當前，世界主要國家都在科技發展的新機遇中大力推動製造業產業創新，在這樣的背景下德國提出了“工業４.０”概念，美國發布了先進製造業國家戰略計劃，我國也確定了以智慧製造為核心建設製造強國的總體戰略，這些戰略計劃都將實現智慧製造作為新一輪製造業發展的核心。

隨著智慧製造的深入推進，目前以“人－網路－物理”系統為技術機制，貫穿於產品全生命週期的新一代智慧製造正加速發展著，旨在進一步融合先進製造技術和智慧技術，降低浪費，減少環境與資源的約束，並提升製造業的個性化與智慧化水平。新一代智慧製造的發展離不開新技術和管理體系的融入。

01、數字孿生與精益管理

１.１數字孿生

早在美國系列載人登月飛行任務阿波羅計劃中，就有了用“孿生體（Ｔｗｉｎ）”對登月飛船進行遠端模擬模擬和地面輔助決策的應用例項。“數字孿生”的概念最早出現於２０１１年，在航空航天領域的研究中被應用於飛機結構壽命預測等方面。

２０１６年數字孿生的理論首次拓展到製造系統的研發和管理當中，並迅速受到學術界和工業界的關注。２０１７年中國科協智慧製造學術聯合體在世界智慧製造大會上將數字孿生列為世界智慧製造十大科技進展之一。數字孿生的最大技術優勢在於能夠實現物理層和資訊層的雙向對映。通過資料分析、高保真模擬模型等，數字孿生可以完成對現實物理系統的設計、監控、評估、預測、優化和控制，進而達到資訊世界和物理世界互聯互通的效果。

總之，數字孿生的應用增強了資訊資料和物理環境的互動性，降低了物理系統設計執行的成本，減少了故障情況發生，提高了系統的魯棒性、柔性與敏捷性。近年來，數字孿生技術在智慧製造領域顯現出巨大潛力，成為航空航天、汽車製造和機器人制造等行業所關注和探索的關鍵技術。

１.２精益管理

精益管理（精益生產）最初起源於豐田汽車製造公司，是日本企業在資源稀缺和市場競爭激烈的背景下所推行的管理模式的代表，其主要內容包括準時制（ＪＩＴ）物流系統、看板拉動式生產、全員參與、尊重員工、重視經驗積累，以及自動防錯等方面。精益管理的核心是消除一切浪費、創造價值和持續改進。經過半個多世紀的發展，精益管理的應用早已不只限於製造生產領域而是滲透到各個行業之中，並被視為是能提高商業實踐效果的成果性理論。實踐證明，精益管理是現代製造業競爭優勢的核心，沒有精益管理打基礎，智慧製造也很難實施或做得更好。精益管理在消除浪費和創造價值上能取得卓越成效，可以顯著提高生產力水平並改善行業現狀。但在精益管理運用過程中也存在一定的侷限性，例如難以應對生產波動和產品的快速更新換代等問題。

很多企業在面對精益管理時處於“小動作不解渴，大動作不敢嘗試”的兩難情境，精益管理似乎成為了一種難以落地的“時尚”或“藝術”。當前市場環境下，消費者的購買能力相較過去有了很大程度提高，並且對於產品多樣化和個性化的需求不斷增加，這就使得製造企業必須同時實現定製化和批量化，應運而生的大規模定製生產使得精益管理面臨新問題，這些問題的解決，亟需新資訊科技的應用。不斷出現的智慧製造新技術為精益管理持續創新提供了必要支援。

02、精益數字孿生體的提出

２.１精益管理與數字孿生的關係

新一代智慧製造的目標與核心在於融合先進製造技術和智慧技術，這也就意味著實現製造環境物理層與資訊層的共融將成為智慧製造實現的關鍵點，而數字孿生技術正可以實現物理層和資訊層的相互對映。數字孿生將物理層執行情況真實再現到資訊層，同時資訊層通過一系列運算實現對物理層的評估、預測和控制，使得物理系統能以最佳狀態執行，兩者相互作用形成了“感知—分析—決策—執行”的數字孿生閉環。

精益管理覆蓋產品整個生命週期，貫穿產品研發、工廠設計、產品製造、分銷服務和退市回收的全價值鏈，並且致力於通過精益管理實現流程標準化、全面質量管理和消除浪費等。在智慧製造系統中，精益管理強調全過程持續改善，通過採用自働化和準時化等方法，消除各種形式的浪費，不斷提升價值流動效率，而數字孿生技術的目的就是要打破物理因素限制，實現對變化的及時響應和實時優化。在企業全價值鏈和產品全生命週期管理中的精益管理和數字孿生技術如圖１所示。數字孿生本身作為一項新資訊科技，目前技術流程還不穩定，相關標準和關鍵績效指標也還不盡完善，亟需引入成熟的管理思想和方法工具來幫助其真正發揮作用。

圖１企業全價值鏈和產品全生命週期中的精益管理與數字孿生技術

精益管理恰好能為數字孿生提供成熟的管理思想、體系和方法工具。反過來，數字孿生技術也能為精益管理提供數字化手段，促進精益管理升級創新。面向智慧製造應用，精益管理與數字孿生技術的相互提升作用如圖２所示。

圖２精益管理與數字孿生技術的相互提升作用

２.２“精益數字孿生體”的提出

綜上所述，文中提出“精益數字孿生體”的概念。精益數字孿生體是以精益管理思想為指導，精益管理方法工具為基礎條件，利用數字孿生技術對運營系統進行模擬、監控、評估、預測、優化和控制，面向企業全價值鏈和產品全生命週期流程管理，助力智慧製造整體提升的一種數字孿生技術應用新正規化。精益數字孿生體在智慧製造領域內與精益管理、數字孿生的關係如圖３所示。

圖３精益數字孿生體與精益管理、數字孿生的關係

數字孿生是關鍵技術支撐，其核心在於建模模擬。數字孿生首先要將實體系統拆分成若干子系統並進行系統物件屬性和物件間關係分析，接著要根據物理物件的功能進行行為邏輯設計建立模擬模型，最後還要進行模型融合並檢查模型的精度和現實滿足情況。精益管理是核心和主線，在這個過程中要利用精益方法工具來劃分建模物件，並從精益管理的內容出發進行模型頂端邏輯設計，使系統按照持續優化、減少浪費、提升價值的管理模式執行，最後要依據精益管理目標對系統執行效果進行評價。而在資料實時感知過程中，也要用精益管理的思想和方法對整個感知資料進行管理，使資料按需、按量進入系統，減少數字浪費的發生。

03、精益數字孿生體的應用研究

３. １精益數字孿生體

企業管理應用框架基於精益數字孿生體的概念和內涵，文中設計瞭如圖４所示的精益數字孿生體面向企業全價值鏈的應用框架。該框架以ＰＤＣＡ閉環管理為基礎，共包括３個層級和６個組成部分。３個層級分別是：

（１）物理實體層，該層由人員、智慧工裝裝置和現場活動組成，負責現場生產資料的智慧自動採集並開展現場精益管理實施過程；

（２）虛實互動層，該層在整個框架中承上啟下，負責收集處理物理實體層傳輸進的資料並上傳給數字虛擬層，同時接收數字虛擬層下達的優化控制資訊並控制物理實體層實施；

（３）數字虛擬層，該層包括數字孿生部分和精益管理部分，數字孿生部分在對物理實體建模模擬的基礎上開展監控、評估、預測、優化和控制，給出優化控制資訊並交給下一層執行；精益管理部分指導支撐數字孿生進行建模模擬和決策優化，並在企業研發、設計、製造、物流、服務全價值鏈上實施精益管理。

圖 ４ 精益數字孿生體面向企業全價值鏈的應用框架

３.２精益數字孿生體產品管理應用框架

面向產品從設計到退市的全生命週期階段流程，文中設計瞭如圖５所示的精益數字孿生體在產品全生命週期管理中的應用框架，充分發揮了數字孿生技術和精益管理的整合優勢。

圖5精益數字孿生體在產品全生命週期管理中的應用框架

產品設計階段在精益設計方法和要求的指導下主導實施，數字孿生技術則在這個階段提供完整的產品設計“數字足跡”，並可通過構建產品虛擬設計空間加速產品迭代優化，使產品設計週期和成本大大降低。產品製造階段在精益生產體系下開展，並由數字孿生提供大資料實時優化決策支援，大大提高生產系統的關鍵績效指標。產品售後服務階段引入精益多功能服務團隊，在數字孿生技術的模型服務、資料服務、演算法服務支援下，可以有效實現客戶的個性化管理與服務業務的高效執行。在這個應用框架下，數字孿生技術實現了對產品全生命週期資料的精益感知對映，也為下一代產品的精益創新和企業精益能力提升奠定了堅實基礎。

04、結論與展望

智慧製造成功的關鍵之一在於實現物理層和資訊層的融合，因此探索數字孿生技術的應用模式是重要且必要的。文中通過研究精益管理、數字孿生技術在智慧製造領域內的相互作用關係，論證提出了“精益數字孿生體”的新概念，在理論上闡明瞭在智慧製造背景下將數字孿生技術與精益管理進行融合是可行且有利的。精益數字孿生體的提出給數字孿生技術在智慧製造全價值鏈中的應用指出了一個新方向，相信在未來該正規化會在實踐中得到豐富和發展，成為助力我國製造強國戰略實現的新力量。

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