产品数字孪生与汽车智能制造关键技术趋势

2019年8月10日，“2019中国智能汽车高峰论坛”在上海新国际博览中心圆满落幕！

在本次智能汽车高峰论坛上，中国工程院院士 、浙江大学教授谭建荣带来了《产品数字孪生与汽车智能制造——关键技术与发展趋势》的主题演讲。他认为汽车工业不仅仅推动其本身的发展，更带动了整个制造业的发展，推动了整个人类文明的进程。

中国工程院院士 、浙江大学教授 谭建荣

在下滑的汽车市场之下，自主品牌同样面临巨大的挑战。问题主要来自设计及产品开发上。而虚拟现实技术恰恰为汽车的设计生产提供了巨大能量。随后谭建荣院士以多家知名车企为例，展示了各种虚拟现实技术在汽车制造中的应用实例，并对未来趋势做出了分析。

演讲原文：

在上海举办人工智能大会，我觉得意义非常大。今天能够冒着风雨来到会议现场都是真正对这个技术有兴趣的人。我演讲的内容包括产品数字与汽车智能制造关键技术与发展趋势。

对于汽车，我们要看看市场环境怎么样？汽车工业到底存在什么问题？有哪些优势？今后怎么做？这些都是每个汽车行业内人士很关心的问题。

汽车是现代文明的重要标志，是全球规模最大，也是最重要的产业。卡尔·奔驰先生发明了世界上第1辆汽车，并且申请了汽车第1个发明专利。可见，奔驰是非常注重知识产权保护。

在汽车大规模生产方面，美国福特公司的贡献最大。美国福特公司第一任老板老福特提出了公差配合的理论。有了公差配合，就有了互换性；有了互换性，专业化生产才成为可能；专业化生产可能了，汽车才能大批量生产。

由于有了公差配合，就有了专业化生产，从而有了流水线生产。由此世界汽车制造的中心就从德国和法国转移到了美国，美国成为汽车制造第一大国，也是汽车制造第一强国。不过，汽车大批量生产在上个世纪后半段遭遇了严峻的挑战。

汽车工业精益生产是丰田公司首先实施的，但是精益生产的理念、理论方法是美国学者总结的，之后，他们又在精益生产的基础上提出了准时制造的理念。精益生产加准时制造就成为精准生产。所以现在汽车工业不仅推动了汽车工业本身的发展，还带动了整个制造业的发展，推动了整个人类文明的进程。

自2018年下半年以来，全球汽车工业正面临着寒冬。但在全球汽车不景气的背景下，两大公司在全球销量还超过了1000万辆。一个是德国大众，另一个是日本丰田。这两家企业去年销量超过1000万辆的原因有很多，但最主要的原因还是具有领先的设计技术、制造技术。

随着市场竞争日趋激烈，国产品牌、自主品牌的汽车将面临巨大的挑战。乘用车、商用车销量同比下降，即使新能源汽车销量有所上升，但是其发展还面临着的很多困境。李克强总理最近访问了日本，日本安排让他去参观丰田公司，李总理看了大吃一惊，因为丰田公司的技术，特别是新能源汽车的技术是非常先进，国内不少企业与国外发达国家相比还存在比较大的差距。

对于中国品牌乘用车市场份额不断下降的问题，该如何应对呢？我认为在技术上主要还是设计问题，国内不少制造企业新产品开发能力偏弱，真正有创新的车型还很少，大部分还是停留在仿制阶段，或者是改进型的设计比较多。要实现创新就需要用到虚拟现实、图形仿真技术。通过可视化技术装配产品就要依托计算机图形学、CAD图形仿真；通过物理感知构造汽车数字样机，则要用AR技术实现虚实融合。

目前，我国正处于数字制造阶段，将来还要推广智能制造。现在号称智能制造的企业很多，但实际上还没有达到智能制造的程度，大多是数字化制造、信息化制造、网络化制造，顶多是个自动化制造，离真正的智能化制造还有较大的差距。

现在汽车工业也开始重视智能化制造。但是大家对智能制造的理解不一样，一些人把过去做的信息化、数字化、网络化的制造，改头换面当智能制造，就是新瓶装旧酒。

我们首先要搞清楚什么是智能制造，我通过学习和研究，提出智能化设计制造、智能技术跟制造技术的融合，智能制造是对产品前生命周期中设计加工装备等环节的制造活动进行知识表达与学习，信息感知分析，智能决策与执行，实现制造过程，制造系统与制造装备的知识推理，动态传感和自主决策。

智能汽车包括虚拟现实技术、大数据、人工智能、产品设计、加工、装配、管理服务等环节。而5G有助于智能制造的发展，它具有传输性、快速性、大流量三个特点，这三个特点最典型的应用就是虚拟现实。4G时代的传输性、快速性、响应性达不到虚拟现实的要求，而5G的大流量，快速传输等特性，使得虚拟现实能够成为智能设计的一个主要手段。

虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生产一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境。在虚拟环境中，用户通过使用各种交互设备，同虚拟实体互相作用，进行具有身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流。虚拟现实系统具有三个特点，第1个就交互性，第2个就是沉浸性，第3个就是构想性。

虚拟现实之后美国又提出增强现实，增强现实有两个层面的理解，一个层面理解增强现实就是把真实录像的图片跟计算机生成的图像进行有机合成融合，这是一个结论。第二个解释是在真实世界上看不到的东西，通过虚拟现实能够看到；真实世界上听不到的东西，通过虚拟现实能够听到；在真实世界里面难以想象的东西，可以在虚拟现实当中实现。虚拟现实有很多种类，有简易型、沉浸性、共享型等。

美国学者创新性比较强，它能够在50年以前就提出了虚拟现实概念。1970年推出一个虚拟现实系统，英文就叫virtual reality，80年代美国宇航局就用虚拟行星探测来研究火星的探测，90年代宇航员利用虚拟现实完成了航天飞机的修复工作，并且用虚拟现实技术来实现波音747获得了成功。2014年Facebook收购Oculus公司，虚拟现实成为一个热点。2012年Oculus公司工程主管做VR的设备，4个月成功筹备了200多万美元，最终融资7000多万美元。

虚拟现实广泛应用在军事、教育培训、建筑、娱乐、展览、工程制造6个领域，而最重要的领域就是工程制造。虚拟现实与汽车装备设计制造的结合是一场工业领域划时代的革命。

美国福特公司使用Oculus虚拟现实，检查汽车整个外观和内部的测试，并且查看特定的细节，比如中控台和内侧板等等，仅用一年时间，福特公司就用这个技术检查了193款虚拟汽车中的13．5万个器件，这是人工检查不可能完成的。而用虚拟现实技术就可以把它放大、增强，能够反映实际制造造成的缺陷，这也是我国汽车企业与国外企业有差距的，换个角度说我国国产品牌还是有上升空间的。

美国通用建立大数据中心，在大数据之中已经有三个BP数据在网上，包括产品的研发、采购、物流、质量、制造、客户服务、销售等。大数据分析后及时反馈，有助于设计师优化汽车，让汽车更加安全可靠，使每辆汽车节约制造成本。

美国谷歌2014年宣布完成第一辆全功能无人驾驶汽车，并且在2015年真正上路测试。无人驾驶汽车每秒收集750MB传感器数据，并根据这些数据判断行驶方向和速度，监测前方障碍与事故，并且判断突然出现的人或者动物。

近年来，无人驾驶汽车搞得火热，不少汽车公司不断加大投入。中国有两个提法，科技部提无人驾驶汽车，工信部提智能网联汽车，而现在更多的人搞智能网联汽车。那么，无人驾驶汽车存在什么问题？有人说在技术上没有问题，主要还是安全问题、法规问题、交规问题、人力问题等等。

最近，美国波音公司有两架飞机掉下来，根据分析问题在于人工智能程序，这对无人驾驶汽车行业打击很大，很多人认为人工智能开飞机都开不了，汽车更难了，因为路况更随机、更复杂。我认为无人驾驶汽车在中国真正要上路还很长，不过，把人工智能应用于辅助驾驶是一个很好的应用。

科学的进步、产品的进步，一方面靠社会需求拉动，一方面靠技术发展需要，还要考虑现实性和可能性。新的事物搞研究是没有问题，但真正要商业化推广需要克服很多障碍。所以我认为可以研究无人驾驶汽车，但要使其真正具有竞争力，必须考虑它的成本、安全性、法规性。

汽车已经成为大众的产品，一定要考虑它的经济性和竞争性。德国奥迪将虚拟现实运用到生产线，用3D投射和手势控制，可以使流水线工人在三维虚拟空间内完成对实际产品装配工作的预估和校正。奔驰开发了一个虚拟驾驶系统，在虚拟环境中，汽车可选装的功能评价、外观内测评价、人机工程分析，是非常先进的技术。

英国克莱斯特通过消费者来带虚拟头盔，配合语音展开整个汽车工厂之旅，现场消费者可以看看车是怎么制造的。车辆分解成不同界面的单元，而且全部在观看者的视野范围，通过穿戴式虚拟眼镜，消费者可以看到克雷斯特、美国密西根州的装配工厂、车身和储藏车间，展示整个车辆的制造过程。

英国捷豹路虎开发了一套全新可显示虚拟图像的挡风玻璃，在驾驶过程，该挡风玻璃能够通过数字和图形来表现道路限速、卫星导航等信息，并告知危险状况。除了提供一般的道路信息，这套虚拟挡风玻璃系统还能够通过增强现实的方式与现实道路指示线进行图像叠加，高亮显示正确的行驶路线、刹车位置、路线规划。

日本马自达也在车身采用可视化数据样机模型，让工程师能够可视化看到发动机内部结构、燃油效率、发动机的性能改进等。

我们可以看出，整个汽车工业虚拟现实研究的现状，从虚拟仿真发展到虚实融合。从几何建模发展到物理建模，从阶段性的性能仿真发展到全生命周期的仿真等。

在汽车工业装配工艺仿真、加工工艺的仿真、产品设计等方面，我们团队也做了很多工作，结合汽车生产线、装配线也融合了汽车大数据、智能制造等等。我们欢迎在座各位汽车领域的专家有机会来到浙江大学进行技术交流、项目合作。

由于时间关系，今天我的演讲就此结束，谢谢大家！