尺寸的重要性 各种形式的微型化促使生产主要消费类设备的OEM之间形成了激烈的竞争关系——这种现象现在已经遍及整个行业。这种趋势始于20世纪80年代——消费类便携式设备问世之时，消费类设备制造巨头之间的竞争就公开化了。一个很好的例子就是夏普公司当年在东京发布了体积最小的迷你CD随身听，赢得了媒体界的一致好评。索尼公司的总裁Norio Ohga当时也在发布会现场，当人们问他如何看待夏普公司推出了世界上最小的随身听，他从衬衫口袋里拿出一个随身听样品，其体积只有夏普那款随身听的一半大时说：“我可不这样认为。” 虽然现在的竞争可能要低调一些，但电子产品的尺寸日益减小仍是人们持续追求的目标。它不仅可使产品更有型、更便于携带。复杂的电子控制器现在被集成并嵌入到了我们日常使用的大部分产品当中，包括电话、电表、汽车智能技术、军事、太空技术。除去尺寸本身，还有很多其他因素也是非常重要的，包括重量、与封装相关的存储空间和运输空间、材料消耗量（特别是只能有限供应的关键材料）、设备能耗（包括供电、特别是电池的安全性），以及设备的实际强度所能提供的保护（例如受到冲撞的汽车模块）。 尺寸问题显然不是新挑战，但我们似乎已经到达了收益减少的边际点，在这个点上我们面对尺寸的实际问题时，要不断完善电子设备现有的制造和组装制程，以及将电子组件集成到更多机械产品当中。这个行业更需要的是向前大跨一步，而不是渐进式变革。 一切始于设计 对于设计领域而言，减小设计尺寸的问题其实并不是他们应该解决的问题。在设计产品时，设计师可以随意放大或缩小图纸，一切细节看起来都和之前一样。但将设计落实到实际生产中就没这么轻松了，因为设计师会在之后的可制造性设计（DFM）评估中遇到一些非常具体的限制因素。在设计的虚拟世界里做出的很多假设和决策，或者要经过大量的重新评估，或者可能直接被忽略。直接忽略评估的后果只会在真正生产产品的时候才会显现出来。问题随之就转化成了生产难题，例如无法在实际生产过程中接近测试点，因此无法完全确认组件的好坏，这就意味着产品进入市场后面临出现故障的风险。 随着产品尺寸在不断减小、元件密度因此而不断增加，制造业也就出现了很多为人们熟知的难题实例，包括钢板制作、元器件放置、焊接操作以及测试与检验。制造中出现的大多数问题都与和尺寸有关。尽管自动化是跟随微型化这一趋势而开发的，但对于人类而言，这种趋势甚至起到了相反的作用。越来越多的传统组装任务无法再通过人工完成，成为只有专门的机器人才能完成的组装任务或者需要使用专业的工具和设备。这些难题所造成的影响就是组装的成本增加、交付时间延长，对于竞争激烈的行业而言，这可不是什么好消息。 除了制造业以外，市场中现有产品的可靠性也受到了影响，比如产品尺寸减小导致更难有效散热。尺寸缩小的元器件也意味着产品对非正常情况（例如超过最高电压）的承受能力变差。很多情况下，产品的使用寿命也会受到限制。 数字孪生的作用 对于设计使用的数字工具的开发和随后流向制造的数据流，以及完成制造所需的许多工具，由于未对其所做一切的实际结果进行评估，已经完全脱离了实际的生产制造。但虚拟世界与实际世界之间的连接是至关重要的。如果这两个世界没有连接，就好比一家媒体公司在不了解观众喜好的前提下而创作电视节目。 数字孪生的定义不仅仅是把有关产品设计、制造和运行的数据都集合到一起。它是对现实世界和虚拟世界的协调，让数据的操控与采用都是在考虑过现实中的限制因素之后再精准执行。这不仅包括产品本身，还包括产品整个寿命周期内用到的所有材料、工具和制程，以及产品在使用过程中承受的温度、压力、供能、物理应力和张力等环境条件。 数字孪生的采用 真正的数字孪生应该包含大量的技术阵列与技术架构，所有这些都由数据表示，提供给任何想要接受数字制造新模式的应用。数字孪生的最高水平，是一家公司的业务经理可以在屏幕上选择数字产品模型并拖到一条生产线或一家工厂的数字组装模型中。然后系统会通过多层软件（可能是来自很多家不同供应商，包括以IIoT驱动的MES和设备供应商）来自动判定并显示制造这款产品的产能、交付、用时和成本，以无缝衔接的形式模拟实际世界和数字世界。 设计师不再需要依赖静态的设计规则，而是在创建原始设计时就能直接了解可生产性以及产品可靠性所带来的影响。对于制造而言，他们不需要再依赖产品的实际分析来确定生产配置参数，而是可以直接根据数据模型就能设定，无需怀疑所选设备、材料和工具等必须纳入考量范围的限制因素。同样，随着产品尺寸缩小、元件密度的增加，仅根据实际情况就采用任何一种形式来人为干预设备编程或工程制程，不再是可靠的操作。 数字孪生的实现 真正迈向数字孪生技术的旅程已经开启。例如IPC-2581数字产品模型（DPMX）标准就是一种成熟、有效的方式，可以根据这项标准在单个文件中模拟PCB的整个电气设计。JEDEC JEP-30标准是3D模拟元器件的温度曲线、规格要求和容差的新方式。IPC互联工厂数字交换（CFX）标准推进了IIoT驱动在机器与系统之间的开放式通讯，开放式通讯由基于IIoT的MES平台协调，这对于包含所有组成的数字孪生所需的连通性是必要的，再也不需要整个行业花上几亿美元去定制连接。 真正的数字孪生会涵盖所有这些现有技术，并将其应用范围扩展到机械设计、机器人仿真和可靠性性能。这些要素既不是解决方案或属性，也不属于任何一家供应商，而是定义了不同供应商提供的方案可以在其中协同工作的环境。 我们可以采取哪些行动？ 对于行业内的大多数人而言，重要的是去了解时下正在发生一切，并根据自己对行业必然趋势的理解对已上市解决方案进行判断，从实际管理和数字管理的分离现状转向能够将两者结合到一起的数字孪生技术。有些敢于尝试的人想为创建数字孪生标准出一份力，也有些人只是想进一步了解数字孪生的真正含义，IPC已启动了一项计划，该计划将尽快开发出针对行业微型化要求所需的必要指南。 作者：Michael Ford,Aegis Software公司新兴产业战略部门高级主管
