數(shù)字孿生背后的原因如何使用它們?yōu)槠髽I(yè)提供價值

工業(yè) 4.0 被炒作已久，以至于人們很容易忘記它是游戲規(guī)則的改變者。不是因?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增預(yù)示著它的到來，而是因?yàn)槠髽I(yè)實(shí)際上可以利用這些設(shè)備生成的數(shù)據(jù)來做什么。

簡而言之，今天的 IIoT 設(shè)備收集了足夠的數(shù)據(jù)來驅(qū)動被稱為“數(shù)字雙胞胎”的虛擬制造設(shè)備，企業(yè)可以使用這些設(shè)備自動規(guī)劃或測試新戰(zhàn)略。借助數(shù)字雙胞胎，工程和設(shè)計團(tuán)隊可以創(chuàng)建能夠分析物理制造設(shè)備當(dāng)前性能的自主系統(tǒng)，將其與過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并相應(yīng)地調(diào)整其設(shè)置。

在下面與 Embedded Computing Design 的 Rich Nass 的問答中，MathWorks 行業(yè)經(jīng)理 Philipp Wallner 解釋了數(shù)字孿生背后的原因以及它們可以為采用——更重要的是，知道如何使用它們的企業(yè)提供的價值。

什么是數(shù)字孿生？

Philipp Wallner （PW）：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界物理資產(chǎn)的數(shù)字表示，它基于相關(guān)且易于訪問的歷史數(shù)據(jù)反映資產(chǎn)的當(dāng)前狀況。公司正在使用數(shù)字雙胞胎來分析組件、機(jī)械和整個運(yùn)營中的生產(chǎn)（或制造）工廠等資產(chǎn)的性能，并將其與過去的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。他們還可以使用它們來優(yōu)化公司的運(yùn)營、預(yù)測未來的行為或確保給定的資產(chǎn)處于最佳狀態(tài)。例如，通過泵、發(fā)動機(jī)、發(fā)電廠、生產(chǎn)線或車隊的預(yù)測性維護(hù)。

數(shù)字孿生如何適應(yīng)工業(yè) 4.0 的更大背景？

PW：擁抱工業(yè) 4.0 的制造商的主要目標(biāo)應(yīng)該是轉(zhuǎn)移遵循特定重復(fù)模式（人工智能算法可以學(xué)習(xí)）的部分決策過程，同時在未來從人類決策者那里獲得新的見解和想法。通過這樣做，工程師有更多的帶寬將人類洞察力（應(yīng)用他們的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識）整合到他們公司的流程中。為這些平臺提供動力的模型既使用歷史數(shù)據(jù)，也使用資產(chǎn)傳感器生成的大量新信息，無論情況如何，都能做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。數(shù)字雙胞胎為這個過程增加了另一層，讓工程師有機(jī)會在不使用物理世界中的資產(chǎn)的情況下評估模型的決策、調(diào)整變量和測試新場景。

數(shù)字孿生如何工作？

PW：這取決于公司。例如，假設(shè)您從事石油和天然氣行業(yè)，并且您的公司在三個不同的地點(diǎn)擁有油井，每個油井都有多個泵。您可以將數(shù)字雙胞胎用于預(yù)測性維護(hù)，讓您的工程師為每個泵構(gòu)建數(shù)字雙胞胎，并使用傳感器生成的數(shù)據(jù)不斷更新數(shù)字雙胞胎，以評估每個泵的當(dāng)前運(yùn)行狀況。

為什么公司應(yīng)該使用數(shù)字孿生？

PW：任何一家公司的工程師都可以通過多種方式使用數(shù)字孿生模型，以確保他們的設(shè)備始終在峰值狀態(tài)下運(yùn)行：

減少設(shè)備停機(jī)時間：他們可以使用數(shù)字孿生通過預(yù)測設(shè)備故障并提前預(yù)防來提高密封件、閥門和柱塞等組件的性能。

庫存管理：工程師可以通過使用數(shù)字雙胞胎識別哪些零件可能需要維修或更換來改進(jìn)公司的庫存管理。

車隊管理、假設(shè)模擬和運(yùn)營規(guī)劃：回顧我之前提到的石油和天然氣用例是描述這一用例的最簡單方法。因此，每個井的泵可能具有相似的功能；但是，每個位置都具有影響其運(yùn)行方式的獨(dú)特環(huán)境因素，例如溫度。幸運(yùn)的是，該公司可以使用數(shù)字雙胞胎來監(jiān)控整個油井（或其他被監(jiān)控的基礎(chǔ)設(shè)施部分），確定提高效率的方法并模擬未來的場景來測試它們，優(yōu)化未來的運(yùn)營。

您能否擴(kuò)展數(shù)字雙胞胎捕捉實(shí)物資產(chǎn)狀況的能力？

PW：數(shù)字雙胞胎經(jīng)常更新以匹配實(shí)物資產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，這可能使它們能夠隨著時間的推移測量其狀況。分類信息會根據(jù)數(shù)字雙胞胎的使用方式和捕獲的內(nèi)容而變化。例如，預(yù)測性維護(hù)用例中的數(shù)字雙胞胎可用于故障分類，從泵的健康和故障狀態(tài)中捕獲運(yùn)行數(shù)據(jù)，工程師可以將這些數(shù)據(jù)與其他泵的數(shù)字雙胞胎歷史記錄進(jìn)行比較，以了解類似情況如何影響泵的行為以及車隊的整體效率。需要更多的數(shù)字雙胞胎來捕捉資產(chǎn)的整體狀態(tài)。

這些監(jiān)控功能也可以用來檢測異常嗎？

PW：數(shù)字孿生與物理資產(chǎn)并行運(yùn)行，并標(biāo)記包括異常在內(nèi)的操作行為。當(dāng)檢測到異常時，數(shù)字孿生可以評估是否將其標(biāo)記為潛在的設(shè)備損壞。

它們可以用于預(yù)測性維護(hù)嗎？

PW：由于數(shù)字孿生可以監(jiān)控整個車隊，因此非常適合運(yùn)營規(guī)劃和資產(chǎn)維護(hù)。例如，運(yùn)行工業(yè)自動化和機(jī)械應(yīng)用的公司可以使用數(shù)字孿生來確定其設(shè)備的剩余壽命以及維修或更換設(shè)備的最佳時間。

值得注意的是，由于預(yù)測性維護(hù)通常需要做出實(shí)時或?qū)r間敏感的決策，因此進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)的數(shù)字孿生應(yīng)該直接集成在資產(chǎn)本身或邊緣的工業(yè)控制器上，而不是集成在 IT/OT 上層，如下所示。

（圖 1：典型的智能連接系統(tǒng)拓?fù)湟约皯?yīng)部署數(shù)字孿生的位置。）

人工智能的支持者喜歡關(guān)注的一個好處是它能夠幫助公司制定新戰(zhàn)略——你認(rèn)為數(shù)字雙胞胎會給制造商帶來這種好處嗎？

普瓦：當(dāng)然。數(shù)字孿生可用于模擬多種場景，以檢查車隊規(guī)模、天氣或運(yùn)營條件等因素如何影響公司的業(yè)績。在工程師的幫助下，企業(yè)主可以使用這些信息就資產(chǎn)管理、維護(hù)計劃、優(yōu)化運(yùn)營做出明智的決策。

使數(shù)字孿生有效檢測異常的因素能否用于優(yōu)化運(yùn)營？

普瓦：當(dāng)然。如前所述，公司可以更改車隊規(guī)模、天氣、性能或能源成本等變量，并將其應(yīng)用于數(shù)百或數(shù)千個場景，以衡量他們的準(zhǔn)備情況或確定哪些調(diào)整最有可能產(chǎn)生最佳結(jié)果。這種方法使公司能夠降低風(fēng)險、降低成本或最大限度地提高系統(tǒng)效率——有時三者兼而有之。

例如，我們在食品和飲料行業(yè)的一位機(jī)器制造商客戶創(chuàng)建了一個數(shù)字雙胞胎，不僅優(yōu)化了公司機(jī)器人處理設(shè)備的設(shè)計，還優(yōu)化了其故障測試和預(yù)測性維護(hù)能力。您可以在此處了解有關(guān)該示例的更多信息。

讀者如何構(gòu)建數(shù)字孿生？

PW：鑒于我迄今為止概述的許多好處，工程師將越來越多地被要求為他們的公司開發(fā)數(shù)字雙胞胎。設(shè)計團(tuán)隊在準(zhǔn)備、構(gòu)建和應(yīng)用數(shù)字孿生模型時應(yīng)牢記三種主要模型：數(shù)據(jù)驅(qū)動、基于物理的模型以及將兩者結(jié)合的模型。

你能帶我們穿過它們嗎？

PW：很高興。試圖通過估計資產(chǎn)的剩余使用壽命 （RUL） 來優(yōu)化維護(hù)計劃的公司應(yīng)該使用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。如果公司可以訪問相似資產(chǎn)的完整歷史，公司也可以使用相似模型，但如果公司只能訪問故障數(shù)據(jù)，則可以使用生存模型。如果公司無法訪問故障數(shù)據(jù)但知道資產(chǎn)的安全閾值，則可以使用退化模型來估計 RUL，并通過傳感器測量泵的流量、壓力和振動等因素來評估資產(chǎn)的狀況。

如果一家公司想要試驗(yàn)潛在的未來場景并模擬車隊在多種條件下的行為，它應(yīng)該使用基于物理的模型，通過連接液壓和機(jī)械部件創(chuàng)建?；谖锢淼哪Ｐ捅惠斎胭Y產(chǎn)的數(shù)據(jù)，之后工程師被邀請調(diào)整或添加多個變量或環(huán)境條件，然后查看模擬結(jié)果。

工程師可以使用的另一個數(shù)字雙胞胎選項是卡爾曼濾波器，它通過對資產(chǎn)的退化進(jìn)行建模來結(jié)合物理和數(shù)據(jù)，然后定期更新數(shù)字資產(chǎn)的狀態(tài)以表示物理資產(chǎn)的現(xiàn)狀。

讀者如何將數(shù)字雙胞胎融入設(shè)計過程？

PW：在設(shè)計資產(chǎn)時，工程團(tuán)隊?wèi)?yīng)該為每個組件創(chuàng)建一個數(shù)字雙胞胎。他們擁有的與其資產(chǎn)組件相對應(yīng)的數(shù)字雙胞胎越多，數(shù)字雙胞胎的測量結(jié)果就越準(zhǔn)確，資產(chǎn)工程師就越有能力虛擬測試他們的資產(chǎn)。某些應(yīng)用程序可能需要比其他應(yīng)用程序更少的唯一雙胞胎總數(shù)——例如，對多個系統(tǒng)的系統(tǒng)進(jìn)行建模的團(tuán)隊可能不需要為每個系統(tǒng)創(chuàng)建一個雙胞胎，因?yàn)閷鹊钠谕赡茌^低。但是，如果設(shè)計團(tuán)隊打算運(yùn)行，例如，故障預(yù)測和故障分類，他們需要為每個目的創(chuàng)建不同的模型，并且這些模型可用的數(shù)字雙胞胎越多越好。

這是有道理的——數(shù)據(jù)工程團(tuán)隊擁有的越多，他們可以為雇主提供的價值就越大？

普瓦：沒錯。數(shù)字雙胞胎的靈活性和優(yōu)勢應(yīng)使其成為向工業(yè) 4.0 過渡的企業(yè)的重中之重。通過提供運(yùn)營中資產(chǎn)的最新表示，公司為其工程和設(shè)計團(tuán)隊提供了無限的機(jī)會來優(yōu)化、自動化或提高其資產(chǎn)的效率并評估未來的績效——所有這些活動都會導(dǎo)致成本節(jié)約、加速開發(fā)和最終，行業(yè)領(lǐng)先。

審核編輯：郭婷