制造系统的“镜像世界”

2012年8月，美国第七个火星探测器“好奇号”成功登陆火星，开启了探索外星生命的旅程。这颗火星探测器是人类至今所制造的最精密和最先进的探测器之一，其研发难度非常之大。另外，异常复杂的飞行与着陆过程以及极端恶劣的运行条件对探测器也提出了极为严苛的要求。

为此，NASA（美国航空航天局）与西门子公司合作，利用西门子的PLM（产品生命周期管理）软件对火星探测器进行数字化设计、模拟和虚拟组装。JPL（喷气推进实验室）利用PLM软件构建了虚拟模型，并进行成百上千次仿真模拟试验。在制造之前就充分验证设计的有效性和功能的可靠性，从而保证飞行与着陆过程的零失误。“好奇号”的设计过程充分体现了利用软件进行虚拟设计、仿真、验证和调试的优越性。我们可以认为“好奇号”火星探测器是在一个虚拟的空间中完成设计、仿真和验证，并以此直接影响探测器实物的性能和可靠性。PLM软件中的数字模型就相当于物理世界中实物的 “虚拟镜像”。

“好奇号”火星探测器不用等到零件制造完成就可以进行模拟组装，从而验证制造装配过程和零件结构；不用等到探测器组装完成就可以进行模拟飞行与着陆，验证探测器执行程序和操控过程；不用等到实际发射或者建设实验室就可以进行飞行与着陆条件（气动、阻力、重力、温度等）的模拟，验证探测器的性能与识别风险。这种研发与制造模式可以及早发现问题消除缺陷，消除故障隐患，同时可以实施并行开发工程，实现多流程并行开发，从而极大了缩短探测器的研发与制造周期。那么整个制造系统能不能完全虚拟出来，形成一个与真实制造系统完全对应的“镜像世界”呢？

物理-信息框架下的镜像世界

我们想象一下，如果信息层与物理层完全分离，会是一个什么样的场景。制造系统会不会一分为二，形成一个物理实体的制造系统，一个是实体的虚拟映射？物理实体生成的所有信息被投影到一个虚拟模型上，形成一个全息状态的“镜像世界”。我们可以在这个“镜像世界”中对物理实体进行完全模拟。这不仅仅是因为“镜像世界”可以对物理世界的实时状态进行超高精度的表达，它甚至可以直接影响物理世界的发展。信息的字符与物质的原子将实现一一对应。在物理世界中改变物质原子，那么镜像世界中的信息字节也会相应地改变；在镜像世界中改变信息字符，那么物理中世界的物质原子也可能随之改变。这就是说，在镜像世界中进行规划、设计、控制和优化等活动近似等同于在物理世界中进行相同的活动。“镜像世界”是制造信息化的最高级形式。当然我们几乎不可能实现100%的镜像程度，但也许只需要20%的镜像程度足以改变制造业的形式，彻底实现我们对制造的所有想象和期望。

其实，企业现在所有的管理运营的框架，尤其是基于计算机和互联网技术的企业管理和运营都是在构建一个“镜像世界”。只不过这个镜像的程度太低，低到我们无法意识到这是一个镜像世界。

“好奇号”火星探测器的设计、验证和制造过程信息层与物理层的分离、整合与再融合过程，并从中取得了巨大的收益。但是这个过程依然处于原始的状态。首先，它并没有PLM软件只是一个具有工程设计、仿真模拟和功能验证等强大功能的软件系统，并非反映物理世界的“镜像”。其次，它只是对信息层和物理层进行静态的分离、整合与再融合，信息层与物理层无法进行动态实时交互。此外，它只能对工作对象只是静态的实体产品，而无法涵盖所有的包括动态过程在内的整个制造系统。因此，我们甚至可以说PLM软件只是一个功能更加强大的CAD软件而已，并非我们理想中的“镜像世界”系统。

未来的“镜像世界”

如果我们能够构建一个镜像程度很高的“镜像世界”，例如一套涵盖大部分企业运营活动的软件系统，假设这套系统叫做VRW。这套系统是对包括产品开发、市场销售和生产供应在内的制造系统全过程的映射。VRW系统具有超强的工业动态感知能力、数据计算与信息分发能力以及综合智能决策能力。那么我们试想一下未来的制造场景。

客户订单在制造系统中的执行过程将完全映射到VRW订单处理模型中。客户可以随时随地通过VRW系统客户端查看订单的处理的进度和预计完成时间。未来的制造模式会极大地缩短订单的交付周期，客户订单可以进行实时处理。因此，订单在VRW系统中的流动过程（订单处理、定制设计、原材料采购、组装测试、物流交付等）可以实时反馈至客户端。

如果客户希望进一步了解自己的产品是如何生产出来的，那么在保证工业与商业机密的条件下，VRW系统可以提供实际生产过程的3D虚拟现实场景。这个虚拟场景提供实时生产过程的虚拟映射，而是不是模拟过程，即VRW将生产过程实时动态建模，使得客户看到的虚拟场景与现实生产过程完全相同，连每个零件和操作员的动作都是实时建模而成。客户就如同亲自站在生产线边观看自己购买的产品的生产过程。甚至客户可以直接在“镜像世界”中实时地对生产过程提出要求。例如当客户在“镜像世界”看到一个不喜欢的零件时，就可以直接要求物理世界中的工人更换零件。

这将大大提升工厂与客户之间的联系程度，也会极大地提升客户体验。更重要的是，通过VRW系统，企业的产品研发、采购、工程与制造将与客户无缝连接。客户参与深度将极大提升。客户也将真正成为企业研发与制造过程的重要延伸。

VRW系统的另一个核心功能在于产品制造过程。它可以实现制造过程的全信息化和高度控制。VRW系统具有学习能力，它会根据所有运行过程的表现，实时动态地安排和调整当下和未来的生产计划、流程配合以及资源配置。这会使得制造系统每一刻都处于最佳的运行状态中。例如，当某一客户订单进入VRW系统后，系统会自动进行计划安排、组织流程和配置资源，并将分解为任务指令分发至各个执行团队。

作业员可以通过VRW系统查阅任何任务相关的信息。当计划和过程出现变动时，VRW系统会自动生成警示信息或指令信息，使得执行者可以随时掌握上下游的实时状态。当每一个执行者都能随时掌握上下游乃至整个供应链的运行状态和指令要求时，VRW系统便实现了对生产过程的深度控制。生产过程中所有的时序问题、进度问题、协调问题、库存问题等也都会被彻底解决。

无论是自动操作还是有人操作，VRW探测系统会对每一个动作和结果进行探测检验，螺钉是否紧固到位、绝缘片是否漏装，钻孔位置是否偏移甚至零件是否变形等不良缺陷都会被光学、声学、电磁等探测仪器直接探测检验。需要说明的一点，未来的工业变革重点不在有没有人参与，全自动化工厂并没有什么革命性的意义。

此外，VRW系统会汇总分布于整个制造系统中成千上万个探测器生成的工业态势信息，并进行智能综合决策，预测制造系统中可能发生的故障风险，并自主和协调风险排除或计划调整。物联网技术会使得整个制造系统像是为一套“神经系统”联系在了一起。制造系统“身体”上的任何“疼痛和舒服”都会被“神经末梢”探测并传输至“大脑”。通过VRW系统管理者可以最大限度地掌控实时的过程状态、结果表现、异常情况以及潜在风险。需要强调的是VRW系统是物理制造系统的“镜像世界”，而不仅仅是软件模型。我们可以在VRW系统中直接对物理的制造系统进行控制和操作，例如启动和停止设备，调整电力输入，改变环境状态等。

以上这些都是我们的假想，短时间内不可能实现，但是我们必须要走的路。但完全信息化的“镜像世界”可能就是控制系统的终极表现形式。

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