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详解数字孪生应用的十大关键问题!

来源: hoei 2020-6-30 01:15:59 显示全部楼层 |阅读模式
011757jtidz3822ji2tzdd.jpg 导读:假如不能准确明确数字孪生技能的根本内涵就囫囵吞枣地应用数字孪生技能,很大概会“走入邪路”。




文/ e-works CEO、总编 黄培博士

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当前,数字孪生(Digital twin)是各界关注的热门,环球著名IT研究机构Gartner曾在2017年至2019年一连三年将数字孪生列为十大新兴技能之一。北京航空航天大学陶飞传授团队对数字孪生技能举行了长期的深入研究,撰写了一批国际水准的学术论文。近期,美国工业互联网同盟(IIC)、IDC、埃森哲、中国信通院、赛迪等研究机构相继发表了干系白皮书,我国从政府主管部分到企业也非常关注数字孪生技能。
但是,当前业界对于数字孪生技能还存在一些暗昧乃至错误的认识,给数字孪生技能披上了一层机密的面纱。e-works以为,假如不能准确明确数字孪生技能的根本内涵就囫囵吞枣地应用数字孪生技能,很大概会“走入邪路”。为此,本文渴望连合工业界的应用需求与实践,厘清对数字孪生的根本认识,引导企业准确明确和应用数字孪生技能。
01
关于数字孪生的内涵


很多业界主流公司都对数字孪生给出了自己的明确和界说,对于数字孪生的泉源,本文不再赘述。本文起首对Gartner在已往三年对数字孪生的叙述举行解读。
2017年,Gartner在十大新兴技能的专题对数字孪生的表明是:数字孪生是实物或体系的动态软件模子,在三到五年内,数十亿计的实物将通过数字孪生来表达。通过应用实物的零部件运行和对情况做出反应的物理数据,以及来自传感器的数据,数字孪生可用于分析和模拟实际运行状态,应对厘革,改善运营,实现增值。数字孪生所发挥的作用就像一个专业技师和传统的监控和控制器(比方压力表)的连合体。推进数字孪生应用须要举行文化厘革,连合装备维护专家、数据科学家和IT专家的上风。将装备的数字孪生模子与生产办法、情况,以及人、业务和流程的数字表达连合起来,以实现对实际天下更加准确的数字表达,从而实现仿真、分析和控制。[1]
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△ Gartner2017年发布的新兴技能成熟度曲线


在Gartner2017年发布的新兴技能成熟度曲线中,数字孪生处于创新萌发期,隔断成熟应用尚有5-10年时间。

2018年,Gartner在十大新兴技能专题中对数字孪生的表明是:数字孪生是实际天下实物或体系的数字化表达。随着物联网的广泛应用,数字孪生可以毗连实际天下的对象,提供其状态信息,相应厘革,改善运营并增长代价。到2020年,估计将有210亿个传感器和末了接入点毗连在一起,在不久的未来,数十亿计物体将拥有数字孪生模子。Gartner公司副总裁David Cearley指出,通过维修、维护与运营(MRO)以及通过物联网提拔装备运营绩效,有望节流数十亿美元。[2]
短期内,数字孪生将有助于资产管理,但终极将通过洞察产物利用情况,以及有哪些改善途径,从而终极企业提拔运营绩效。
除了通过物联网毗连“物”,数字孪生毗连的对象尚有更多。“随着时间的推移,我们这个天下的万事万物险些都可以与其数字对象动态地相互毗连,并可以大概基于AI实现高级仿真、运营和分析,” Cearley指出。“从久远来看,从事都会规划、数字营销、医疗保健和工业规划的专业人士都将在向集成的数字孪生天下转型中获益。” 比方,未来的人类数字模子可以提供生物辨认和医疗数据,而整个都会的数字孪生模子将可以大概实现高级模拟。
从2018年Gartner发布的新兴技能成熟度曲线中可以看出,数字孪生已经进入了过热期,其建立和预期出现了高峰,超出其当前本领,会形成投资泡沫。

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△ Gartner2018年发布的新兴技能成熟度曲线


2019年,Gartner在十大新兴技能专题中对数字孪生的表明如下:
数字孪生是实际生存中物体、流程或体系的数字镜像。大型体系,比方发电厂或都会也可以创建其数字孪生模子。数字孪生的想法并不新,可以回溯到用盘算机辅助计划来表述产物,大概创建客户的在线档案,但是如今的数字孪生有以下四点差别:[3]

  • 模子的坚固性,聚焦于怎样支持特定的业务结果;
  • 与实际天下的毗连,具有实实际时监控和控制的潜力;
  • 应用高级大数据分析和人工智能技能来获取新的商机;
  • 数字孪生模子与实物模子的交互,并评估各种场景怎样应对的本领。

当前的重点是基于物联网应用的数字孪生,可以通过提供维护和可靠性信息,洞察产物怎样更有用地运行和有关新产物和进步服从的数据,以改善企业决定。构造的数字孪生正在鼓起,以通过创建构造的流程模子,可以举行及时监控并进步流程服从。

从上述分析中可以看出,Gartner对于数字孪生的明确也有一个不停演进的过程,而数字孪生的应用主体也不范围于基于物联网来洞察和提拔产物的运行绩效,而是延伸到更广阔的范畴,比方工厂的数字孪生、都会的数字孪生,乃至构造的数字孪生。
环球著名PLM研究机构CIMdata以为:数字孪生模子不大概单独存在;可以有多个针对差别用途的数字孪生模子,每个都有其特定的特性,比方数据分析数字孪生模子、MRO数字孪生模子、财务数字孪生模子、工程孪生模子以及工程仿真数据孪生模子;每个数字孪生模子必须有一个对应的物理实体,数字孪生模子可以而且应该先于物理实体而存在;物理实体可以是工厂、船舶、根本办法、汽车或任何范例的产物;每个数字孪生模子必须与其对应物理实体有某些情势的数据交互,但不必是及时或电子情势。

GE Digital以为:数字孪生是资产和流程的软件表现,用于明确、推测和优化绩效以改善业务结果。数字孪生由三部分构成:数据模子、一组分析工具或算法,以及知识。[4]

     西门子以为:数字孪生是物理产物或流程的假造表现,用于明确和推测物理对象或产物的性能特性。数字孪生用于在产物的整个生命周期,在物理原型和资产投资之前模拟、推测和优化产物和生产体系。[5]


SAP以为:数字孪生是物理对象或体系的假造表现,但其远远不但是一个高科技的外貌。数字孪生利用数据、呆板学习和物联网来资助企业优化、创新和提供新服务。[6]

PTC以为:数字孪生(PTC翻译为数字映射)正在成为企业从数字化转型办法中获益的最佳途径。对于工业企业,数字孪生紧张应用于产物的工程计划、运营和服务,带来紧张的商业代价,并为整个企业的数字化转型奠定根本。[7]
    陶飞传授指出:当前对数字孪生存在多种差别认识和明确,如今尚未形成同一共识的界说,但物理实体、假造模子、数据、毗连和服务是数字孪生的核心要素。差别阶段(如产物的差别生命周期)的数字孪生出现出差别的特点,对数字孪生的认识与实践离不开具体对象、具体应用与具体需求。从应用和管理实际需求的角度出发,实际应用过程中不肯定要求所创建的“数字孪生”具备全部理想特性,能满意用户的具体需求即可。


在赵敏老师和宁振波老师撰写的《铸魂:软件界说制造》一书中指出,数字孪生是实践先行,概念后成;数字孪生模子可以与实物模子高度相像,而不大概相称;数字孪生模子和实物模子也不是一个简单的一对一的对应关系,而大概存在一对多,多对一、多对多,乃至一对少,一对零和零对一等多种对应关系。
     连合学术界的研究和工业界的实践,e-works以为,数字孪生并不是一种单位的数字化技能,而是在多种使能技能敏捷发展和交织融合根本上,通过构建物理实体所对应的数字孪生模子,并对数字孪生模子举行可视化、调试、体验、分析与优化,从而提拔物理实体性能和运行绩效的综合性技能战略,是企业推进数字化转型的核心战略办法之一。


02
数字孪生的根本特性



数字孪生的根本特性是虚实映射。通过对物理实体构建数字孪生模子,实现物理模子和数字孪生模子的双向映射。构建数字孪生模子不是目标,而是本领,须要通过对数字孪生模子的分析与优化,来改善其对应的物理实体的性能和运行绩效。
任何物理实体都可以创建其数字孪生模子,一个零件、一个部件、一个产物、一台装备、一把加工刀具、一条生产线、一个车间、一座工厂、一个修建、一座都会,以致一颗心脏、一个人体等。对于差别的物理实体,其数字孪生模子的用途和偏重点差别很大。
比方,达索体系资助新加坡构建了数字都会,创建了一座都会的数字孪生模子,不但包罗了地理信息的三维模子,各种修建的三维模子,还包罗了各种地下管线的三维模子。该模子作为都会的数字化档案,可以用于优化都会交通,便于各种公共办法的维护。Biodigital公司创建了生物数字人体模拟演示的在线平台,可以资助医生和科学家研究人体构造,举行模拟试验。在太空探索的过程中,科学家通过数字孪生模子对远在太空的航天器,比方登岸火星的“好奇号”火星车举行长途监控、仿真与操控。显然,物理实体的结构越复杂,其对应的数字孪生模子也会越复杂,实现数字孪生应用的难度也更大。
011759wuzbdjoegvdbouj2.jpg △ 图源:达索体系(新加坡数字都会)
    03
数字孪生的关键使能技能


数字孪生敏捷成为高潮,源于数字化计划、假造仿真和工业互联网(工业物联网)等关键使能技能的发达发展与交织融合。
数字化计划技能从早期的二维计划发展到三维建模,从三维线框造型进化到三维实体造型、特性造型,产生了诸如直接建模、同步建模、肴杂建模等技能,以及面向修建与施工行业的BIM技能(修建信息模子)。三维建模技能不但用于产物计划阶段,而且可以实现三维工艺计划。产物的三维模子中不但包罗多少信息、装配关系,还包罗PMI(产物制造信息,包罗尺寸、公差、形位公差、粗糙度和质料规格等信息)等制造信息,已经可以实现MBD(基于模子的产物界说)。

为了支持产物三维模子的快速欣赏,可以从包罗三维工艺特性的完备三维特性模子中,抽取出仅包罗多少信息的轻量化三维模子。基于三维造型和三维表现技能,假造实际技能(VR)取得了发达发展,广泛用于汽车、飞机、工厂等复杂对象的假造体验,包罗沉醉式假造实际体系Cave,用于产物展示和市场推广的三维渲染技能,以及基于视景仿真的模拟驾驶技能等。比年来又发展起来加强实际技能(AR),其特点是可以将实物模子和数字化模子融合在一个可视化情况之中,从而实现传感器数据的可视化,还可以举行产物操纵、装拆及维修过程的三维可视化,实现产物操纵培训、维修维护等应用。

假造仿真技能从早期的有限元分析发展到对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真,多范畴物理建模,对振动、碰撞、噪声、爆炸等各种物理征象的仿真,对产物的活动仿真,及质料力学、弹性力学和动力学仿真,对产物长期利用的疲劳仿真,对整个产物的体系仿真,以及针对注塑、铸造、焊接、折弯和冲压等各种加工工艺的仿真,以及装配仿真,资助产物实现团体性能最优的多学科仿真与优化,针对数控加工和工业呆板人的活动仿真(此中数控仿真又可以分为仅仿真刀具轨迹,以及仿真整个工件、刀具和数控装备的活动),尚有面向工厂的装备结构、产线、物流和人因工程仿真。假如从仿真的对象来区分,假造仿真技能可以分为产物性能仿真、制造工艺仿真和数字化工厂仿真。
在数字化计划技能和假造仿真技能发展和集成应用的过程中,产生了Digital Mockup(DMU,数字原型)、Digital Prototyping(数字样机)、Virtual Prototype(假造样机)、Functional Virtual Prototype(全功能假造样机)等技能,紧张是用于实现复杂产物的活动仿真、装配仿真和性能仿真。通过对数字样机举行假造试验,可以淘汰物理样机和物理试验的数目,从而低落产物研发和试制本钱,进步研发服从。
另一方面,随着传感器技能和无线通讯技能的发展,二十一世纪以来,物联网应用越来越广。除在消耗范畴应用之外,为了支持高代价工业装备的运行监控和维修维护,工业物联网(IIOT)开始受到业界广泛关注。IIOT收罗的数据范例和收罗频率比平常的物联网应用高得多,而应用的数学模子和分析方法也比平常的物联网应用复杂得多。
在学术界的研究和GE、西门子等工业巨头的树模效应驱动下,数字孪生技能开始受到广泛关注。2016年6月,我在美国到场西门子工业软件一年一度的环球媒体与分析师聚会会议时,西门子应用了Digital Twin、Digital Thread(数字主线)等术语。我其时发起他们对这些名词术语给予表明,厥后西门子给我发来对十多个名词的表明,e-works专门对这些名词术语举行了翻译,发表了一篇文章。

从数字孪生技能的发展配景可以看出,数字孪生模子是相对于其物理模子而言的。可以先创建数字孪生模子,应用数字孪生模子来举行假造试验,但终极照旧要创建物理模子,通过对数字孪生的分析,来优化物理模子的运行。

除了上述技能,工业大数据、人工智能等技能也是数字孪生的关键使能技能。

须要夸大的是,数字孪生的关键使能技能在数字孪生诞生之前就已经存在。而数字孪生的应用,又促进了这些关键使能技能的进一步发展。

04
产物的数字孪生

和工厂的数字孪生



差别物理实体的数字孪生应用重点差别很大。

产物数字孪生应用的重点在于复杂的机电软一体扮装备,比方发电装备、工程呆板、呆板加工中央、高端医疗装备、航空发动机、飞机、卫星、船舶、轨道交通装备、电梯、通讯装备,以及可以大概实现智能互联的通讯终端产物。

在产物的计划制造生命周期,可以通过在实物样机上安装传感器,在样机测试的过程中,将传感器收罗的数据转达到产物的数字孪生模子,通过对数字孪生模子举行仿真和优化,从而改进和提拔终极定型产物的性能;还可以通过半实物仿真的方式,部分零部件接纳数字孪生模子,部分零件接纳物理模子来举行及时仿真和试验,验证和优化产物性能。另一方面,在产物创新计划时,大多数零部件会重用前一代产物的零部件,假如老产物已经创建了关键零部件的数字孪生模子,同样也应当举行重用,从而提拔新产物研发服从和质量。
产物服役的生命周期是产物的数字孪生应用最核心的阶段。尤其是对于长命命的复杂装备,通过工业物联网收罗装备运行数据,并与其数字孪生模子在类似工况下的仿真效果举行比对,可以分析出该装备的运行是否正常,运行绩效怎样,是否须要更换零部件,并可以连合人工智能技能分析装备的康健程度,举行故障推测等。对于高端装备产物,其数字孪生模子应当包罗每一个实物产物服役的全生命周期数字化档案。
在产物的报废采取再利用生命周期,可以根据产物的利用履历、维修BOM和更换备品备件的记载,连合数字孪生模子的仿真效果,来判断哪些零件可以举行再利用和再制造。比方SpaceX公司的一级火箭实现了复用,连合数字孪生技能,可以更加正确地判断哪些零部件可以复用,从而大大低落了火箭发射的本钱。

工厂的数字孪生应用也分为三个方面:在新工厂建立之前,可以通过数字化工厂仿真技能来对构建工厂的数字孪生模子,并对主动化控制体系和产线举行假造调试;在工厂建立期间,数字孪生模子可以作为现场施工的指南,还可以应用AR等技能在施工现场引导施工;而在工厂建成之后正式运行期间,可以通过其数字孪生模子对实体工厂的生产装备、物流装备、检测与试验装备、产线和仪表的运行状态与绩效,以及生产质量、产量、能耗、工业安全等关键数据举行可视化,在此根本上举行分析与优化,从而资助工厂进步产能、提拔质量、低落能耗,并消除安全隐患,制止安全事故。

     如今,已有很多企业创建了生产监控与指挥体系,对车间举行视频监控,表现装备状态(停机、正常、预警和报警等),展示各种分析报表和图表等。构建数字孪生工厂可以进一步提拔工厂运行的透明度。然而,要构建工厂完备的高保真数字孪生模子,须要工厂的修建、产线、装备和产物的数字孪生模子,难度很大。装备和产线的数字孪生模子构建,有赖于厂商提供干系数据,仅仅通过立体相机照相,通过逆向工程构建的车间三维模子精度很低,而且也只包罗外貌的三维模子。但是,即便是仅仅根本的表现性的低精度的工厂数字孪生模子,对于工厂管理者及时洞察生产、质量和能耗情况,尽早发现装备隐患,制止非操持停机,也具有实用代价。


     须要夸大的是,对于一个已经建成投产的工厂,在工厂运行过程中,其数字孪生工厂所表现的全部数据和状态信息,均来自真实的物理工厂,而非仿真效果。毫无疑问,要构建数字孪生工厂,须要实现装备数据收罗和车间联网(M2M)。


下图是美的团体的数字孪生工厂应用实例。

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△ 美的团体数字孪生工厂应用实例


数字孪生工厂对于离散制造企业和流程制造企业都有非常紧张的代价。在观察英国Aveva公司时,我们观摩了该公司对于化工厂和无人海上钻井平台的数字孪生应用展示,数字孪生应用对于工厂的安全运营具有紧张意义。
产物数字孪生模子与工厂数字孪生模子在产物的制造过程中可以实现融合应用。在推进工厂的数字孪生应用时,假如有高保真的产物数字孪生模子,而且在此根本上可以大概构建产物的制造、装配、包装、测试等工艺的数字孪生模子,以及各种刀具和工装夹具的数字孪生模子,则可以在数字化工厂情况中,更加精准地对产物制造过程举行分析和优化。

05
产物数字孪生模子的演进

和数字主线



产物的数字孪生模子是一个“不停生长、不停丰富”的过程,在整个产物生命周期中,从产物的需求信息、功能信息、质料信息、利用情况信息、结构信息、装配信息、工艺信息、测试信息到维护信息,不停扩展,不停丰富,不停美满。数字孪生模子越完备,就越可以大概迫近其对应的实体对象,从而对实体对象举行可视化、分析、优化。
假如把产物全生命周期各类数字孪生模子比喻为散乱的珍珠,那么将这些珍珠串起来的链子,就是数字主线(Digital Thread)。数字主线不但可以串起各个阶段的数字孪生模子,也包罗产物全生命周期的信息,确保在发生变更时,各类产物信息的划一性。
CIMdata以为,数字主线是一种信息交互的框架,可以大概买通原来多个竖井式的业务视角,连通装备生命周期数据(也就是其数字孪生模子)的互联数据流和集成视图。数字主线通过强盛的端到端的互联体系模子和基于模子的体系工程(MBSE)流程来支持和支持。波音公司开展了数字孪生和数字主线应用实践,提出基于模子企业(MBE)“钻石模子”。
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△ 波音公司提出的基于模子企业的“钻石模子”


对产物数字孪生模子的仿真分析,可以发现产物出现了什么题目。但假如要探究为什么出现题目,还须要依赖数字主线把各个阶段的数字孪生模子串起,来举行整合分析。
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△ 数字孪生与数字主线(泉源:林诗万)


埃森哲在其发表的《数字孪生:打造生力产物,重塑客户体验》白皮书中非常夸大数字主线和数字孪生的密切接洽。所谓生力产物指的是Live Product。埃森哲以为,数字主线是贯穿于公司各个职能部分和产物生命周期的信息流,涵盖产物构思、计划、供应链、制造、售后服务等各个环节,以致外部的供应商、相助搭档、和客户产生的数据,使其能对产物及其运行提供全景的动态信息,赋能数字孪生的开辟和更新。数字主线使得产物计划、制造和运维过程中所利用的流程以及所产生的数据可以大概链接、追溯和管理;而数字孪生是在产物计划至运维的整个生命周期内,利用颠末数字主线管控的数据对产物举行建模、对产物的性能、活动举行仿真、推测、诊断和反馈。   06
数字孪生

在制造业的典范应用场景


数字孪生技能在各个行业有广泛的应用场景。陶飞传授团队在《盘算机集成制造体系》2018年第1期登载的“数字孪生及其应用探索”一文中,归纳了14种应用场景,厥后又在论文中先容了数字孪生在航空航天、电力、汽车、石油天然气、康健医疗、船舶航运、都会管理、智慧农业、修建建立、安全抢救、情况掩护等11个范畴,45个细分类的应用。

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△ 数字孪生的工业应用(泉源:陶飞传授)

e-works以为,数字孪生在制造业的应用远景广阔。此中,产物的数字孪生应用覆盖产物的研发、工艺规划、制造、测试、运维等各个生命周期,可以资助企业推进数字化营销和自助式服务,有助于企业提拔维护服务收入,创新商业模式;工厂数字孪生在工厂计划、制作,生产线调试、安装,工厂运行监控、工业安全等方面都可以对企业带来代价;数字孪生在供应链管理范畴也可以应用,比方车间物流调理、运输路径优化等。
以下先容一些数字孪生在制造业的典范应用:
① 产物的运行监控和智能运维。


     对于可以大概实现智能互联的复杂产物,尤其是高端智能装备,将及时收罗的装备运行过程中的传感器数据转达到其数字孪生模子举行仿真分析,可以对装备的康健状态和故障征兆举行诊断,并举行故障推测;假如产物运行的工况发生改变,对于拟采取的调解步伐,可以先对其数字孪生模子在仿真云平台上举行假造验证,假如没有题目,再对实际产物的运行参数举行调解。下图是ANSYS的数字孪生技能在风电行业应用的案例。通过应用数字孪生技能,可以资助风电企业制止非操持性停机,实现推测性维护和运行控制与优化。


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ANSYS在风电行业的数字孪生应用案例

     对于航空发动机的数字孪生应用,由于每台发动机的飞行履历差别,飞行的情况差别,康健服役的寿命,以及维护汗青差别很大,因此,应当对每台航空发动机创建其对应的数字孪生模子。GE航空对于正在空中运行的航空发动机举行及时监控,一旦出现故障隐患,可以通过对数字孪生模子的分析来推测风险品级,及时举行维修维护,显着提拔了飞行安全。GE航空通过数字孪生模子记载了每台航空发动机每个架次的飞行蹊径、承载量,以及差别飞行员的驾驶风俗和对应的油耗,通太过析和优化,可以延伸发动机的服役周期,并改进发动机的计划方案。


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△ GE航空的数字孪生应用

在数字孪生应用范畴,GE与ANSYS公司开展了战略相助。通过数字孪生技能的应用,实现产物的康健管理、长途诊断、智能维护和共享服务。通过连合传感器数据和仿真技能,资助客户分析特定的工作条件并推测故障,从而节省运维本钱。GE航空通过汇总计划、制造、运行、完备飞行周期的干系数据,推测航空发动机的性能表现:
○ 将发动机传感器数据与性能模子连合,根据运行情况的厘革和物剃头动机性能的衰减,构建自顺应模子,精准监测航空发动机的部件和整机性能;


○ 将发动机汗青维修数据中的故障模式注入三维结构模子和性能模子,构建故障模子,应用于故障诊断和推测;


○ 将航空公司汗青飞行数据与性能模子连合并融合数据驱动的方法,构建性能推测模子,推测整机性能和剩余寿命;


○ 将局部线性化模子与飞机运行状态情况模子融归并构建控制优化模子,实现发动机控制性能寻优,使发动机在飞行过程中发挥更好的性能。

西门子未来自智能传感器的温度、加速度、压力和电磁场等信号和数据,以及来自数字孪生模子中的多物理场模子和电磁场仿真和温度场仿真效果转达到Mindsphere平台,通过举行对比和评估,来判断产物的可用性、运行绩效和是否须要更换备件。

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△ 西门子的数字孪生应用案例

    在复杂装备的运维方面,可以通过AR技能,基于产物的数字孪生模子天生产物操纵、装配或拆卸的三维动画。在实物情况下,透过各种穿着装备或移动终端举行示教。PTC提供了先辈易用的AR应用平台。

② 工厂运行状态的及时模拟和长途监控。


     对于正在运行的工厂,通过其数字孪生模子可以实现工厂运行的可视化。包罗生产装备如今的状态,在加工什么订单,装备和产线的OEE、产量、质量与能耗等,还可以定位每一台物流装备的位置和状态。对于出现故障的装备,可以表现出具体的故障范例。华龙讯达应用数字孪生技能,在烟草行业举行了工厂运行状态的及时模拟和长途监控实践,中烟团体在北京就可以实现对分布在各地的工厂举行长途监控。海尔、美的在工厂的数字孪生应用方面也开展了卓有成效的实践。

③ 生产线假造调试。


在假造调试范畴,西门子公司及上海智参、广州明珞等相助搭档已开展了很多实践。假造调试技能在数字化情况中创建生产线的三维结构,包罗工业呆板人、主动化装备、PLC和传感器等装备。在现场调试之前,可以直接在假造情况下,对生产线的数字孪生模子举行呆板活动、工艺仿真和电气调试,让装备在未安装之前已经完成调试。
     应用假造调试技能,在假造调试阶段,将控制装备毗连到假造站/线;完成假造调试后,控制装备可以快速切换到实际生产线;可随时切换到假造情况,分析、修正和验证正在运行的生产线上的题目,制止长时间且昂贵的生产停顿。


假造调试技能对企业的代价表如今:早期验证优化研发+工艺+制造的可行性,淘汰物理样机投入本钱;淘汰去用户现场做呆板人调试时间和堕落率,节省出差本钱;虚实融合后为整个工厂的数字孪生打好根本,工厂建成之后可以与SCADA体系融合,打造基于三维模子的可视化监控体系,实现工厂的数字孪生。
    Maplesoft公司的MapleSim平台提供了一体化的生产线假造调试管理方案。罗克韦尔主动化依附百年的行业积累,近期通过战略投资和加速整合生态相助搭档等方法在加速美满数字化管理方案。2019年,罗克韦尔主动化收购了数字模拟和仿真的创新型工程软件开辟商Emulate3D。其软件使客户可以大概在制造和主动化本钱实际发生和交付终极计划之前对呆板和体系计划举行假造测试,改进体系规划和计划决定,以便可以大概在终极计划定型与制造本钱落地之前对装备体系的计划举行验证,大大紧缩产物上市时间和进步运营服从,还可以利用工厂的数字孪生模子对员工举行培训,低落工厂运营的风险。
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△ Emulate3D和MapleSim假造调试平台

美的团体旗下的美云智数的MIoT.VC体系提供了基于数字孪生的假造调试管理方案。其组件库内置1400多个呆板人组件,内置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流呆板人协议;可以通过图形示教,可以快速举行呆板人姿态计划、活动路径干涉查抄和姿态公道性分析;支持呆板人姿态和轨迹的离线编程与假造调试,与现场装备的及时联机;支持喷涂、焊接等呆板人动作示教、离线编程及假造调试。该体系支持OPC-UA 和西门子S7两大工业协议。
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△ 美云智数的MIOT.VC假造调试体系

④ 机电软一体化复杂产物研发。


对于高度复杂的机电软一体化产物,可以在研发阶段通过构建产物的数字孪生模子,并通过工程仿真技能的应用加速产物的研发, 资助企业以更少的本钱和更快的速率将创新技能推向市场。运用数字孪生技能,可以大概综合利用结构、热学、电磁、流体和控制等仿真软件举行单物理场仿真和多场耦合仿真,对产物举行计划优化、确认和验证,还可以构建准确的综合仿真模子来分析实际产物的性能,实现一连创新。通过连合创成计划技能(Generative Design)、增材制造技能、半实物仿真技能,可以显着紧缩产物上市周期。

GE公司以为,从概念计划阶段开始推进航空发动机的数字孪生应用,更轻易地将计划和结构模子与运行数据干系联,同时,尚有助于优化计划,进步生产服从。精航伟泰测控仪器(北京)有限公司提供了基于模子的卫星数字孪生计划管理方案,可以最大程度地将验证后的计划模子主动转化为卫星的物理实现,比方可以根据干系计划模子主动天生星载软件的代码。
⑤ 数字营销。


对于尚未上市的新产物,通过发布其概念阶段的数字孪生模子,让消耗者选择更喜好的计划方案,然后再举行具体计划和制造,如许有助于企业提拔贩卖业绩。同时,通过构建基于数字孪生模子的在线设置器,可以资助企业实现产物的在线选配,实现大批量定制。下图是比特视界(北京)科技有限公司(BITONE)为宝沃汽车开辟的在线设置器,动感十足,可以检察各种设置的外貌和内饰。

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△ BITONE开辟的汽车在线设置器


07
数字孪生对制造企业的应用代价



IDC在2018年5月发表的《数字孪生网络》陈诉中指出,到 2020 年底,65%的制造企业将利用数字孪生运营产物和/或资产,低落质量缺陷本钱和服务交付本钱 25%。

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△ 数字孪生对制造企业的代价
IDC《数字孪生网络》陈诉

产物数字孪生应用的代价是通过虚实融合、虚实映射,一连改进产物的性能、为客户提供更好的体验,提高产物运行的安全性、可靠性、稳固性,提拔产物运行的“康健度”,在此根本上提拔产物在市场上的竞争力。同时,通过对产物的结构、质料、制造工艺等各方面的改进,低落产物本钱,资助企业进步红利本领;而工厂数字孪生应用的代价紧张表如今构建透明工厂,提拔工厂的运营管理程度,进步团体OEE,低落能耗,促进安全生产等方面。要真正实现工厂数字孪生应用的代价,须要装备用户企业和装备制造企业举行深条理的相助。
GE公司对数字孪生的应用代价给出了一段经典形貌:数字孪生通过海量的计划、制造、检测、维修、在线传感器及运营数据来创建和获取信息,运用一系列高保真的盘算的和基于物理实体的模子,以及高级分析方法来推测资产装备在其全生命周期的康健和绩效。数字孪生模子的正确程度随着时间推移,通过更多数据来对模子举行精炼,以及类似装备摆设其数字孪生应用而提拔。模子随着数据的一连收罗而不停修正。数字孪生模子提供了装备的具体知识,推测对各种大概场景的应对情况,并作为及时参照来构建各种应用体系,以实现优化各类服务,进步绩效和服从,改善运维、供应链和业务运营等业务代价。[8]
数字孪生技能最早的提倡者之一,NASA国家先辈制造中央主任John Vickers以为:“数字孪生模子的终极目标是在假造情况中创建、测试和生产所需装备。只有当它满意我们的需求时,才举行实体生产。然后,又将实体生产过程通过传感器转达给数字孪生模子,以确保数字孪生模子包罗我们对实体产物举行检测所可以大概得到的全部信息。”

另一篇GE发表于2015年的文章指出:数字孪生模子的上风是通过连合从计划到及时收罗装备的数据等干系信息,来对装备在全生命周期举行优化。不但可以低落原型计划或制造的本钱,而且可以通过将及时数据导入数字孪生模子举行分析,从而推测故障,低落维护本钱,淘汰停机时间。

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数字孪生主流厂商和管理方案



当前,数字孪生范畴在环球受到广泛关注。西门子、达索体系、PTC、ANSYS、罗克韦尔主动化、Aveva、ESI、GE、SAP、Unity、微软、Altair、Maplesoft、Bentley、力控科技、华力创通、触角科技、优也科技、华龙讯达、美云智数、寄云科技、华天软件、精航伟泰、比特视界和同元软控等国表里厂商提供了数字孪生的干系管理方案。

西门子的数字孪生管理方案覆盖全面,从计划工具、假造仿真、制造运营管理到工业主动化、物联网平台等关键技能,均提供相应的技能。为了创建更加完备的数字孪生应用模子,西门子在CAD/PLM等工业软件根本上,不停加大投资,先后并购整合了质量管理、生产操持排程、制造实验、仿真分析等各范畴领先的技能。

西门子的数字孪生应用分为产物数字孪生(Product Digital Twin)、生产数字孪生(Production Digital Twin)和性能数字孪生(Performance Digital Twin)形成了一个完备的管理方案体系,并把西门子现有的产物及体系包揽此中,比方Teamcenter、NX、Simcenter等。

  • 产物数字孪生:在产物的概念和计划阶段创建数字孪生后,使得工程师可以根据相应的要求仿真和验证产物属性:比方评估产物是否稳固,是否直观易用?汽车车身是否提供尽大概低的氛围阻力?电子装备是否可靠?无论是涉及呆板、电子、软件照旧体系性能,数字孪生都可以用于提前测试和优化。
  • 生产数字孪生:它涉及从工厂的呆板、装备、传感器等整个生产情况的各个方面。通过在假造情况中仿真和调试,在实际操纵开始之前,就可以辨认错误和防止故障。
  • 性能数字孪生:不停地从产物或生产线得到运行数据。如允许以一连监控来自呆板的状态数据和制造体系的能耗数据等信息。这使得可以实验推测性维护维修,以防止停机并优化能耗。
   
ANSYS Twin Builder是一款针对数字孪生的产物软件包,能资助工程师快速构建、验证和摆设物理产物的数字化表现情势。这款开放式管理方案可以集成任何IIoT平台,而且包罗运行时摆设功能,从而可以大概在运行过程中一连监控所用的每台资产装备。在ANSYS Twin Builder的支持下,工业资产的毗连功能与团体体系仿真充实连合,能资助客户开展诊断和故障清除工作,确定理想的维护步调,优化每个资产装备的性能,并得到极富洞察力的数据,从而改进新一代产物。
迩来,Ansys与微软、戴尔、Lendlease等连合推广数字孪生技能,共同组建了数字孪生同盟(Digital Twin Consortium, www.digitaltwinconsortium.org)。ANSYS与浩繁搭档的相助,表明仿真技能不再仅仅只是作为工程师计划更精彩产物和低落物理测试本钱的利器,通过打造数字孪生,仿真技能的应用扩展到各个运营范畴,涵盖产物的康健管理、长途诊断、智能维护和共享服务等应用。

     PTC对于数字孪生(数字映射)的认知更夸大数字天下与实际天下的接洽。PTC的数字孪生涵盖产物计划、制造、利用,再将利用数据回传举行监测分析,使得实际天下与数字天下之间的数据转达形成完备回路,加强实际天下与数字天下的毗连。


     随着工业企业天生越来越多的有关物理天下的数据,PTC将这些数据映射回界说其产物、流程和职员的 IT 体系,以加强数字主线。同时PTC的物联网平台ThingWorx和加强实际平台Vuforia等创造的数据,可以进一步发掘数字孪生应用的代价。


PTC还与罗克韦尔、Ansys等创建了相助关系。PTC的ThingWorx、Vuforia与罗克韦尔主动化的MES、FactoryTalk Analytics 以及 Industrial Automation 平台,可以简化企业的毗连方式,实现更好的互联互操纵性。而在ThingWorx上快速添加ANSYS工程仿真技能,通过两大技能平台之间创建接洽,则有助于将原始数据厘革为可采取办法的新型智能信息。
达索体系的数字孪生实现紧张依托3DEXPERIENCE平台,将企业产物的开辟、验证、生产、贩卖、运营全流程与企业项目管理流程整合,实现虚实融合与交互。3DEXPERIENCE平台将干系技能和功能集成到一个同一的数字化创新情况中,创建数字孪生,从整个生态体系获取洞察力和专业知识,从而丈量、评估和推测工业资产的表现,并以智能方式资助企业优化自身运营。

达索体系与ABB创建了环球相助搭档关系,为数字化工业客户提供独特的、从产物生命周期管理到资产康健的软件管理方案组合。两家公司融合ABB Ability数字化管理方案和达索体系3DEXPERIENCE平台的上风,共同为客户提供先辈的数字孪生管理方案,资助客户以更高的团体服从、机动性和可一连性运行。

Altair作为环球仿真技能领先厂商之一,比年来举行一系列干系并购,订定了相应的数字孪生战略。Altair数字孪生集成平台融合了物理和数据驱动的映射,以支持整个产物生命周期的优化。基于Altair Activate,连合硬件在环和物联网功能,举行多学科体系建模,实现数字孪生技能。除此之外,Altair与ACROME相助,基于3D+lD体系协同仿真引擎,推出了面向数字孪生概念的机电一体化仿真与实物实验平台相连合的专用讲授套件。SAP在2016年发布了资产智能网络AIN(Asset Intelligent Network),并在2018年汉诺威工博会上发布数字孪生网络(Networks of Digital Twins),将制造商和运营商在产物的差别阶段的数字化映像数据真正买通。SAP的数字孪生体系通过在数字天下中打造一个完备的数字化映射,实现了及时的工程和研发。在产物的利用阶段,SAP数字孪生体系收罗装备的运行状态,举行分析,得生产物的实际性能,再与需求计划的目标比力,形成产物研发的闭环体系。如许的一个闭环体系,对于产物的数字化研发和产物创新有着非常紧张的意义。


ESI团体提出了肴杂孪生概念,可以对服务中的产物举行数值模拟,并得出可靠的推测性维护方案。Hybrid Twin肴杂孪生模子的利用丰富了真实数据的假造样机并利用AI和呆板学习使更正确的推测变得可行和实用。Hybrid Twin监控体系及时厘革,可正确推测各个产物特定活动的几率。通过构建Hybrid Twin肴杂孪生模子,ESI团体资助风电场的维护和监控本钱均匀低落了30%。
Unity基于自身及时3D技能和人机交互引擎,围绕数字孪生技能体系提供及时3D开辟工具;同时面向特定应用场景,与相助搭档共同推出完备管理方案。在Unity平台上,开辟者可以完成从辅助产物计划、制造到终极产物上市的全生命周期,实现全流程的数字化。
Aveva为工业和根本办法行业提供全面的复合数字孪生(composite Digital Twin)。Aveva的数字孪生管理方案涵盖资产生命周期和运营生命周期,管理过程模拟、计划、工程、施工数据与供应链、运营和维护等一系列题目。Aveva在数字孪生范畴不但创建了非常全面的数字化装备模子,同时能对装备各种信息和变更举行高效管理,资助企业进步数据质量,淘汰错误、延误和返工,低落本钱。

微软Azure将数字孪生作为一项 IoT 服务,是一套构建可感知情况的 IoT 管理方案,资助创建综合性的物理情况模子。它可创建空间智能图,对职员、空间和装备之间的关系和交互建模。从物理空间而非差别的传感器中查询数据。别的,它还能构建可重用、高度可缩放且可感知空间的体验,跨物理天下和数字天下将流式处置惩罚数据链接到一起。

Bentley面向数字孪生范畴推出的iTwin Services,即数字孪生模子云服务,可提供多范畴的对应服务,此中包罗概念创新、施工、检验、灾后重修、运营创新等服务。它可资助一连检察项目状态,且可向前或向后查询变更分类时间线上的任何哀求的项目状态,并实现任何项目时间线状态之间厘革的可视化和分析可见性。

值得注意的是,Bentley所提的数字孪生管理方案与BIM管理方案有显着的区别:数字孪生服务于差别项目阶段的任务,会碰到来自差别厂商、差别软件所创造的数据。打开和辨认一个BIM模子,每每须要原始的三维软件。而数字孪生技能给用户带来的效益是,能直接查询差别软件创建的BIM模子,直接对全部差别数据源的信息举行相识。
Maplesoft提供用于假造调试的数字孪生管理方案。通过数字孪生实现基于仿真的电机选型、PLC代码测试、离线和在线仿真等,消除装备计划中的推测。

力控科技数字孪生管理方案是通过集成三维可视化技能、快速建模技能、工厂装备及时状态监控技能、摄像监控技能等,实现三维数字孪生工厂的团体管理。三维数字孪生工厂平台将车间三维高精度模子、工艺流程、装备属性、装备及时数据,以及工厂运营管理数据等举行融合,直观地展示生产车间的工艺流程,实现车间生产的长途控制管理,进步车间的运营管理服从。同时为客户提供完备的、高附加值的产物管理方案,实现企业的智能化与精致化管理。

华力创通提供产物的数字孪生管理方案,服务MBSE 驱动的多维度数字样机、复杂假造装配、复杂人机工效、多用途假造实际体系、数据质量管理和轻量化技能、高性能盘算云盘算、工程模拟器、视景仿真可视化等业务。华力创通面向工厂的数字孪生管理方案,则连合MES、SCADA 等软件,在通用假造实际平台软硬件支持下,华力创通提供物理信息驱动下的实景三维工厂的假造实际人机交互体验体系,通过全三维数据和业务数据的叠加,实现基于假造实际加强实际的工厂数字孪生项目标落地。

美云智数提供了假造调试管理方案和数字孪生工厂管理方案,在美的团体等企业应用,取得显着效果。数字孪生工厂应用实现了装备联机、虚实连合、真实互动、装备故障预警和维修提示。工厂考核服从提拔65% ,装备故障率降落高出9% ,题目相应速率提拔 30%。

寄云科技为大型制造企业构建了从单一装备到复杂体系的数字孪生,通过对装备及时状态、检测和维护数据的智能分析,实现装备状态监测、推测性维护、生产服从分析、质量溯源和推测等多种智能应用。

优也科技的Thingswise工业互联网平台通过数字孪生技能可以面向生产全流程全周期来开辟智能应用。

触角科技的数字孪生偏重应用新一代MR/VR头戴表现装备,及时展示数字孪生三维场景与IoT动态数据,并通过天然互动方式完成对场景中假造装备的多视角仿真操控;连合真实工业生产情况与装备,完成虚实融合的互动操纵流程引导,实现了新一代交互式电子引导手册;全程录制面向数字孪生三维场景的仿真操纵流程,并作为资源共享给其他工作职员在同一三维场景中举行可视化回放,用于特定任务的仿真验证与培训。

华龙迅达基于腾讯云推出木星数字孪平生台,基于物理模子、传感器、运行汗青等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程的数据管理平台,实现产物数据在假造空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程数字将工厂物理空间的控制、运行、质量、物耗、能耗等数据在假造空间中创建及时镜像举行假造制造仿真,并将仿真效果作用于物理空间现场,助力企业提拔资源优化设置本领、生产过程控制本领、均质生产保障本领、柔性制造本领和敏捷生产本领。

同元软控面向航天范畴,提供了数字伴飞和数字空间站等数字孪生应用方案。

精航伟泰则推出了基于模子的商业卫星计划验证平台。 09
数字孪生的推进战略



e-works以为,数字孪生是制造业推进数字化转型和智能制造的战略办法和实际途径之一。对于制造企业而言,推进数字孪生应用须要创建明确的目标,以代价为导向,创建跨部分的推进构造,连合IT、主动化、研发、仿真、工艺、测试、装备运维等部分的团队,并引入专业咨询机构,务实推进。
数字孪生应用是IT/OT融合的典范应用,要实现虚实映射,须要搭建工业互联网平台,明确应用对象的重点是企业生产的产物,照旧工厂,亦或是供应链;面向产物的数字孪生应用重点是支持产物研发、市场推广照旧运营维护;面向工厂的数字孪生应用重点是工厂或产线建立期间的假造调试,照旧工厂运营阶段的可视化与优化。同时,企业须要创建全三维计划、仿真驱动计划的技能根本和构造体系。推进数字孪生须要订定团体规划,但连合具体目标,分步实验,不能搞“大而全”的应用。推进数字孪生应用必须公道把控风险。

埃森哲《数字孪生:打造生力产物,重塑客户体验》白皮书提出了推进数字孪生应用的四个阶段。

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△ 埃森哲D缠数字孪生应用的四个阶段

在数字孪生的实际应用当中,不大概,也没有须要盲目寻求全部数字孪生模子的“高保真”。由于保真度的提拔意味着构建数字孪生模子的难度和本钱的大幅度提拔,同时,对数字孪生模子举行分析的复杂性和耗时也会敏捷攀升。数字孪生模子越复杂,也就越难以实现虚实映射的及时性。在实际应用当中,对全部零部件的多物理场都举行复杂的三维仿真耗时很长,每每会举行降阶处置惩罚,通过一维仿真对产物的团体性能举行分析。因此,企业须要根据实际应用需求和性能代价比来选择构建差别保真度的数字孪生模子。 10
数字孪生

在制造业的应用远景预测


近期,关于数字孪生的讨论和争论很多,这有利于制造企业准确明确和推进数字孪生的应用。e-works以为,数字孪生是一个既具有前瞻性,又易于被各界明确的创新理念,数字孪生这个术语自己的“生命周期”会很长,而不是短期盛行的时髦词汇(Buzzword)。数字孪生理念颠末概念炒作阶段之后,会徐徐走向务实推进的阶段。
如今,围绕数字孪生技能的讨论更多地还会合在概念探究阶段,我国制造企业真正开展的实际应用还处于初期阶段。正如前一阶段各方面热议,工业互联网缺乏“杀手级”应用一样,企业也应该在产物数字孪生和工厂数字孪生范畴找到自己的“杀手级”应用。
纵然没有数字孪生,很多装备制造企业也已经开始通过工业互联网(工业物联网)平台,对正在服役的装备举行长途监控,并利用工业大数据和人工智能技能举行推测性维护。那么,通过数字孪生技能实现虚实融合,可以进一步通过对这些装备运行过程的及时仿真和优化,提拔装备运行绩效,制止非常事故。同样,纵然没有数字孪生,很多制造企业也在建立生产监控与指挥体系,实现工厂的可视化、透明化。那么,通过数字孪生技能实现虚实映射,可以更加精准地把控工厂、车间、产线和装备的生产、能耗、质量、物流供应的及时状态,从而提拔工厂的运行绩效,制止装备非操持性停机。因此,数字孪生应用给制造企业带来的代价是实着实在的。

e-works发起,制造企业应当构造针对数字孪生的培训,深入研究数字孪生的理念,数字孪生干系产物和管理方案,连合自身的财产特点和实际需求,找到数字孪生应用的突破口。在此根本上,订定命字孪生应用规划。

数字孪生应用,长路漫漫,但路就在脚下!从数字孪生应用中获益的时机,属于有预备的企业! 注:本文的第八部分紧张由e-works首席记者王阳撰写。在本文撰写过程中,得到了李培根院士的引导,并多次向陶飞传授讨教,也与赵敏、彭慧等专家举行了探究互换,在此深表感谢!


参考文献:

[1]https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartners-top-10-technology-trends-2017/

[2]https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2018/

[3]https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2019/

[4] https://www.ge.com/digital/applications/digital-twin

[5] https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/our-story/glossary/digital-twin/24465

[6] https://www.sap.com/products/digital-supply-chain/digital-twin.html

[7] https://www.ptc.com/en/industry-insights/digital-twin

[8] https://www.ge.com/research/offering/digital-twin-creation

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