加工過程的數(shù)字化描述與處理；數(shù)字化資源共享，即整個制造活動一切制造資源的數(shù)字化；數(shù)字化監(jiān)測，即制造系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)字化；數(shù)字化管理，即制造系統(tǒng)和企業(yè)決策管理的數(shù)字化建模和優(yōu)化、資源分配等；數(shù)字化營銷與服務(wù)，即企業(yè)營銷資源和服務(wù)的數(shù)字化。

數(shù)字孿生制造，則不僅關(guān)注制造物理世界本身的數(shù)字化，同時還建立了與制造物理世界對應(yīng)的數(shù)字化虛擬世界。數(shù)字孿生的數(shù)字化虛擬世界實際上是一個真實物理世界的映射。它充分利用真實世界的物理模型、傳感器監(jiān)測所獲取的數(shù)據(jù)、運行歷史過程中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，同時集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真和模擬過程，在虛擬的數(shù)字空間中完成對真實物理世界的映射，從而真實反映相對應(yīng)的實體世界的全生命周期過程。

數(shù)字孿生最為重要的啟發(fā)意義在于，它實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向CPS空間數(shù)字化模型的反饋。各種基于數(shù)字孿生體的數(shù)字化仿真和智能化應(yīng)用，都能確保與物理世界的適用性和保真性，這就是數(shù)字孿生對數(shù)字化制造的意義所在。

這個聽上去十分神奇的數(shù)字孿生過程可以高度概括為以下幾個步驟：準確的將現(xiàn)實世界以數(shù)字化的方式表達出來；創(chuàng)造一個產(chǎn)品、流程或設(shè)備的數(shù)字孿生體；模擬、仿真和分析現(xiàn)實世界中發(fā)生的問題或未知的領(lǐng)域利用數(shù)字化使得現(xiàn)實和虛擬世界無縫連接；回到過去，解決問題；預(yù)測未來，減少失敗；將產(chǎn)品創(chuàng)新以及制造的效率和有效性提升至全新的高度；在這里有兩點十分關(guān)鍵，一是數(shù)字孿生模型，這就需要如何準確的將現(xiàn)實世界以數(shù)字化的方式刻畫和表達出來，這一點離不開數(shù)字化技術(shù)的支持，這也充分說明為什么數(shù)字化是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)；二是現(xiàn)實和虛擬世界無縫連接，這就需要很多嶄新的技術(shù)支持，包括數(shù)字化檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、虛擬技術(shù)等，這也為什么說數(shù)字孿生制造是數(shù)字化制造的一個新的高度，一個革命性的飛躍。

數(shù)字孿生的實現(xiàn)離不開數(shù)字化建模技術(shù)。SCHLEICH等提出數(shù)字孿生模型應(yīng)具有以下特性。(1) 可伸縮性：能夠提供不同尺度(從細節(jié)到大型系統(tǒng))的對數(shù)字孿生體的洞察力，在結(jié)構(gòu)上不丟失細節(jié)，盡量映射物理孿生體的細微之處；(2) 互操作性：能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達”的等同性，以多樣性的數(shù)字孿生體來映射物理孿生體；(3) 可擴展性：集成、添加或替換數(shù)字模型的能力，如隨時隨處添加若干擴展結(jié)構(gòu)；(4) 保真性：描述數(shù)字虛體模型與物理實物產(chǎn)品的接近性，不僅在外觀和幾何結(jié)構(gòu)上相像，在質(zhì)地上也要相像。實際工況環(huán)境下運行的機械系統(tǒng)往往工作在多物理場耦合條件下，存在多類型、多尺度載荷，在建模中需要考慮系統(tǒng)的多尺度物理特性以及多物理場的耦合和集成，實現(xiàn)可擴展的模型，對于模型的重用和互操作十分重要。此外，復雜制造系統(tǒng)異構(gòu)模型的融合是未來數(shù)字化建模與仿真的發(fā)展方向之一。仿真軟件之間不兼容、交互接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)資源異構(gòu)、時序不統(tǒng)一等問題都給模型的互操作和同步提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理相結(jié)合的復雜對象建模也是未來建模的發(fā)展趨勢之一。

5.8 數(shù)字制造與元宇宙

元宇宙的概念源于科幻小說《Snow Crash》，描述了一個與現(xiàn)實世界平行的虛擬世界，現(xiàn)實世界的人在虛擬世界都有一個化身，在其中交往和生 活。現(xiàn)實世界和虛擬世界可以相互交互，虛實相生。一方面，通過對現(xiàn)實世界的模擬，實現(xiàn)現(xiàn)實世界的數(shù)字化；另一方面，通過虛擬世界的自我創(chuàng)造，對現(xiàn)實世界產(chǎn)生影響，實現(xiàn)數(shù)字體驗的真實化，如圖20所示。

“數(shù)字制造元宇宙”的本質(zhì)，是利用傳感器、VR/AR/XR設(shè)備等硬件，以及區(qū)塊鏈、新一代人工智能、數(shù)字化模型等軟件和算法，圍繞產(chǎn)品全生命周期創(chuàng)建與物理制造系統(tǒng)平行的虛擬制造系統(tǒng)，模擬物理制造系統(tǒng)在現(xiàn)實世界中的狀態(tài)，物理制造系統(tǒng)和虛擬制造系統(tǒng)相互映射、虛實共生、虛實交互，人、機器、環(huán)境和虛擬制造系統(tǒng)全面智慧互連和互操作，形成面向制造的新型數(shù)字空間，基于此實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期要素可視、可析、可驗證和智能化協(xié)同管理，基于虛擬世界的模擬提升物理制造系統(tǒng)的運維水平和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

元宇宙在制造中的潛在應(yīng)用領(lǐng)域和影響是多方面的，例如：為用戶提供更好的交互途徑，用戶可參與產(chǎn)品設(shè)計和提供及時反饋，更高效和便捷地促進虛擬產(chǎn)品變成現(xiàn)實；更快、更靈活的車間布局設(shè)計；區(qū)塊鏈技術(shù)使供應(yīng)鏈可追溯、更加透明；基于虛擬現(xiàn)實提高運維質(zhì)量和效率，打破運維培訓的地域限制；基于VR/AR和3D打印快速制造產(chǎn)品原型；通過虛擬仿真提高制造資源管理管理水平等。

制造元宇宙尚處于起步階段，在網(wǎng)絡(luò)安全、元宇宙技術(shù)成本、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的兼容性、算法等方面面臨諸多挑戰(zhàn)。從提高制造可持續(xù)性和彈性的角度出發(fā)，未來的制造應(yīng)以人為中心，“人本制造元宇宙”也是制造元宇宙未來的重要發(fā)展方向之一。新一代人工智能技術(shù)和各類新技術(shù)的跨界融合，必將促進數(shù)字制造元宇宙的快速發(fā)展，智能制造產(chǎn)品也將極大豐富。

6

結(jié)論與展望

數(shù)字制造綜合而言，其核心理念是強調(diào)“數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能”+“制造業(yè)”。而進入元宇宙時代，數(shù)字制造將更強調(diào)“個人創(chuàng)意/體驗”+“數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能”+“制造業(yè)”，數(shù)字制造將進入智能制造的新時代。

數(shù)字制造或智能制造元宇宙，通過VR/AR/MR/XR技術(shù)，實現(xiàn)更好地展示、交流、體驗與交易，手勢、體感、腦電等新交互技術(shù)，可以更好地表達、接收、交流個人思想；人工智能、人機結(jié)合，利用3D打印、集成制造、智能制造、云制造等工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，可以更加高效便捷地促進虛擬產(chǎn)品變成現(xiàn)實；未來制造產(chǎn)品必將極大豐富。

數(shù)字化建模的深入研究是數(shù)字制造永恒的主題。在未來的數(shù)字制造領(lǐng)域，復雜制造系統(tǒng)異構(gòu)模型的融合，是數(shù)字化建模與仿真的發(fā)展方向之一。仿真軟件之間不兼容、交互接口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)資源異構(gòu)、時序不統(tǒng)一等問題給模型的互操作和同步提出了挑戰(zhàn)。實際工況環(huán)境下運行的機械系統(tǒng)往往工作在多物理場耦合條件下，存在多類型、多尺度載荷，在建模中需要考慮系統(tǒng)的多尺度物理特性以及多物理場的耦合和集成，實現(xiàn)可擴展的模型，對于模型的重用和互操作十分重要。此外，數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理相結(jié)合的復雜對象建模也是未來制造建模的另一發(fā)展趨勢之一。

未來數(shù)字制造將更趨向于以人為中心的制造，新一代信息和通信技術(shù)(ICTs)的進步提高了制造過程的透明度，通過新一代ICTs、AR/VR/MR/XR、元宇宙等新技術(shù)，將知識數(shù)字化，彌補工人的知識，提高工人的技能，實現(xiàn)以人為中心的安全、舒適的工作環(huán)境，提高制造業(yè)競爭力。

可持續(xù)制造同樣是數(shù)字制造的重要發(fā)展方向，研究和建立數(shù)字化和與資源有效工廠，實現(xiàn)數(shù)字化工廠設(shè)計，數(shù)據(jù)收集和管理，運行和規(guī)劃，制造系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境友好的可持續(xù)制造。

總之，隨著智能制造的廣泛深入開展、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用和制造元宇宙的出現(xiàn)，以及制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，數(shù)字制造將會賦予更豐富的內(nèi)涵和嶄新的理念，但它一直是各種制造理念和制造模式的基礎(chǔ)。

作　　者：周祖德

責任編輯：趙子祎

責任校對：向映姣

審　　核：張　強

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