自上世紀(jì)70年代以來，工業(yè)制造的數(shù)字化及自動(dòng)化程度不斷得到提高。作為經(jīng)過多次改進(jìn)并取得巨大發(fā)展的顛覆性技術(shù)之一，最近被Gartner評(píng)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(dòng)化的推動(dòng)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(duì)任何物理對(duì)象、系統(tǒng)、過程或者人的數(shù)字化表示。它不僅是一個(gè)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(yùn)行的動(dòng)態(tài)。

數(shù)字孿生預(yù)示著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造和決策，它可以通過建立預(yù)測(cè)模型來實(shí)時(shí)跟蹤物理對(duì)象，從而提高生產(chǎn)效率、減少停機(jī)時(shí)間，并在產(chǎn)品發(fā)布之后可以持續(xù)改進(jìn)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(duì)汽車程序進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，以改善其性能。

數(shù)字孿生與三維CAD模型

CAD建模是對(duì)物理對(duì)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(jì)師對(duì)數(shù)字原型進(jìn)行精確而全面的虛擬設(shè)計(jì)，還可以方便的進(jìn)行修改。

對(duì)于制造業(yè)而言，CAD是一種經(jīng)濟(jì)有效的建模方法，企業(yè)能夠?qū)⑼ㄟ^三維CAD模型設(shè)計(jì)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(jì)工程師等帶來了極大的靈活性，可在車輛的人機(jī)工程學(xué)、人體測(cè)量學(xué)等設(shè)計(jì)階段進(jìn)行大量的迭代，從而加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。

數(shù)字孿生(DT)是三維CAD模型的一種高級(jí)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(duì)象之間可以進(jìn)行雙向通信，它可通過利用現(xiàn)實(shí)世界中物理對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，測(cè)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(gè)階段。數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)池對(duì)包括銷售、市場(chǎng)營(yíng)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(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(duì)象在各種場(chǎng)景下的性能，可避免多個(gè)原型的重復(fù)開發(fā)，最小化開發(fā)總時(shí)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(cè)試和驗(yàn)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(jí)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，提高了25%的燃油消耗效率。

●?英國(guó)鐵路網(wǎng)的數(shù)字孿生是為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化而建立的，大大節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量的成本和時(shí)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(jìn)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(jì)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(hù)、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(dòng)化作業(yè)，例如：

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

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

性能數(shù)字孿生主要通過收集產(chǎn)品、機(jī)器和整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以模擬和預(yù)測(cè)性能故障、能耗峰值及停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，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(jī)的性能、監(jiān)督風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)作和生產(chǎn)。

●?λ壓縮機(jī)制造商Kaeser通過使用數(shù)字孿生來預(yù)測(cè)什么時(shí)候可能發(fā)生故障，從而最小化停機(jī)時(shí)間。

雖然DT實(shí)際應(yīng)用越來越多，但這種顛覆傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試方法也面臨許多挑戰(zhàn)，許多制造商仍然謹(jǐn)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(gè)數(shù)字孿生體試驗(yàn)室，為DT的開發(fā)和測(cè)試提供平臺(tái)。

什么是虛擬調(diào)試

隨著制造過程的工藝復(fù)雜度和自動(dòng)化水平的提高，人們不可能堅(jiān)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(cè)試和驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。

簡(jiǎn)單地說，虛擬調(diào)試是通過工廠、車間、制造機(jī)器的模型，模擬運(yùn)行整個(gè)或部分生產(chǎn)流程，并在生產(chǎn)線投產(chǎn)前對(duì)重要功能和性能進(jìn)行測(cè)試。它能夠檢測(cè)和消除設(shè)計(jì)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(jī)就有較高的質(zhì)量，因此實(shí)際調(diào)試的時(shí)間可以減少75%。

虛擬調(diào)試的其他優(yōu)勢(shì)：

●?加快現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和生產(chǎn)線建設(shè)

●?最小化設(shè)備故障、碰撞和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)

●?簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的軟件測(cè)試流程——工廠驗(yàn)收測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試

●?優(yōu)化復(fù)雜生產(chǎn)線生產(chǎn)周期

●?減少原型浪費(fèi)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(chǎng)上已經(jīng)提供虛擬調(diào)試解決方案的廠商有西門子(Tecnomatix)、達(dá)索系統(tǒng)(DELMIA)、可視化組件 Essentials、機(jī)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(shí)現(xiàn)工業(yè)制造4.0端到端自動(dòng)化的方法。Digital Thread是一個(gè)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(gè)階段，使參與者可以相互溝通。

由此可見，數(shù)字主線是對(duì)從需求設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)組裝再到售后支持的整個(gè)制造價(jià)值鏈的數(shù)字表示。同時(shí)，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(gè)價(jià)值鏈持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和性能，最小化缺陷和減少停機(jī)時(shí)間。

●?提高整體生產(chǎn)流程和運(yùn)營(yíng)的透明度。通過團(tuán)隊(duì)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(gè)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(dòng)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(shí)，早在1970年，美國(guó)宇航局和美國(guó)空軍已經(jīng)首先利用了這項(xiàng)技術(shù)。阿波羅13號(hào)救援隊(duì)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(shí)并沒有得到太多支持，直到Gartner在一份報(bào)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(jìn)入了十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)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(shí)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(jì)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。可以說是物聯(lián)網(wǎng)讓這個(gè)想法成為現(xiàn)實(shí)，那么物聯(lián)網(wǎng)為什么會(huì)風(fēng)靡起來?這是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

●?降低了與云連接的傳感器的成本

●?增加了云存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)吞吐量

●?驚人的計(jì)算能力

●?改善了移動(dòng)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(jì)算協(xié)同發(fā)揮著重要作用，使DT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和傳輸成為可能。通過安裝在物理對(duì)象上并連接到云上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，物理對(duì)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(qiáng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的能力。但更重要的是，它實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜操作的自動(dòng)化智能制造。

在Forrester的報(bào)告中，已有15家被認(rèn)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(jià)值的結(jié)果或可執(zhí)行的建議。

研究認(rèn)為，大數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生技術(shù)的融合促進(jìn)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(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

預(yù)測(cè)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(xiǎn)因素、潛在故障、所需維護(hù)以及業(yè)務(wù)場(chǎng)景等為預(yù)測(cè)性分析提供支持。

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

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）與數(shù)字孿生的集成進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)可視化能力，在其物理對(duì)象上疊加三維孿生模型的圖像。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(gè)價(jià)值鏈中。

DT與AR集成的另一個(gè)用例是虛擬孿生體，它可以將數(shù)字孿生體與遠(yuǎn)程物理對(duì)應(yīng)物連接起來。例如，西門子推出了一個(gè)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(yuǎn)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(shí)，重點(diǎn)關(guān)注虛擬調(diào)試及其帶給制造商的優(yōu)勢(shì)。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(dòng)數(shù)字孿生發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。隨著這些技術(shù)的日趨成熟，將會(huì)加快工業(yè)4.0時(shí)代的到來！