来源：金融IT那些事儿

制造业是我国实体经济的基础，国家高度重视制造业发展。在数字经济蓬勃发展的背景下，制造业要实现高质量发展，必须实现信息化和工业化在更广范围、更深程度、更高水平上的融合发展。而数字孪生和基于模型的系统工程，是实现智能制造、完成制造业数字化转型的核心和重要基础。制造业复杂产品的设计和生产制造如此复杂，居然要使用企业架构EA方法。这也就难怪《TOGAF 标准9.1版》中文版是由中国航空工业集团有限公司组织人员翻译的了。

01 制造业产品生命周期

制造业的产品全生命周期分为四个阶段：方案阶段、工程研制阶段、批量生产阶段和运行与维护维修阶段。

方案阶段主要是从产品需求出发开展产品策划、产品定义、概念设计，再到总体方案设计。

工程研制阶段包括产品初步设计、详细设计、试制和试验。产品初步设计和详细设计包括了每个零件的设计、产品各系统的设计以及工艺设计。然后根据产品的设计图纸和工艺设计的工艺路线，使用现有设备，完成产品试制，并组装成样机、样车。最后从零件到整机都要进行反复试验，找出产品问题和工艺问题，反复修改产品设计和工艺设计，直到满足要求之后，就是设计定型。设计定型并进行小批量生产之后，工艺成熟度进一步提高，就可以进行生产定型。这时就具备批量生产的条件了。

批量生产阶段，关键是解决产品的一致性问题。需要制定各种标准和严格的管理制度，包括作业指导书等。用定型之后的图纸、工艺手册、各类图表、表单、作业指导书以及产品质量标准、检测标准来控制批产中产品的一致性。

产品在批量生产之后就可以交付客户，这时就进入运行与维护维修阶段。通过维修维护，可以延长产品的生命周期。最后产品达到报废标准了，就进行回收，产品生命周期结束。

02 从实体模型到虚拟模型

模型，是通过主观意识，借助实体或者虚拟表现，构成客观阐述形态结构的一种表达目的的物件（物件并不等于物体，不限实体或虚拟、不限平面或立体）。

过去整个工业的发展都是基于爱迪生的试错法，传统的设计、制造、试验与管理都是在实物的基础上进行。研制一个新产品，需要在设计图纸基础上将实物制作出来，通过一系列功能与性能试验来测试产品是否满足设计指标。使用实物模型进行各类试验也被称为实物仿真。实物仿真的成本是巨大的。最典型的案例就是爱迪生发明点灯的故事。

为了研制电灯，爱迪生花了三年时间，在实验室里常常一天工作十几个小时，有时连续几天试验，发明炭丝作灯丝后，他又接连试验了6000多种植物纤维，最后又选用竹丝，通过高温密闭炉烧焦，再加工，得到炭化竹丝，装到灯泡里，再次提高了灯泡的真空度，电灯竟可连续点亮1200个小时。他的试验笔记簿多达二百多本，共计四万余页。

随着技术的发展，现在人类可以通过计算机建立产品的三维数字模型。基于数字模型的各类虚拟试验和数字仿真也在广泛开展。

03 数字孪生和MBD

现代的设计方法是使用数字虚拟模型为主线的数字主线。体现在飞机的全生命周期中就是，先在计算机上构建飞机的数字模型，然后以数字模型为基础来开展飞机各系统及整机的仿真试验工作，根据三维数字模型数据完成排产交付后，再基于数字化飞机的各项实时数据指标对日常运行的实体飞机进行维护维修，物理主线和数字主线一一对应就形成了数字孪生（Digital Twin）。

当复杂产品完成工程研制阶段，进入产品批量生产阶段后，就涉及到生产该复杂产品的材料数据以及生产过程中所需要的工艺数据。MBD，即基于模型的定义，模型不但表达了产品的三维数据，还表达了它的材料数据、工艺数据以及生产制造过程中需要的所有数据，甚至包括生产结束后的质量和检验数据。这相当于将整个产品研制过程和生产过程全部数字化，并能够由计算机来理解、分析和执行。实际上，没有实现MBD，就不可能实现智能制造。

04 系统工程V模型

系统工程是开发复杂系统的跨学科的方法和工具。系统工程的V模型从需求分析开始。一个复杂产品涉及到多个利益相关者，这就需要利益相关者对庞大且复杂的系统进行逐层分解，通过系统分解与定义一级一级将庞大的系统分解到最底层，最终实现利益相关者的所有需求。需求实现后，再不断对其进行集成测试、综合验证，直至最终的确认。

05 基于模型的系统工程MBSE

MBSE，即基于模型的系统工程（Model Base Systems Engineering），通过以模型为中心进行系统分析和系统设计，使整个系统达到预定的工程目标。

基于模型的系统工程，是模型驱动的系统工程方法论，通过标准系统建模语言构建需求模型、功能模型、架构模型，实现需求、功能到架构的分解和分配，通过模型执行实现系统需求和功能逻辑的“验证”和“确认”，并驱动联合仿真、产品设计、实现、测试、综合、验证和确认环节。

基于模型的系统工程，以综合视角审视产品的整个研发运行体系，包括产品设计、生产、交付、维护维修，以及产品运行过程中的方方面面，是一个非常庞大的体系。这一体系化的审视方法就是美国国防部的DoDAF2.0。

要实现基于模型的系统工程，首先需要构建基于模型的产品研发环境。第一步是基于模型的定义，第二步是基于模型的工艺，第三步是基于模型的作业指导书，最后是基于模型的制造（包括检测、组装、制造、部装、总装）。这三步是基于模型的工程，是MBSE的核心，基于模型的工程做不好，MBSE就不可能做好。

在做好基于模型的工程的基础上，向前可以延伸到基于模型的系统工程。这就涉及到产品的创新能力，包括需求分析、概念设计和方案设计等内容，要采用系统建模语言、遵循建模规范来进行产品建模。

06 结语

数字孪生是制造业实现数字化转型的不二法门。通过建立数字模型并进行虚拟仿真，可以加快产品的研发过程。通过数字模型可以指导产品的柔性生产制造。通过数字模型，还可以帮助对产品进行诊断和维修维护，延长产品的生命，实现制造业的服务化。