導(dǎo)讀

INTRODUCTION

數(shù)字孿生是指針對(duì)物理世界中的物體，通過(guò)數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化。

數(shù)字孿生的一般定義

數(shù)字孿生是指針對(duì)物理世界中的物體，通過(guò)數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的理解、分析和優(yōu)化。 從更加專業(yè)的角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生集成了人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)等技術(shù)，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起建立模擬，即物理對(duì)象的虛擬映射，以期在問(wèn)題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)控物理對(duì)象在虛擬模型中的變化，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復(fù)雜處理與異常分析，并預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。 數(shù)字孿生是形成物理世界中某一生產(chǎn)流程的模型及其在數(shù)字世界中的數(shù)字化鏡像的過(guò)程和方法(圖1)。數(shù)字孿生有五大驅(qū)動(dòng)要素——物理世界的傳感器、數(shù)據(jù)、集成、分析和驅(qū)動(dòng)器，以及持續(xù)更新的數(shù)字孿生應(yīng)用程序。

圖1 數(shù)字孿生是在數(shù)字世界對(duì)物理世界的映射

生產(chǎn)流程中配置的傳感器可以發(fā)出信號(hào)，數(shù)字孿生可通過(guò)信號(hào)獲取與實(shí)際流程相關(guān)的運(yùn)營(yíng)和環(huán)境數(shù)據(jù)。傳感器提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)和環(huán)境數(shù)據(jù)將在聚合后與企業(yè)數(shù)據(jù)合并，企業(yè)數(shù)據(jù)包括物料清單、企業(yè)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)規(guī)范等，其他類型的數(shù)據(jù)包括工程圖紙、外部數(shù)據(jù)源及客戶投訴記錄等。 傳感器通過(guò)集成技術(shù)(包括邊緣、通信接口和安全)達(dá)成物理世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字孿生利用分析技術(shù)開(kāi)展算法模擬和可視化程序，進(jìn)而分析數(shù)據(jù)、提供洞見(jiàn)，建立物理實(shí)體和流程的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)字化模型，數(shù)字孿生能夠識(shí)別不同層面偏離理想狀態(tài)的異常情況。若確定應(yīng)當(dāng)采取行動(dòng)，則數(shù)字孿生將在人工干預(yù)的情況下通過(guò)促動(dòng)器展開(kāi)實(shí)際行動(dòng)，推進(jìn)實(shí)際流程的開(kāi)展。當(dāng)然，在實(shí)際操作中，流程(或物理實(shí)體)及其數(shù)字虛擬鏡像明顯比簡(jiǎn)單的模型或結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。圖2是數(shù)字孿生的概念框架。

圖2 數(shù)字孿生的概念框架

數(shù)字孿生與數(shù)字紐帶

伴隨著數(shù)字孿生的發(fā)展，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)國(guó)家航空航天局同時(shí)提出了數(shù)字紐帶(DigitalThread，也譯為數(shù)字主線、數(shù)字線程、數(shù)字線、數(shù)字鏈等)的概念。 數(shù)字紐帶是種可擴(kuò)展、可配置的企業(yè)級(jí)分析框架，在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期中，通過(guò)提供訪問(wèn)、整合及將不同的、分散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作信息的能力來(lái)通知決策制定者。通過(guò)分析和對(duì)比數(shù)字孿生和數(shù)字紐帶的定義可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生體是對(duì)象、模型和數(shù)據(jù)，而數(shù)字紐帶是方法、通道、鏈接和接口，數(shù)字孿生體的相關(guān)信息是通過(guò)數(shù)字紐帶進(jìn)行交換、處理的。以產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程為例，產(chǎn)品數(shù)字孿生體與數(shù)字紐帶的關(guān)系如圖3所示。

圖3 融合了產(chǎn)品數(shù)字孿生體和數(shù)字紐帶的應(yīng)用示例

仿真分析模型的參數(shù)可以傳遞至產(chǎn)品定義的全三維模型，再傳遞至數(shù)字化生產(chǎn)線加工/裝配成真實(shí)的物理產(chǎn)品，繼而通過(guò)在線的數(shù)字化檢驗(yàn)/測(cè)量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進(jìn)而反饋到仿真分析模型中。 通過(guò)數(shù)字紐帶實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期各階段的模型和關(guān)鍵數(shù)據(jù)雙向交互，使產(chǎn)品全生命周期各階段的模型保持一致性，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理和模型管理。

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明

基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)

數(shù)字孿生的概念最早由密歇根大學(xué)的Michael Grieves博士于2002年提出(最初的名稱為“ConceptualIdeal for PLM”)，至今有超過(guò)15年的歷史。MichaelGrieves與NASA長(zhǎng)期合作。

在航天領(lǐng)域，航天器的研發(fā)和運(yùn)營(yíng)必須依賴于數(shù)字化技術(shù)：在研發(fā)階段，需要降低物理樣機(jī)的成本；在運(yùn)營(yíng)階段，需要對(duì)航天器進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和故障監(jiān)測(cè)。這也是后來(lái)NASA把數(shù)字化雙胞胎(即數(shù)字孿生)作為關(guān)鍵技術(shù)的原因。圖5展示了數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用。

圖5 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，在生產(chǎn)過(guò)程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)字孿生技術(shù)是制造企業(yè)邁向“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過(guò)程的數(shù)字思路將所有階段(產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用)銜接起來(lái)，并連接到可以理解這些信息并對(duì)其做出反應(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。數(shù)字孿生將各專業(yè)技術(shù)集成為一個(gè)數(shù)據(jù)模型，并將PLM(產(chǎn)品生命周期管理軟件)、MOM(生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng))和TIA(全集成自動(dòng)化)集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)下，也可以根據(jù)需要將供應(yīng)商納入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈數(shù)據(jù)的整合，業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“設(shè)備數(shù)字孿生”(圖6)。

圖6 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。這個(gè)階段的數(shù)字孿生的關(guān)鍵能力包含：數(shù)字模型設(shè)計(jì)，使用CAD工具開(kāi)發(fā)出滿足技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確地記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來(lái)，并通過(guò)一系列驗(yàn)證手段來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度——模擬和仿真，通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段就可驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性。產(chǎn)品數(shù)字孿生將在需求驅(qū)動(dòng)下，建立基于模型的系統(tǒng)工程產(chǎn)品研發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)“需求定義-系統(tǒng)仿真-功能設(shè)計(jì)-邏輯設(shè)計(jì)-物理設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)仿真-實(shí)物試驗(yàn)”全過(guò)程閉環(huán)管理，從細(xì)化領(lǐng)域?qū)缦聨讉€(gè)方面(圖7)：

圖7 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用——產(chǎn)品數(shù)字孿生

在產(chǎn)品的制造階段，生產(chǎn)數(shù)字孿生的主要目的是確保產(chǎn)品可以被高效、高質(zhì)量和低成本地生產(chǎn)，它所要設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的對(duì)象主要是生產(chǎn)系統(tǒng)，包括制造工藝、制造設(shè)備、制造車間、管理控制系統(tǒng)等。利用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。 產(chǎn)品生產(chǎn)階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，具體實(shí)現(xiàn)如下功能(圖8)：

圖8 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用——生產(chǎn)數(shù)字孿生

關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控和過(guò)程能力評(píng)估。通過(guò)采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全部生產(chǎn)過(guò)程的可視化監(jiān)控，并且通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者機(jī)器學(xué)習(xí)建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗(yàn)指標(biāo)的監(jiān)控策略，對(duì)出現(xiàn)違背策略的異常情況進(jìn)行及時(shí)處理和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程。作為客戶的設(shè)備資產(chǎn)，產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中將設(shè)備運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳送到云端，以進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、可預(yù)測(cè)性維護(hù)與保養(yǎng)，并通過(guò)設(shè)備運(yùn)行信息對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝和制造迭代優(yōu)化(圖9)。

圖9 數(shù)字孿生技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用——設(shè)備數(shù)字孿生

通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接云端、行業(yè)云端算法庫(kù)以及行業(yè)應(yīng)用APP，以西門子MindSphere平臺(tái)為例說(shuō)明運(yùn)營(yíng)數(shù)字化雙胞胎的架構(gòu)(圖10)。該架構(gòu)包含： ? 連接層MindConnect：支持開(kāi)放的設(shè)備連接標(biāo)準(zhǔn)，如OPCUA，實(shí)現(xiàn)西門子與第三方產(chǎn)品的即插即用，并對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行安全加密。 ?平臺(tái)層MindSphere：為客戶個(gè)性化APP的開(kāi)發(fā)提供開(kāi)放式接口，并提供多種云基礎(chǔ)設(shè)施，如SAP、AWS、MicrosoftAzure，并提供公有云、私有云及現(xiàn)場(chǎng)部署。 ?應(yīng)用層MindApps：應(yīng)用來(lái)自西門子與合作伙伴的APP，或由企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的APP，以獲取設(shè)備透明度與深度分析報(bào)告。預(yù)測(cè)性服務(wù)可將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軘?shù)據(jù)。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展可讓企業(yè)洞察機(jī)器與工廠的狀況，從而在實(shí)際問(wèn)題發(fā)生之前，對(duì)異常和偏離閾值的情況迅速做出響應(yīng)。

圖10 數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝備行業(yè)的應(yīng)用

審核編輯 ：李倩