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根云-工業(yè)趨勢分析
返回但是，當(dāng)前業(yè)界對于數(shù)字孿生技術(shù)還存在一些模糊甚至錯誤的認(rèn)識，給數(shù)字孿生技術(shù)披上了一層神秘的面紗。e-works認(rèn)為，如果不能正確理解數(shù)字孿生技術(shù)的基本內(nèi)涵就囫圇吞棗地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，很可能會“走入歧途”。為此，本文希望結(jié)合工業(yè)界的應(yīng)用需求與實踐，厘清對數(shù)字孿生的基本認(rèn)識，引導(dǎo)企業(yè)正確理解和應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。
關(guān)于數(shù)字孿生的內(nèi)涵
2017年，Gartner在十大新興技術(shù)的專題對數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是實物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計的實物將通過數(shù)字孿生來表達(dá)。通過應(yīng)用實物的零部件運行和對環(huán)境做出反應(yīng)的物理數(shù)據(jù)，以及來自傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可用于分析和模擬實際運行狀況，應(yīng)對變化，改善運營，實現(xiàn)增值。數(shù)字孿生所發(fā)揮的作用就像一個專業(yè)技師和傳統(tǒng)的監(jiān)控和控制器（例如壓力表）的結(jié)合體。推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要進(jìn)行文化變革，結(jié)合設(shè)備維護(hù)專家、數(shù)據(jù)科學(xué)家和IT專家的優(yōu)勢。將設(shè)備的數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)設(shè)施、環(huán)境，以及人、業(yè)務(wù)和流程的數(shù)字表達(dá)結(jié)合起來，以實現(xiàn)對現(xiàn)實世界更加精確的數(shù)字表達(dá)，從而實現(xiàn)仿真、分析和控制。
從2018年Gartner發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中可以看出，數(shù)字孿生已經(jīng)進(jìn)入了過熱期，其建設(shè)和預(yù)期出現(xiàn)了高峰，超出其當(dāng)前能力，會形成投資泡沫。
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模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業(yè)務(wù)成果；
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與現(xiàn)實世界的連接，具有實現(xiàn)實時監(jiān)控和控制的潛力；
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應(yīng)用高級大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)來獲取新的商機；
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數(shù)字孿生模型與實物模型的交互，并評估各種場景如何應(yīng)對的能力。
西門子認(rèn)為：數(shù)字孿生是物理產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測物理對象或產(chǎn)品的性能特征。數(shù)字孿生用于在產(chǎn)品的整個生命周期，在物理原型和資產(chǎn)投資之前模擬、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。[5]
陶飛教授指出：當(dāng)前對數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。不同階段（如產(chǎn)品的不同生命周期）的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點，對數(shù)字孿生的認(rèn)識與實踐離不開具體對象、具體應(yīng)用與具體需求。從應(yīng)用和解決實際需求的角度出發(fā)，實際應(yīng)用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需求即可。
結(jié)合學(xué)術(shù)界的研究和工業(yè)界的實踐，e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生并不是一種單元的數(shù)字化技術(shù)，而是在多種使能技術(shù)迅速發(fā)展和交叉融合基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建物理實體所對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進(jìn)行可視化、調(diào)試、體驗、分析與優(yōu)化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術(shù)策略，是企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略舉措之一。
數(shù)字孿生的基本特征
例如，達(dá)索系統(tǒng)幫助新加坡構(gòu)建了數(shù)字城市，建立了一座城市的數(shù)字孿生模型，不僅包括了地理信息的三維模型，各種建筑的三維模型，還包括了各種地下管線的三維模型。該模型作為城市的數(shù)字化檔案，可以用于優(yōu)化城市交通，便于各種公共設(shè)施的維護(hù)。Biodigital公司創(chuàng)建了生物數(shù)字人體模擬演示的在線平臺，可以幫助醫(yī)生和科學(xué)家研究人體構(gòu)造，進(jìn)行模擬試驗。在太空探索的過程中，科學(xué)家通過數(shù)字孿生模型對遠(yuǎn)在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號”火星車進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、仿真與操控。顯然，物理實體的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型也會越復(fù)雜，實現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的難度也更大。
數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)
需要強調(diào)的是，數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應(yīng)用，又促進(jìn)了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
產(chǎn)品的數(shù)字孿生
和工廠的數(shù)字孿生
目前，已有很多企業(yè)建立了生產(chǎn)監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，對車間進(jìn)行視頻監(jiān)控，顯示設(shè)備狀態(tài)（停機、正常、預(yù)警和報警等），展示各種分析報表和圖表等。構(gòu)建數(shù)字孿生工廠可以進(jìn)一步提升工廠運行的透明度。然而，要構(gòu)建工廠完整的高保真數(shù)字孿生模型，需要工廠的建筑、產(chǎn)線、設(shè)備和產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，難度很大。設(shè)備和產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型構(gòu)建，有賴于廠商提供相關(guān)數(shù)據(jù)，僅僅通過立體相機拍照，通過逆向工程構(gòu)建的車間三維模型精度很低，而且也只包括外觀的三維模型。但是，即便是僅僅基本的示意性的低精度的工廠數(shù)字孿生模型，對于工廠管理者實時洞察生產(chǎn)、質(zhì)量和能耗情況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免非計劃停機，也具有實用價值。
需要強調(diào)的是，對于一個已經(jīng)建成投產(chǎn)的工廠，在工廠運行過程中，其數(shù)字孿生工廠所顯示的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，均來自真實的物理工廠，而非仿真結(jié)果。毫無疑問，要構(gòu)建數(shù)字孿生工廠，需要實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和車間聯(lián)網(wǎng)（M2M）。
產(chǎn)品數(shù)字孿生模型與工廠數(shù)字孿生模型在產(chǎn)品的制造過程中可以實現(xiàn)融合應(yīng)用。在推進(jìn)工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用時，如果有高保真的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，并且在此基礎(chǔ)上能夠構(gòu)建產(chǎn)品的制造、裝配、包裝、測試等工藝的數(shù)字孿生模型，以及各種刀具和工裝夾具的數(shù)字孿生模型，則可以在數(shù)字化工廠環(huán)境中，更加精準(zhǔn)地對產(chǎn)品制造過程進(jìn)行分析和優(yōu)化。
產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的演進(jìn)
和數(shù)字主線
CIMdata認(rèn)為，數(shù)字主線是一種信息交互的框架，能夠打通原來多個豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備生命周期數(shù)據(jù)（也就是其數(shù)字孿生模型）的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖。數(shù)字主線通過強大的端到端的互聯(lián)系統(tǒng)模型和基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)流程來支撐和支持。波音公司開展了數(shù)字孿生和數(shù)字主線應(yīng)用實踐，提出基于模型企業(yè)（MBE）“鉆石模型”。
對產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)了什么問題。但如果要探究為什么出現(xiàn)問題，還需要依靠數(shù)字主線把各個階段的數(shù)字孿生模型串起，來進(jìn)行整合分析。
埃森哲在其發(fā)表的《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗》白皮書中非常強調(diào)數(shù)字主線和數(shù)字孿生的密切聯(lián)系。所謂生力產(chǎn)品指的是Live Product。埃森哲認(rèn)為，數(shù)字主線是貫穿于公司各個職能部門和產(chǎn)品生命周期的信息流，涵蓋產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、供應(yīng)鏈、制造、售后服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，乃至外部的供應(yīng)商、合作伙伴、和客戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，使其能對產(chǎn)品及其運行提供全景的動態(tài)信息，賦能數(shù)字孿生的開發(fā)和更新。數(shù)字主線使得產(chǎn)品設(shè)計、制造和運維過程中所使用的流程以及所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠鏈接、追溯和管理；而數(shù)字孿生是在產(chǎn)品設(shè)計至運維的整個生命周期內(nèi)，使用經(jīng)過數(shù)字主線管控的數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行建模、對產(chǎn)品的性能、行為進(jìn)行仿真、預(yù)測、診斷和反饋。
數(shù)字孿生
在制造業(yè)的典型應(yīng)用場景
① 產(chǎn)品的運行監(jiān)控和智能運維。
對于能夠?qū)崿F(xiàn)智能互聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品，尤其是高端智能裝備，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真分析，可以對裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進(jìn)行診斷，并進(jìn)行故障預(yù)測；如果產(chǎn)品運行的工況發(fā)生改變，對于擬采取的調(diào)整措施，可以先對其數(shù)字孿生模型在仿真云平臺上進(jìn)行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產(chǎn)品的運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。下圖是ANSYS的數(shù)字孿生技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用的案例。通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以幫助風(fēng)電企業(yè)避免非計劃性停機，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和運行控制與優(yōu)化。
對于航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應(yīng)用，由于每臺發(fā)動機的飛行履歷不同，飛行的環(huán)境不同，健康服役的壽命，以及維護(hù)歷史差別很大，因此，應(yīng)當(dāng)對每臺航空發(fā)動機建立其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發(fā)動機進(jìn)行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障隱患，可以通過對數(shù)字孿生模型的分析來預(yù)測風(fēng)險等級，及時進(jìn)行維修維護(hù)，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數(shù)字孿生模型記錄了每臺航空發(fā)動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習(xí)慣和對應(yīng)的油耗，通過分析和優(yōu)化，可以延長發(fā)動機的服役周期，并改進(jìn)發(fā)動機的設(shè)計方案。
○ 將發(fā)動機傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，根據(jù)運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構(gòu)建自適應(yīng)模型，精準(zhǔn)監(jiān)測航空發(fā)動機的部件和整機性能；
○ 將發(fā)動機歷史維修數(shù)據(jù)中的故障模式注入三維結(jié)構(gòu)模型和性能模型,構(gòu)建故障模型，應(yīng)用于故障診斷和預(yù)測；
○ 將航空公司歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合并融合數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，構(gòu)建性能預(yù)測模型，預(yù)測整機性能和剩余壽命；
○ 將局部線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構(gòu)建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)發(fā)動機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動機在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。
西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數(shù)據(jù)，以及來自數(shù)字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結(jié)果傳遞到Mindsphere平臺，通過進(jìn)行對比和評估，來判斷產(chǎn)品的可用性、運行績效和是否需要更換備件。
在復(fù)雜裝備的運維方面，可以通過AR技術(shù)，基于產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型生成產(chǎn)品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環(huán)境下，透過各種穿戴設(shè)備或移動終端進(jìn)行示教。PTC提供了先進(jìn)易用的AR應(yīng)用平臺。
② 工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
對于正在運行的工廠，通過其數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)工廠運行的可視化。包括生產(chǎn)設(shè)備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設(shè)備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態(tài)。對于出現(xiàn)故障的設(shè)備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達(dá)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，在煙草行業(yè)進(jìn)行了工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控實踐，中煙集團(tuán)在北京就可以實現(xiàn)對分布在各地的工廠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。海爾、美的在工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用方面也開展了卓有成效的實踐。
③ 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試。
應(yīng)用虛擬調(diào)試技術(shù)，在虛擬調(diào)試階段，將控制設(shè)備連接到虛擬站/線；完成虛擬調(diào)試后，控制設(shè)備可以快速切換到實際生產(chǎn)線；可隨時切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗證正在運行的生產(chǎn)線上的問題，避免長時間且昂貴的生產(chǎn)停頓。
Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試解決方案。2019年，羅克韋爾自動化公司并購了Emulate3D軟件，作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分，可以實現(xiàn)對整個工廠自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真和虛擬調(diào)試，還可以利用工廠的數(shù)字孿生模型對員工進(jìn)行培訓(xùn)，降低工廠運營的風(fēng)險。
④ 機電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)。
⑤ 數(shù)字營銷。
對于尚未上市的新產(chǎn)品，通過發(fā)布其概念階段的數(shù)字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設(shè)計方案，然后再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績。同時，通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品的在線選配，實現(xiàn)大批量定制。下圖是比特視界(北京)科技有限公司（BITONE）為寶沃汽車開發(fā)的在線配置器，動感十足，可以查看各種配置的外觀和內(nèi)飾。
數(shù)字孿生對制造企業(yè)的應(yīng)用價值
IDC在2018年5月發(fā)表的《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業(yè)將利用數(shù)字孿生運營產(chǎn)品和/或資產(chǎn)，降低質(zhì)量缺陷成本和服務(wù)交付成本 25%。
另一篇GE發(fā)表于2015年的文章指出：數(shù)字孿生模型的優(yōu)勢是通過結(jié)合從設(shè)計到實時采集設(shè)備的數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，來對設(shè)備在全生命周期進(jìn)行優(yōu)化。不僅可以降低原型設(shè)計或制造的成本，而且可以通過將實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析，從而預(yù)測故障，降低維護(hù)成本，減少停機時間。
數(shù)字孿生的推進(jìn)策略
數(shù)字孿生應(yīng)用是IT/OT融合的典型應(yīng)用，要實現(xiàn)虛實映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，明確應(yīng)用對象的重點是企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是工廠，亦或是供應(yīng)鏈；面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用重點是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣還是運營維護(hù)；面向工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用重點是工廠或產(chǎn)線建設(shè)期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運營階段的可視化與優(yōu)化。同時，企業(yè)需要建立全三維設(shè)計、仿真驅(qū)動設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)和組織體系。推進(jìn)數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結(jié)合具體目標(biāo)，分步實施，不能搞“大而全”的應(yīng)用。推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用必須合理把控風(fēng)險。
在數(shù)字孿生的實際應(yīng)用當(dāng)中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數(shù)字孿生模型的“高保真”。因為保真度的提升意味著構(gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析的復(fù)雜性和耗時也會迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復(fù)雜，也就越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。在實際應(yīng)用當(dāng)中，對所有零部件的多物理場都進(jìn)行復(fù)雜的三維仿真耗時很長，往往會進(jìn)行降階處理，通過一維仿真對產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行分析。因此，企業(yè)需要根據(jù)實際應(yīng)用需求和性能價格比來選擇構(gòu)建不同保真度的數(shù)字孿生模型。
數(shù)字孿生
在制造業(yè)的應(yīng)用前景展望
“注：本文的第八部分主要由e-works首席記者王陽撰寫。在本文撰寫過程中，得到了李培根院士的指導(dǎo)，并多次向陶飛教授討教，也與趙敏、彭慧等專家進(jìn)行了探討交流，在此深表感謝！
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