數(shù)字孿生（Digital Twin）正在幫助制造業(yè)公司虛擬地復(fù)制物理環(huán)境。作為一家每年生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的公司，這個(gè)虛擬工具是一種研究制造過(guò)程、識(shí)別瓶頸和運(yùn)行各種測(cè)試的方法，并且減少了實(shí)際的開銷。最終目標(biāo)是通過(guò)提高產(chǎn)量和減少開支來(lái)提高我們的運(yùn)營(yíng)效率。

在這篇文章中，我們將介紹數(shù)字孿生的概念以及如何利用它來(lái)改進(jìn)SoC芯片制造。

數(shù)字孿生的定義

簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字孿生是一個(gè)物理實(shí)體的虛擬副本。數(shù)字孿生使用軟件模擬單個(gè)設(shè)備、工具、流程、系統(tǒng)，甚至人或城市。

數(shù)字孿生體最大的特點(diǎn)在于：它是對(duì)本體的動(dòng)態(tài)仿真。而且，數(shù)字孿生體不是隨便亂“動(dòng)”。它“動(dòng)”的依據(jù)，來(lái)自本體的物理設(shè)計(jì)模型，還有本體上面傳感器反饋的數(shù)據(jù)，以及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。

一些世界上最大的制造商，從飛機(jī)制造商到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)供應(yīng)商，已經(jīng)將數(shù)字孿生作為一種提高裝配線生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和通過(guò)虛擬環(huán)境加速產(chǎn)品測(cè)試的方法。甚至有人希望通過(guò)數(shù)字孿生一點(diǎn)一點(diǎn)地重建有著850年歷史的巴黎圣母院。

數(shù)字孿生可以幫助解決哪些挑戰(zhàn)？

數(shù)字孿生被用于各種各樣的應(yīng)用。一個(gè)重要的用例是改進(jìn)制造流程，通過(guò)使用數(shù)字孿生，公司可以動(dòng)態(tài)模擬其智能工廠，識(shí)別跨系統(tǒng)、流程和其他環(huán)節(jié)上的瓶頸，測(cè)試可能的解決方案，并估計(jì)組件之間的交互和操作過(guò)程中可能發(fā)生的隨機(jī)變化的結(jié)果——所有這些都在虛擬環(huán)境中進(jìn)行。這樣做既避免了對(duì)本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

數(shù)字孿生的另一個(gè)用途是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試。以噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為例，發(fā)動(dòng)機(jī)的制造需要成千上萬(wàn)個(gè)單獨(dú)的部件和全面的安全測(cè)試。與其建造一個(gè)昂貴的真實(shí)引擎，還不如建造一個(gè)數(shù)字孿生體來(lái)創(chuàng)建一個(gè)飛機(jī)引擎的3D復(fù)制品。然后，可以根據(jù)適當(dāng)?shù)囊?guī)范對(duì)虛擬引擎進(jìn)行分析、檢查和測(cè)試。還可以為現(xiàn)有的飛機(jī)引擎創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生，通過(guò)組件分析提供可預(yù)測(cè)的維護(hù)建議。

“復(fù)制粘貼”整個(gè)上海工廠

數(shù)字孿生幫助我們模擬工廠操作，預(yù)測(cè)和解釋預(yù)期的周期時(shí)間變化，以滿足閃存需求的動(dòng)態(tài)變化。利用在中國(guó)上海的半導(dǎo)體制造廠（fab）藍(lán)圖，我們創(chuàng)造了這個(gè)fab第二層的數(shù)字孿生。這一領(lǐng)域包括我們的自動(dòng)機(jī)器人車輛（ARV）和基于閃存系統(tǒng)芯片的在線測(cè)試器。

我們的方法是將運(yùn)籌學(xué)和隨機(jī)Q-time理論結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)建一個(gè)歷史上精確的數(shù)字孿生。將該數(shù)據(jù)分為兩個(gè)部分：試驗(yàn)臺(tái)被測(cè)設(shè)備（DUT）的歷史等待時(shí)間和服務(wù)時(shí)間分布，以及ARV運(yùn)動(dòng)分布。我們計(jì)算了給定機(jī)器人將一個(gè)測(cè)試單元（這里為SoC）轉(zhuǎn)移到給定測(cè)試機(jī)器的預(yù)期服務(wù)時(shí)間。我們的目標(biāo)是優(yōu)化整體服務(wù)時(shí)間，從而提高工廠的產(chǎn)量和效率。

12周的快速學(xué)習(xí)周期

我們團(tuán)隊(duì)的許多數(shù)字項(xiàng)目每隔12周運(yùn)行一次，我們稱之為“快速學(xué)習(xí)周期”。我們花了12周的時(shí)間來(lái)試驗(yàn)、修補(bǔ)數(shù)字孿生體的各種輸入，并分析預(yù)期的輸出。在此期間的十周內(nèi)，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，并決定是繼續(xù)全面推進(jìn)該項(xiàng)目，還是終止該項(xiàng)目。

在學(xué)習(xí)周期結(jié)束后，在未來(lái)6 - 12周內(nèi)會(huì)進(jìn)行試點(diǎn)。以我們的ARV數(shù)字孿生為例，試驗(yàn)在六周內(nèi)分階段實(shí)施，并逐步發(fā)布從數(shù)字孿生那里學(xué)到的業(yè)務(wù)決策規(guī)則。我們使用漸進(jìn)的方法來(lái)避免在首次發(fā)布期間出現(xiàn)意外問(wèn)題。最新升級(jí)的ARV路線規(guī)劃已經(jīng)從今年1月開始全面運(yùn)行。

數(shù)字孿生導(dǎo)致了99%的ARV自動(dòng)化

通過(guò)使用數(shù)字孿生優(yōu)化工廠操作，我們的服務(wù)型機(jī)器人的ARV利用率提高了25%。我們?cè)谲囬g創(chuàng)建了多個(gè)服務(wù)區(qū)，并在特定區(qū)域放置ARV；這有助于減少總的移動(dòng)時(shí)間。我們還為每個(gè)機(jī)器人創(chuàng)建了專門的功能：一些專用于加載測(cè)試機(jī)器，而另一些專用于卸載測(cè)試機(jī)器。

數(shù)字孿生現(xiàn)在已經(jīng)使ARV的使用實(shí)現(xiàn)了99%的自動(dòng)化。最后，我們使用數(shù)字孿生來(lái)模擬增加機(jī)器人對(duì)工廠效率的影響。通過(guò)估計(jì)機(jī)器人將如何影響生產(chǎn)線，我們可以快速有效地?cái)U(kuò)大規(guī)模。

把數(shù)字孿生帶到硬盤操作

展望未來(lái)，我們將使用相同的數(shù)字孿生來(lái)優(yōu)化HDD操作的吞吐量。具體來(lái)說(shuō)，我們希望在HDD裝配線上使用定量和定性分析。我們的目標(biāo)是通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)和性能組合來(lái)減少周期時(shí)間和優(yōu)化資本支出。

原文鏈接：https://blog.westerndigital.com/digital-twins-optimize-robot-manufacturing-ops/

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