(特价书)数字孪生实战：基于模型的数字化企业(MBE)

“工业4.0”的必有之路是打造数字化企业，本书着重在满足客户个性化的需求基础上，在产品创意设计、生产制造和运行使用等方面实现数字化和自动化技术，高效、高质量、灵活和快速地交付产品，逐步建立企业知识积累平台，固化知识规则，建立知识自动化能力，提升设计、工艺、制造、质量、服务等业务部门的工作效率，提升产品品质，形成强大的企业可持续发展的竞争能力。

序
前言
技术篇
第1章　数字孪生推进装备制造业转型与升级 2
1.1　数字孪生技术成为企业转型的关键驱动力 2
1.2　西门子的最新数字孪生技术应用 4
1.3　数字孪生关键技术说明 9
第2章　数字孪生助力打造基于模型的数字化企业 19
2.1　全球基于模型的数字化企业最新应用 19
2.2　西门子MBE解决之道 25
2.3　西门子MBE：数字孪生技术支撑企业关键业务 29
2.4　西门子MBE：数字孪生技术的价值定位 40
方案篇
第3章　基于模型的系统工程解决方案 42
3.1　业务挑战 42
3.2　解决方案 43
3.3　价值体现 55
第4章　基于模型的三维设计与仿真解决方案 57
4.1　基于模型的三维产品设计 57
4.2　基于模型的设计分析 73

　　从自动化、数字化到智能化，追求日臻完美的复杂系统数字孪生模型
　　曾有人说过，前言可能是一本书中唯一多余的章节。“Talk is cheap，Show me the code”（能说算不上什么，有本事就把你的代码给我看看），Linux创始人Linus Torvalds可谓一针见血。在buzzwords（概念）创新充斥各个角落时，我们可能需要坚持“能畅想‘智能+’算不上什么，有本事就把你的数字孪生模型给我看看”。
　　2013年德国提出的第四轮工业革命“工业4.0”，以比我们想象的更快的速度变成当下的现实。云、大、物、移、智等新技术和制造业的交融，自动化和数字化的“两化融合”，机器学习深入包括语音识别、图像识别、数据挖掘等诸多领域并取得了令人瞩目的成绩，新材料、新工艺、新能源方面的技术突破，正在让制造业变得更柔（大规模柔性定制）、更软（软件定义一切）、更美（绿色环保）。一个物质极大丰富、全面智能化的新时代正在加速到来。
　　要在“工业4.0”时代生存发展，制造业企业必须成功地进行数字化转型，转型成为一个软件定义的平台型企业，把产品重构为软件定义的可重构平台。制造平台型企业的核心是产品、工厂、企业的数字孪生模型，有了“数字孪生”，才能通过并行工程和快速迭代，用数字的消耗替代能源的消耗和物质的消耗，才能“多快好省”（T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（范围）、E（效率）综合优化）地实现产品创新和精益生产，以可接受的成本为消费者提供个性化消费体验，实现可持续盈利性增长，形成强大的市场竞争力。
　　工业科技的发展是累进的，让我们简单回顾一下历史。“二战”前后，工程师认识世界和改造世界的“三论”——系统论、控制论、信息论逐步成熟，在机械化和电气化的基础上，引发了第三轮工业革命。自动控制理论也从经典控制逐步发展到现代控制、计算机控制，直到今天兴起人工智能第三轮浪潮。在“工业4.0”时代，如何对企业系统进行建模和仿真——开发其“数字孪生”模型？
　　著名科学家钱学森等人在1990年发表的一篇文章《一个科学新领域：开放的复杂巨系统及其方法论》中为我们指明了方向。“当前人工智能领域中综合集成的思想得到重视，计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacture System，CIMS）的提出与问世就是一个例子。在工业生产中，产品设计与产品制造是两个重要方面，各包括若干个环节，这些环节以现代化技术通过人机交互进行工作。以往设计与制造是分开各自进行的，现在考虑将两者通过人工智能技术有机地联系起来，将制造过程中有关产品质量的信息及时向设计过程反馈，使整个生产灵活有效，同时能保证产品的高质量。这种将设计、制造甚至管理销售统一筹划设计的思想，恰恰是开放的复杂巨系统的综合集成思想的体现。”
　　2002年，Michael Grieves博士在密歇根大学和NASA研讨会上第一次提出“Digital Twin”（数字孪生）的理念。他认为，随着复杂性日益增加，现代产品系统、生产系统、企业系统本质上均属于复杂系统。为了优化、预测复杂系统的性能，我们需要一个可观测的数字化模型，一个产品的综合性的、多物理场的数字表示，以便于在产品的整个生命周期中维护和重复使用在产品设计和制造期间生成的数字信息。数字孪生在设计和制造过程中建立，并在产品生命周期中持续演进增长。产品一旦投入现场使用，其全生命周期历史包括状态数据、传感器读数、操作历史记录、构建和维护配置状态、序列化部件库存、软件版本以及更多提供服务和维护功能的完整产品图像。通过数字孪生可以分析产品的当前状态和性能，以调度预防和预测维护活动，包括校准和工具管理。结合维护管理软件系统，数字孪生可以用于管理维修部件库存，并且指导技术服务人员完成现场修理、升级或维修。通过积累数据库中的足够实例，工业大数据分析工程师可以评估特定系列设备及其部件，并反馈给产品设计和工艺设计，用于产品和工艺的持续改进，最终形成闭环数字孪生（Closed Loop Digital Twin）。
　　作为工业数字化全球领军企业，在2007年西门子明确了“融合物理世界和虚拟世界”的战略愿景。通过一系列研发投资和战略并购，具备了支持“从芯片到城市”、综合性、多物理场、闭环的数字孪生技术，帮助客户转型为基于模型的数字化企业（Model Based Enterprise，MBE）。为了消除研制过程中的各种浪费，MBE使用3D数模和TDP（Technical Data Package，技术数据包）作为产品全生命周期的单一模型。3D数模由MBD（Model Based Definition，基于模型的产品定义）生成，加上PMI（Product Management Information，产品管理信息），理论上可以从三维拓展到无穷维，这个单一模型TDP可以在全企业范围内进行分享和自由流动，保障产品全生命周期快速、无缝、自由的数据流动。如果一个企业实现了TDP在其内部部门间及其生态系统的自由流动，我们即称之为MBE。本书探讨的复杂产品系统主要指的是光机电软液控系统。
　　实施针对复杂系统MBE的闭环数字孪生，需要分别支持产品系统、生产系统、运行系统的数字孪生模型，并实现三大系统模型的一体化整合。欲高精度、高可信度地建立这三类模型，编者认为，需要理论和实践的创新：在产品系统数字孪生领域，要发展新一代MBSE（Model Based System Engineering，基于模型的系统工程），用于预测物理结构和特征、物理绩效特征、环境响应、失效模式等；在生产系统数字孪生领域，要利用PSE（Production System Engineering，生产系统工程），对各生产系统要素、产线、车间、供应链系统进行建模和仿真，用于优化物理布局和特征、产能和利用率、产出和节拍；在运行系统数字孪生领域，要打造IIoT（Industrial Internet of Things，工业物联网），提供物理系统的实时运行状态，优化运营水平，预测维护，并对设计进行验证。
　　怀着加速中国从制造大国转型为制造强国、从逆向工程转型为正向研发的梦想，西门子工业软件大中华区技术团队组织专家顾问，与航天科技集团有关专家一道，在总结多年实战经验的基础上适当加以抽象，编写了“数字孪生”系列书籍，以供智能制造、工业互联网、工业人工智能领域的政产学研各界读者参考。
　　一、新一代基于模型的系统工程（MBSE）
　　对于光机电软液控系统的复杂产品系统，其数字孪生从“形似”到“神似”，旨在加速产品创新过程，过去40～50年间全球CAD/CAM/CAE领域为此做出了持续的努力，如今三维CAD数模和几何样机渲染已经完全达到逼真水平。编者重点关注如何把复杂系统数字孪生做到“神似”，以有效地协助利益攸关者认识、预测和优化复杂系统。
　　要做到“神似”，须在“基于文档”系统工程提升到“基于模型”系统工程的基础上，进一步演进到“新一代MBSE”。编者认为，新一代MBSE应该是多层次的（涉及整机系统功能架构、领域系统架构、领域模型）、多物理场的、动态的、闭环的数字孪生，由计算机对设计空间自动寻优，并由一个数字线索（Digital Thread，或称数字神经）系统支持设计方案快速迭代。模型的复杂度、精确度和实时性随着产品生命周期的演进逐步提升。要实现基于数字孪生的正向研发理念，需要建设两个基础平台，即全生命周期的管理平台及基于云和物联网的资源共享平台，并且提供三个维度的技术支撑：不同研发阶段的协同，不同子系统之间的集成，不同领域、不同学科之间的耦合。
　　在系统架构建模层面，MIT教授Edward Crawley领衔著作的《系统架构：复杂系统的产品设计与开发》深刻地从形式和功能两个方面讲解了如何分析系统，并给出了如何创建良好系统架构的指导原则；国际系统工程学会（INCOSE）列明了各种主流的建模语言、方法论和工具。
　　在领域模型层面，随着计算能力遵从摩尔定律指数发展，包括有限元方法（FEA或有限单元法）、有限差分法、边界元方法、有限体积法的数值分析（计算数学）工具的成熟，可以解决工程中遇到的大量问题，其应用范围从固体到流体，从静力到动力，从力学问题到非力学问题。事实上，有限单元法已经成为在已知边界条件和初始条件下求解偏微分方程组的一般数值方法。有限单元法在工程上的应用属于计算力学的范畴，而计算力学是根据力学中的理论，利用计算机和各种数值方法，解决力学中实际问题的一门新兴学科。它横贯力学的各个分支，不断扩大各个领域中力学的研究和应用范围，同时也在逐渐发展自己的理论和方法。例如，柔性多体动力学仿真考虑到实际系统中某些运动部件的弹性无法忽略，甚至是主要动力学行为的来源，利用西门子Simcenter LMS Virtual Lab可以将FEM与多体动力学仿真（MBS）软件深度整合起来，只需要定义相关部件的受力和边界条件，其余的都是内部作用，节省工作量又较为真实可信。其他学科包括多物理场分析仿真（Simcenter 3D）、复材（Fibersim）、电气（Capital）、软件（Polarion）、功能安全（MADE）、电磁（Infolytica）、流体力学和传热学（STAR CCM+），等等。
　　有一个重要问题，近几年兴起的机器学习（人工智能）能否用于复杂系统的“数字孪生”模型？
　　机器学习是人工智能的一个分支，简单地说，就是通过算法，使机器能从大量历史数据中学习规律，从而对新的样本做智能识别或对未来进行预测。常见的机器学习算法如神经网络（Neural Network）、支持向量机（Support Vector Machines，SVM）、Boosting、决策树（Decision Tree）、随机森林（Random Forest）、贝叶斯模型（Bayesian Model）等。其实，在深度学习浪潮掀起之前，力学和工程领域早已开始在计算力学研究中结合神经网络模型开发出更优的算法，一个典型的例子便是有限元神经网络模型。由于在实际工程问题中存在大量非线性力学现象，如在结构优化问题中，需要根据需求设计并优化构件结构，这是一类反问题，这些非线性问题难以用常规的方法求解，而神经网络恰好具有良好的非线性映射能力，可得到比一般方法更精确的解。
　　将有限元与神经网络结合的方法有很多，比如针对复杂非线性结构动力学系统建模问题，可以将线性部分用有限元进行建模，非线性构件用神经网络描述（如输入非线性构件状态变量，输出其恢复力），再通过边界条件和连接条件将有限元模型部分和神经网络部分结合，得到混合模型。另一种方法是首先通过有限元建立多种不同的模型，再将模态特性（即最终需要达到的设计要求）作为输入变量，将对应的模型结构参数作为输入变量，训练神经网络，利用神经网络的泛化特性，得到设计参数的修正值。结合蒙特卡罗方法，进行多组有限元分析，将数据输入神经网络中进行训练，从而分析结构的可靠度。
　　二、基于模型的生产系统工程（PSE）
　　PSE（生产系统工程）经历了从手工劳动到采用机械的、自动化的设备，进而采用计算机的过程。值得一提的是，20世纪70年代兴起的DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）实现了从单机到联网，这是一个巨大飞跃。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便，在大型复杂工厂运行管理方面获得广泛应用。20世纪80年代末90年代初，CIMS（计算机集成制造系统）被寄予厚望。CIMS是通过计算机硬软件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机集成并优化运行的复杂大系统。

　　“工业4.0”是一个宏大的愿景，在新一轮工业革命中，中国制造业企业欲生存并发展，必须转型为数字化企业，打造数字化工厂，建立闭环数字孪生体系，利用自动化、数字化、智能化持续推动创新，才能获得可持续发展。在中国，西门子数字化工业软件秉承“数智今日，同塑未来”的责任和使命，长期地战略性投资中国市场，与大中华区广大企业用户、政府机构、教育单位精诚合作，积极分享有关最新数字科技和全球最佳实践，培育生态，培养人才，赋能中国制造业并有效利用西门子数字化工业软件技术，全面参与“中国制造”由大到强的伟大历史进程！
　　知识就是力量，分享知识就是传递力量！本书分为技术篇、方案篇、实践篇，力图做到理论与实践相结合，科学性与通俗化、系统性与模块化、前瞻性与可实施性相结合。本书重点介绍基于模型的电气系统工程、产品型谱化/模块化设计、机电深入协同、软件生命周期管理、产品成本管理、工艺仿真、工厂建模及物流仿真、增材制造、全生命周期质量管理、制造执行管理和高级排产应用等，同时增加了西门子、BSH、长城汽车等公司的数字化应用案例。