數(shù)字孿生——實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的利器

你是否設(shè)想過在另一個平行時空中，存在另一個你？之于人，實現(xiàn)難度還太大，不過之于物，已經(jīng)在探索和應(yīng)用中。要用到的就是數(shù)字孿生技術(shù)，一起來了解一下吧~

聽起來挺高大上的數(shù)字孿生技術(shù)，源于人類的一種需求。“爸媽，家里已經(jīng)有我了，為什么還要再生一個？”“嗯。你玩游戲時，要是大號廢了，不是得練個小號嗎？”這顯然是一個笑話，但是，如果未來能夠?qū)?shù)字孿生應(yīng)用于人類，也許在網(wǎng)絡(luò)空間中就有了一個僅存在于信息世界里的“你”——數(shù)字孿生的你。

1、數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生(Digital Twin)最早出現(xiàn)于2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，是一個誕生于 21世紀的“年輕”概念。2017年10月，Gartner將數(shù)字孿生技術(shù)評為2017年10大技術(shù)趨勢之一。

這項技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中扮演著越來越重要的角色。特斯拉公司為其生產(chǎn)和銷售的每一輛電動汽車都建立了數(shù)字孿生模型，相對應(yīng)的模型數(shù)據(jù)都保存在公司數(shù)據(jù)庫里，以便在測試中排查故障，為客戶提供更好的服務(wù)。

數(shù)字孿生技術(shù)是一種實體空間與虛擬空間的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的映射關(guān)系，在物理與數(shù)字兩個空間同時記錄個體全生命周期的運行軌跡，這樣我們便可以在網(wǎng)絡(luò)空間中記錄或者觀察物體或設(shè)備的運行特征。

從更為深刻的角度來思考，數(shù)字孿生在信息世界里構(gòu)建了一個平行的虛擬空間，這在信息維度上打開了一扇能夠?qū)崿F(xiàn)時間非均勻性呈現(xiàn)的大門，也許會通往一種跨域時空的網(wǎng)絡(luò)。

以目前的技術(shù)和對生命的認知，人類還無法完全理解大自然的智慧，大自然通過基因沿時間軸傳承自身的智慧，讓人類在進化中一代代更迭。基因相當(dāng)于一個沿著時間軸的網(wǎng)絡(luò)，是垂直于空間的，基因作為“核心技術(shù)”還無法完全破解。

而人類發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)則是存在于現(xiàn)有空間中的，無法沿時間軸傳遞智慧。但是，有了數(shù)字孿生，也許就有了智慧傳承的時空分析模型的一個引子。

數(shù)字孿生技術(shù)表現(xiàn)的是形狀上完全一樣，但質(zhì)地上差異很大的一對事物，數(shù)字模型就像是真實物體的影子，是數(shù)字世界中虛擬的模型。所有的數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通，真實物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的信息系統(tǒng)向數(shù)字化模型反饋。

另外，有一些公司正在試圖將機器學(xué)習(xí)技術(shù)引入數(shù)字孿生領(lǐng)域，幫助建立智能化的數(shù)字模型，利用大量的傳感器獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合AI算法，可以嘗試對正常運行的設(shè)備機器做出異常行為預(yù)測，及時排查運作過程中可能會出現(xiàn)的隱患。

一些技術(shù)專家認為，基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生技術(shù)，使人們可以在不靠近或無法靠近設(shè)備的情況下，進行相應(yīng)的預(yù)估檢測。隨著這種技術(shù)日趨成熟，最終或許會大范圍地覆蓋整個工業(yè)領(lǐng)域。它將被企業(yè)用于規(guī)劃設(shè)備服務(wù)、生產(chǎn)線操作、預(yù)測設(shè)備何時出現(xiàn)故障、提高操作效率、幫助新產(chǎn)品開發(fā)等。在未來，這項技術(shù)將有望與工業(yè)生產(chǎn)徹底融合，推動工業(yè)4.0全面進入智能的新階段。

2、數(shù)字孿生的特點

2011年，Michael Grieves教授在《幾乎完美：通過PLM驅(qū)動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞——數(shù)字孿生體，并一直沿用至今。其概念模型如下圖所示，包括三個主要部分：物理空間的實體產(chǎn)品(物理空間)、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品(虛擬空間)、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。

數(shù)字孿生是實現(xiàn)物理與信息深度融合的一種有效手段。數(shù)字孿生具有以下特點。

• 對物理對象的各類數(shù)據(jù)進行集成，是物理對象的忠實映射。

• 存在于物理對象的全生命周期，與其共同進化，并不斷積累相關(guān)知識。

• 不僅能夠?qū)ξ锢韺ο筮M行描述，而且能夠基于模型優(yōu)化物理對象。

當(dāng)前數(shù)字孿生的理念已在部分領(lǐng)域得到了應(yīng)用和驗證。西門子公司提出了“數(shù)字化雙胞胎”的概念，包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”“生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”。致力于幫助制造企業(yè)在信息空間構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，實現(xiàn)物理空間從產(chǎn)品設(shè)計到制造執(zhí)行的全過程數(shù)字化。

3、數(shù)字孿生的應(yīng)用

?在航天飛行器中的應(yīng)用

2011年，美國空軍研究實驗室為了解決未來復(fù)雜服役環(huán)境下的航天飛行器維護問題及壽命預(yù)測問題，計劃在2025年交付一個新型號的空間飛行器以及與該物理產(chǎn)品相對應(yīng)的數(shù)字模型，即有機數(shù)字孿生體，其在兩方面具有超寫實性：包含所有的幾何數(shù)據(jù)，如加工時的誤差；包含所有的材料數(shù)據(jù)，如材料微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

當(dāng)時，在美國國家航空航天局(NASA)的一個項目中，NASA需要制造兩個完全相同的空間飛行器，留在地球上的飛行器稱為孿生體，用來反映(或作鏡像)正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)或狀況。

• 在飛行準備期間，被稱為孿生體的空間飛行器廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練。在數(shù)字空間中建立真實的飛行器模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛行器真實狀態(tài)完全同步。

• 在任務(wù)執(zhí)行期間，使用留在地球上的孿生體進行仿真實驗，該孿生體盡可能精確地反映和預(yù)測正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

• 在每次飛行結(jié)束之后，在數(shù)字空間里根據(jù)此次飛行的數(shù)據(jù)分析飛行器現(xiàn)狀和負荷情況，而不用檢修人員進入機艙對發(fā)動機等各種設(shè)備進行實際的檢測。

機體數(shù)字孿生體作為正在制造和維護的機體的超寫實模型，是可以用來對機體是否滿足任務(wù)條件進行模擬和判斷的。它由許多子模型組成的集成模型，如下圖所示。

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?目前，除了產(chǎn)品以外，針對工廠、車間、生產(chǎn)線、制造資源(工位、設(shè)備、人員、物料等)，在虛擬空間都可以建立相應(yīng)的數(shù)字孿生體。詳見如下幾個例子。

1．數(shù)字線索

如果說數(shù)字孿生是一系列正在發(fā)展中的概念、模型、技術(shù)、應(yīng)用，那么，數(shù)字線索(Digital Thread)則側(cè)重于“模型”及其基于模型的系統(tǒng)工程分析框架。數(shù)字線索最早由美國的洛克希德·馬丁公司提出，其特點是“全部元素建模定義、全部數(shù)據(jù)采集分析、全部決策仿真評估”，能夠量化并減少系統(tǒng)壽命周期中的各種不確定性，實現(xiàn)需求的自動跟蹤、設(shè)計的快速迭代、生產(chǎn)的穩(wěn)定控制和維護的實時管理。下圖是一個數(shù)字線索基礎(chǔ)設(shè)施示意圖。

例如，在產(chǎn)品的概念設(shè)計與研發(fā)階段，早期快速迭代非常關(guān)鍵。通過執(zhí)行快速的“假設(shè)”和建模分析，用戶可在研發(fā)過程早期了解產(chǎn)品特性，避免在不切實際的設(shè)計上浪費時間，并且防止在驗證階段重新進行設(shè)計。這能幫助用戶以更少的成本和更快的速度將創(chuàng)新技術(shù)推向市場。

在產(chǎn)品應(yīng)用后的設(shè)備維護階段，持續(xù)變化的現(xiàn)場產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)可與工程仿真的結(jié)果同步結(jié)合并進行仿真評估，以預(yù)測產(chǎn)品一定條件下未來性能的變化。這種預(yù)測性功能可優(yōu)化維護進度、降低維護成本、減少或避免計劃外設(shè)備停機、提高運營性能。具體來講，通過對每一個設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)建模，進行基于現(xiàn)實應(yīng)用的分析，以獲得更高的運行效率、更低的熱耗率、更長的壽命和更大的功率。

2．生產(chǎn)生命周期的應(yīng)用

數(shù)字孿生是實際運行設(shè)備的實時虛擬版本，可用來提供產(chǎn)品的性能與維護信息。工程仿真并不局限于產(chǎn)品研發(fā)過程。如下圖所示，物理設(shè)備(左圖)上的傳感器將溫度、振動、碰撞、載荷等各項數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)字孿生的虛擬樣機(右圖)。然后，虛擬樣機與機械工作環(huán)境的變化保持一致，并同步運行。數(shù)字孿生能夠在出現(xiàn)狀況前提早進行預(yù)測，以便在預(yù)定停機時間內(nèi)更換磨損部件，避免意外停機。另外，用戶還可根據(jù)實時反饋信息提前部署新一代機器的設(shè)計。

使用數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)對不斷提高的產(chǎn)品復(fù)雜性，同時設(shè)計空間不斷擴展，這些優(yōu)勢推動了更多的新用戶使用仿真技術(shù)，從而在工作的產(chǎn)品之間建立聯(lián)系。例如，產(chǎn)品研發(fā)團隊可將數(shù)字孿生提供的信息直接運用到當(dāng)前的產(chǎn)品研發(fā)工作中，這有望大幅加速新產(chǎn)品的創(chuàng)新和推出過程。可以說，我們正迎來全新的仿真時代，數(shù)字孿生將帶領(lǐng)我們超越仿真驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)的范疇，逐漸擴展到仿真驅(qū)動的工程領(lǐng)域。

3．數(shù)字孿生車間

通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，在車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，實現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，達到車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種車間運行新模式。

在基于信息物理融合的探索中，陶飛和程穎等科研工作者構(gòu)建的數(shù)字孿生車間參考系統(tǒng)架構(gòu)見下圖。他們認為，數(shù)字孿生車間(Digital Twin Workshop，DTW)主要由物理車間(physical workshop)、虛擬車間(cyber workshop)、車間服務(wù)系統(tǒng)(Workshop Service System，WSS)、車間孿生數(shù)據(jù)(workshop digital twin data)4部分組成。

4、小結(jié)

數(shù)字孿生產(chǎn)生于物聯(lián)網(wǎng)時代，它源于物聯(lián)網(wǎng)和CPS(信息物理系統(tǒng))，深于物聯(lián)網(wǎng)。“深”在什么地方？

• 一個是“線索”的粗細不一樣。物聯(lián)網(wǎng)的線條更粗，聯(lián)系更廣；而數(shù)字孿生的線條更為細密。這也是科技更新迭代的速度，所催生出更加精細化的技術(shù)場景，這一趨勢使然。

• 另一個是“預(yù)測”。數(shù)字孿生能夠讓產(chǎn)品、系統(tǒng)在應(yīng)用的場景里，沿時間軸模擬并“超越”產(chǎn)品的變化周期。

當(dāng)然，兩者所能夠聯(lián)系起來的變量(或者說因素)的規(guī)模和場景都有所區(qū)分，但是它們都是新一代信息技術(shù)的一部分。

總結(jié)

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