自上世紀70年代以來，工業(yè)制造的數(shù)字化及自動化程度不斷得到提高。作為經(jīng)過多次改進并取得巨大發(fā)展的顛覆性技術(shù)之一，最近被Gartner評為戰(zhàn)略技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin，縮寫DT）再次受到人們的追捧。制造商斷言，數(shù)字孿生技術(shù)是生產(chǎn)數(shù)子化、自動化的推動者，也是向工業(yè)4.0過渡的關(guān)鍵技術(shù)，它幾乎能在所有關(guān)鍵產(chǎn)品的全生命周期中產(chǎn)生影響。

什么是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字孿生?

在大多數(shù)資料來源中，數(shù)字孿生主要被解釋為是對任何物理對象、系統(tǒng)、過程或者人的數(shù)字化表示。它不僅是一個數(shù)字模型，還模擬了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或系統(tǒng)工作和運行的動態(tài)。

數(shù)字孿生預(yù)示著數(shù)據(jù)驅(qū)動制造和決策，它可以通過建立預(yù)測模型來實時跟蹤物理對象，從而提高生產(chǎn)效率、減少停機時間，并在產(chǎn)品發(fā)布之后可以持續(xù)改進產(chǎn)品。例如，特斯拉為每一輛出廠的汽車都配備了數(shù)字孿生模型，并根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器接收到的數(shù)據(jù)，對汽車程序進行實時更新，以改善其性能。

數(shù)字孿生與三維CAD模型

CAD建模是對物理對象的三維繪制，與物理建模不同的是，它不但可以幫助設(shè)計師對數(shù)字原型進行精確而全面的虛擬設(shè)計，還可以方便的進行修改。

對于制造業(yè)而言，CAD是一種經(jīng)濟有效的建模方法，企業(yè)能夠?qū)⑼ㄟ^三維CAD模型設(shè)計帶來的幾何數(shù)據(jù)應(yīng)用到系統(tǒng)配置、仿真和數(shù)字模擬研究中。

因此，CAD建模為汽車架構(gòu)師、設(shè)計工程師等帶來了極大的靈活性，可在車輛的人機工程學(xué)、人體測量學(xué)等設(shè)計階段進行大量的迭代，從而加速設(shè)計進程。

數(shù)字孿生(DT)是三維CAD模型的一種高級形態(tài)；主要目的是服務(wù)于工業(yè)4.0和智能制造。

與CAD不同，數(shù)字孿生與物理對象之間可以進行雙向通信，它可通過利用現(xiàn)實世界中物理對象的實時數(shù)據(jù)，測試和修改虛擬環(huán)境中的模型參數(shù)。

此外，數(shù)字孿生還可以應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期管理(PLM)的每個階段。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)池對包括銷售、市場營銷、物流、供應(yīng)鏈等在內(nèi)的所有部門共享，因此，它可以看作是一個數(shù)據(jù)驅(qū)動工具，有助于跨職能和地域分散部門之間的協(xié)作。

數(shù)字孿生的類型及其用例

隨著智能制造的蓬勃發(fā)展，數(shù)字孿生的三種類型在產(chǎn)品生命周期的關(guān)鍵階段中皆有所體現(xiàn)：

產(chǎn)品數(shù)字孿生通過模擬物理對象在各種場景下的性能，可避免多個原型的重復(fù)開發(fā)，最小化開發(fā)總時間。因此，制造商可以在虛擬環(huán)境中調(diào)整參數(shù)，在產(chǎn)品上線之前測試和驗證產(chǎn)品的功能、安全性和質(zhì)量，例如：

●?勞斯萊斯使用數(shù)字孿生風(fēng)扇葉片來制造超級噴氣發(fā)動機，提高了25%的燃油消耗效率。

●?英國鐵路網(wǎng)的數(shù)字孿生是為了實現(xiàn)設(shè)計過程的自動化而建立的，大大節(jié)省了現(xiàn)場人工測量的成本和時間。

●?新加坡利用數(shù)字孿生技術(shù)研究新的智能建筑如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上進行建設(shè)規(guī)劃、安裝等。另外，新加坡利用DT分析哪些建筑是安裝太陽能電池板和積累能量的最佳選擇。

●?荷蘭第二大城市鹿特丹還計劃利用該市的數(shù)字孿生系統(tǒng)，來改善基礎(chǔ)設(shè)施維護、能源效率、道路和水上交通，以及幫助消防員在緊急情況下出行任務(wù)等等。

生產(chǎn)數(shù)字孿生也被稱為虛擬調(diào)試，它主要用于車間的數(shù)字化和全自動化作業(yè)，例如：

●?西門子和ABB集團分別將其應(yīng)用在包裝設(shè)備工程和鋸床生產(chǎn)中。

●?英國石油公司的數(shù)字孿生系統(tǒng)APEX是一個模擬監(jiān)視系統(tǒng)，能將生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化時間從幾個小時縮短到20分鐘。

性能數(shù)字孿生主要通過收集產(chǎn)品、機器和整個生產(chǎn)線的運行數(shù)據(jù)，以模擬和預(yù)測性能故障、能耗峰值及停機風(fēng)險，例如：

●?λ通用電氣公司通過利用數(shù)字孿生體監(jiān)控風(fēng)力渦輪機的性能、監(jiān)督風(fēng)電場的運作和生產(chǎn)。

●?λ壓縮機制造商Kaeser通過使用數(shù)字孿生來預(yù)測什么時候可能發(fā)生故障，從而最小化停機時間。

雖然DT實際應(yīng)用越來越多，但這種顛覆傳統(tǒng)的設(shè)計和測試方法也面臨許多挑戰(zhàn)，許多制造商仍然謹慎行事。另外，重建DT車間和培訓(xùn)員工也是需要大量的投資。為此，ARTC研究中心創(chuàng)建了一個數(shù)字孿生體試驗室，為DT的開發(fā)和測試提供平臺。

什么是虛擬調(diào)試

隨著制造過程的工藝復(fù)雜度和自動化水平的提高，人們不可能堅持傳統(tǒng)的預(yù)調(diào)試模式。虛擬調(diào)試是指通過虛擬技術(shù)創(chuàng)建出物理制造環(huán)境的數(shù)字復(fù)制品，以用于測試和驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性。

簡單地說，虛擬調(diào)試是通過工廠、車間、制造機器的模型，模擬運行整個或部分生產(chǎn)流程，并在生產(chǎn)線投產(chǎn)前對重要功能和性能進行測試。它能夠檢測和消除設(shè)計缺陷，例如PLCs代碼中的bug，并提前解決一系列技術(shù)上的問題。

調(diào)查顯示，經(jīng)過虛擬調(diào)試后的生產(chǎn)線一開機就有較高的質(zhì)量，因此實際調(diào)試的時間可以減少75%。

虛擬調(diào)試的其他優(yōu)勢：

●?加快現(xiàn)場調(diào)試和生產(chǎn)線建設(shè)

●?最小化設(shè)備故障、碰撞和停機的風(fēng)險

●?簡化傳統(tǒng)的軟件測試流程——工廠驗收測試和現(xiàn)場驗收測試

●?優(yōu)化復(fù)雜生產(chǎn)線生產(chǎn)周期

●?減少原型浪費和節(jié)省更多昂貴的材料

●?越早解決bug的成本越低

目前市場上已經(jīng)提供虛擬調(diào)試解決方案的廠商有西門子(Tecnomatix)、達索系統(tǒng)(DELMIA)、可視化組件 Essentials、機加工 (industrialPhysics)、MapleSoft (MapleSim)等。

數(shù)字主線VS數(shù)字孿生

在PLM或 PDM系統(tǒng)中最常見的概念是數(shù)字主線（Digital Thread），它是實現(xiàn)工業(yè)制造4.0端到端自動化的方法。Digital Thread是一個框架，它能夠鏈接各種信息“孤島”，包括復(fù)雜制造過程的所有數(shù)據(jù)。此外，它也能連接全生命周期的各個階段，使參與者可以相互溝通。

由此可見，數(shù)字主線是對從需求設(shè)計階段到生產(chǎn)組裝再到售后支持的整個制造價值鏈的數(shù)字表示。同時，數(shù)字主線支持可追溯性，能夠跨越所有生命周期階段，可為制造商帶來以下好處：

●?縮短開發(fā)生命周期并降低成本。

●?通過整個價值鏈持續(xù)改進產(chǎn)品質(zhì)量和性能，最小化缺陷和減少停機時間。

●?提高整體生產(chǎn)流程和運營的透明度。通過團隊之間共享數(shù)據(jù)提高協(xié)作效率。

●?加快制造速度，提高生產(chǎn)率和靈活性。

●?最重要的是，數(shù)字主線與PLM改變了整個生產(chǎn)交付模式。

目前，數(shù)字主線和數(shù)字孿生技術(shù)是創(chuàng)新的關(guān)鍵策略，已經(jīng)被西門子、通用電氣、IBM、微軟和Oracle等公司使用。

推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

2002年Grieves博士給出了數(shù)字孿生的定義，并將其稱為“PLM理想概念”（ Conceptual Ideal of PLM）或“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model）。

其實，早在1970年，美國宇航局和美國空軍已經(jīng)首先利用了這項技術(shù)。阿波羅13號救援隊通過使用鏡像系統(tǒng)來探索開放空間和模仿宇航員回家。但數(shù)字孿生技術(shù)在當(dāng)時并沒有得到太多支持，直到Gartner在一份報告中將DT描述為“物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)”，數(shù)字孿生才開始引人注目。

在2017年和2019年，數(shù)字孿生和人工智能、區(qū)塊鏈技術(shù)等都進入了十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢榜單。那么，數(shù)字孿生技術(shù)在1970年和2002年具體究竟是什么樣子的?這種技術(shù)當(dāng)時缺少什么？為什么在2019年就可以提供給制造商了?

物聯(lián)網(wǎng)和云計算

物聯(lián)網(wǎng)的興起及其在我們?nèi)粘Ｉ钪械某晒?yīng)用，催生了使用數(shù)字孿生的發(fā)展?？梢哉f是物聯(lián)網(wǎng)讓這個想法成為現(xiàn)實，那么物聯(lián)網(wǎng)為什么會風(fēng)靡起來?這是由于它具有以下優(yōu)點：

●?降低了與云連接的傳感器的成本

●?增加了云存儲容量和數(shù)據(jù)吞吐量

●?驚人的計算能力

●?改善了移動網(wǎng)絡(luò)的帶寬、速度、容量，并降低了延遲

物聯(lián)網(wǎng)與云計算協(xié)同發(fā)揮著重要作用，使DT實時數(shù)據(jù)收集和傳輸成為可能。通過安裝在物理對象上并連接到云上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，物理對象和數(shù)字孿生體之間可以互相“通信”。

與人工智能和數(shù)據(jù)科學(xué)一起，Digital Twin可以增強工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能力。但更重要的是，它實現(xiàn)了復(fù)雜操作的自動化智能制造。

在Forrester的報告中，已有15家被認可的IIoT軟件供應(yīng)商(如IBM、SAP、Amazon、Bosch、Siemens、Microsoft、Hitachi等)。這些公司都專注于集成具有大數(shù)據(jù)分析的數(shù)字孿生軟件和企業(yè)解決方案。

大數(shù)據(jù)分析

為了處理不斷從傳感器接收到的海量數(shù)據(jù)，Digital Twin應(yīng)該與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，將結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的結(jié)果或可執(zhí)行的建議。

研究認為，大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生技術(shù)的融合促進了不同產(chǎn)業(yè)之間智能制造的聯(lián)系，消除了不同PLM階段之間的障礙，可有效減少整個產(chǎn)品開發(fā)時間。

預(yù)測分析

數(shù)字孿生技術(shù)也能夠通過基于歷史數(shù)據(jù)分析風(fēng)險因素、潛在故障、所需維護以及業(yè)務(wù)場景等為預(yù)測性分析提供支持。

更重要的是，數(shù)字孿生可以使用預(yù)測分析算法和接收到的數(shù)據(jù)在虛擬世界進行模擬，以預(yù)測設(shè)備在特定環(huán)境下的“行為”。

增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實（AR）與數(shù)字孿生的集成進一步提升了數(shù)據(jù)可視化能力，在其物理對象上疊加三維孿生模型的圖像。因此，增強現(xiàn)實結(jié)合數(shù)字孿生，可以應(yīng)用于汽車研發(fā)、制造、供應(yīng)、銷售和支持的整個價值鏈中。

DT與AR集成的另一個用例是虛擬孿生體，它可以將數(shù)字孿生體與遠程物理對應(yīng)物連接起來。例如，西門子推出了一個虛擬孿生PoC，稱為“物理智能工廠的3D模型”；微軟技術(shù)人員通過使用全息透鏡（Microsoft HoloLens），可以更快地訪問智能工廠的數(shù)字孿生體和物理數(shù)據(jù)，從而遠程控制和管理車間。

綜上，本文主要介紹了數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)知識，重點關(guān)注虛擬調(diào)試及其帶給制造商的優(yōu)勢。然后描述了數(shù)字主線和數(shù)字孿生之間的本質(zhì)區(qū)別，以及驅(qū)動數(shù)字孿生發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、增強現(xiàn)實等。隨著這些技術(shù)的日趨成熟，將會加快工業(yè)4.0時代的到來！