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        2021 IAS展
        現場總線

        數字孿生,不破不立

          2021年06月25日  

          最近業內有一個很火的概念:“數字孿生”。各大機構也對它非常重視。國際知名調研機構Gartner連續四年將“數字孿生”入選“十大戰略科技發展趨勢” ,并在2019年的報告中預測,到2021年,半數的大型工業企業將使用數字孿生,從而使這些企業的效率提高10%。洛克希德·馬丁公司視它為未來國防工業6大頂尖技術之首。美國GE公司已為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振,創造了一個數字孿生體。

          今年4月,國家發展改革委重磅發布《關于推進“上云用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》,其中“數字孿生”技術被提及多次,和人工智能、5G、物聯網等前沿技術一樣,受關注程度上升到國家高度。

          然而,數字孿生到底是什么?如何助力工業4.0?智能制造又將如何被變革?接下來帶你一文了解。

          在5G技術下,數字孿生逐步從概念走向落地,讓“智造”管理走向“細胞級”。

          數字孿生,不僅僅是鏡像

          數字孿生概念的提出可以追溯到2002年,美國密歇根大學Grieves教授在向工業界展示如何進行產品生命周期管理時提出的兩個系統:真實系統和虛擬系統,并提出了“信息鏡像模型”概念,后被稱作“數字孿生”。

          “數字孿生”是指以數字化方式拷貝一個物理對象,模擬對象在現實環境中的行為,對產品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真,幫助企業在實際投入生產之前即能在虛擬環境中優化、仿真和測試,在生產過程中也可同步優化整個企業流程,最終實現高效的柔性生產、實現快速創新上市,鍛造企業持久競爭力。

          通俗一點說,“數字孿生”是把真實世界的真實事物,可以是物體,也可以是某種過程,經過精確測量后,在虛擬空間創造出的可以反映真實情況的數碼復制體。它可以幫助人們實現前期工程仿真測試、中期制造全流程監管、后期產品問題追溯。

        物理世界與數字世界如何協同  圖源:《工業4.0與數字孿生》,德勤

          與“數字孿生”不同的是,仿真是基于現實的規律,創造出虛擬的物體,而“數字孿生”是真實事物的“數字體”,不僅僅是物理世界的鏡像,也要接受物理世界實時信息,更要反過來實時驅動物理世界,而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。 兩者都是工業4.0的好幫手,“數字孿生”更是未來企業實現轉型與創造價值的重要驅動力。

          “數字孿生”如何應用?又有何用?

          以汽車制造為例,汽車制造工廠的數字孿生是什么樣子? 先聊一聊汽車制造目前遇到的困境?,F代制造業工程越來越復雜。系統組件越來越多,且組件與組件之間的交互會衍生出一些新的特質;動態特性強,系統狀態隨時間快速變化;不確定性大,系統材料、結構以及周圍環境存在眾多不確定因素。

          汽車工業,是人類制造業的明珠之一。它是一種典型的離散制造:一輛汽車由3000多類、3萬~5萬種零部件組成,生產過程要經歷沖壓、焊裝、涂裝、總裝、電池五大車間、200多種加工工藝。產品的生產過程通常被分解為很多零件,在不同的工廠甚至不同的企業里生產,每個車間的生產設備完全不一樣,生產過程更為復雜多變,十分考驗企業管理生產的能力。

          這樣的制造體系復雜且龐大,如何進行精準管理一直是業內待攻破的難題,而數字孿生技術的應用,將能很好地解決這個問題。 數字孿生能實現真實工廠1:1還原成“數字體”,大到整廠五個車間,小到車間里每臺設備和每一個生產動作,都映射在“數字體”上。人在辦公室,就能輕而易舉看到生產現場的一舉一動,直接通過搜索定位、“拖拉拽”等簡單交互,就能定位到生產線的每一個細節。

        數字孿生示意圖 圖源:優也公司

          除了遠程查看,數字孿生讓監管精細到“細胞級”。依托數字孿生而實現的實時數據分析、自動提醒與報錯的功能,能使得制造現場的每一個生產細節都在監管范圍之內,一旦出現制造偏差,比如一個小小的螺絲釘沒有擰緊,系統就會自動提醒。

          除了實時監管,“回放”也是數字孿生的重要功能。借助數字孿生,工程師們可以快速追溯生產數據,甚至細化到當時螺絲的力矩,更容易分析故障的原因;在車輛交付給消費者后, “回放”仍然可以在售后服務中發揮作用。

          數字孿生技術在產品的運行監控和智能運維,工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控,以及生產線虛擬調試、機電軟一體化復雜產品研發等方面,正在給制造業創造巨大價值。通過數字孿生技術的使用,能大幅推動產品在設計、生產、維護及維修等環節的變革,極大降低運營成本,提高安全性。

          “數字孿生”困難重重,但不破不立

          不過,應用數字孿生技術并不是一件容易的事情。 全球知名的未來學家ThomasFrey預測,到2022年,85%的物聯網平臺將使用數字孿生技術進行監控,少數城市將率先利用數字孿生技術進行智慧城市的管理。但目前還存在很多的困境。 隨著工廠自動化設備越來越多,設備接入點位和十年前相比,可能增加了二、三十倍。孿生世界要與物理世界完成“一一對應”,就意味著工程師要用大量三維技術還原工廠設備。全域感知、運行監測,并整合歷史積累數據進行運算,數據采集的工作量之大、之細,將是數字孿生技術落地的一大挑戰。

          數字孿生系統的通用參考架構 圖源:《數字孿生體白皮書》

          其次軟件上,數字孿生需要更加先進的算法,各類軟件的整合,例如利用人工智能、邊緣計算等技術,對數據做到快速及時地輸出、極速地分析處理、可視化呈現,這對數據處理的平臺性能提出極高要求。

          再者實時性,數字孿生是動態而非靜態的,因此在前期采集好數據、完成數據的平臺承載后,后期生產過程中以及產品交付后的動態數據采集、反饋與分析,又是另一道難關。

          目前數字孿生技術落地的瓶頸來自方方面面,但它可以為工業制造、未來生活帶來無限的可能。

          凡事不破不立,困難當道更是破局者先。如今,數字孿生的概念得到各領域的廣泛重視,各類應用概念層出不窮:

          產品研發:通過構建產品的數字孿生體,改變傳統的產品研發模式。

          智能制造:數字孿生車間的概念,通過物理世界和信息世界的交互與共融,實現智能制造。

          壽命管理:勞斯萊斯公司推出了智能發動機的概念,該發動機能夠“感知”周圍環境并進行相應的自我調整,延長使用壽命。

          智慧校園:佐治亞理工學院推出智慧校園的概念,實現了校園能耗系統的態勢感知、預測、優化和虛擬試驗。劍橋大學也建立了類似的動態數字孿生演示系統。

          未來,隨著成像技術和物聯網等新興技術的進一步發展,數字孿生技術的應用領域將得到進一步拓展。

          制造業數智化轉型,數字孿生不能缺席。

          在今年9月舉辦的第 23 屆中國國際工業博覽會上,哈工智能將在8.1國際館參展,并可能于業內率先在現場展示數字孿生概念,現場觀眾可手動操作以實時交互數字孿生技術,體驗其實時性、保真性、閉環性。哈工智能也將秉持“科技、智能,與世界一同成長”的理念,緊跟時代步伐,以先進技術夯實智能制造主營業務的核心競爭力。

        標簽:哈工智能 數字孿生我要反饋
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