全新一代電子信息技術在加工制造業中的深入運用，引起傳統化產品研發模式的轉型。本文講述運用數字化線索和數字孿生展開復雜性產品全生命周期業務流程建模與模擬、動態性預測和分析，實現了數字化空間與物理學空間虛實映射的產品研發與定義、模擬與分析、驗證與核對的業務閉環管理。最后結合航天工業智能制造系統構架，得出在生產制造全生命周期中的運用構思，以提高生產流程的數字化與智能化水準。
參考國際先進的數字線索和數字孿生技術，結合航天工業智能制造系統構架，搭建從企業戰略規劃到加工能力頂層設計、生產線設計與布局、建造、集成測試、運行維護、重構與處置的生產制造全生命周期業務全流程的數字線索，即一方面以數字量貫穿從企業聯盟（供應鏈）、企業經營管理（ERP）、企業生產管理（生產車間/生產流水線）到控制執行（設備、操作）的生產制造全生命周期業務層級，另一方面在對生產制造全生命周期業務流程中任務分工（產品訂單）和原材料供應（物流）、生產流水線和生產制造工藝、資源設備和人力等物理學要素展開數字化建模與模擬的基礎上，展開基于大數據的分析與優化。實現了基于數字線索和數字孿生的模型不斷傳遞和不斷驗證的生產制造全生命周期技術體系，顯著提高航空設備加工能力。
1、數字線索
數字線索（DigitalThread）是構建和應用反應復雜性產品物理學特征的、跨領域的、公共的數字化替身（模型仿真、試驗模型、工藝模型和檢測模型等），支持模型信息內容在物理學空間與數字化空間的雙向溝通，一方面確保從基于專業能力的規劃、方案分析、工程項目和生產制造開發、生產制造和部署，到運行和支持的全生命周期數據、模型和信息內容的不斷統一，從而實現了動態性、實時分析產品當下及將來的功能和性能，另一方面將物理學空間的信息反饋到虛擬的新產品開發之中，并構建支持跨地域協議接口的、與工程項目專業知識管理系統集成的統一技術框架，提供一個集成的復雜性組織體視角，加強對產品性能的界限和不可預測性的定性分析和核對，有效的支持設備全生命周期中核心決策點的決策，大幅降低復雜系統開發全生命周期各環節迭代的時間和成本。
數字線索緊緊圍繞復雜性產品全生命周期實體模型的表述和歸類等展開探究，實現了全業務流程中數據、流程及分析的結構化分類管理，形成貫穿全生命周期的流程、實體模型、分析方法及應用工具，支持在基本概念層面應用架構方式 ，實體模型化表述運行基本概念、復雜性產品功能及需求之間的多層面、多視角及多組織的一致性了解，實現了在復雜性產品研制開發前提前校驗和核對客戶需求對未來復雜性產品功能要求的滿意度；在需求層面，承接復雜性產品功能，展開復雜性產品運轉目的/情景、需求定位與管理、功能分析與建模、設計綜合及校驗核對等業務的探究，提升需求管理和復雜性產品架構管理能力；在研制開發層面，將模擬仿真分析數據，傳輸到產品幾何模型上，再傳輸到生產系統生產加工成物理產品，最后再將生產現場信息反饋到產品定義實體模型中，優化設計與仿真模型。
2、數字孿生
數字孿生（DigitalTwin）的基本概念最早出現于2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課上明確提出。后來，美國國防部將數字孿生的基本概念引入到航天飛行器的健康維護等問題中，數字孿生是對建造系統的集成模擬仿真，具備多物理、多分辨率和概率性的特點，由數字線索實現，應用最佳的可用實體模型、感知信息內容及輸入數據信息，用以映射和預測分析相對應的“物理孿生”全生命周期的活動內容/性能指標。
數字孿生在虛擬環境中重現了產品和生產系統，使得產品和生產系統的數字空間實體模型和物理空間實體模型處在實時交互中，使二者可以及時性地掌握彼此之間的動態變化并實時地做出回應。首先，數字孿生可以實現快速構思，即不僅可以對直接見到的物理目標展開描述，彌補思維過程中丟失的信息內容，而且可以基于見到物理產品和虛擬產品的信息內容，了解和優化物理目標；其次，數字孿生可以實現對比，即數字空間與物理空間是精準映射和共同進化的，并不斷累積有關知識，以發覺理想特征與具體趨向之間的偏差，并展開定量和定性的檢測；最后，數字孿生可以實現廣域的協同，即以數字化方式仿真模擬物理空間的具體行為，并將其疊加到數字空間（實體模型）中，從而打破個體數目和地域分布的限制，實現遠程控制生產系統的制造執行。
由此可見，數字孿生是目標、數據信息，而數字線索是方式 、通道、鏈接、接口，數字線索為數字孿生提供訪問、整合和轉換功能，實現了貫通復雜性產品從運轉基本概念、解決方案和研制開發的全生命周期業務流程的數字空間和物理空間信息的雙向共享/交互和全面追溯。
3、航天工業智能制造構架
智能制造整體構架主要包含企業聯盟層、企業運營管理層、生產制造運營管理層和控制執行層等四個業務流程層的主體要素、主要功能、核心業務流程及各業務流程層之間的內在聯系（如下圖所示）。企業聯盟層涉及到內、外部資源協作網絡的動態性組織；企業運營管理層涉及到新產品研發、企業資源規劃和企業業務管理；生產制造運營管理層涉及到計劃排產、生產調度和生產流程安全保障；控制執行層涉及到生產制造現場及設施的流程感知、流程監測和流程控制。
智能制造整體構架包含了產品全生命周期維度和生產制造全生命周期維度的集成化。從產品研發、需求工程、產品設計到快速原型制造環節，通過數字化環境中的層次化建模與模擬仿真分析，逐步形成價值鏈規劃、工廠和生產線配置實施方案，其支持環境是協同制造工程、虛擬產品和虛擬工廠的集成化；產品生產制造、工廠運營管理和維護保養是制造活動的主體流程，實現物理環境下的實際工廠集成化運行；產品使用和維護保養、報廢和回收（或稱為退出）流程，對應生產制造全生命周期中的服務、分解或修復環節的工作內容。
4、生產制造全生命周期
伴隨著現代信息技術深層次運用于加工制造業，進一步將物理工廠及其業務流程映射到虛擬數字化環境中，形成基于數字線索的局部生產流程模擬仿真或所有模擬工廠行為的數字孿生，并運用集成化現代信息技術設計、模擬仿真和優化整個生產流程與性能，提前在數字化空間處理實際生產制造物理流程中將會出現的問題已經成為生產制造數字化和智能化的發展方向。
5、生產制造生命周期的定義
16年2月，美國國家標準與技術研究所（NIST）工程實驗室系統集成部門發表了《智能制造操作系統現行標準體系》的匯報。如下圖所示，這份匯報將未來美國智能制造操作系統分成產品、生產系統和業務流程三個生命周期，重點關注從各類機器、設施、輔助操作系統和資源構建商品和服務的“生產系統”，并提供了生產系統全生命周期是整個生產制造設施及其操作系統的設計、部署、運行和退役情況的標準化定義。在該匯報中將典型性的生產系統全生命周期環節，分成設計、修建、調試、運營管理和維護保養、退役和回收五個層面，及支持生產制造全生命周期活動領域的標準化，包含生產系統實體模型數據和實踐、生產制造系統工程、生產制造系統維護和全生命周期數據管理等。
6、生產制造全生命周期的具體內容
在NIST的智能制造實體模型中，三條主線（產品全生命周期、生產系統全生命周期、供應鏈）在生產制造金字塔處形成交叉，該金字塔運用ISA95標準，描述緊緊圍繞生產制造流程的所有管理及加工具體內容。在產品全生命周期、生產制造全生命周期和價值鏈集成基礎上，結合航天工業智能制造構架，構建了如下圖所示的生產制造全生命周期的業務架構，它將傳統式由于設計、工藝和生產制造等業務割裂，而形成生產制造全生命周期業務流程及其支撐操作系統的離散狀況，轉變為生產制造業務全流程及其支撐操作系統的無縫集成的生產制造全生命周期，其業務架構分成五個層面。
在企業聯盟層，生產企業通過企業總體規劃，以生產制造的業務流程為紐帶，把遍布于各個地區的企業、供應商和客戶乃至競爭對手連結成一個整體，創建跨地域的設計、生產制造和經營管理的企業聯盟，尋求更大范圍的資源優化配置。
在企業運營管理層，生產企業根據總體規劃展開設計、工藝、檢驗、加工、資源（人財物）、場地等生產要素的綜合分析，評估生產能力，制定頂層的生產制造服務計劃，并集成運營、戰略、績效等管理信息，最終形成指導生產制造的企業資源計劃。
在生產制造運營管理層，依據企業資源和生產規劃，展開生產流水線規劃與設計，涉及到從原材料進到由工藝機器設備、物流系統、操作工作人員、能源動力等組成的生產制造操作系統，到通過不同的工序或技術處理，形成符合設計要求的產品全流程。
在控制執行層，依據生產流水線規劃，展開以實體模型為核心的生產系統監管流程。即運用工業互聯網和傳感器實現機器設備、操作系統和工作人員的狀態數據采集和數據共享，并通過分析管理決策形成優化指令驅動智能設備、物流系統和工作人員的操作行為。
在物理實現層，完成支持生產制造全生命周期中生產車間、生產流水線等各項業務及其流程的操作系統/機器設備等的搭建工作。
7、基于數字線索的數字孿生
在虛擬環境中重現生產系統，促使生產系統的數字空間實體模型和物理空間實體模型處在實時交互中，并能及時對彼此之間的動態變化做出回應，是構建生產制造全生命周期的重要具體內容。生產制造全生命周期的核心是基于數字線索，運用數字孿生技術對動態企業聯盟、生產能力規劃、生產線設計和現場機器設備布局等業務流程進行無縫集成、完善優化、以及戰略管理。如下圖所示，運用企業（供應鏈）、生產流水線（生產車間）和工藝流程（機器設備）的數字仿真模型來定義、執行、控制和管理企業生產過程，并運用科學的模擬與分析工具，在生產制造全生命周期的每一步做出最佳管理決策，從源頭上降低生產制造時間和成本。
在企業聯盟層，通過對供應鏈上下游企業之間競爭行為的科學研究，在戰略、戰術、操作層面均展開供應鏈各節點企業聯合的仿真模擬和提供事前的管理決策與分析支持，這成為多企業構成動態性企業聯盟聯合實現價值鏈的增值流程的必然選擇。
在企業運營管理層，對產能需求與工藝規劃、生產流程與節拍等業務進行模擬與分析，形成面向可變動產能需求的頂層生產能力的規劃、定義、仿真與驗證的連續工程方法，并與企業的工程制造、組織管理、基礎資源等進行綜合評估，形成可直接用于現場工作的企業資源和生產計劃。
在生產加工運營管理層，通過對工藝規劃設計、工藝流程和生產系統作業計劃等進行定義、仿真、驗證、確認，展開基于大數據分析的生產流程品質和機器設備故障管理，實現對現場資源、機器設備、在工業制品和技術人員等進行快速優化配置，支持基于優化的工藝規程的工業廠房/生產車間/生產流水線的科學建設。
在控制執行層，結合工藝需求進行有關機器設備、物流及各類輔助設備的模擬運作，在本階段，現場機器設備建模的精細化程度、每道工序的時間估算、裝夾等人力時間的計算以及物料的配送方式等都將影響對生產流水線運作以及機器設備狀態的評估。
8、生產加工全生命周期運用構思
在生產加工全生命周期中引入清晰表述生產流程、機器設備布局與操作等的數字線索和數字孿生技術，實現在生產加工前對企業生產加工的產品、系統、機構進行建模，形成與生產加工業務流程精準映射的數字模型，并對數字模型狀態的仿真模擬，實現對復雜動態性目標和流程的分析評估與優化管理決策的工程運用構思，其主要包括以下三方面的內容。
9、基于動態性企業聯盟的集成供應鏈
動態性企業聯盟的機構形態有很多，集成供應鏈是以供需關系為基礎的動態性企業聯盟核心類型之一。根據微笑曲線理論，加工制造業要想降低產品的最終成本，增強對市場的反應速度，就需要對內部和外部供應鏈的各個環節進行整合，搭建集成供應鏈一體化運作模式。如下圖所示，供應鏈通過物流一體化、流程標準化、信息透明化和組織結構柔性化，將集成供應鏈貫穿生產加工全生命周期的業務架構的五個層次，形成上游與下游企業的戰略聯盟，提升供應鏈的整體績效。
10、基于數字工廠的智能化生產流水線
數字工廠是以產品、流程、資源等為核心，在實際生產前，通過數字化的加工工藝、資源、工廠設計實現對生產全流程的虛擬仿真與優化提升。如下圖所示，生產流水線業務流程覆蓋生產全生命周期的企業運營管理層和生產運營管理層，它是按照生產目標組織起來的，實現產品加工工藝流程的一種生產組織形式。智能化生產流水線將先進工藝技術、管理理念融合到生產流程中，實現基于模型的數字化生產、基于知識的加工工藝和生產流程全面優化提升，及基于信息流、貨運物流集成的智能化生產管控，以提高生產流水線運作效率和產品質量穩定性。
11、基于大數據的管理決策與優化提升
大數據是生產系統已經接近物理極限，未來將走向數據時代的必然選擇。它不在于掌握龐大的數據信息，而在于對這些含有意義的數據進行專業化處理。如下圖所示，基于大數據分析的生產流水線管理決策優化技術是依據系統工程的思想，一方面按照加工工藝整體規劃展開生產流水線（機器設備及貨運物流等）整體規劃模擬設計，找出最優的布局整體規劃和流程劃分；另一方面是展開對生產流水線（機器設備）故障的大數據分析，即通過現場機器設備的互聯互通和數據的實時采集，對生產流水線運作及機器設備健康狀態進行分析與評估，并優化提升已有的加工工藝整體規劃和生產布局。
12、結語
生產全生命周期是一種集組織與管理、工程與生產、業務流程與系統于一體的技術性管理體系。本文在NIST生產全生命周期、航天工業智能制造構架基礎上，基于數字線索和數字孿生技術，加強數字化建模與虛擬仿真技術性，實現對生產全生命周期業務架構中每個層次中業務流程內容、關鍵技術的設計建模、模擬分析與驗證確認，搭建起橫向覆蓋從供應鏈整體規劃到生產能力分析，生產線設計及軟、硬件系統機器設備的建造測試、調整等生產業務全流程，縱向貫通企業聯盟層到企業運營管理層、生產運營管理層、控制執行層、物理實現層的系統集成，并與所有研發業務流程無縫集成的，為實現符合智能制造需求的創新生產模式奠定基礎。