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導讀

INTRODUCTION

數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的理解、分析和優(yōu)化。

數(shù)字孿生的一般定義

數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的理解、分析和優(yōu)化。 從更加專業(yè)的角度來說，數(shù)字孿生集成了人工智能(AI)和機器學習(ML)等技術，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結合在一起建立模擬，即物理對象的虛擬映射，以期在問題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問題，監(jiān)控物理對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)復雜處理與異常分析，并預測潛在風險，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P設備進行維護。 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)字化鏡像的過程和方法(圖1)。數(shù)字孿生有五大驅(qū)動要素——物理世界的傳感器、數(shù)據(jù)、集成、分析和驅(qū)動器，以及持續(xù)更新的數(shù)字孿生應用程序。

圖1 數(shù)字孿生是在數(shù)字世界對物理世界的映射

生產(chǎn)流程中配置的傳感器可以發(fā)出信號，數(shù)字孿生可通過信號獲取與實際流程相關的運營和環(huán)境數(shù)據(jù)。傳感器提供的實際運營和環(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)和設計規(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。 傳感器通過集成技術(包括邊緣、通信接口和安全)達成物理世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)字孿生利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，進而分析數(shù)據(jù)、提供洞見，建立物理實體和流程的準實時數(shù)字化模型，數(shù)字孿生能夠識別不同層面偏離理想狀態(tài)的異常情況。若確定應當采取行動，則數(shù)字孿生將在人工干預的情況下通過促動器展開實際行動，推進實際流程的開展。當然，在實際操作中，流程(或物理實體)及其數(shù)字虛擬鏡像明顯比簡單的模型或結構要復雜得多。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，美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局同時提出了數(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)字紐帶是種可擴展、可配置的企業(yè)級分析框架，在整個系統(tǒng)的生命周期中，通過提供訪問、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通知決策制定者。通過分析和對比數(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)字孿生體的相關信息是通過數(shù)字紐帶進行交換、處理的。以產(chǎn)品設計和制造過程為例，產(chǎn)品數(shù)字孿生體與數(shù)字紐帶的關系如圖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/裝配成真實的物理產(chǎn)品，繼而通過在線的數(shù)字化檢驗/測量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進而反饋到仿真分析模型中。 通過數(shù)字紐帶實現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期各階段的模型和關鍵數(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)字孿生關鍵技術說明

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的Michael Grieves博士于2002年提出(最初的名稱為“ConceptualIdeal for PLM”)，至今有超過15年的歷史。MichaelGrieves與NASA長期合作。

在航天領域，航天器的研發(fā)和運營必須依賴于數(shù)字化技術：在研發(fā)階段，需要降低物理樣機的成本；在運營階段，需要對航天器進行遠程狀態(tài)監(jiān)控和故障監(jiān)測。這也是后來NASA把數(shù)字化雙胞胎(即數(shù)字孿生)作為關鍵技術的原因。圖5展示了數(shù)字孿生技術在裝備行業(yè)的應用。

圖5 數(shù)字孿生技術在裝備行業(yè)的應用

數(shù)字孿生技術幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個企業(yè)流程，最終實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)、實現(xiàn)快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。數(shù)字孿生技術是制造企業(yè)邁向“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略目標的關鍵技術，通過掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段(產(chǎn)品創(chuàng)意、設計、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用)銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應的生產(chǎn)智能設備。數(shù)字孿生將各專業(yè)技術集成為一個數(shù)據(jù)模型，并將PLM(產(chǎn)品生命周期管理軟件)、MOM(生產(chǎn)運營系統(tǒng))和TIA(全集成自動化)集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺下，也可以根據(jù)需要將供應商納入平臺，實現(xiàn)價值鏈數(shù)據(jù)的整合，業(yè)務領域包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“設備數(shù)字孿生”(圖6)。

圖6 數(shù)字孿生技術在裝備行業(yè)的應用

在產(chǎn)品的設計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數(shù)字孿生的關鍵能力包含：數(shù)字模型設計，使用CAD工具開發(fā)出滿足技術規(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，并通過一系列驗證手段來檢驗設計的精準程度——模擬和仿真，通過一系列可重復、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來驗證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設計階段就可驗證產(chǎn)品的適應性。產(chǎn)品數(shù)字孿生將在需求驅(qū)動下，建立基于模型的系統(tǒng)工程產(chǎn)品研發(fā)模式，實現(xiàn)“需求定義-系統(tǒng)仿真-功能設計-邏輯設計-物理設計-設計仿真-實物試驗”全過程閉環(huán)管理，從細化領域?qū)缦聨讉€方面(圖7)：

圖7 數(shù)字孿生技術在裝備行業(yè)的應用——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)，它所要設計、仿真和驗證的對象主要是生產(chǎn)系統(tǒng)，包括制造工藝、制造設備、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)品導入的時間，提高產(chǎn)品設計的質(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)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段構建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設備、生產(chǎn)過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，具體實現(xiàn)如下功能(圖8)：

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

關鍵指標監(jiān)控和過程能力評估。通過采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設備的實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全部生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控，并且通過經(jīng)驗或者機器學習建立關鍵設備參數(shù)、檢驗指標的監(jiān)控策略，對出現(xiàn)違背策略的異常情況進行及時處理和調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過程。作為客戶的設備資產(chǎn)，產(chǎn)品在運行過程中將設備運行信息實時傳送到云端，以進行設備運行優(yōu)化、可預測性維護與保養(yǎng)，并通過設備運行信息對產(chǎn)品設計、工藝和制造迭代優(yōu)化(圖9)。

圖9 數(shù)字孿生技術在裝備行業(yè)的應用——設備數(shù)字孿生

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)設備連接云端、行業(yè)云端算法庫以及行業(yè)應用APP，以西門子MindSphere平臺為例說明運營數(shù)字化雙胞胎的架構(圖10)。該架構包含： ? 連接層MindConnect：支持開放的設備連接標準，如OPCUA，實現(xiàn)西門子與第三方產(chǎn)品的即插即用，并對數(shù)據(jù)傳輸進行安全加密。 ?平臺層MindSphere：為客戶個性化APP的開發(fā)提供開放式接口，并提供多種云基礎設施，如SAP、AWS、MicrosoftAzure，并提供公有云、私有云及現(xiàn)場部署。 ?應用層MindApps：應用來自西門子與合作伙伴的APP，或由企業(yè)自主開發(fā)的APP，以獲取設備透明度與深度分析報告。預測性服務可將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軘?shù)據(jù)。數(shù)字化技術的發(fā)展可讓企業(yè)洞察機器與工廠的狀況，從而在實際問題發(fā)生之前，對異常和偏離閾值的情況迅速做出響應。

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

審核編輯 ：李倩